第二章 文獻探討
第三節 Lego Mindstorms 理論基礎與教學策略探討
Lego Mindstorms 產品就是早期傳統的樂高積木，樂高積木通常包括了許多大 小、形狀、顏色不同的塑膠積木，且可經由相互的構合而連結在一起，進而建構 出成品。但不管成品如何，總是靜態的，於是樂高公司與麻省理工學院開始合作 開發出新一代的玩具 Lego Mindstorms（田耐青，1999）。其實樂高積木本身就是一 種「玩具」，就有讓學童從遊戲中去學習的意涵，若將 Lego Mindstorms 應用於教 學現場中，明顯得知 Lego Mindstorms 可做為教學科技領域的一個輔助工具，操弄 此工具以幫助學生進行學習。本節首先簡介 Lego Mindstorms 的發展簡史，再探討 其理論基礎，接著探討應用 Lego Mindstorms 在教學時適合本研究的教學策略。
一、Lego Mindstorms 發展簡介
Seymour Papert 是最早研究應用機器人在教育的先驅，他認為當學生自已去體 驗和發現事物時，學習將更具有效果，而且他認為電腦是一個用來探索學習的完 美媒介，基此，他創造了 LOGO 程式語言，讓學生使用「Logo Turtle」機器人去 解決程式設計上問題，其理念就是不讓電腦來限制兒童，而是兒童主動思考來運 用電腦（Moundridou & Kalinoglou, 2008）。
LOGO 程式雖能提供學童創造與批判思考的環境，但畢竟還是數位的產品，
並非實物的操作，對許多仍停留在具體運思的學童而言，仍有不完善之處。基於 上述原因，促成 Papert 與他的團隊在 1998 年將改良後的 LOGO 與 Lego Technic 結 合在一起，於是丹麥樂高公司與麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）合作 開發出新一代的產品 Lego Mindstorms Robotic Invention System（RIS）套件。在 2006 年時更新為 Lego Mindstorms NXT 套件，並且贏得科技類創新玩具獎項。Lego Mindstorms NXT 套件內含 577 Lego 小積木、馬達組、齒輪、各式感應器（觸動、
光源、聲音與超音波）和一個叫做「NXT Brick」的微處理器。另外也包含了設計 Mindstorms NXT 的軟體，簡稱 NXT-G。NXT-G 是以圖示 icon 的基礎的程式語言, 非常接近 LOGO，採用拖放式的操作來控制相對應的元件，其編輯環境，如圖 2-2 所示。
圖 2-2 圖形化編輯化環境 NXT-G 程式界面示例
二、Lego Mindstorms 的理論基礎
整個 Lego Mindstorms 的學習理論基礎主要以 Seymour Papert 所提出的建造論
（Constructionism）為核心，而建造論又起源於 John Piaget 所提出學習觀，也就是 的建構主義（Constructivism）。以下分別從這建構主義、建造論與強調動手做的實 用主義一一探討。
(一) 建構主義（Constructivism）
建構主義基本上是在解釋「知識是什麼？」和「學習是什麼？」的一種理論 模式，然不同時代背景與不同立場、看法而形成不同理論與不同學派。學者張世 忠（2000）指出，建構主義的主要意涵在於把教學的核心轉移到知識學習者的本 身，因此，建構主義可分為一般個人建構主義（trivial constructivism）、激進建構 主義（radical constructivism）和社會建構主義（social constructivism）。張靜嚳（1996）
綜合三派的主張，整理出在科學教育所提到的建構主義具有三個原則：
1. 知識並非由認知主體被動的接受，而是其主動建造而成。
2. 認知功能在適應，是用來組織經驗的世界，不是用來發現本體的現實。
3. 知識的成長是透過個人與別人磋商與和解的社會建構。
John Piaget 則是個人建構主義（trivial constructivism）的先驅，他在知識論上 採取了根本建構主義的觀點，其基本論點有二（引自劉宏文，1996）：
1. 有意義的學習必須建基在舊有的經驗基礎，而知識是不能傳達的，不 論經由語言或文字，在傳達的過程中都可能發生個人意義的轉化。
2. 認知主體只能自行建構、解釋、形成有意義的知識結構，並依此成為 自己與外在世界聯繫的指標來預測自己的行為，解釋外在的世界。
一般在教學活動中，課程常只為了老師的「教」而設計，而忽略了學生的「學」， 而建構主義則以學生為認知主體，教學設計以「學習」為主要考量，提供學生自 我建構的環境。這些論點提供了研究者在使用 NXT 教學時，教學者應站在引導、
輔導者的角色並設計出引人好奇、迷思的問題情境激發學習者去學習，讓學習者 操弄實驗主動建構科學概念、獲得科學的過程與培養正確的科學態度。
社會取向建構主義（social constructivism）則強調個人建構知識是在社會文化 的環境下以及交互作用所建構的，近年教學現場所採用的合作學習與情境教學法 即是基於此理念下的產物。本研究之實驗課程進行將採合作學習，使學習者之間
相互依賴、積極互動，個人的意見將隨小組學習過程中去做反省、修正與改變。
(二) 建造論（Constructionism）
