情境式運算思維教材之發展與評估

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(1)臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：吳正己. 博士. 情境式運算思維教材之發展與評估. Teaching High School Students Computational Thinking with Situated Learning Materials. 研究生：李威霖. 撰. 中華民國一○五年六月.

(2) 摘要本研究旨在發展學生培養運算思維的情境式教材，並評估教材對學生運算思維能力和學習態度之影響。教材發展以分解問題（Decomposition）能力為學習主軸，學習主題包含「二元搜尋法」、「快速排序法」以及「分析幾何繪圖」等三個單元。教學設計主要是讓學生面對情境式問題時，能嘗試不同的解題方法並比較其效率，讓學生體驗並思考運用分解問題策略解決問題之效率，以培養學生運算思維能力以及對電腦科學的興趣。教學實驗時間為期三週共計三小時，研究參與對象為北部某女子高中一年級學生，三班共計 105 位學生。教學實驗後施測分解問題能力測驗和自編態度問卷，並據以進行質性與量化分析。研究結果發現，本研究發展的情境式教材能夠：（1）有效幫助學生學習運算思維中的分解問題策略，尤其是教材中的小遊戲及實作活動；（2）增加學生學習電腦科學的興趣與意願；（3）幫助學生瞭解運算思維與解決實際生活問題的相關性。建議後續研究建議後續研究在課程設計能以情境式學習進行運算思維教學，並加入實作活動，讓學生能對運算思維內涵有具體的經驗，知道如何在相關情境中察覺與應用所學的運算思維能力，以增進學生未來對於電腦科學學習興趣與意願。. 關鍵字：分解問題、情境式學習、運算思維、電腦科學. II.

(3) Abstract This study developed situated learning materials to help high school students learning decomposition techniques of computational thinking, and evaluated how students’ decomposition ability and learning attitudes were enhanced after experienced the materials. Three units of learning materials were developed including the concepts of “binary search”, “quicksort” and “patterns in geometric figures”. The materials were designed to provide students with opportunities to try out their learned decomposition techniques to solve real-life problems through hands-on activities. We field tested the developed materials in a girl’s high school in northern Taiwan. The participants were 105 10th grade students who enrolled in an Introduction to Information Technology course. The experiment lasted four weeks. Students learned one unit of the materials one hour each week, the one hour in the 4th week is for post experiment achievement test and attitude questionnaire. The findings indicated that learning with the developed materials could help students: (1) developing their decomposition ability, (2) increasing their interests in learning computer science, and (3) understanding how computer science related to their everyday life. Keyword: Computational thinking, Computer Science, Decomposition, Situated Learning. III.

(4) 目. 錄. 第一章緒論 ............................................................................................................... 1 第一節研究背景與動機 ........................................................................................... 1 第二節研究目的 ....................................................................................................... 3 第三節研究限制與範圍 ........................................................................................... 4 第四節名詞釋義 ....................................................................................................... 4 第二章文獻探討 ....................................................................................................... 5 第一節運算思維定義與內涵 ................................................................................... 5 第二節情境式學習與培養運算思維能力之關係 ................................................... 8 第三節運算思維教材分析與探討 ......................................................................... 11 第三章研究方法 ..................................................................................................... 18 第一節研究設計 ..................................................................................................... 18 第二節研究工具 ..................................................................................................... 18 第三節資料蒐集與分析 ......................................................................................... 24 第四章結果與討論 ................................................................................................. 25 第一節運算思維學習成效 ..................................................................................... 25 第二節學習態度 ..................................................................................................... 28 第三節設計情境教材的元素探討 ......................................................................... 32 第四節學生對課程的回饋 ..................................................................................... 36 第五章結論與建議 ................................................................................................. 38 第一節結論 ............................................................................................................. 38 第二節建議 ............................................................................................................. 39 參考文獻 ..................................................................................................................... 40 附錄 A：分解問題能力測驗...................................................................................... 46 附錄 B：態度問卷 ...................................................................................................... 48 附錄 C：二元搜尋法學習單...................................................................................... 50 附錄 D：快速排序法單.............................................................................................. 51 附錄 E：分析幾何繪圖學習單 .................................................................................. 52. IV.

(5) 表目錄表 3-1 表 3-2 表 4-1 表 4-2 表 4-3 表 4-4 表 4-5 表 4-6. 分解問題能力測驗指標.............................................................................. 24 各個擊破法應用的答案與配分.................................................................. 24 分解問題能力分析...................................................................................... 26 各個擊破法的能力應用.............................................................................. 27 課程教材對學習的助益.............................................................................. 30 電腦科學課程的學習興趣與意願.............................................................. 31 電腦科學應用於生活情境的認同度.......................................................... 32 是否貼近生活情境中的課程活動.............................................................. 34. V.

