遊戲導向教材對高中生程式設計學習之影響

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：邱貴發博士. 遊戲導向教材對高中生程式設計學習之影響 Effects of Game-oriented Teaching Material on Senior High School Students’ Programming Learning. 研究生：廖祐梓撰中華民國一百零一年六月.

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(3) 摘要本研究使用 Greenfoot 程式設計發展工具，設計兩種不同策略之遊戲導向程式設計學習教材，讓學生在發展遊戲中學習基本的程式設計語法與概念，檢證高中二年級學生在程式設計學習成效、學習態度、及使用 Greenfoot 開發環境的自我效能。本研究採準實驗設計，使用由下而上式學習策略教材組為 39 位學生，使用由上而下式學習策略教材組為 44 位學生。以後測分數檢證兩組學生的學習成就差異；以問卷的數據結果歸納學生對程式設計學習態度、教材態度與個人學習態度；以 Greenfoot 開發環境自我效能量表檢證兩組學生的軟體自我效能差異。研究結果發現，使用由上而下式學習策略教材的學生在程式設計學習成就上明顯高於使用由下而上式學習策略教材的學生。使用由上而下式學習策略教材的學生在教材態度上明顯高於使用由下而上式學習策略教材的學生。兩組學生在程式設計學習態度、教材態度與個人學習態度都持正向看法。關鍵字：程式設計、Greenfoot、自我效能、數位遊戲式教材、程式設計學習態度. i.

(4) Abstract This study developed two kinds of game-oriented teaching material with Greenfoot for programming concepts learning, and examined the effects of two kinds of game-oriented teaching material on high school sophomores’ performance in programming learning, students’ attitudes toward programming learning, and students’ self-efficacy. Quasi-experimental design was implemented. A class with 39 students was assigned as the group using bottom-up learning strategy, and the other class with 44 students was assigned as the group using top-down learning strategy. Data sources included a posttest of students’ programming concepts, a student attitude survey and a Greenfoot self-efficacy scale. The results indicated that students’ performance using top-down learning strategy were better than student performance using bottom-up learning strategy. In terms of the attitude toward teaching material, students using top-down learning strategy were better than students using bottom-up learning strategy. Both groups of student attitude survey indicated that the majority of student had positive attitudes toward using the game-oriented teaching material to learn programming concepts. Keywords: programming, Greenfoot, self-efficacy, Digital game-based teaching material, programming learning attitude. ii.

(5) 致謝充實的兩年研究所生活已到尾聲。回首這兩年，最要感謝的是指導教授，邱貴發教授。剛考上研究所在找指導教授時，得知教授的研究室已收滿學生，但還是嘗試與教授聯繫，感謝教授讓我加入 GLRG 這個大家庭。謝謝教授兩年來的用心指導，培養我獨立思考並解決問題的能力，完成學位論文。除了研究上的指導，教授也會和我們聊一些生活或是未來的事，鼓勵我們眼光放遠，積極面對人生。謝謝李昆翰教授與吳正己教授，謝謝你們的建議讓我的論文更加完整。此外，也要謝謝所上的其他教授們，教導我相關研究知識。另一方面，要謝謝幫助我完成實驗的子淵學長，沒有你我無法順利完成實驗，謝謝你在我尋求幫忙時，義不容辭地答應借班級給我，並且用心地給予我各方面的建議。也謝謝京翰來幫助我做實驗，希望畢業後你能順利找到工作。也要謝謝 GLRG 的大家，首先要謝謝孫林學長，研究所兩年中向你學習了許多研究上的知識，祝你順利完成博士學位，再來要謝謝同為碩二的宜蓁、鈺筠、宛兒、宇欣和玉樺，和你們一起為課業努力，有好多的歡笑，希望你們未來也都順利。還要謝謝學弟妹，謝謝你們幫忙，讓我的論文和口試都能順利完成，希望你們的研究也都順利。另外謝謝京翰、欣垚、胤廷和育融，謝謝你們扮演玩伴與研究的角色，讓研究所生活豐富且充實。謝謝我的家人，尤其是我的爸爸跟媽媽，謝謝你們的支持，讓我在台北這七年能夠專心於課業，這段求學之路也許有些崎嶇，但因你們的鼓勵，讓我能順利走到現在。最後，要謝謝美華，妳的出現讓我求學階段的最後這兩年多變得多采多姿，謝謝妳在我準備研究所考試時的陪伴，謝謝妳在我念研究所的期間支持我，鼓勵我，讓我倍感溫暖。求學路上，遇到太多關心我、幫助過我的人，無法一一列出，謝謝大家的幫助。論文能夠完成並非靠我獨自一人，因為大家，才使用能順利完成論文。在此，祝福大家都能如願完成自己的目標。 iii.

(6) 目錄附表目錄 ..................................................................................................................... vi 附圖目錄 .................................................................................................................... vii 第一章緒論 ................................................................................................................ 1 第一節研究背景 .............................................................................................. 1 第二節研究目的與待答問題 ............................................................................ 4 第三節研究限制 ................................................................................................ 5 第四節名詞解釋 ................................................................................................ 6 第二章. 文獻探討 ...................................................................................................... 7. 第一節程式設計教學 ........................................................................................ 7 第二節視覺化工具 .......................................................................................... 12 第三節數位遊戲式學習 .................................................................................. 19 第三章研究方法 ...................................................................................................... 23 第一節研究對象 .............................................................................................. 23 第二節研究設計 .............................................................................................. 24 第三節研究工具 .............................................................................................. 31 第四節實驗流程 .............................................................................................. 34 第五節研究程序 .............................................................................................. 35 第六節資料處理與分析 .................................................................................. 37 第四章結果與討論 .................................................................................................. 39 第一節程式設計學習成效 .............................................................................. 39. iv.

(7) 第二節程式設計學習態度 ...............................................................................42 第三節使用 Greenfoot 之自我效能 .................................................................55 第四節課堂記錄 ...............................................................................................59 第五節討論 .......................................................................................................61 第五章結論與建議...................................................................................................65 第一節結論 .......................................................................................................65 第二節建議 .......................................................................................................67 參考文獻.....................................................................................................................68 附錄一電腦素養調查...............................................................................................74 附錄二 Greenfoot 程式設計成就測驗 ...................................................................75 附錄三課後態度問卷...............................................................................................78 附錄四 Greenfoot 自我效能量表 ............................................................................80 附錄五課堂觀察紀錄表...........................................................................................81 附錄六由下而上式學習策略組課堂講義 ..............................................................82 附錄七由上而下式學習策略組課堂講義 ..............................................................99. v.

(8) 附表目錄表 4-1 數位遊戲學習策略後測成績之描述性統計（N＝71） ........................ 41 表 4-2 Bottom-up 組與 Top-down 組後測成績之獨立樣本 t 檢定 .................... 41 表 4-3 Bottom-up 組對程式設計的看法調查結果（N=39） ............................ 43 表 4-4 Top-down 組對程式設計的看法調查結果（N=42） ............................. 44 表 4-5 程式設計看法之描述性統計（N=81） ................................................. 45 表 4-6 Bottom-up 組與 Top-down 組對程式設計看法之獨立樣本 t 檢定 ....... 45 表 4-7 Bottom-up 組對上課教材的看法調查結果（N=39） ............................ 47 表 4-8 Top-down 組對上課教材的看法調查結果（N=42） ............................. 48 表 4-9 上課教材看法之描述性統計（N=80） ................................................. 49 表 4-10 Bottom-up 組與 Top-down 組對上課教材看法之獨立樣本 t 檢定 ..... 49 表 4-11 Bottom-up 組個人學習態度調查結果（N=39） .................................. 50 表 4-12 Top-down 組個人學習態度調查結果（N=42） ................................... 51 表 4-13 個人學習態度之描述性統計（N=80） ............................................... 52 表 4-14 Bottom-up 組與 Top-down 組個人學習態度之獨立樣本 t 檢定 ......... 52 表 4-15 Bottom-up 組 Greenfoot 自我效能結果（N=39） ................................ 56 表 4-16 Top-down 組 Greenfoot 自我效能結果（N=42） ................................. 57 表 4-17 Greenfoot 自我效能之描述性統計（N=80） ....................................... 58 表 4-18 Greenfoot 自我效能之獨立樣本 t 檢定 ................................................. 58. vi.

(9) 附圖目錄圖 3-1 研究設計架構圖 ...................................................................................... 24 圖 3-2 坦克大戰遊戲畫面 .................................................................................. 26 圖 3-3 TankWorld 遊戲畫面 ................................................................................ 27 圖 3-4 課程規劃樹狀圖 ...................................................................................... 28 圖 3-5 實驗程序流程圖 ...................................................................................... 34 圖 3-6 研究流程圖 .............................................................................................. 35. vii.