建造論是由 Papert（1980）所提出，且其理論受到 Piaget 的認知發展論的影 響，認為「學習」不應該是以灌輸、被動的方式進行，然目前的學習環境，兒童 卻是被動的以灌輸、強迫學習的方式來獲得知識，而不是讓他們以積極，主動的 方式來參與整個學習過程，教學的過程中忽視了 Piaget 發展理論中所強調的，以 自然的方式來學習的重要性，因此 Papert 認為應讓兒童自做中學（Learn by Making），或是以自我發現的方式，以適合自已的速度及思考方式來學習，這樣方 能允許兒童自已來發現知識。
建造論亦受到情境認知理論（situated cognition）的影響。情境學習理論強調 學習情境的重要性，學習與知識在本質上是個體與環境交互作用的結果（Lave，
1988）。所以 Papert 認為透過對事物的操弄與展現，並與他人分享成果，才能達成 有意義的學習。
另外，Papert 認為如果我們真的看待兒童為自我知識的建構者，則所有的建 構者都必須要有「材料（material）」來建構，所以教學能提供兒童一個有利科學思 考的環境及活動機會，並且兒童能感覺這些環境及活動對他們是重要的及有幫助 的，那麼將可以為兒童開啟一扇有價值的學習大門。若把材料層面擴大解釋，社 會文化也是兒童建構知識的材料，因此教師必須提供豐富的資源協助他們建構知 識。
(三) 實用主義（Pragmatism）
杜威（John Dewey）於其教育理念主張教學時應注重教學內容須與實際日常 生活相結合，兒童為教育的中心，強調從做中學與親自動手做（Learning by doing）， 並從中去發現問題的解答，促使兒童知、行並重，而從實作活動中獲取學習經驗 與知覺知識的重要性（高廣孚，1988）。
做中學或動手做皆為美國科學家總結出來的教育思想和方法，旨在使學生以 科學的方法學習知識，強調學習方法、思維方法、學習態度的培養。科技教育所 具有的一種關鍵基礎，即是在於利用動手做的活動來聯繫知識概念，教育理論家 早已指出動手做的活動或經驗能引致重要的認知成長（林人龍，2006）。而 Lego
Mindstorms 此一創新科技工具，提供了這樣的一個環境與機會使學習者親自動手 做，促進學習的效果與問題解決的能力。
由以上知，建構論、建造論與實用主義提供了我們理解人們如何學習與成長，
Piaget 提供我們了解兒童在不同成長階段的發展，闡述兒童的在各階段的思考方 法。而 Papert 則告訴我們兒童如何透過建構的方式來學習，強調工具的重要性，
藉由具體的動手做，並與他人互動、分享，來提升兒童學習的經驗，建構出新的 知識。也因如此，Papert 將科技工具如電腦引入教學中，並發展出 Lego Mindstorms 機器人套件，藉由工具的輔助後，他認為邏輯形式的「形式運思」並不必然優於
「具體運思」思考風格．也就是說形式運思並非是最高、最好的運思形式，不同 的人可能發展出不同的思維方式，而且都有能力處理相同的問題（Turkle & Papert, 1991）。
三、符合 Lego Mindstorms 理論基礎的教學策略探討
廣義而言，教學策略即教師選擇能幫助學生達成學習目標的促進活動。沈中 偉 （ 2005 ） 指 出 以 科 技 融 入 教 學 時 應 以 學 習 理 論 與 教 學 理 論 為 基 礎 。 Lego Mindstorms 雖可歸類於一種創新的教學工具，但科技學習輔具仍須靠教學者如何 將學習理論的建構觀點與他所選的學習工具，實際對應到教學活動設計的內容。
林弘昌（2008）即指出當利用輔具進行教學時，應該考慮如何發揮輔具的特殊屬 性來設計教學活動，如教材的選擇、教學方法的規劃，以及教學情境的安排等，
如此才能夠依據預定的目的進行，達到預期的成效。所以若無有效的教學策略與 教學設計，則教學科技工具無法有效地增進學習。合適教學策略即為影響本研究 的關鍵之一，以下即依據上述 Piaget 的個人建構理論、Seymour Papert 的建造論與 Lego 動手做、做中學的產品的學習觀特性中所衍生出來的合作學習與探究教學模 式來探討，並整理出適合於本研究的教學策略模式。
(一) 合作學習教學模式
依社會建構主義的觀點「知識的成長是透過個人與別人磋商與和解的社會建 構」。因此，建構教學強調師生辯證、互動及協商的歷程，透過小組合作學習的方 式，讓學生在小組中討論、發表意見、相互檢視、論辯，進而達成共識（楊龍立，
1998）。
合作學習是 20 世紀 60 年代末、70 年代初興起於美國，繼而漸漸被普遍推行 的一種教學法。以下整理各學者（黃政傑、林佩璇，1996；簡妙娟，2003）認為
常見用於教室內合作學習教學方法有共同學習法（Learning Together）、學生小組成 就區分法（Students Teams-Achievement Division）、小組遊戲競賽法（Team Games Tourmament）、團體探究法（Group Investigation）、拼圖法第二代（Jigsaw Ⅱ）等 多種隨教學目標而調整的方法。
合作學習教學主要是以社會互賴論、接觸理論認知發展理論、行為學習論為 理論基礎，在教學上應用時，社會互賴論強調學習時，小組成員為達成共同目標 一起努力，創造一種互助互賴的關係；接觸理論則採用異質分組，並認為人際間 的合作與互助能促進小組的向心力及友誼；認知發展理論認為學生間的合作能促
合作學習教學主要是以社會互賴論、接觸理論認知發展理論、行為學習論為 理論基礎，在教學上應用時，社會互賴論強調學習時，小組成員為達成共同目標 一起努力，創造一種互助互賴的關係；接觸理論則採用異質分組，並認為人際間 的合作與互助能促進小組的向心力及友誼；認知發展理論認為學生間的合作能促