(6) 圖目錄圖 2-1 圖 2-2 圖 2-3 圖 2-4 圖 2-5 圖 2-6 圖 2-7 圖 3-1. 字母映射表一.............................................................................................. 12 二元搜尋法尋找學生.................................................................................. 12 各種切片數的圓.......................................................................................... 13 模式識別推敲公式...................................................................................... 14 快速排序法示意圖...................................................................................... 15 以程序來簡化程式碼.................................................................................. 16 重複繪圖與旋轉來完成圖形...................................................................... 16 不同變數而匯出多變的幾何圖（引自：MARJI, 2014） ......................... 20. 圖 3-2 圖 3-3 圖 3-4 圖 3-5. 尋找犯人的初始畫面.................................................................................. 21 數字大於被偷的時間點畫面...................................................................... 21 數字確切的時間點畫面.............................................................................. 21 水果秤重的初始畫面.................................................................................. 22. 圖 3-6 圖 3-7 圖 3-8 圖 3-9 圖 4-1 圖 4-2. 水果比較重量的畫面.................................................................................. 22 輸入重量順序的畫面.................................................................................. 22 答案錯誤的畫面.......................................................................................... 23 答案正確的畫面.......................................................................................... 23 學生甲第一題答案...................................................................................... 26 學生乙第一題答案...................................................................................... 26. 圖 4-3 圖 4-4 圖 4-5. 學生丙第一題答案...................................................................................... 27 學生丁第二題答案...................................................................................... 27 學生戊第二題答案...................................................................................... 28. VI.

(7) 第一章緒論第一節研究背景與動機從國際上相關教育政策的發展可以發現，許多國家已經注意到電腦科學教育對未來的生活、工作及國家發展相當的重要，因此在課程標準訂定、教師培訓和政策宣導上已如火如荼的展開（教育部，2013；ACARA, 2013；Brinda, Puhlmann, & Schulte, 2009；CSTA, 2011）。2011 年美國電腦科學教師學會（Computer Science Teachers Association, CSTA）修訂 K-12 電腦科學課程標準，明列所需培養之能力及學習內容，倡議所有學生都應修習該課程（CSTA, 2011）；美國白宮（Whitehouse, 2014）也宣布，將在全美最大的 7 個學區同推程式設計課程，並自 2015 年秋季開始培訓一萬名電腦科學教師，2016 冬季開始時將會有兩萬五千名老師可以教受電腦科學，預計將影響全美一千多所中學，計四百多萬青少年學生受惠。美國大學委員會推出高中先修電腦科學課程 AP Computer Science Principles（College Board, 2014），課程著重以資訊科技及程式設計的實踐與應用來解決運算問題（computational problem）。英國教育部於 2014 年實施新制定之課程綱要，電腦將科目名稱更名為 Computing，取代過去 ICT（Information and Communication Technology），以電腦科學為核心概念而非資訊科技的操作及應用（DE, 2013）。是知名軟體 Skype 發源地的愛沙尼亞，在 2012 年啟動了老虎計畫（ProgeTiiger），著重於電腦科學教師培訓以及教材發展與推崇，讓小學一年級開始學習程式設計、網頁應用程式以及網站設計，藉此培養學生邏輯思維、創造力以及數學能力（HITSA, 2015）。此外，如澳洲（ACARA, 2013）、德國（Brinda, Puhlmann, & Schulte, 2009）、及以色列（Gal-Ezer & Harel, 1999）等國也意識到電腦科學的重要性，紛紛將電腦科學或資訊科技納入中小學課程中。我國教育部（2015）也改訂新的「資訊科技」課程綱要，分別納入國中及高中必修科目。課程的目的主要是培養學生利用運算思維與資訊科技有效解決生活與學習問題，並能進行溝通與表達，及以團隊合作的方式進行資訊科技創作。而「運 1.

(8) 算思維與問題解決」更是課程學習的主要核心，期望學生能「具備運用運算工具之思維能力，藉以分析問題、發展解題方法，並進行有效的決策」。同時，我國教育部（2013）規劃的「提升數位素養實施方案」中，將數位素養與. 語文、數學、科學、及教養/美感等並列為國民基礎素養。數位素養四大能力指標包括：(1)具備數位公民使用行為與習慣。(2)善用數位工具收集、評估、應用資訊以研究、解決各種問題。(3)數位設計與共享。(4)熟悉數位科技概念與操作。其中第三點所提之「運算思維」更是數位素養的核心之所在。運算思維的運用在生活中比比皆是，例如，在一長串姓名中快速找出資料（線性或二元搜尋），在銀行、超市、或海關判斷最快的排隊路線（工作分析及排程），排定有效率的送貨或拜訪行程（銷售員旅行問題）、及規劃自助餐店食物取用的流暢路線（管線化）等；對於其他學術領域中，如統計學、生物學、經濟學領域等發展更是有莫大的貢獻（Wing, 2006）。因此運算思維在近幾年已被視為學生所應具備的基本能力之一，我國 12 年國教「資訊科技」課程綱要也以此為主軸，以培養學生的運算思維能力為目標，然而，國內外目前對於運算思維相關教學與教材的實證研. 究並不多，因此發展優良並適合我國學生使用之運算思維教材是相當重要的。運算思維（Computational Thinking, CT）一詞最早是由 Carnegie Mellon University（CMU）的電腦科學學者 Wing（2006）所提出，她指出：「運算思維是運用電腦科學基本概念來解決問題、設計系統、以及瞭解人類的行為」，是每個孩童都應具備的基本素養，以及未來生活必備的電腦科學技能與知識。Wing （2011）後來又進一步定義 CT 為「一種思考歷程，是規劃問題與解決方案的心智活動，而這些問題解決方案能由人、電腦或兩者的結合來實施」。Wing（2008）指出如何有效的讓學童（或教師教授）學習運算思維是我們面臨的最大挑戰之一，而傳統的電腦科學教學大都以一般程式語言（如：C++、Java）工具培養運算思維，讓初學者藉由程式設計過程學習重要的概念，然而此種方式對中小學學生而言過於艱澀不適合，Kelleher 及 Pausch（2005）建議以拖拉方式的視覺化程式語言較適合培養學生運算思維，因此學習運算思維的工具環境應該是要低入門門檻 2.

