設計式學習 - 多點觸控支援合作設計式學習活動：合作腳本設計與系統實作

一、理論基礎

設計式學習重視學習的過程與產出，其本質是在有意義的「建造

（construction）」，即設計者（學習者）創建物件或作品來表示對他們有意義的學習成果（Fessakis, Tatsis, & Dimitracopoulou, 2008; Han & Bhattacharya, 2001）。

設計式學習是杜威「做中學（learning by doing）」方法的一個分支，在挑戰學生設計「動手做（hands on）」的解決方案以解決模擬經驗中的問題（Nelson, 2004），

「其立論基礎為杜威於《經驗與教育》一書中所主張的從經驗中學習以及動手操作的做中學」（吳百興、吳心楷，2010）。設計式學習普遍被認為與「建造論

（constructionism）」有關，強調創造與參與設計的學習價值（Fessakis et al., 2008;

Han & Bhattacharya, 2001）。

建造論是由 Papert（1986）所提出，延續自皮亞傑的建構主義的理念，建造論同樣主張學習者是主動的知識建構者，從經驗中主動建構知識（謝建全、施能木、鄭承昌，2004），此外，建造論的核心理念是「製作中學習（learning-by-making）」

（Papert & Harel, 1991），並主張透過設計與建造活動進行學習（Elliott &

Bruckman, 2002），強調學習發生在當學習者主動投入於外在事物或可與人共享之事物的「建造」中（Fessakis et al., 2008; Papert, 1990），例如一座沙堡的堆造、

一部機器的開發、或一本書的編寫，且著重透過對事物的操作，進而呈現、發展、

與人分享而達到有意義的學習（Papert & Harel, 1991），Hwu（2000）進一步闡述建造論重在「動手做」的經驗、運用知識進行設計和互動。學習者藉由外在作品的創作，將與人有更多的互動、更有機會分享他們所瞭解的事物和想法（謝建

全等人，2004）。王佑鎂與李璐（2009）認為在教室的教學情境中，能落實建造論的學習方式之一即為設計式學習，Han 與 Bhattacharya（2001）亦指出建造論可以被落實在設計式學習和專題式學習，兩者同樣受到建造論的理論與策略的引導，

因此有許多共同的特性，例如，學生在設計式學習和專題式學習的環境中，都被期待能為他們的學習負起更多的責任，也有機會參與對他們有意義的真實世界任務；不過，兩學習方式的不同之處在於，參與設計式學習的學生會預期為預先選定的觀眾設計作品，而專題式學習則不一定涉及一個有預設觀眾的學習環境。部分學者認為設計式學習是專題式學習的一種形式（form），也是一種主動學習的形式（Apedoe et al., 2008），可以使學生主動投入於產出、評估他們的想法和設計（Silk, Schunn, & Strand Cary, 2009）。

二、應用實例

設計式學習常運用於科學教育上，例如喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）發展了一系列適合六至八年級學生的「從設計中學習（Learning by Design）」科學課程（e.g., Hmelo et al., 2000; Kolodner et al., 2003; Vattam et al., 2007），包括範圍廣泛的設計挑戰以增進學生對重要科學原則的理解。Hmelo 等人以六年級的學生為對象，讓學生於生命科學課利用汽水瓶、氣球、海綿、吸管等材料設計並建造一組人工肺和呼吸系統的工作模型。Kolodner 等人以六至八年級的學生以小組形式進行以力與運動為主題的「從設計中學習」活動，目標是設計一輛可以越過 10 公分和 5 公分丘陵的氣球車及其推進系統，為達成設計目標，

學生必須調查能作為車子動力的相關科學現象，包括：該如何保持物體前進和摩擦力（牛頓第一運動定律）等相關議題，以及考量有關於如何讓車子啟動並結合力（牛頓第二、第三運動定律）的問題，並設計科學實驗（例如藉由氣球排氣來推動車子前進），再將實驗結果運用到小組的動力車設計上。Vattam 等人以氣墊船單元為實驗主題，讓七、八年級參加科學夏令營的學生以小組形式設計四種在功能及科學概念上愈趨複雜的氣墊船，活動為期一週（約 26 個小時），實驗組的學生可利用一款工具軟體「SHADE」作為設計的輔助，於其上進行模擬測試，

以提升對於設計結構的解釋能力，該研究發現實驗組的學生能對自己的發現做出更邏輯化、更深入且更正確的闡述並連結更多相關的知識。

密西根大學（University of Michigan）發展的「設計式科學」課程（Fortus et al., 2004; Fortus, Krajcik, Dershimer, Marx, & Mamlok‐Naaman, 2005），旨在藉由讓學生投入於作品的設計中，幫助學生建構科學理解與真實世界的問題解決能力，提供給高中學生去設計和建造極地房屋、環保電池、安全手機等原型的機會。Fortus 等人讓九年級和十年級的學生以四人為一組的方式進行設計式科學學習活動，希望學生從設計活動中學習科學，該活動共包括三個學習單元：「我該如何設計一個可適應極端環境的房屋結構？」、「我該如何設計一個較有益於環境的環保電池？」、「我該如何設計一個使用上更安全的手機？」，分別由五個、四個、與五個學習循環所組成，各歷時八週、三週半、與六週，每個學習循環聚焦於不同的科學概念，例如第一個單元中的五個學習循環分別探討天氣狀況、工程繪圖、