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(11) 第一章緒論第一節研究背景為什麼要學習程式設計而不要只是學習使用套裝應用軟體？學者（Hartmann, Nievergelt,& Reichrert, 2001）指出電腦的學習不應只是學習如何操作，應該對電腦的運作有所瞭解，並提倡 4R，即除了閱讀（Reading）、書寫（wRiting）、算術（aRithmetic）等三個一直強調的基本核心能力之外，需要加上在資訊時代所需具備的程式設計能力（pRogramming），這裡的「程式設計能力」除了字面上的含義外，也包還了電腦科學的基礎知識。美國 ACM 學會所制訂的中小學電腦科學課程綱要中提到，學生應具備電腦科學的基礎理論知識，並能使用演算法式思考 (algorithmic thinking)解決問題(Verno, Carter, Curler, Hutton, & Pitt, 2005)。學者 Clancy 和 Linn 認為程式設計課程有兩項優點：第一是程式設計課程能創造有能力的電腦使用者，培養對未來新科技的應用和接受力；第二是藉由程式設計課程能發掘有才能的學生，發展創新的電腦應用以符合現今複雜社會的需求（Soloway, 1993）。 Valente(1995)將程式設計視為解法描述（description）、執行（execution）、反思（reflection）、除錯（debugging）四個步驟的循環，這樣的循環讓我們更了解學習的歷程，以及為什麼程式設計可以作為有效的學習活動。我國目前高中資訊科技概論課程，將培養學生邏輯思維及運用電腦解決問題之能力視為課程目標之一。課程中特別重視運用電腦解決問題，共 10 節課，佔總時數的 28%，是資訊課程中的核心單元，而程式設計是運用電腦解決問題的實際方法。程式設計課程除了瞭解程式語言的基本結構及演算法，更重視如何運用程式設計解決問題，期待學生在學習程式設計過程中，知道程式設計是演算法的實際表現，解決特定問題。在一個高中電腦課程的調查研究（陳宏煒，2003）中顯示，目前高中資訊教師都視程式設計為一重要單元，且大部分的教師也都教授程式設計，主要使用 Visual Basic 作為講授程式設計的程式語言。 1.

(12) 傳統程式設計教學，學生先針對一個程式語言不同的組成結構學起，熟悉語法結構後，嘗試整合分析、解構等技能將問題分解成不同的組成結構，解決問題 (McDermott , Eccleston & Brindley, 2008)。然而許多學生剛開始接觸程式設計的學生並不具有演算法式思考的能力(Cooper, Dann, & Pausch, 2000)，同時程式語言的概念較為抽象，不易理解，容易導致初學者學習困難且學習興趣低落(West & Rose, 2002)。 Brusilovsky 等學者認為初學者使用一般性程式語言（如 Visual BASIC、C、Java 等）學習程式設計時常會遭遇的問題有三：第一，一般性程式語言語法複雜，對學習者的認知負荷大；第二，一般性程式語言通常不會提供視覺化方式呈現程式執行歷程，學習者觀察到的過程是一個「輸出-輸入」的模式。即僅提供程式輸入，程式處理完畢後輸出結果，學習者對程式執行的過程不瞭解；第三，初學階段所能使用的程式範例大多以說明語法為主，不易引起學生的學習興趣（Brusilovsky, Calabrese, Hvorecky & Kouchnirenko, 1997）。為解決學生對程式設計學習興趣低落，研究者認為，應該使用多媒體和視覺化的程式設計工具在課堂中。Kasurinen 等人將視覺化程式設計工具應用到程式設計課程還有作業中，提升學生的學習動機和興趣。研究結果顯示，學生對於視覺化工具的使用，有正面的評價與高度的興趣（Kasurinen, J.,Purmonen,M., & Nikula U. , 2008)。 90 年代早期許多專家使用遊戲製作來做程式設計教學，電腦遊戲應用於教育，本質上的訴求是讓教師使用一種娛樂性的方法讓程式設計與科技的實務相結合(Squire, 2003)。發展數位遊戲是電腦遊戲應用於教育的其中一種方式，讓學生主動地投入，因為他們使用一個軟體工具，建構屬於自己的遊戲，這是一個主動的學習經驗。學生可以自發地學習，藉由遊戲製作將自己的想法實現出來，並且測試、評估自己的想法(Robertson, J., & Howells, C., 2008)。 Greenfoot 是一個以程式設計初學者教學與學習為目的的整合開發環境(IDE)，將物件導向程式語言 Java 結合視覺化與互動性回饋。其目標使用族群為 14 歲以上青少年或是大學的程式設計初學者(Kölling, 2010)。Greenfoot 設計的目標之一，是希 2.

(13) 望利用清楚的視覺化呈現 Java 程式設計的重要概念，並可直接對角色進行物件操作，先介紹重要的基本概念，而不是著重於語法或程式碼，降低初學的學習門檻(Kölling, 2010)。Greenfoot 已廣泛地使用在高中和大學初學階段，然而，缺乏正規的研究來檢視 Greenfoot 對於學習情況的有效性(Kölling, 2010)。本研究在高中階段設計兩套不同學習策略的 Greenfoot 遊戲發展教材，讓學生在數位遊戲發展中，學習程式設計的重要概念，藉由量化評量與書面回饋，檢視學生的學習成效、學習態度和 Greenfoot 自我效能。分析 Greenfoot 對於高中階段程式設計學習是否有正面幫助，並試圖找出 Greenfoot 使用時需要注意之處與使用上的限制，幫助程式設計教學者更有效地使用 Greenfoot 作為新的教學媒介，增進國內程式設計教學之成效。. 3.

(14) 第二節研究目的與待答問題本研究旨在探討不同策略的數位遊戲發展教材對高中學生在程式設計學習成效和學習態度之影響，未來可供資訊教師進行教學設計與規劃時參考。希望透過不同教學策略教材與 Greenfoot 進行程式設計教學，可促進初學者程式設計的學習成效，並對程式設計有正向的學習態度。本研究之研究目的與待答問題分述如下：一、研究目的 1. 探討不同學習策略（由下而上式、由上而下式）對高中二年級學生程式設計學習成效之影響。 2. 探討不同學習策略（由下而上式、由上而下式）對高中二年級學生程式設計學習態度之影響。 3. 探討不同學習策略（由下而上式、由上而下式）對高中二年級學生程式設計開發環境自我效能之影響。二、待答問題 1. 使用由下而上式學習策略數位遊戲發展教材和由上而下式學習策略數位遊戲發展教材對高中二年級學生在程式設計學習成效上有何差異？ 2. 使用由下而上式學習策略數位遊戲發展教材和由上而下式學習策略數位遊戲發展教材對高中二年級學生在程式設計學習態度上有何差異？ 3. 使用由下而上式學習策略數位遊戲發展教材和由上而下式學習策略數位遊戲發展教材對高中二年級學生在 Greenfoot 使用的自我效能上有何差異？. 4.

(15) 第三節研究限制本研究為配合教學活動之設計與進行，於研究對象、教學者、教學內容與評量、教學時間與環境有以下之研究限制：一、研究對象本研究之研究對象為新北市某高中二年級的學生，抽取兩個班級，以班級為單位分派為「由下而上式學習策略組」與「由上而下式學習策略組」。研究參與者已具備文書處理、簡報製作、網頁製作等資訊基本技能，但從未學過程式設計的相關概念，皆屬於程式設計初學者，故本研究結果只能推論至類似的研究對象。二、教學者本研究之教學者為研究者本人，並非實際教學現場的在職教師，故本研究可能受教學者之教學表現，影響研究結果，在此並不深入討論教學者的教學表現，著重於學習教材對學習者在學習成效、學習態度與 Greenfoot 自我效能的影響。三、教學內容與評量本研究的教學內容由基礎至進階循序漸進規劃為「TankWorld」遊戲實作單元，教學範疇包含方法呼叫、參數、資料型態、回傳值、if-敘述句、產生亂數、按鍵偵測、多重判斷式、新增物件、錯誤與偵錯、變數宣告、迴圈，學習者最後要能將程式設計概念應用在程式設計成就測驗上。本研究之程式設計學習表現僅著重與 Greenfoot 相關之程式語法與概念，其餘部分則不做深究及討論。四、教學時間與環境本研究為配合原本班級的課程進度與教學時間，實驗時間一共五週，每班的總學習時間為 200 分鐘。由於未能長時間進行探究，本研究重點更聚焦於 Greenfoot 程式設計的學習，因此，本研究之研究結果也只能對接受短時間程式設計教學活動之學習成效和學習態度作推論。教學實驗地點也配合原班級所在之電腦教室，安排每位學習者都有一部電腦能操作程式設計開發環境，及教師授課使用的電腦、麥克風。 5.