(9) 的特性（Repenning, Webb, & Ioannidou, 2010）。Kazimoglu 等人（2012）讓學生在遊戲情境中輸入圖像式指令解決問題，並藉由循序、迴圈和程式函式等概念幫助學生培養運算思維。Settle（2011）則是以紙本的井字遊戲和蛇梯道等遊戲，讓學生將遊戲規則抽象化，並觀察模式找出之間的脈絡，最後評估最優策略來達成遊戲目標，藉此一在遊戲情境過程中培養運算思維。上述教學著重在「情境」的建立，讓學生在構築知識時，免去額外的負擔，同時也在情境中解決問題，藉此過程來培養運算思維的能力。且台灣即將實施十二年國教課程，然而目前國內國、高中課程對於運算思維能力之培養的相關研究並不多，主要原因在於目前國內以運算思維為核心課程之發展尚未成熟，如何發展有效培養運算思維教材是本篇研究中主要探討的重點之一。因此本研究主要目的為分析國外培養運算思維的教材與研究，並且以此為基礎來發展適合我國的運算思維的教材，並更進一步探討其成效與影響。. 第二節研究目的運算思維普遍被認知是解決問題的過程，而這過程中牽涉到許多電腦科學相關基礎概念的使用，其中「分解問題」則在許多研究中被認為是重要能力之一，將複雜的大問題（演算法、作品、流程或系統）分解後，可以更簡單的被執行或解決、被掌控處理（Curzon, Dorling, Ng, Selby, & Woollard, 2014; ECT, 2015）。因此，本研究所發展之運算思維教材便是以培養學生分解問題之能力。本研究旨在發展情境式運算思維的分解問題能力教材，並評估教材對學生分解問題能力和學習態度之影響。具體的研究目的如下：一、發展情境式運算思維之分解問題能力教材二、探討情境式運算思維之分解問題能力教材對學生分解問題能力的影響三、探討情境式運算思維之分解問題能力教材對學生學習態度的影響. 3.

(10) 第三節研究限制與範圍本研究的範圍與限制如下： 1.. 本研究設計的運算思維教材，主要以培養學生分解問題之能力。電腦科學知識主要為二元搜尋法、快速排序法以及Scratch程式設計。. 2.. 本研究之研究對象為女校且資優學校，學生學習態度積極，因此本研究的結果只適合推論至其他相同背景的班級，不適合做過度推論。. 第四節名詞釋義本節針對研究出現的名詞釋義，包含運算思維、分解問題、情境式學習。 1. 運算思維：問題解決過程中所包含的一些特性：(1)把問題規劃成可用電腦或其他工具解決的形式，(2)有邏輯地組織和分析資料，(3)以抽象化表示資料，(4)建立演算法將解題方案自動化，(5)分析各種可能找到最有效的解題方案，(6)將問題解決過程一般化以解決其它的問題；以及態度： (1)有自信去面對複雜的事情，(2)面對困難的問題能堅持下去，(3)容忍模糊的事物，(4)有能力去處理開放性的問題，(5)有能力與他人溝通合作達成共同的目標（ECT, 2015）。 2. 分解問題：將複雜的大問題（資料、演算法、作品、流程或系統）分解後可以更簡單掌控處理並執行或解決（ECT, 2015）。 3. 情境式學習：情境式學習乃是將學習置於真實或模擬的情境之中，透過學習者與情境間的互動，使學生更有效率的將學習到的知識應用在生活中（林吟霞、王彥方，2009）。. 4.

(11) 第二章文獻探討本章主要探討運算思維的分解問題能力定義與內涵、情境式學習與培養運算思維能力之關係以及現有運算思維教材之分析。. 第一節運算思維定義與內涵 CMU 的電腦科學學者 Wing 在 2006 年提出運算思維的概念，她認為運算思維是普遍人們都可適用而非專屬於電腦科學家，且重要性等同於閱讀、寫作、算術等須具備的基礎能力。運算思維含括電腦科學基礎的概念，讓我們在生活上解決問題更有效率，也可在面對複雜困難的問題時，可透過抽象化、分解問題、模組化等方式，將問題重新規劃成我們熟悉的問題並加以解決。Wing 在 2008 年更提到運算思維為是一種分析式思考，包含以數學思維解決問題、工程思維來設計系統、以及科學思維瞭解人類行為，而這些能力都源自於電腦科學的基本概念。後來 Wing 在 2011 年重新定義運算思維是「運算思維是規劃問題（formulating problem）及解題方案的思考過程，它將解題方案以訊息處理者（人或機器）可以有效執行的形式呈現」。在 Wing 學者對於運算思維的概念拋磚引玉之後，引發各界熱烈的關注與探討，讓許多學者認同運算思維的重要性並也提出不同的見解。運算思維影響了所有領域的研究，同時也改變我們的思維方式，運算的概念提供了描述假設與理論的一種新語言，延伸了我們認知能力，想了解 21 世紀必須先了解運算思維（Bundy, 2007）。Lu 及 Fletcher（2009）指出運算思維是利用電腦科學基本概念來解決問題與設計系統的方法，使用不同的抽象概念層次更有效的瞭解與解決問題；運算思維也是演算思考，以其應用數學概念能更有效地提出解決方案；運算思維並不是要人類像電腦一樣思考，而是發展一套心智工具，有效使用電腦解決人類複雜的問題。Kazimoglu 等人（2012）歸納多位學者的論點，提出五點運算思維的核心技能：(1) 問題解決（Problem solving）：指的是定義問題，分解問題，評估適 5.

