「樂高學習」創意課程設計

教學設計的過程中，必須透過「教學材分析」、「教學分析」等 兩個階段方能完成教學活動的設計。教材分析即對「所要教的內容」

做結構性的解析，也就是分析教材內容的重要概念及彼此間的關係，

這個層面的分析不僅要確切掌握學習知識的實質內涵，也要能應用該 學習知識的思維方法，及對學習知識中的基本理念要有起碼的認識。

教材分析主要針對「教什麼」，而教學分析則必須考量「怎麼 教」。教師在進行教學前，必須將所要教授的教材內容轉換成教學流 程，而該流程並非只是時間先後順序的安排，它還需要有一個教學的 邏輯結構，即必須融入相關的教學模式、教學策略與方法，也就是這 個邏輯結構必須要有理論基礎做為後盾。

根據上述內容，本研究選定「LEGO Mindstorms」組件（如附錄 一所示）做為發展創意教學的核心主軸後，立刻對「LEGO

Mindstorms」組件、ROBOLAB 軟體、LEGO 機器人的設計流程等進 行教材分析，即對所要教授的內容做結構性的解析，以分析出教材內 容的重要概念以及其彼此間的關係。在教材分析之後則進行教學分 析，即將所要教授的教材內容轉換成教學流程（時間順序），同時考 量各個概念間的教學先後順序及邏輯關係，以設計出「樂高學習」創 意教學的課程及其教學活動，「樂高學習」的創意教學課程計的教案

（如附錄二所示）。有關本研究「樂高學習」的創意教學課程設計敘 述如後：

壹、LEGO Mindstorms 組件分析

LEGO Mindstorms（機器人組合）是樂高公司與麻省理工學院 經過十五年的研發工作，於 1998 年秋季在英國及美國開始正式上 市發售。由它的命名「Mindstorms」可看出樂高公司及麻省理工學 院對該項產品的信心，他們相信孩童經由玩這套產品，能夠對其認 知與學習引發一場強烈的心智激盪。台灣在 1999 年的元月份也引 進此產品，也是第一個發行該產品的非英系語系國家。這套產品包 括圖形化控制軟體（Robolab）、教案、紅外線程式傳輸器（IC，Infrared Transmitter）、可程式控制積木（RCX，computer based programmable brick 或稱 Intelligent brick）及各類型的零件組。這些零件組包含 141 種各式各樣的零件（計 716 個零件），例如：齒輪、軸、連接 管、輪胎、積木等；還有一些智慧的輸入、輸出裝置。輸入裝置有 光源感應器、觸控感應器及溫度感應器；輸出裝置有馬達及燈泡 等。這些輸出、入裝置與可程式控制積木搭配後，可以依據程式的 指定及輸入裝置所傳回的數值，做一些控制的動作，例如：使用者 可以在軟體上設計程式，當光源的降到某一程度時，馬達就開始運 作。

LEGO Mindstorms RIS 2.0 計有 141 種零組件（716 個零件）， 依其功能大致可區分為下列七種類別：

1.基本組件：此類零組件包括平板、投擲臂、橫桿、有孔積木、積 木等，此類積木主要功能在於組裝機器人時，以作為組裝主體結 構的零組件。

2.連接組件：此類零組件包括插銷、連接器。插銷用於連結橫桿與 橫桿、橫桿與投擲臂，以形成穩固 LEGO 結構。連接器用於連結

軸與軸、軸與橫桿，如此可延伸軸的結構。

3.傳動組件：此類零組件包括齒輪、滑輪與皮帶、軸、軸襯。齒輪 包括一般齒輪、冠狀齒輪、雙面斜齒輪、斜齒輪、離合齒輪、直 齒條、蝸桿、差速器等，它們功能主要在於傳送動力、改變力傳 送方向、改變機械速度等。滑輪、皮帶的功能是與齒輪非常類似，

只是滑輪與皮帶之間可能會打滑，但優點在於滑輪尺寸不受限制 且皮帶具有彈性，以至於在軸位置的安排提供靈活運用。軸、軸 襯是用於將齒輪、滑輪、輪等零組件固定於橫桿之上，而形成穩 定的機械傳動結構。

4.車輪組件：此類零組件包括各類輪圈、輪胎、履帶等。此類零組 件可組合出各種類型的車輪，用於機器人移動時使用。

5.動力組件：此類零組件包括 9V 馬達、連接線等。此類零組件透 過連接線以連接到 RCX（提供電力），以產生動力而驅動「傳動 機構」，使機器人移動及動作。

6.感測組件：此類零組件包括觸控感測器、測光感測器、連接線等。

觸控感測器用於感測機器人相關結構的碰觸訊號，以啟動機器人 後續的動作。測光感測器用於測量光的強度（包括可見光和紅外 光），藉由判斷光的強度程度而啟動機器人後續的動作。

7.控制組件：此類零組件包括 RCX、IR 傳輸器等。RCX（Robotic Command Explorer）是 LEGO Mindstorms 組件之大腦，在 RCX 上有六個端子：上面三個端子（1、2、3）是輸入端，用於連接 感應器；下面三個端子（A、B、C）是輸出端，用於連接馬達和 其他輸出設備。RCX 上具有液晶顯示器，可顯示有用的訊息。同 時，有四個控制按鈕，及一個可播放音樂的內置喇叭和一個紅外