(16) 第四節名詞解釋一、由下而上式學習策略（Bottom-up learning strategy）由下而上式學習策略係指學生由程式設計基礎學起，包含程式設計語法、遊戲功能常用的實作方法，進而學習較為複雜的遊戲功能與規則，最後實作出完整遊戲。二、由上而下式學習策略（Top-down learning strategy）由上而下式學習策略係指學生從遊戲整體架構著手，先瞭解遊戲的架構，並分析遊戲規則，和各角色的行為屬性，最後再從實作遊戲中學習語法和程式設計概念。三、數位遊戲發展本研究之數位遊戲發展，遊戲規劃與設計為研究者預先設定之「TankWorld」遊戲，故僅針對遊戲實作部分進行教學，探討數位遊戲實作應用於程式設計教學對學習者在學習成效與學習態度的影響。. 6.

(17) 第二章. 文獻探討. 本章首先探討程式設計的重要性、程式設計教學中所面臨上的問題，及文獻中對於改善程式設計教學的想法；之後探討視覺化程式設計工具對程式設計學習的幫助；最後說明利用遊戲幫助學生學習程式設計的相關研究與教學成效，作為研究者進行研究與教學實施時的參考依據。. 第一節程式設計教學在本節裡，將程式設計的相關研究分成三個議題來探討：「程式設計」的重要性、「程式設計」教學的問題與「程式設計」與「自我效能」。分述如下：一、. 「程式設計」的重要性. 「程式設計」的學習曾經被視為「新拉丁文運動」，學者聲稱學習程式設計可習得更有力的「問題解決」、「設計」、「思考策略」，並且使用「程序式思考」，強化抽象思考能力（Soloway, 1993）。但是這些聲稱難以證實其成效，Soloway(1993)在一篇文章中集合了各學者的意見，討論學習程式設計的重要性：Soloway 和 Guzdial(1993) 認為不需要教導非主修資訊科學的學生學習一般用途的程式語言（general purpose programming languages, 簡稱 GPPL）如 Basic 等，學習這些並不能有效率地達成實際目標，也就是強化學生對於電腦的基本操作，而且非資訊科學領域的專業所需要處理的資料也並不需要使用程式語言來處理，他們認為與其學習 GPPL，不如學習且精通特定領域的應用軟體更來的有價值；Clancy 和 Linn(1993)則認為我們需要教導學生程式設計，學習程式設計對每個人都有好處，在現今社會中，程式設計無所不在，程式設計課程能夠創造「強力使用者」（power users），培養對未來新科技的接受力與應用力，程式設計課程也能發掘有才能的學生，發展創新的應用來延續現今複雜社會的需求；Resnick 和 Papert(1993)認為程式設計課程能讓學生在程式設計中，自由地探索、實驗和表達自我，並提倡程式設計與應用軟體相互整合，更重要 7.

(18) 的是，程式設計能深切地影響人們如何看帶這個世界，因為有許多新發現都是有了電腦、程式設計之後才得以面世。綜合上述，Soloway(1993)得到兩個結論：（1）自己是錯誤的，應該教導學生程式設計（2）程式設計能讓不同領域的學生學習，因此，程式設計課程需要整合進學校課程，使學生能夠發展看待這個世界的新方式。對於程式設計是否能增進思考能力，Mayer 等學者（1986）在一項研究中企圖尋找學習程式設計與思考能力之間的關聯，並提出了三個主張： 1. 學習程式設計能增進人的思考能力。 2. 特定思考技巧能增進程式設計學習。 3. 預先訓練特定思考技巧能增進程式設計學習。依據這三個主張，Mayer 分別做了三個實驗，並證明程式設計學習與特定思考能力相關，如問題轉換能力、程序理解能力和視覺化能力，這些特定思考能力的提升都能幫助問題解決、思考策略和程序式思考（Mayer, Dyck, & Vilberg, 1986）。在「程式設計」的其他相關研究也指出，「程式設計」和「問題解決」的關係密不可分，如： Papert(1980)認為，學習「程式設計」能激發學習者進行思考活動並促使其找出解決問題的方法；Lawler (1982)則以 Logo 程式語言為例，認為學習者在學習「程式設計」時，必須透過由上而下的思考過程（top-down thinking）：先將問題分割成許多子問題，分別將子問題提出解決方案再組織成一個完整的解決方案，最後撰寫程式碼解決問題，這就是一種「問題解決」的歷程。「程式設計」的過程，就相當於「問題解決」的歷程，而「程式設計」的課程本身就內含「問題解決」的教學。因此，Deek、 Kimmel 和 McHugh(1998)建議，在電腦科學的第一堂課裡，就應該教導學習者如何應用「問題解決」技巧來解決問題。綜合上述，學習「程式設計」可提升「問題解決」、「思考策略」等思考能力；現今社會中，程式設計無所不在，學習程式設計相關知識，可以培養對未來新科技的接受力與應用力；在程式設計課程中，學生可以自由地探索、實驗和表達自我想法。 8.

(19) 二、. 「程式設計」教學的問題. 「程式設計」在高中電腦課程中佔有重要的地位，不過對於程式語言的教學一直有高度爭議，而且會對學生往後在電腦科學上的學習造成長遠的影響（Gal-Ezer & Harel, 1998）。因此，不論是在何時教、教何種程式語言、怎麼教以及教學的對象上，一直是備受關注的研究議題。而且程式語言在各個教育階層的爭論不斷，尤以高中程式語言的教學，為讓學生都能應付未來讀書或就業需求而面臨越來越大的壓力（Stephenson, 2000）。現今的高中生應具有程式與演算法的基本概念，並擁有解決問題的能力（吳正己、何榮桂，1998）。而教學者在此扮演著關鍵性的角色，除了說服學生學習外，必須使學生建立學習動機，學生將會發現自己對於程式設計的興趣（Jekins, 2001）。但程式語言的概念較為抽象，不易理解，容易導致初學者學習困難且學習興趣低落 (West & Rose, 2002)。一項國內高中電腦課程實施調查發現，教師認為電腦課程學習成效最佳的是套裝軟體，學生則認為是電腦基本概念部分；學習成效最差部分，不管是教師還是學生，皆認為是程式設計。教師認為學生對於課程內容學習成效差的原因主要為學生學習動機差、實際上機時間不足或課餘自我學習時間太少等因素（陳宏煒，民 92）。而學生學習興趣低落，學習效果不彰，其原因除學生本身因素外，與教師的教學方法也有關係。Au、Horton 和 Ryba（1987）以 Logo 語言為例，認為學習者若經過「程式設計」的學習後，在學習成效上仍無法達到顯著，其原因為：（1）教師介入（teacher intervention）及（2）教學方法（instructional methods），此三位學者更進一步指出，在教師介入的因素中，教師在「程式設計」教學過程所扮演的角色，包含三個部分，分別為：（1）提供學習活動的表單：使學習者能主動挖掘構想和解決方法，並不斷的練習和反思其思考歷程、（2）提供引導問題促使學習者思考，而不是一味的教導課程內容、及(3)提供反思的情境。Au 和 Leaung（1991）在其研究中提出一種有別與以往偏重程式語法及教材內容的「程式設計」教學方法，以「程序 9.

(20) 導向的教學方法」（process-oriented approach）將教學的目標著重在建立一般問題解決的能力，並藉此要求學習者在解決問題時能主動反思。因此，資訊教師應透過設計適當的活動，活用教學情境，亦可由生活化的方式切入教學，配合相關教學工具，提供反思情境，讓學生在解決問題時能主動反思，降低學生學習挫折。三、. 「程式設計」與「自我效能」. 自我效能理論的產生，對於了解和預測個人的學習表現提供了重要的意義。 Bandura(1986)定義「自我效能」為：個人在含有新奇、無法預測及壓力因素的情境下，能夠有效的組織並執行必要行動的自我判斷。Bandura 更進一步闡述：人對於自己本身的效能信念會影響他們所做的選擇、他們的抱負，下多少心力在特定的任務上，以及對困難及挫折時能夠堅持多久。「自我效能」作為一個人的知識與行動之間的橋樑，知識、技能和先備成就都難以預測將來的學習成就，因為個人對於自己的能力和努力成果所擁有的信念會大大地影響他們的行動方式（Pajares, 1996）。「自我效能」在教育情境中特別重要且有用，因為自我效能理論提到個人的學習效能會影響自我效能，也會更進一步影響未來的學習效能。因此，比起低自我效能的學生，有高度自我效能的學生會更喜歡承擔富挑戰性的任務，還有在面對無法預知的困難時能付出更大的努力來完成任務。此外，特別是在逆境中完成的學習成就，會導致自我效能的再提高，未來可能更加成功。反觀低自我效能的學生，當面對無法解決的學習任務時，他們傾向把學習任務看得比實際更困難，最後造成壓力、沮喪和採用較狹窄的視野來看待問題，結果造成無法堅持或是尋求新的學習機會（Askar & Davenport, 2009）。關於自我效能對程式設計學習的相關研究，Ramalingam 和 Wiedenbeck(1998) 發展和驗證一份 C++程式設計的自我效能量表，他們使用這份量表後的結果似乎支持自我效能對於 C++程式設計的可用性，他們發現男生和女生的自我效能，在實際情況下沒有明顯不同，而在自我效能後測中可發現到，在無關性別的情況下，學生的自我效能較前測時有普遍的增強。這和理論所述相符，意指對還在習得技能初始 10.