(12) 當方法解決問題，最後發展抽象化，(2) 建立演算法（Building algorithm）：指有結構且逐步執行流程解決特定問題，並且可重新用於相似的問題，(3)除錯（Debugging）：為分析問題中的錯誤，是種批判式和程序性的思考，(4)模擬（Simulation）：也稱建立模組（Building models），主要以預先設計或執行模組來幫助問題的決策，(5)社交（Socializing）：指的是在上述問題解決、建立演算法、除錯和模擬等階段時，與人進行協調、合作或競爭的行為。根據上述研究可以發現到許多學者對於運算思維的定義大都歸類於問題解決的能力，但對其核心內涵又有些許不同。美國 ISTE（International Society for Technology in Education）與 CSTA 合作，透過問卷調查的方式徵詢電腦科學相關的老師、學者和從業人員等人的回饋，而歸納出運算思維的操作型定義（ISTE, 2011），該研究指出運算思維是在問題解決的過程時所包括的以下特性：(1)把問題規劃成可用電腦或其他工具解決的形式，(2)有邏輯地組織和分析資料，(3)以抽象化表示資料，(4)建立演算法將解題方案自動化，(5)分析各種可能找到最有效的解題方案，(6)將問題解決過程一般化以解決其它的問題。此外，上述能力會受到學生特質所支持與強化，包含：(1)面對複雜事情的信心，(2)面對困難問題的堅持度，(3)模糊容忍度，(4)處理開放性問題的能力，及 (5) 與他人溝通合作達成共同的目標的能力。Google 的 Exploring Computational Thinking 網站也同樣引用了上述 ISTA 與 CSTA 合作研究指出的特性與態度，並且致力於推廣運算思維，提供豐富的教案、影片和資源，幫助教師在現有課程融入運算思維教學。而 Google 對於運算思維的定義為「問題解決過程中所包含的一些特性（例如能有邏輯地排序與分析資料後，以詳列步驟方式建立演算法來解決問題）及態度，例如能有信心去面對處理複雜且開放性的問題」。運算思維不只是在開發電腦應用程式上至關重要，也適用於解決數學、科學和人文領域上的問題，使學生在課程中透過運算思維學習時能更加了解到學科之間與生活的重要關係。對於運算思維所包含的核心概念定義為「在電腦科學領域中解決問題時會牽連到的心智處理的過程以及產出具體的結果」，並詳列 11 個概念與定義如下（ECT, 2015）： 6.

(13) 1.. 抽象化：識別並提取重要資訊來定義表達出主要想法。. 2.. 演算法設計：建立一系列有序的指令來解決類似的問題或是執行作業。. 3.. 自動化：透過電腦或機器執行重複性任務。. 4.. 資料分析：尋找資料的模式或深入探究資料來使資料更有意義。. 5.. 資料收集：採集資訊。. 6.. 資料表示法：以適當圖表、文字或圖案來組織與描述資料。. 7.. 分解問題：將資料、流程、或問題分解成精小且可掌控處理的程度。. 8.. 平行處理：將大型任務分解成多個較小任務同步平行處理，來更有效率地達成目標。. 9.. 模式一般化：將觀察到的模式建立出模組、規則、原理或理論來測試出預計的結果。. 10. 模式識別：觀察資料的模式、趨勢以及規律性。 11. 模擬：發展一個模組可以仿造真實世界的進行過程。綜合上述研究，運算思維普遍被認知是解決問題的過程，而這過程中牽涉到許多電腦科學相關基礎概念的運用，其中「分解問題」則在許多研究中被認為是一個重要能力之一，而 Google 提出的概念幾乎含括了大部分學者或電腦科學組織在定義運算思維時所提到的核心概念，每項概念的定義簡單明確，對於分解問題能力的定義為「將資料、流程、或問題分解成精小且可掌控處理（manageable）的程度」，並且在教材發展方面上也提供許多豐富資源，因此，本研究將以 Google 所定義的運算思維的分解問題能力為本研究之定義。. 7.