不同重量來源、形狀和結構完整性、和熱絕緣五個科學概念，該研究藉由分析科學知識前、後測及學生的設計作品，發現學生的科學知識除了在測驗成績上有顯著提升外，也能運用在解決設計問題上。

匹茲堡大學（University of Pittsburgh）發展的一系列的設計式學習課程，亦以科學課程為主，但對象和科目較為廣泛，對象從中學八年級到高中 12 年級，

科目包括基礎科學、物理、化學、生物等，都是設計式學習課程的範疇（e.g., Apedoe et al., 2008; Doppelt et al., 2008; Ellefson et al., 2008; Mehalik et al., 2008; Silk et al., 2009）。Doppelt 等人主張設計式學習可用以提升學生於科學學科上的學習成效，

Doppelt 等人以科學課的電學與電子學為主題，讓市區中學的 38 位八年級的學生設計電子警報系統。在該研究中，教師先引導學生思考警報系統的細節功能，學生發現警報系統可分為偵測特定事件即將發生的「探測系統」、指示使用者某特定事件已發生的「指示系統」、和上述兩系統運作的「動力系統」等三個子系統。

研究發現，高成就學生的學習成就測驗分數相較於前測有顯著進步，而低成就學生的進步分數則未達顯著差異，但其口頭報告成績則優於高成就學生；從學生的學習歷程檔案也發現，低成就學生普遍較高成就學生有更多的延伸性思考

（generative thinking）及更好的想法，對此，Doppelt 等人認為，藉由設計式學習的實施，可以降低不同種族及社經地位的學生學習成就上的間隔。

Apedoe 等人（2008）將設計式學習運用在高中化學課的加熱／冷卻單元，該研究歷時八週，學生以四人為一組，目的是設計一個利用吸熱或放熱化學反應來加熱或冷卻的裝置以學習化學的概念，此裝置須符合個人的日常生活需求，學生透過「規劃設計」、「發展子系統」、和「發表設計」等三部分構成的故事線進行設計式學習。首先，在「規劃設計」的部分，學生先閱讀並與組員討論相關的設計素材，再於組內腦力激盪，發想他們對加熱或冷卻系統的需求；其次，在「發展子系統」的部分，他們讓學生遵循一特定的「學習循環」進行設計活動、產出設計作品（例如涼爽水床或保暖長袍的原型）；最後，學生將設計的原型於作品展向同儕展示、討論他們的設計成果，該研究發現，完成學習活動的學生其化學學習成就相較於前測有顯著提升。Ellefson 等人（2008）則將設計式學習導入高中生物課的基因表現（gene expression）主題，為期八週，學生以四人一組設計可滿足他們日常生活需求的細菌，透過探究、討論、和設計修改（design modifications）

來改變細菌的基因結構，藉此學習分子處理與結構（ molecular process and structures）。該研究發現，學生的學習成就在高層次推理（higher-level reasoning）

的部分表現普遍較全國樣本為佳，此外，該研究也發現學生能將以前所學的知識轉移到新的情境。

另外，波士頓學院（Boston College）的 Barnett（2005）與 Doppelt 等人（2008）

同樣關注設計式學習對於市區學校學生的可能效益，Barnett 以市內貧民區（inner city）高中九年級學生為對象，於科學課導入設計式學習活動，學生以三至四人為一組進行水下遙控車（remotely operated vehicle）的設計，該研究發現學生在參與此設計式學習活動之後，不只對設計遙控車所運用到之物理概念的理解較前測有顯著進步，還能與先前物理課學到的課程內容做連結，此外，在上課出席率和對課程的參與度也有提升。

Silk 等人（2010）以機器人同步跳舞活動單元讓學生兩人一組或獨立工作，

設計出可讓不同機器人呈現出同步的舞步的程式來達成學習任務，以學習數學中

的比例關係，學生須自行定義設計問題，並向同儕闡述他們的設計構想、或提供他人立即回饋，藉由溝通與合作達成深度的學習。該研究讓學生嘗試使配置不同輪胎大小（直徑 5.6 公分與 3 公分）和輪胎間距（11 公分與 17 公分）的機器人跳出同步的舞步，為使機器人同步跳舞，學生須先設計舞步，再藉由操作實體機器人以發現機器人的物理特性和其路徑與速度的比例關係，最後進行實際測試並設計出可讓不同機器人呈現同步舞步的程式來達成學習任務。

三、小結

設計式學習是一種讓學生從建構作品的過程中培養各項重要技能的學習方法，學生所設計的作品可能是具有動力的滑車、環保的電池、會跳舞的機器人等，

這些設計任務經常是真實且複雜的，故設計式學習通常以合作的方式進行，讓學生可以彼此協助以完成任務，本研究稱為合作設計式學習。儘管研究結果已顯示出合作設計式學習有許多益處，但同時也指出了合作設計式學習面臨的許多挑戰。

在文檔中多點觸控支援合作設計式學習活動：合作腳本設計與系統實作 (頁 12-16)