(21) 階段的學生而言，他們對自己能力表現的自我效能是頗易受影響的。另一項研究中（Ramalingam, La Belle & Wiedenbeck, 2004），研究者探討自我效能對程式設計的心智模型有何影響，結果顯示程式設計的自我效能會受先前的程式設計經驗所影響。自我效能理論建議個人自我效能的信念建立在四個資訊來源：（1）個人技能經驗（personal experience of the skill）（2）替代經驗（vicarious experience）－觀察他人使用技能（3）口頭勸說（verbal persuasion）和（4）身體與情緒狀態－恐懼、壓力、疲勞、疼痛和痛苦等。上述四個建立自我效能信念的來源中，在程式設計學習情境下，學習者的學習與實作經驗、觀察他人的實作經驗、教師的講解和學習者對於程式設計的觀感，都可能影響學生的自我效能，而自我效能又會影響將來學生的學習，所以在教學前需要審慎思考各項因素，設計最佳的教學方式。. 11.

(22) 第二節視覺化工具程式設計的心理學相關研究指出，對程式的理解需要廣泛的實務經驗作為心智歷程（McKetihen et al, 1981），程式設計初學者需要仔細閱讀程式碼的區塊或逐行的操作指令後，了解程式結構，而專家會創造一個心智模型來連結相關結構，融會貫通（McKetihen et al, 1981；Crosby & Stelovsky, 1989），而上述專家具有的實務經驗和建立心智模型的歷程，是初學者缺乏的，使得初學者必須花費更多時間，專注於理解程式碼，無法掌握程式的整體架構，學習效率低落，且傳統的程式設計教學中，學生可以記住語法結構，但是對於學習動機，也許是錯誤的教學方式：技術導向的程式設計，也就是對資料的操作，是無趣且無法促進學習的（Guzdial & Soloway, 2002）。Guzdial 和 Soloway（2002）指出要讓學生保持對程式設計的興趣，就需要更多促進動機和有趣的任務。從 1960 年代以來，當研究者建立許多不同的程式語言及工具，目的是讓程式設計的初學階段更容易學習，對於更容易、更能促進學習動機的初學導向程式設計環境相關研究就從未間斷（Kelleher & Pausch, 2005）。利用視覺化工具輔助程式設計學習，可使學習者較容易理解概念，將概念轉換到實際的程式設計任務中（Nevalainen & Sajaniemi, 2006）。視覺化工具誕生於 1980 年代後期，目的是創造和互動地探索電腦科學概念的圖像表徵（Brown, 1988）。 Kasurinen 等人將視覺化程式設計工具應用到程式設計課程還有作業中，提升學生的學習動機和興趣，研究結果顯示，學生對於視覺化工具的使用，有正面的評價與高度的興趣（Kasurinen, Purmonen, & Nikula, 2008)。Chaffin 等人將視覺化使用在深度優先搜尋的遞迴概念的學習上，結果顯示學生在學習成就上有顯著增長，多數學生也展現了學習的熱忱和繼續學習複雜概念的可能性(Chaﬃn, A., Doran, K., Hicks, D., & Barnes, T., 2009)。. 12.

(23) 視覺化工具應用於教學借鑑自許多相關學門，包含排版學、心理學和演算法等，難有統整性的實務建議，Naps 等人（2002）探討了過去對於視覺化工具應用的經驗，整理出最重要的 11 點對於視覺化工具應用在演算法教學的建議： (1) 提供幫助學習者轉換圖像表徵的資源：視覺化工具必須提供學習者圖像表徵與抽象概念間的關聯，例如加入文字敘述、旁白。 (2) 適應不同知識層級的使用者：視覺化工具應符合初學者和進階學習者的需求。 (3) 提供多重觀點：視窗中呈現不同的觀點對應相同的資訊，可促進學習者對抽象概念的理解，例如將演算法以程式碼的控制流程和資料結構的狀態同時呈現。 (4) 納入效能資訊：效率分析對演算法而言是很重要的一部份，加入效能資訊來幫助學習者了解演算法執行效率，可增強學習者對演算法的理解。 (5) 納入執行歷程：經過數個步驟後的演算法視覺化呈現，學習者容易忘記前面步驟的內容，造成對前面步驟的誤解，納入執行歷程可幫助學習者解決這個問題。 (6) 支援有彈性的執行控制：如演算法執行時快轉或是倒退，都能幫助學習者更能理解演算法的概念。 (7) 支援學習者建立屬於自己的視覺化作品：學習者建立屬於自己的視覺化作品，可增加學習者對於一個演算法的洞察。 (8) 支援自定義的輸入資料集：讓學習者自己設計特定的輸入資料，可讓學習者更主動地投入視覺化歷程。 (9) 支援動態提問：為鼓勵學習者在視覺化工具中進行反思，視覺化工具可使用「彈跳式提問」要求學生回答問題，藉此讓學生進行反思，促進學習。 (10) 支援動態回饋：視覺化工具需要針對學習者不同的操作方式而有不同的回饋。 13.

(24) (11) 搭配視覺化的說明：根據雙碼理論，若視覺化工具搭配適當說明，可幫助學習者了解演算法概念。考量上述建議，教學者必須仔細衡量如何應用視覺化工具，來幫助學習者達到最好的學習成效（Naps et al, 2002）。在 Kelleher 和 Pausch(2005)的分類中，視覺化工具被分類在「教學系統」中，在這個類別之下又分成兩個子類別：「微世界」（microworlds），例如 Karel the Robot(Pattis & Stehlik, 1994)和「直接互動環境」（direct interaction environments），例如 BlueJ(Kölling, Quig, Patterson & Rosenberg, 2003)。「微世界」的特點是對於物件、物件的狀態和物件的行為有絕佳的視覺化呈現，然而「微世界」缺少的則是對物件的直接互動；「直接互動環境」的長處則是對於物件的直接互動性，且針對簡化撰寫程式碼過程的困難，提供輔助工具如語法標記和結構化程式碼閱讀等增進程式設計正確性。以下針對幾個較為熱門的視覺化工具做介紹：（1） Logo： Logo 是由 Bolt, Beranek 和 Newman(BBN)在 1967 年的研究中，作為教學目的而創造的程式語言，Logo 語言受 Lisp 程式語言影響甚深，Lisp 也是最初用來發展 Logo 的程式語言。Logo 最廣為人知的部分在 1969 年所發展出的「海龜圖像」，指的是視覺化表徵的程式輸出，簡單且平易近人，但 Logo 也有進階的結構如輸出、輸入操作、迭代、資料結構和演算法。然而 Logo 的出現已超過 40 年，已不符合現今的主流程式語言如 C、Java 或 Python，因此 Logo 語言對於實務上的關聯性略顯薄弱。（2） Karel the Robot（Pattis et al, 1997）： Karel the Robot 的想法最初為 Richard 在 1981 年所提出（Pattis, Robers, & Stehlik, 1994），使用類似 Pascal 的程式語言，爾後也被採用不同的程式語言實作出來，像是 Java。學習者在 Karel 環境中，可以在二維環境中移動一個機器人，在環境中也可以放置一些障礙物，來讓機器人經由程式指令達成不同的任務。程式的撰寫與執行通 14.