(14) 第二節情境式學習與培養運算思維能力之關係本節首先探討情境式學習的重要性；其次了解情境式學習發展運算思維的效益，本研究則以此為基礎來進行情境式運算思維教材的發展與分析。. 壹、情境式學習情境式學習可以幫助知識有效構築，Brown、Collins和Duguid（1989）提出「情境認知」與「情境學習」的概念與重要性，讓情境學習漸漸備受重視，他們對一般日常認知的生活活動研究結果以及 Vygotsky 的社會認知理念指出知識是情境化的，也就是知識的構築應在真實活動中，且學習活動也需與其文化相近結合，讓學習者與情境互動來產生知識，強調學習者是在真實的情境脈絡中進行著，將知識視為工具在真實情境中使用，若失去情境，工具則會喪失其使用的價值。林吟霞、王彥方（2009）也指出情境學習乃是將學習置於真實或模擬的情境之中，透過學習者與情境間的互動，使學生更有效率的將學習到的知識應用在生活中，也為課堂注入一股新的體驗學習。知識在有意義的真實工作中建構，讓學習者在自然的情境下會逐漸熟稔發現困難與學習，應用自身經驗與知識來尋找線索，並測試自己的假設的實作體驗學習，教師在運用情境教學時，只有必要時才給予方向的指引，讓學生透過情境親身經歷直接去感受學習事物，來主動建構知識，引導學生善用敏銳的觀察力，將生活經驗與知識結合。因此在電腦科學教育應脫離以往資訊科技使用之範疇，加強調電腦科學內涵，增進學生對電腦科學內涵之理解，培養邏輯思維與問題解決能力，由日常生活導入學習引起學生學習興趣，滿足數位時代中生活與職業之基本需要（國家教育研究院，2013）。因此情境式學習的重要性在於提供較真實的學習情境，以利學生在學習的歷程中，發展問題解決的策略以達活用之目的。如同運算思維即為利用資訊科技有效解決問題時，所需經歷之分解問題與產出解答的思考歷程。因此本研究以情境式學習方式在學生運用科技、邏輯思維、與問題解決等能力來培養運算思維。. 8.

(15) 貳、情境式學習發展運算思維的效益運算思維並不只是資訊科技的使用與問題解決，亦是用來判別與處理生活中的各種運算問題，以及探究與推論人類生活中自然與人工系統運作的一種思考歷程（Royal Society, 2012）。所以運算思維已成為分析與處理生活問題的重要能力。例如，在一長串依字母排序好的姓名中透過線性或二元搜尋快速找出資料；在銀行、超市、或海關排隊等待運用到工作分析及排程的概念；排定送貨或拜訪行程同銷售員旅行問題；自助餐店食物取用路線規劃依管線化（pipelining）來配置，也可以用於探究各種專業領域知識之基本工具，例如，資料探勘與機器學習影響了統計學的發展，並已運用於解決之前難解的巨量資料或巨量變項的問題；運算遊戲理論對經濟學家產生影響；新興的運算生物學（computational biology）也影響了生物學家的思維，奈米運算對化學家思維，以及量子運算對物理學家的思維也都有深遠的影響（Wing, 2006）。因此電腦科學的本質為運算思維之實踐策略，運算思維即是電腦科學的重要內涵，透過情境式學習讓學生洞察問題，將從科技領域所學到的知識實踐於情境中解決問題，重視電腦科學與情境的連結，彰顯情境式學習於運算思維的重要性。然而如何有效的讓學童學習運算思維是目前面臨的最大挑戰之一，傳統的電腦科學教學大都以一般程式語言（如：C++、Java）工具培養運算思維，讓初學者藉由程式設計過程學習重要的概念，然而此種方式對中小學學生而言過於艱澀不適合（Wing, 2008）。因此在程式語言工具選擇方面，Kelleher 及Pausch（2005）則建議選用以拖拉方式的視覺化程式語言工具，讓學生不用費心於拼字或語法的錯誤，更能專心於程式設計中邏輯與結構的思維上來培養。因此學習運算思維的工具環境應該是要低入門門檻，但具備功能強大、鷹架支持、可遷移、及永續等特性（Repenning, Webb, & Ioannidou, 2010）。例如Papert（1980）早期發展的LOGO 程式設計環境及嘗試達到這樣的「低門檻、高效用」（low floor, high ceiling）要求。Scratch、Alice、Game Maker、Kodu、及Greenfoot等的圖像化程式設計環境，這些工具都容易入手，可以讓學生聚焦於設計與創意，避開不必要的程式語法細 9.

(16) 節（Grover & Pea, 2013）。更有學者認為若先進行培養運算思維能力的相關課程，對於學生在一般程式語言的學習上有更好的表現（Davies, 2008; Lu & Fletcher, 2009）。此外在學習策略選擇方面，Kazimoglu等人（2012）的研究方式是讓學生以遊戲式學習的策略在遊戲畫面中輸入圖像式指令，並藉由循序、迴圈和程式函式等概念幫助學生培養運算思維。Settle（2011）的研究主要透過遊玩井字遊戲和蛇梯道等遊戲，讓學生將遊戲規則抽象化，並觀察模式找出之間的脈絡，最後評估最優策略來達成遊戲目標，藉此在遊戲的思考過程裡來培養運算思維。 Kuruvada、Asamoah、Dalal和Kak等人（2010）則透過Game Maker以設計遊戲的方式，讓學生在學習JAVA的概念中培養運算思維，例如抽象化（Abstraction）、繼承（Inheritance）、多型（Polymorphism）、封裝（Encapsulation）等程式設計裡的重要概念。上述研究的方法在工具方面以低門檻易用為主，而教學策略都著重在「情境」的建立，讓學生在構築知識時，免去額外的負擔，同時也在情境中解決問題，藉此過程來培養運算思維的能力。因此本節探討情境式學習的重要性以及情境式學習發展運算思維的效益，並以此為基礎發展教材，使知識的建構發生在真實的情境脈絡之中，讓情境融入資訊科技概論課程，使學習者透過主動參與和情境互動，達到學以致用的效果。. 10.