線通信埠。撰寫在個人電腦裡的程式，必須透過 IR 傳輸器將程 式傳送到 RCX，如此便可控制機器人的動作。

考量 LEGO Mindstorms RIS 2.0 組件計有 141 種零組件（716 個 零件），這些零組件可說是相當龐雜，因為有分類與收納會有相當 的困難度。因此，將這些零組件分裝成 16 個小型收納盒（零組組 的分類圖如附錄一所示），再將小型收納盒裡的零組件製作成圖 片，並且貼於收納盒之上（如圖 7、8 所示）。圖中有關收納盒的編 號 RIS-12-01，其中 12 是指組別次編號，01 是分類次編號，

「RIS-12-01」係指第 12 組的第 01 類小型收納盒。最後，將 16 個 小型收納盒，分別裝入 RIS-12-A（裝有 RIS-12-01 至 RIS-12-08 等 8 盒）、RIS-12-B（裝有 RIS-12-09 至 RIS-12-16 等 8 盒）等兩個大 型收納盒，以便學童於機器人創意發展教學時，方便於搬運、使用、

清點等工作。

圖 7 機器人零組件的小型收納盒

貳、ROBOLAB 軟體分析

ROBOLAB 軟體是以美國國家儀器公司的 LabVIEW 軟體為基 礎開發的圖形化編譯程式環境。在 ROBOLAB 軟體中擁有三個不 同的圖形化編輯程式模式：領航者（Pilot）、發明家（inventor）和 探索者（investigator）。各個程式模式的說明如下：

1.領航者模式最容易的程式模式。其中使用了序列式程式環境以確 保程式能夠編譯和執行。

2.發明家模式是第二個程式模式。通常連線把圖像連接在組成程 式。編寫好的程式可以包括所有典型程式語法，例如：常數、變 數、迴圈和函式。

3.探索者模式是最後的程式模式。在此模式中包括了發明家模式中 的所有功能外，還增加了資料蒐集和進階資料分析功能。

本計畫受限於實驗教學的時間為六十小時，因此僅教導學童使 用領航者模式中的 Pilot 1－Pilot 4 階層的程式撰寫環境。同時，它 提供學童們圖形化及序列式的程式撰寫環境，學童們可以輕易撰寫 機器人動作的程式，以讓機器人作出正確的動作而解決問題。

圖 8 機器人零組件的大型收納盒

參、LEGO 機器人的設計流程分析

利用 LEGO Mindstorms RIS 2.0 組件進行機器人的設計與製作 時，除需要上述「LEGO Mindstorms RIS 2.0」零組件特性與功能、

「ROBOLAB 軟體」的使用與程式撰寫等知識與技能外，整體學習 過程最主要的流程在於：學童們必須將教師所指定的待解決問題加 以定義與釐清，然後再透過腦力激盪方式將創意發展出來，再經過 機器人的設計與組裝、撰寫程式與下載到 RCX、測試機器人、改 良機器人的設計、向他人展示完成的機器人等流程。

因此，有關 LEGO 機器人的設計流程大致可區分為七個階段

（如圖 9 所示）：1.定義問題；2.腦力激盪以產生創意；3.設計與組 裝；4.撰寫 ROBOLAB 程式；5.下載 ROBOLAB 程式到 RCX；6.

測試機器人的設計；7.向他人展示完成機器人。

圖 9 LEGO 機器人的設計流程

2.腦力激盪以產生創意 1.定義問題

3.設計與組裝

4.撰寫 ROBOLAB 程式

5.下載 ROBOLAB 程式到 RCX 6.測試機器人的設計

7.向他人展示完成機器人

肆、樂高創意教學的教學分析

基於 LEGO Mindstorms RIS 2.0 組件的分析，我們可知道樂高 組件大致分為：基本組件、連接組件、傳動組件、車輪組件、動力 組件、感測組件、控制組件等七類，所以學童必須熟悉這些機器人 零組件，方能設計與組裝合適的機器人，同時撰寫正確的

ROBOLAB 程式，以讓機器人作出正確的動作而解決指定的問題。

因此，在課程與教學的安排上必須循序漸進、由簡而繁的方式，讓 學童們得以學會機器人的設計與組裝、程式撰寫等知識與技巧。在 教學分析過程中，教學範例必須與真實情境相結合，以符合學生的 生活經驗與背景知識，如此的問題解決情境方能有意義。在我們一 般生活之中，具有動力車輛的使用是人們普遍的生活經驗，因此，

研究者在設計教學單元時，便分析出單馬達驅動車的概念圖（如圖 10 所示），讓學童們瞭解單馬達驅動車是包括車體結構、動力結構、

控制結構等次系統，而每個次系統中亦包含諸多概念，這些諸多概 念的組合而成為一個大系統，如此方能讓單馬達驅動車作正確的運 作，而表現出學童們所撰寫程式的相關動作，如此，對機器人的設 計與組裝能夠有完整的認識與熟悉。

因此，有關樂高創意學習的教學設計，除最基礎的「認識機器 人」、「單馬達驅動車」等兩個單元外，再設計出難度漸漸加深的「會 轉彎的雙馬達驅動車」、「初階避障物機器人」、「進階避障物機器 人」、「在黑圈裡漫遊機器」、「沿黑圈行走機器人」、「推骨牌機器 人」、「搬運機器人」等七個教學單元，此九個教學單元的內容如表 4 所示。

圖 10 單馬達驅動車的概念圖

單馬達 驅動車

車體 結構

動力 控制 系統

系統 _馬達

齒輪 輪胎 輪軸

構造 穩定

度 對稱

性 樑柱

平板

連桿

連接 線 程式 RCX

設計

表 4 樂高創意學習的單元活動設計

單元名稱 單元目的

1.初階避障礙物機器人

題目為「讓你們小組的雙馬達四輪車可順利通過水瓶障礙

題目為「讓你們小組的雙馬達四輪車可順利通過水瓶障礙