(25) 常在一個標準的編輯器和執行環境中實作，在環境中移動中的機器人將程式執行結果以圖像化的表徵呈現，讓學習者可以容易地觀察程式撰寫結果，所造成機器人行為上的不同，這讓學習者在實作時能使用到「問題解決」的思考技巧。但是 Karel 只提供了基本的控制，並未對物件本身提供任何的互動機制。Karel 的指令基礎受到某種程度上的限制，且作為一種程式語言，Karel 只適合用在程式設計課程最初的課程，而無法作為一個真正的程式語言來進行教學（Kelleher & Pausch, 2005）。（3） BlueJ BlueJ 是一個特別設計來進行教學的程式設計環境，鼓勵學習者定義「類別」（classes）和類別間的關係，利用像是 UML 的方式表現出來，如果定義的類別編譯成功，學習者就可實作出物件。BlueJ 的一項優點是能清楚的分別類別與物件的概念，但是缺點是 BlueJ 的視覺化呈現只有物件的名稱和所屬類別，並沒有呈現任何物件的狀態和行為。（4） Alice Alice 是一個物件優先導向的程式設計環境，具有可讓學習者控制的 3D 動畫呈現，和內建的物件導向程式語言。為輔助程式設計歷程，Alice 環境提供一個可讓學習者拖拉指令和物件的編輯器，並避免違反語法規則的錯誤操作，避免初學者受困於語法錯誤，而無法學習重要概念。（5） Greenfoot Greenfoot 是一個針對程式設計教學的整合發展環境，目標學習者為 14 歲以上的程式設計初學者，也適合大學階段教學。Greenfoot 結合視覺化、互動性輸出和 Java 程式設計，其設計目標是對物件導向程式設計的重要概念提供清楚的視覺化呈現，使重要概念更容易理解。這使得程式設計教學不需要從語法或是程式碼開始學起，可先介紹重要的程式設計基本概念。Greenfoot 作者 Kölling（2010）說明其設計理念：. 15.

(26) 1. 從學生觀點來說，Greenfoot 的目標是讓學生從事程式設計學習更加投入、富有創造性和獲得滿足。以下依據學生觀點的設計理念分為八個子目標： 1.1. 容易使用（ease of use）：系統必須容易使用，也就是讓學生學習時避免操作上的問題造成困難。 1.2. 可探索性（discoverability)：系統必須可探索，也就是必須讓學習者找到他們所需要使用的功能。 1.3. 提供促進投入的功能性（support engaging functionality）：系統必須加入圖形、動畫和聲音等可以讓學生投入於學習中。 1.4. 彈性（flexibility）：系統必須能依照不同年齡和興趣的學生提供不同的場景，引起學習者興趣並投入於學習中。 1.5. 快速的回饋循環（quick feedback loop）：系統必須能夠給予快速且頻繁的成功經驗，也就是讓學習者在實作時能隨時執行、觀察和得到視覺性回饋。 1.6. 取得容易（availability）：系統必須容易取得（包含花費），能在大部分的作業系統、硬體之下運作。 1.7. 社交互動、分享（social interaction/sharing）：系統必須提供學習者間分享和溝通的管道，社交互動是投入於創造的強大驅力。 1.8. 可擴充性（extendibility）：如果系統可以擴充，那麼就可以連結系統和學習者的興趣。 2. 從教師觀點來說，Greenfoot 的目標是能夠幫助教師講解重要的程式設計概念。下依據教師觀點的設計理念分為六個子目標： 1.1. 視覺化（visualization）：程式設計中的重要概念能夠視覺化呈現。 1.2. 互動（interactin）：透過與系統中的互動來了解程式設計概念。. 16.

(27) 1.3. 一致性的心智模型（consistent mental model）：系統中所有的表現必須正確地反應出程式設計概念的本質，讓學習者從實驗與觀察中得到正確的結果。 1.4. 概念先於語法（concepts before syntax）：語法不應是學習程式設計最初的阻礙，那會直接影響學生獲得概念，且降低學習動機。 1.5. 避免認知超載（avoid cognitive overload）：許多程式設計發展環境的互動性有很高的複雜度，讓初學者難以學習。認知負載理論告訴我們心智歷程的容量是有限的（Miller, 1956），同時給予認知挑戰的數量直接影響了學習的能力。讓學生保持可處理的認知負載量，所有額外的複雜度都應該避免。 1.6. 支援教師（support for teachers）：中等學校的教師通常沒有太多時間發展教材或是參加專業成長與訓練，因此，系統必須提供教師額外的支援，像是教材的分享與討論。上述目標皆影響了 Greenfoot 在使用者介面及互動性的設計（Kölling, 2010）。然而，Greenfoot 就像其他系統一樣，也有其無法解決的狀況，而有弱點與限制，包含（1）不適合 13 歲以下的兒童（2）錯誤訊息的回饋過於簡單（3）無法實現 3D。關於第一點，因為 Greenfoot 使用 Java 作為其系統背後的程式語言，不可免有一定複雜度，而且需要閱讀 API 文件，這些對於兒童來說都是過於困難的；關於第二點， Java 本身錯誤訊息的處理，相對上較差：第一，語法錯誤是很常見的，初學者在面對程式碼時，必須經常面對語法錯誤的錯誤訊息，試圖找出錯誤並修正；第二，錯誤訊息通常沒有太大的幫助，雖然學習者能知道什麼地方出錯，可是卻難以得知為什麼錯誤。這些都會浪費許多時間在學習以外的地方，也有可能讓學習者受挫。關於第三點，Greenfoot 的設計是 2D 介面系統，所有的 API 都針對 2D 動畫設計，雖然有可能創造出 3D 場景，但是是非常困難的，這讓想創造出 3D 場景的學習者難以實作。 17.

(28) 因為程式設計學習的困難，學者創造了許多的視覺化工具，目的是為了降低初學者學習的阻礙，Greenfoot 試圖在初學階段與進階學習之間找出平衡，使傳統程式設計課程易於教學，也吸引學習者投入於學習。本研究試圖使用 Greenfoot 發展一系列教材於高中的程式設計教學，讓學習者能容易地創造遊戲，並學習到基本的程式設計概念。. 18.

(29) 第三節數位遊戲式學習數位遊戲式學習（Digital game-based learning）為藉由學習者對數位遊戲的內在動機，引發學習者學習遊戲中內含的教育內容與目標（Prensky, 2001）。本節就遊戲式數位學習及遊戲式數位學習與程式設計教學分別進行討論。一、數位遊戲式學習數位遊戲應用於教學，是視覺化工具的應用之一，過去幾年，數位遊戲在電腦科學的課堂中流行起來，學生在遊戲相關的專題和課程中，展現了強烈的興趣（Wallace & Nierman, 2006; Youngblood, 2007）。也有證據證明當給予學生選擇時，比起非遊戲式的作業，學生會偏好遊戲式的作業（Cliburn, 2006; Cliburn & Miller, 2008）。上述研究對數位遊戲應用於教學的價值提供了有力的支持。研究人員認為玩數位遊戲給予學習者「心智練習」的機會，數位遊戲中的活動可以發展許多認知技能，玩家需要面對一連串的長、短決策，規劃問題解決的策略（Johnson, 2005）。Gee （2003）描述了玩家在投入於遊戲的循環：探究（probe）、假設（hypothesize）、再探究（reprobe）和反思（rethink），玩家在整個循環中思考他們的行為在遊戲世界中的影響。根據數位遊戲的特性，Prensky(2001)提出數位遊戲本身所具有的特色，這些特色能夠吸引使用者投入其中，敘述如下：（1）娛樂性（Fun）:能夠賦予玩家享受（Enjoyment）及愉悅（Pleasure）的感覺。（2）遊戲性（Play）:使玩家能強烈且熱情地參與其中（Intense and passionate involvement）。（3）規則（Rules）：賦予玩家能夠遵循的架構。（4）目標（Goals）：賦予玩家持續性的動機。（5）人機互動（Interactive）：賦予玩家自行操作的彈性。 19.

(30) （6）適性化（Adaptive）：使玩家能夠順利並沉浸於遊戲。（7）成果（Outcomes）及回饋（Feedback）：賦予玩家從遊戲中得到學習的經驗。（8）勝利感（Win states）：賦予玩家擁有自我滿足（Ego gratification）的感覺。（9）衝突（Conflict）、競爭（Competition）與挑戰（Challenge）：賦予玩家在遊戲中獲得興奮的感受。（10）問題解決（Problem Solving）：適當的鼓勵玩家激起創造力。（11）社會互動（Interaction）：賦予玩家之間透過互動組成社群。（12）圖像（Representation）與故事（Story）：透過圖像與故事情境賦予玩家情感。這些特性可以引發玩家的好奇心，讓玩家沉浸在遊戲中。若將遊戲應用於教育中，學習者也可以藉由數位遊戲的特性，引發學習者的好奇心，沉浸在遊戲中進行學習。而這些特性中的「競爭」與「挑戰」機制是引發學習者動機的關鍵因素（Robertson & Howells, 2008），可以促進學習者對遊戲內容知識的理解與運用，當學習者在解決遊戲任務的同時，便是培養問題解決、邏輯思考與創意思考的知識與技能。因此，應用數位遊戲在教學中時，應注意以上數位遊戲引發學習動機的特點，否則遊戲喪失娛樂性即喪失學習者對數位遊戲的內在動機，失去了遊戲式數位學習的優勢。二、數位遊戲式學習與程式設計教學數位遊戲應用於電腦科學的學習已行之有年，Becker(2001)發現在初學階段讓學生撰寫踩地雷、小行星等遊戲程式能幫助學生了解物件繼承的概念（Becker, 2001）； Bayliss 和 Strout 利用遊戲進行計算機概論的課程，發現能改善學生的學習成效和降低同儕給予的壓力（Bayliss & Strout, 2006）。而在程式設計教學課程中，遊戲根據不同的用途有不同的使用方式，我們可以基於遊戲如何被使用來促進學習的過程. 20.