(17) 第三節運算思維教材分析與探討本節探討運算思維相關教材，並從中參考合適教材並融入情境式學習，依序分析國外教材文獻為 Exploring Computational Thinking 、 Computer Science Unplugged 以及 Learn to Program with Scratch: A Visual Introduction to Programming with Games, Art, Science, and Math 書。. 壹、Google 的 Exploring Computational Thinking Google 的 Exploring Computational Thinking 網站提供了豐富的教學資源，包括融入英文、社會歷史、數學、及科學等學科的學習單元，強調運算思維有助於各類問題的解決，是學生應該具備的基本能力（ECT, 2015），接下來列舉將運算思維融入電腦科學、數學和英文進行教學的例子並加以分析。. 一、電腦科學－訊息加密（Ciphering a Sentence）學生在活動過程中，以建立演算法的方式來詳細描述訊息加密的過程，最後檢視加密和解密的訊息中以識別模式的方式，來破解訊息並發展出解密策略。老師在開場活動提問學生「假如你要傳遞私密訊息給你朋友，而你只能寫在任何人都看得到的白板上，你要如何確保只有你朋友才看得懂」，學生試著回答可行的想法與策略。接著進行建立訊息加密表的活動，學生建立一字母映射表，並依照規則一：將英文單字分為有封閉區的（如 A, B, D, O, P, Q, R），和沒封閉區的（如 C, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, S, T, U, V, W, X, Y, Z）兩組，再將兩組合併後填入表格，如圖 2-1，之後則開始加密訊息並傳給其他同學。在總結部分則是讓學生小組討論訊息加密規則的優缺點以及可以改善之處，並讓學生詳列步驟建立演算法後以電腦去執行加密，最後讓學生思考並了解對於無法解密的訊息時，如何拆解訊息並透過識別模式的方式找出解開加密訊息的策略，例如以字母出現的頻率來解密訊息。. 11.

(18) 圖2-1. 字母映射表一. 二、電腦科學－各個擊破法（Divide and Conquer）讓學生能用各個擊破法的策略解決課程中活動的謎題，並且以分解問題概念來將完整的問題分解成較小的問題，最後透過演算法設計規畫解決策略。首先老師講解第一個活動的規則為「學生們自行將一物品隨機交給一位同學保管，不讓老師得知，待學生藏好後，老師可以提問學生問題，但學生只能回答是或否，於是老師要試著在這些限制下，以最少的提問次數找到藏物品的學生」，活絡學生氣氛引起學習動機。接著老師透過二元搜尋法的策略，從所有學生群的中間剖半，詢問物品是否在左半邊的學生中來縮小搜尋範圍，若否則從另一半邊繼續用同樣方式提問，反之亦然。最後持續重複此步驟直到剩下一位同學（圖 2-7）。該活動藉此讓學生學習將大問題分解至小問題，也就是分解問題能力。結束後與學生小組討論「還有什麼其他策略可以找到標的物」以及「老師採取的策略為什麼這麼有效率」等問題來腦力激盪，使學生可以主動思考學習，以及溝通合作發展演算法解決問題的能力，並讓學生討論後發表心得以評量學生在該活動的學習表現。. 圖2-2. 二元搜尋法尋找學生. 12.

(19) 之後的活動一則是塑造一情境讓學生透過二元搜尋法來解決問題，該情境問題為「假設一珍貴物品在監視器的錄影下被竊取，而監視畫面在過去 24 小時裡，每五分鐘會拍一次照片，如何在這堆照片中以最有效率的方式找出物品被偷的時間點」，接著讓學生小組討論搜尋辦法，再讓小組派出代表讓他們發表解決方法，藉此讓學生在課程後有實際應用的機會，並且學習評估問題解決策略的效率之能力。課程最後總結活動則是再建立另一可以用二元搜尋法來解決的例子，例如單字在字典裡的搜尋，幫助學生有能力將解決策略應用至其他類似問題，讓學生能否將該能力應用至其他情境。. 三、數學－圓面積（Area of a Circle）老師先讓學生觀察圖 2-4，並討論與描述出所注意到不同切片數的圓形以及組合起來後的圖形之間的差別，之後觀察切片數不同的圓，識別出切片圓的高與圓半徑之間比例的模式（如圖 2-5）；當學生發現切片數量接近無限大時，切片圓的高會等同圓半徑，因而推導出以矩形面積的算法可以得出圓面積，以此帶入模式識別的概念。此時，再加入 Python 程式設計練習，以強化核心概念之理解；最後提出問題為讓學生進一步思考「在十六世紀時，沒有圓面積的公式，只有矩形和平行四邊形的算法，要如何求出圓的面積？」. 圖2-3. 各種切片數的圓. 13.

(20) 圖2-4. 模式識別推敲公式. 貳、Computer Sciences Unplugged 由三位電腦科學講師以及兩位學校教師根據自身現場教學二十多年的經驗所編輯而成的 Computer Sciences Unplugged（http://csunplugged.org/）教材，他們認為現今電腦與生活息息相關，希望藉由探索電腦科學來了解電腦是如何運作以及如何思考，強調不使用電腦工具教授電腦科學概念，以學生親身體驗及模擬演算法等有意義的脈絡下，來互相溝通合作、解決問題、創造力思考，使電腦科學概念的學習具象化、簡單化來加強運算思維與生活的連結。讓運算思維成為工具，以電腦科學概念學習為主，工具只是加強知識學習的手段。將知識視為工具在真實情境中使用（Brown, Collins & Duguid, 1989）。以第二部份：讓電腦工作—演算法為例子，課程摘要提到電腦通常會把許多資料依照字母、日期或數字有順序地排好，讓搜尋時更快速找到，但錯誤的排序方法將會非常的耗時，因此在該活動中學生可以發現到不同排序演算法以及其效率之差別。活動事先需準備 8 個非透明容器裝入不同容量的水或沙子，以及一個天秤可以對每個容器進行秤重。首先讓學生自行用天秤找出最輕的容器，並分析出最快的方式；接著更進階地再選出三個容器由輕到重的排出順序，分析比較方. 14.

(21) 式以及記錄下比較的次數；最後將全部八個由輕到重的重量排出順序。然後帶出選擇排序法的概念－逐一找出最輕的容器，並且介紹其排序的方式。接著介紹快速排序法，如圖 2-8，讓學生試著比較快速排序法與前項活動的選擇排序法效率之差異。最後課程總結收斂到生活中排序的優點與應用。. 圖2-5. 快速排序法示意圖. 參、幾何繪圖 Marji 在 2014 年出版 Learn to Program with Scratch: A Visual Introduction to Programming with Games, Art, Science, and Math 一書，認為 Scratch 可以幫助學習者能提升生活中各個重要領域的解決問題能力，並且其即時回饋可以驗證思考邏輯是否正確，課程活動可以提升學習內在動機、促進對知識的追求以及在動手操作的過程中探索和發現自我的創造力和想像力。Scratch 的目的是作為一種工具來講授基本的程式設計概念並探索電腦科學。適合拿來教導國、高中的學生，甚至也可以用在來自不同領域背景的大學生，讓學生以有意義的方式將 Scratch 運用至與他們相關領域所需要相適應的技能。以第四章「程序」（procedure）為例子，本章介紹「各個擊破法」的概念來進行程式設計。將一個大專案分成不同的程序，針對每一程序進行編寫，最後拼湊一起完成問題。可以幫助編寫程式時更容易完成以及測試時更容易排除錯誤。課程中首先以 Scratch 繪製基礎的圖形為主，並針對不同的形狀設計出程式碼，之後再介紹程序的功能，針對先前的程式碼簡化程式，如圖 2-9。接下來活動則更進階至花朵的繪畫以及分析複雜的幾何圖形，並將之重複繪畫並旋轉以達成任 15.

(22) 務，如圖 2-10，主要說明如何將複雜的程式分解成較小的片段來進行解決，並針對每個程序進行測試執行，之後再進行更進階圖形繪製時則可重複利用先前的程序，而不需再費心於基本圖形繪畫的細節。. 圖2-6. 圖2-7. 以程序來簡化程式碼. 重複繪圖與旋轉來完成圖形. 經由上述活動練習後，可以理解到將程式分解成小部分並一一解決的重要性，將複雜的問題由上到下分解成小部分的邏輯結構，並將每個小部分以程序的方式解決並結合最終完成會後的程式。但在分解問題前，需先充分了解問題，再將問題分解成各個小任務去執行解決，而分解的方式沒有所謂的對或錯，是根據知識 16.

(23) 經驗的累積與培養來讓問題的分解上更加明確與效率，但分解後的問題要在邏輯上是正確的。肆、小結經由上述教材分析後可以發現到，教材的教學流程大部分皆是由教師先以提問的方式跟學生互動，並且引導學生以運算思維的方式理解與討論教學內容，接著再以實作活動搭配資訊科技或工具的輔助（如：Google 表單、試算表或天秤）實踐運算思維解決課程問題，最後則收斂課程將知識做更多的延伸與應用，在整個課程的過程中培養運算思維。本研究分析與參考上述運算思維相關教材內容，從中選定「二元搜尋法」、「快速排序法」、「分析幾何繪圖」等三個主題單元，並將教材以情境式學習進行教學來探討學習成效。. 17.