(31) 加以分類(Wallace, S. A., McCartney, R., & Russell, I. 2010): （1）. 學生藉由實作遊戲來學習：在這個類別中，學生經由創造一個具功能性的. 遊戲，在實作過程中學習程式設計概念。Becker 和 Parker（2005）認為實作「經典街機遊戲」能讓學生維持高度動機，學習不同的程式設計概念，如路徑尋找、碰撞偵測、人工智慧等。（2）. 學生藉由實作遊戲中的關鍵功能來學習：在這個類別中，許多教學者希望. 學生專注在傳統的學習目標，像是實作出特定的資料結構或演算法，而不是專注在實作遊戲。在這個情況下，教學者可能提供一個近於完成的遊戲，或是缺少特定元件，尚待完成的遊戲，讓學生完成。（3）. 學生藉由撰寫程式，讓遊戲中的角色進行動作來學習：這個類別表示學生. 撰寫程式來控制角色，或是解決遊戲中的難題，適合用在人工智慧相關的課程。 Laird(2001)描述了一個遊戲設計的課程，在課程中學生撰寫一個機器人程式，在一個模擬的世界中控制一輛坦克，而每位學生的機器人坦克可以互相對抗。（4）. 學生進行教育遊戲：這個類別教育娛樂軟體的基本動機，比起其他學科，. 在電腦科學教育中較少見。學生從教育遊戲的情境脈絡中學習。大部分相關研究的主要結果都顯示遊戲相關的課程是正向的，不同目的取向的遊戲使用方式，都顯示對學生具有強大的學習動力(Wallace et al., 2010)。數位遊戲發展是一項豐富的任務，提供學生運用廣泛技能（例如設計遊戲規則、創造角色與對話、視覺設計和程式設計）來創造一個複雜作品的機會。事實上發展數位遊戲讓學生主動地投入，因為他們使用一個軟體工具，建構屬於自己的遊戲，這是一個主動的學習經驗。學生可以自發地學習，藉由遊戲製作將自己創造性的想法實現出來，並且測試、評估自己的想法(Robertson, J., & Howells, C., 2008)。許多研究開始採用專門用來學習程式設計的遊戲製作工具，如 Stage Cast Creator、 Gamemaker、Alice 和 Greenfoot。這些研究指出遊戲製作可以提升動機、增加自信、發展故事述說還有程式設計技能(Robertson et al., 2008)。 21.

(32) 結語學習程式設計能幫助學習者習得「問題解決」、「設計」、「思考策略」等技能，且能培養學習者在現今複雜社會中，對未來新科技的接受力與應用力。學習者在程式設計的過程中，能自由地探索、實驗和表達自我。目前我國對於高中資訊科技概論的學習目標之一，是讓學生具有程式與演算法的基本概念，並擁有問題解決能力，所以程式設計在高中電腦課程中佔有重要的地位。但程式設計的概念較為抽象，不易理解容易導致初學者學習困難且學習興趣低落，所以近年來程式設計教學的相關研究著重於利用視覺化工具輔助教學，目的在提升學生的學習動機。透過將抽象概念視覺化，減輕學生學習的困難。數位遊戲也是視覺化的應用之一，利用數位遊戲的特性，讓學習者引發好奇心，沉浸於遊戲中，並促進學習者對遊戲內容知識的理解與運用，培養問題解決、邏輯思考與創意思考的知識與技能。遊戲在教學上不同用途有不同的使用方式，其中，藉由製作一個完整的數位遊戲可以學習多個不同的程式設計概念，數位遊戲製作提供學生廣泛地運用技能的機會，並且讓學生主動投入、自發地學習。 Greenfoot 是近年來受到矚目的遊戲製作工具之一，具備視覺化與遊戲製作對學習程式設計的優點，將物件導向程式設計透過視覺化呈現，並使用視覺化編輯器，給予使用者在視覺化程式設計與類別間互動的機會，促進物件導向思考、增強學生對程式設計概念的瞭解。本研究企圖將上述文獻所探討的主題，實際運用 Greenfoot 遊戲發展在此研究領域中，讓學習者在遊戲製作的過程中，學習程式設計重要的基本概念，利用遊戲對學習者內在動機的影響，檢視學習者的學習成就、學習態度，和開發環境使用的自我效能。. 22.

(33) 第三章研究方法本研究之目的在探討不同學習策略教材(由下而上式、由上而下式)，對高中學生程式設計學習成效、學習態度和開發環境自我效能的影響，以提供未來設計數位遊戲學習課程之參考。以下分別就研究對象、研究設計、研究工具、實驗程序、研究程序及資料處理與分析分別做說明。. 第一節研究對象本研究的對象為新北市某高中二年級學生，所有班級均屬常態分班，並且所有學生皆有接受過電腦相關課程，具備基本的電腦操作技能。取樣兩個班級，其中一班使用由下而上式學習策略教材，男生 32 名，女生 7 名，共 39 名學生；另一班使用由上而下式學習策略教材，男生 25 名，女生 19 名，共 44 名學生。實驗為期四週，每週一堂課 50 分鐘，共計每班各 200 分鐘。其中，扣除未能全程參與者 3 人，有效參與者為 80 人。. 23.

(34) 第二節研究設計本研究採準實驗設計，旨在探討不同學習策略的數位遊戲教材（由下而上式、由上而下式），對高中二年級學生 Java 程式設計學習成效、學習態度和 Greenfoot 自我效能之影響。數位遊戲式學習中不同學習策略教材之研究設計及實驗教學活動分別敘述如下：一、不同學習策略之數位遊戲學習教材之研究設計不同學習策略之數位遊戲學習教材架構如圖 3-1 所示。自變項. 依變項. 1、由下而上式學習策略組. 1、程式設計學習成效. 2、由上而下式學習策略組. 2、程式設計學習態度 3、Greenfoot 自我效能. 圖 3-1 研究設計架構圖本研究之自變項為「學習策略」，依據程式設計概念與遊戲功能實作順序，分成「由下而上式」與「由上而下式」兩種類型，兩組在正式教學前都會教導 Greenfoot 基本操作。「由下而上式學習策略組」的教學內容從程式設計概念開始，學習程式設計基本概念，學習者利用所學之程式設計概念，實作數位遊戲中的特定功能，由各項特定功能，組合成一個完整的數位遊戲。在課堂中將提供學習講義，供學生學習與實作參考；「由上而下式學習策略組」的教學內容以「TankWorld」遊戲整體架構開始，了解數位遊戲架構與各項功能，在實作各項功能時，學習程式設計概念。本研究之依變項有三，分別為「程式設計學習成效」、「程式設計學習態度」和「Greenfoot 自我效能」。本研究之「程式設計學習成效」是指學習者經由教學活動實驗教學後，學習程式設計相關概念的學習成效，使用程式設計學習成效後測測驗 24.

(35) 卷成績進行比較。「程式設計學習態度」是指學習者經由學習活動實驗教學後，接受程式設計學習態度評量的分數，評量學習者的學習態度感受，其中包括對於程式設計的看法、對於上課教材的看法、個人學習情況和其他改進建議。「Greenfoot 自我效能」是指學習者經由數位遊戲式學習活動實驗教學後，接受 Greenfoot 自我效能量表的分數，測量學習者對於 Greenfoot 使用的自我效能。本研究為配合受試班級的班級、教室與課表的安排，實驗教學以班級為單位，實驗地點皆在電腦教室進行，教學者為研究者本人，實驗教學為期四週，每週一節 50 分鐘，每班各 200 分鐘。二、不同學習策略之數位遊戲學習教材實驗教學活動設計（1）. 學習領域與目標. 依據教育部普通高中必修科目「資訊科技概論」課程綱要，課程欲達成目標之一為培養學生邏輯思維及運用電腦解決問題之能力。目前高中資訊教師都視程式設計為一重要單元，且大部分的教師也都教授程式設計，主要使用 Visual Basic 作為講授程式設計的程式語言（陳宏煒，2003）。本研究使用 Java 作為程式設計教學的程式語言，教學活動為教導學生實作「TankWorld」遊戲，從中學習程式設計概念，包括(1)方法呼叫、(2)參數、(3)資料型態、(4)回傳值、(5)if-敘述句、(6)亂數、(7)按鍵偵測、(8)多重判斷式、(9)變數與物件宣告、及(10)迴圈。（2）. 數位遊戲設計. 本研究使用的遊戲參考「坦克大戰(Battle City)」遊戲，「坦克大戰」是一款平面射擊遊戲，是 1985 年出版於日本開發商「南夢宮（NAMCO）」。在此遊戲中，玩家操作一輛坦克，必須消滅所有電腦控制的敵軍坦克，而且保護自己的基地。遊戲中有許多地形和障礙，例如磚牆可以被雙方的任何坦克銷毀，但是鋼鐵牆只能被玩家 25.

(36) 升級後的坦克毀滅。樹林可以擋住玩家的視線，但是對電腦控制的坦克毫無影響。遊戲中也有許多道具供玩家操作的坦克升級，如炸彈可使敵方的坦克全部炸毀、時鐘可使敵方的坦克全部停止，過一段時間後又會恢復。「坦克大戰」遊戲畫面如圖 3-2 所示。本研究簡化「坦克大戰」遊戲，保留適合程式設計教學的部分功能，使用 Greenfoot 發展「TankWorld」遊戲。「TankWorld」遊戲中，玩家操作一輛坦克，坦克可利用鍵盤方向鍵控制上、下、左、右四個方向前進，按下空白鍵可發射子彈。遊戲目標是消滅地圖上所有電腦控制的敵軍坦克，地圖上有兩種障礙物，一種是磚牆，可以被坦克所發射的子彈銷毀，另一種是鋼鐵牆，無法被銷毀。「TankWorld」遊戲畫面如圖 3-3 所示。. 圖 3-2 坦克大戰遊戲畫面. 26.

(37) 圖 3-3 TankWorld 遊戲畫面（3）. 數位遊戲實作教材設計. 本研究之數位遊戲實作教材設計，是將「TankWorld」遊戲拆解為三部分，坦克、子彈與地圖，坦克可細分為玩家操作的紅色坦克與電腦控制的綠色坦克，紅色坦克可由玩家利用鍵盤操控，綠色坦克則在地圖上隨機移動。依據遊戲各部分功能，設計兩種不同學習策略教材，分別為「由下而上式（Bottom-up）學習策略教材」和「由上而下式(Top-down)學習策略教材」，圖 3-4 為課程規劃樹狀圖，說明兩個不同策略學習教材的學習內容與次序。. 27.

(38) 圖 3-4 課程規劃樹狀圖學習教材內容分述如下： 1.. 由下而上式（Bottom-up）學習策略教材本學習教材先從 Java 基本程式設計語法與概念的學習開始，並搭配連貫的實作. 練習，實作 TankWorld 遊戲中各角色的行為，最後整合成完整遊戲，教學時間為四堂課，每堂課 50 分鐘。以下分別說明各堂課教學內容： 1.1. 第一堂課學習內容為程式設計中的「方法呼叫」、「參數」、「資料型態」和「if-敘述句」。「方法呼叫」對應的實作練習為坦克前進；「參數」對應的實作練習為坦克轉彎、「資料型態」、「回傳值」和「if-敘述句」對應的實作練習為坦克邊界偵測。 1.2. 第二堂課學習內容為程式設計中的「隨機亂數」、「按鍵偵測」和「多重判斷式」。「隨機亂數」對應的實作練習為坦克的隨機行為；「按鍵偵測」對應的實作練習為坦克的鍵盤控制行為；「多重判斷式」對應的實作練習為障礙物偵測。 28.

(39) 1.3. 第三堂課學習內容為程式設計中的「新增物件」、「移除物件」和「變數宣告」。「新增物件」和「移除物件」對應的實作練習為子彈發射功能；「變數宣告」對應的實作練習為子彈冷卻時間功能。 1.4. 第四堂課學習內容為綜合練習與「迴圈」。綜合練習內容包含「方法呼叫」、「變數宣告」和「if-敘述句」，對應的實作練習為角色間的碰撞功能；「迴圈」對應的實作練習為地圖中障礙物的建置。 2.. 由上而下式（Top-down）學習策略教材由上而下式學習策略教材是從遊戲架構出發，解析遊戲中各角色間的規則和各. 角色的行為屬性，列出各角色詳細功能，並實作出來。從實作中學習程式設計語法和概念。教學時間為四堂課，每堂課 50 分鐘。以下分別說明各堂課教學內容： 2.1.. 第一堂課學習內容為遊戲解析和坦克行為。遊戲解析是指向學習者介紹遊戲架構，說明. 遊戲規則，並列出遊戲中各角色的屬性功能，如綠色坦克由電腦控制，可在地圖上隨機移動、紅色坦克由玩家操控，可利用方向鍵移動，和利用空白鍵發射子彈等。了解遊戲整體架構後，藉由實作坦克移動與轉彎行為，學習程式設計中的「方法呼叫」和「參數」概念。 2.2.. 第二堂課學習內容為坦克的邊界偵測、隨機移動及鍵盤控制移動。邊界偵測是指讓坦克. 在接觸地圖邊界時能回頭，實作時需使用的程式設計概念為「if-敘述句」和「回傳值」。隨機移動行為是指讓坦克在地圖上能隨機前進和轉彎，實作時需使用的程式設計概念為「隨機亂數」和「if-敘述句」。鍵盤控制移動是指玩家可藉由鍵盤的上、下、左、右鍵控制坦克移動，實作時需使用到的程式設計語法有「按鍵偵測」。. 29.

(40) 2.3.. 第三堂課學習內容為子彈行為，子彈行為有三種，第一種是當坦克按下空白鍵發射子彈. 時，新增子彈物件，並讓子彈出現在地圖上，往發射方向前進。第二種是當子彈碰到其他物件時，必須消失。第三種是當子彈發射一段時間後，若沒有碰到其他物件，也必須消失。第一種行為實作時需要使用的程式設計概念為「新增物件」。第二種行為實作時需要使用的程式設計概念為「移除物件」。第三種行為需要使用的程式設計概念為「變數宣告」。 2.4.. 第四堂課學習內容為地圖建置，地圖建置是指將各種障礙物放置在地圖上，包含坦克、. 磚牆、鋼鐵牆等物件，實作地圖建置需使用的程式設計語法為「for 迴圈」和「while 迴圈」。. 30.

(41) 第三節研究工具本研究之研究工具包括電腦素養調查表、程式設計開發環境、程式設計學習教材、學習成就測驗、課堂記錄表、Greenfoot 自我效能量表及學習態度問卷。分別說明如下：一、. 電腦素養調查表. 電腦素養調查表的目的在調查學生使用電腦軟體的相關經驗和對於程式設計的看法，以瞭解學生對於資訊科學背景和程式設計的知識。內容包含調查學生學習過的電腦軟體（如：Microsoft Word、Excel、Scratch 等）、是否學習過程式設計、對程式設計的印象。詳細調查內容請參閱附錄一。二、. 程式設計發展環境. 本研究使用 Greenfoot 作為數位遊戲的發展環境，Greenfoot 是一個針對物件導向程式設計教學所開發的視覺化教育軟體開發環境，其目標學習者為 14 歲以上程式設計初學者。其圖形化介面，可讓教學者容易地教導重要的物件導向概念，也可以引起學習者的學習動機，更投入於學習中。Greenfoot 環境提供預先寫好的樣版，預先提供程式碼的基本結構，讓學習者不必從空白的程式編輯器開始，免去學生因程式「設計」所產生的困難，更能專注在概念的學習上。三、. 學習教材. 本研究學習教材參考 Introduction to Programming with Greenfoot (Kölling, 2010) 書籍前四章所學習到之程式設計語法與概念，融入到 TankWorld 遊戲。TankWorld 遊戲中玩家可以控制一輛坦克，對抗電腦控制的坦克，地圖上有許多障礙物供坦克躲藏，障礙物可利用坦克發射砲彈擊破障礙物。本研究學習教材利用 TankWorld 遊戲，製作兩種不同學習策略教材，分別是由下而上式學習策略教材與由上而下式學習策略教材，分述如下： (1). 由下而上式學習策略教材：本學習教材先從 Java 基本程式設計語法與概念的學習開始，並搭配連貫的 31.

(42) 實作練習，實作 TankWorld 遊戲中各角色的行為，最後整合成完整遊戲。 (2). 由上而下式學習策略教材則是從遊戲架構出發，解析遊戲中各角色間的規則和各角色的行為屬性，列出各角色詳細功能，並實作出來。從實作中學習程式設計語法和概念。四、. 學習成就測驗學習成就測驗為學習教材所包含的程式設計概念相關試題，內容包含是非題 5. 題、單選題 5 題、填充題 2 題和程式撰寫題 1 題，共計 13 題。詳細測驗內容請參閱附錄二。五、. 學習態度問卷學習態度問卷分成四個部分，簡述如下： 1. 對於程式設計的看法：包含對程式設計難易程度、對程式設計的興趣和程式設計對於邏輯思考是否有幫助等看法。 2. 對於上課教材的看法：課堂學習教材是否較能引起興趣、課堂講義的內容與難度適當和是否喜歡使用遊戲範例作為學習教材等看法。 3. 個人學習情況：上課認真程度、主動發問的意願等看法 4. 開放問題：包含對程式設計課的改進建議、對教材設計的改進建議和其他意見。. 合計 29 題；問卷題目採用 Likert-type 四等量表。依非常同意、同意、不同意、非常不同意之順序，分別給予 4、3、2、1 分。詳細之調查問卷內容請參見附錄三。六、. Greenfoot 自我效能量表. Greenfoot 自我效能量表之目的在測量學習者使用 Greenfoot 以完成特定任務之個人能力信心評斷。本量表改編 Compeau 和 Higgins（1995）所發展的電腦自我效能量表，共 10 題，量表內容為詢問學習者在不同情境下，使用 Greenfoot 完成指定練習的自信心程度。本量表採用 Likert-type 五等量表，1 代表沒有信心、2 代表不太有信心、3 代表信心普通、4 代表有一點信心、5 代表有信心。計分方式為回答 1 者給 32.

(43) 1 分，回答 2 者給 2 分，以此類推，若得分越高表示 Greenfoot 自我效能程度越高。詳細之調查量表內容請參見附錄四。七、. 課堂記錄表. 實驗過程中，Bottom-up 組與 Top-down 組課程實施情況與教學者教學情況，由研究者課後填寫課堂觀察紀錄表，並請教任課教師對於課程實施與教學有何建議。課程實施情況分為兩部分，「學生提問與錯誤記錄」與「學生反應是否良好」；教學者教學情況分為兩部分，「教學實施中所遭遇的困難與解決方法」與「教學內容何處值得加強或補充」。. 33.

(44) 第四節實驗流程本研究實驗教學活動為五節課，如圖 3-5 所示。主要包含實驗準備、電腦素養調查、數位遊戲發展學習活動、後測。實驗教學時間共四週，後測時間一週，每週 50 分鐘。. 實驗開始. 電腦素養調查(10min). Greenfoot 開發環境介紹、操作說明. (10min) 由下而上學習策略組教學活動. 由上而下學習策略組教學活動. (180min). (180min). 後測(50min) 1. 程式設計學習成效後測 2. Greenfoot 自我效能量表 3. 程式設計學習態度問卷. 實驗結束圖 3-5 實驗程序流程圖. 34.

(45) 第五節研究程序本研究之研究流程如圖 3-6 所示，包含準備、實驗與結果分析三個階段，分別說明如下。. 圖 3-6 研究流程圖 35.

(46) 一、. 準備階段準備階段可分為文獻蒐集、發展研究工具與修訂研究工具。文獻蒐集為參閱國. 內外關於程式設計教學、視覺化工具與遊戲式學習的相關研究，探討視覺化工具結合遊戲式學習在程式設計學習上的應用、應用視覺化工具的意義及學生學習程式設計的困難，以建立本研究的基礎。接著，發展研究工具，分析國內外視覺化工具應用實例並參閱國內外程式設計之教材，設計出兩套讓學生使用視覺化工具，發展數位遊戲並學習程式設計概念的學習教材。為了要評估研究工具之可用性，將請學科專家使用教材學習後，針對學習內容、課堂講義內容和測驗給予回饋與建議。最後再根據專家的回饋建議修訂研究工具，修改教材內容、講義內容、測驗題目與問卷。二、. 實驗階段. 針對高中二年級之程式設計學習進行實驗，實驗教學期間為期四週，四堂課的時間，每一節課 50 分鐘，第五週進行後測，時間 50 分鐘。正式實驗，一開始兩班學生皆接受課前電腦素養調查，接著，一班學生使用「由上而下式學習教材」學習，另一班使用「由下而上式學習教材」學習；實驗後，對兩班學生進行後測並填寫學習態度問卷和 Greenfoot 自我效能問卷。兩班授課教師皆由研究者擔任，上課地點皆在電腦教室，每位學生均有一部電腦供操作與學習。實驗過程中會請原班級任課教師在旁觀察，針對學生提問記錄、學生錯誤記錄和教學實施等，填寫課堂觀察表，紀錄實驗情況。三、. 結果分析階段. 實驗後，進行資料彙整與分析。資料來源包含學生之課前電腦素養調查、學生之程式設計後測成績、學生後測答題內容、學生學習態度問卷、學生 Greenfoot 自我效能問卷與教師課堂觀察記錄。資料將利用 SPSS 統計軟體組織並分析。. 36.

(47) 第六節資料處理與分析一、. 資料處理. 本研究的資料來自電腦素養調查、學習成就測驗成績、Greenfoot 自我效能量表、學習態度問卷及課堂紀錄，分述如下： (1) 電腦素養調查透過電腦素養調查了解學生對於資訊科學的知識和程式設計的概念情況，確保兩組學生在起點行為上是一致的。調查內容包含學習過的開發環境操作、對程式設計的印象等。 (2) 學習成就測驗成績透過學習成就測驗蒐集使用不同策略學習教材學生在程式設計概念的學習成效上有何差異。 (3) 學習態度問卷問卷題目採用 Likert-type 四等量表，蒐集學生使用數位遊戲發展進行程式設計學習的使用態度及學習者對 Greenfoot 的使用態度之分數，以利後續分析。 (4) Greenfoot 自我效能量表問卷題目採用 Likert-type 五等量表，蒐集學生使用數位遊戲發展進行程式設計學習後，對 Greenfoot 使用的自我效能。 (5) 課堂記錄記錄學生課堂中提問的問題、學生完成指定實作任務的效率，以瞭解學生數位遊戲發展環境使用及程式設計概念理解的困難。二、. 資料分析. (1) 以獨立樣本 t 檢定方式分別比較由下而上式學習策略組及由上而下式學習策略組學習成就測驗成績，分析兩組的學習成效是否有顯著差異。 (2) 統計學生填寫學習態度問卷的分數並求其平均數，探討學生使用數位遊戲發展進行程式設計學習的使用態度及學習者對 Greenfoot 的使用態度。 37.

(48) (3) 統計學生對於 Greenfoot 使用的自我效能，了解學生使用 Greenfoot 發展遊戲並學習程式設計後，對於 Greenfoot 使用的信心程度。. 38.

(49) 第四章結果與討論本研究就不同遊戲學習策略（由下而上式、由上而下式）將所收集之實驗數據，分別進行「程式設計學習成效」分析、「程式設計學習態度」分析及「Greenfoot 自我效能」分析。本研究統計分析之顯著水準皆設為.05。. 第一節程式設計學習成效本研究為了解「由下而上式數位遊戲學習策略」（使用本策略的組別，以下簡稱 Bottom-up 組）和「由上而下式數位遊戲學習策略」（使用本策略的組別，以下簡稱 Top-down 組）兩種不同的遊戲學習策略學習教材對學習者程式設計學習成效的影響，利用程式設計學習成效測驗卷的分數作為依據，進行程式設計學習成效分析。一、電腦素養調查分析為了要檢驗兩組學生是否對於程式設計的先備知識及程度相當，考慮學生未接受過任何程式設計相關教學，故採用「課前電腦素養調查」，分析兩組學生對於資訊科學的知識和程式設計的看法，確保兩組學生在起點行為上是一致的。調查內容包含學習過的軟體操作、對程式設計的印象等。以下針對「課前素養調查」的結果，依調查問題的順序，調查結果如下： 1.. 學生學習過的電腦軟體本題目的在調查學生學習過的電腦軟體（此處的「學習過的電腦軟體」意謂在. 正式課堂中學習過的電腦軟體）包含(1) Microsoft Word(2) Microsoft Excel (3)Microsoft PowerPoint(4) Microsoft FrontPage (5) Scratch (6)Alice (7)Ulead PhotoImpact。在 Microsoft Word 方面，Bottom-up 組有 32 位學生學習過 Microsoft Word，佔全班的 84%；Top-down 組有 33 位，佔全班的 83%。在 Microsoft Excel 方面， Bottom-up 組有 16 位學生學習過 Microsoft Excel，佔全班的 42%；Top-down 組有 24 位，佔全班的 60%。在 Microsoft PowerPoint 方面，Bottom-up 組有 29 位學生學習過 Microsoft PowerPoint，佔全班的 76%；Top-down 組有 32 位，佔全班的 80%。在 Microsoft FrontPage 方面，Bottom-up 組有 7 位學生學習過 Microsoft FrontPage，佔 39.