(24) 第三章研究方法本研究旨在發展與評估情境式運算思維教材。研究對象為台北市某公立高中一年級學生，實驗為期三週，資料搜集包含質化與量化資料。本章便說明研究設計、研究工具、以及資料搜集與分析方法。. 第一節研究設計本研究之研究對象為台北市某公立高中一年級三個班共105名學生。學生編班為常態分班，全程使用本研究所發展之情境式運算思維教材進行教學。授課教師為研究者本人，研究時擔任此高中實習教師。本實驗時間不含後測共計三週，每周上課時間皆為一節50分鐘，教師講述、課堂小活動與寫學習單約45分鐘，最後5分鐘總結課堂概念收斂該堂學習效果。最後一週前30分鐘讓學生進行分解問題能力測驗，後15分鐘則讓學生填答態度問卷與教材回饋。教材、問卷及分解問題能力測驗的編製，經電腦科學教育專家、高中電腦教師與資訊教育所研究生等研究團隊的多次共同討論，確保內容之品質。. 第二節研究工具本節說明評估學生學習成效的工具：分解問題能力測驗以及態度問卷；研究自行設計之運算思維教材，包括 Scratch 與分析幾何繪圖課程、以及尋找犯人與水果秤重遊戲工具等。詳細的測驗題目可參見附錄 A，問卷題目則可參見附錄 B，學習單可參見附錄 C、D 和 E。. 壹、自編分解問題能力測驗分解問題能力測驗為兩題簡答題。第一題的主要目的是測驗學生在面對複雜題目時，是否會用分解問題的方式分析與解決，而不是直接面對一個大問題來講出可能的解法；第二題則是參考自 CS Unplugged 教材中 Divide and Conquer 的單 18.

(25) 元改編成題目，主要是了解學生面對陌生的情境式問題時，是否能應用各個擊破法來解決問題。題目的設計經電腦領域專家、高中資訊電腦老師和相關研究者討論之後，以了解學生深度思考能力為設計原則（參見附錄 A 第 1 題和第 2 題）。貳、自編態度問卷自編態度問卷題目採用李克特五點量表，主要在瞭解學生對於課程中所使用的教學工具及活動之態度，包含學習興趣與意願、對學習的助益、教材情境化的元素、以及整體課程的建議與感想，詳細說明如下： 1. 學習興趣與意願：欲瞭解學生對於整體課程的興趣、電腦科學的認同之感想。藉以探討整體課程是否能夠引起學習動機以及加深認同電腦科學的重要性。（參見附錄 B 第 6、9、10、12 題） 2. 課程教材對學習的助益：主要想瞭解學生在學習過程中，對於教學工具以及教學活動與內容，在課程學習上是否是有幫助。藉以反思教材內容與工具的使用是否合適學生學習。（參見附錄 B 第 1、2、3、4、5、7、8 題） 3. 設計情境教材的元素探討：對於課程的內容是否符合情境感。瞭解課程舉的例子與活動能否貼近情境。（參見附錄 B 第 11、13、14 題和附錄 B 的第 1、2 題） 4. 課程和教材的建議：本題為學生依據整體課程內容和教材內容自由回答給予個人意見、看法、感想和建議事項，做為教學後的回饋。（參見附錄 B 第 4 題）參、Scratch 與分析幾何繪圖課程 Scratch 是由美國麻省理工學院 MIT 所開發的 2D 互動式程式設計環境，目前已發展到 Scratch2.0 版本，可以在不用安裝程式的情況下，透過網路直接在網站上設計製作。使用者可用它來設計圖畫、動畫、遊戲、及互動式故事等，該工具在全世界已翻譯成四十多種語言使用。Scratch 以拖曳積木的方式來撰寫程式， 19.

(26) 對於 Scratch 使用者而言，並不覺得是在「寫」程式，而比較像是在設計一個遊戲、動畫故事或繪圖。使用者不需如傳統程式設計撰寫文字語法，只要透過一連串積木指令流程的安排，就可以在很短時間內完成有趣的遊戲設計、動畫故事以及幾何繪圖。學生的分析幾何繪圖課程的構想主要參考至 Marji 在 2014 年出版 Learn to Program with Scratch: A Visual Introduction to Programming with Games, Art, Science, and Math 一書，課程使用 Scratch 進行教學，一開始先在學習基本的積木指令繪畫出簡單的幾何圖形，之後再加入重複結構多點變化，最後學生就可以透過幾個簡單指令或變數的修改與增加，便能輕易地製作出令人目眩神迷、多種變化的幾何圖案了，如圖 3-1。. 圖3-1 不同變數而匯出多變的幾何圖（引自：Marji, 2014）. 20.

(27) 肆、自製尋找犯人小遊戲工具尋找犯人小遊戲由研究者本人透過 Scratch 自行設計，而其中的構想主要參考自 Google: Exploring Computational Thinking 裡 Divide and Conquer 的教案。讓學生在學會二元搜尋法後，透過遊戲模擬情境方式來用監視器尋找犯人。首先初始畫面會看到家中的寶箱還存在著（圖 3-2），之後開始在輸入欄輸入數字，也就是要觀看的時間點，若輸入的數字大於被偷的時間點，則會出現寶箱消失的畫面（圖 3-3），最後以二元搜尋法方式逼近找到後則會顯示犯人的畫面（圖 3-4）。. 圖3-2 尋找犯人的初始畫面. 圖3-3 數字大於被偷的時間點畫面. 圖3-4 數字確切的時間點畫面. 21.

(28) 伍、自製水果秤重小遊戲工具水果秤重小遊戲由研究者本人透過 Scratch 自行設計，而其中的構想主要參考至 Computer Science Unplugged 裡 Sorting Algorithm 的單元。讓學生在學會快速排序法後，透過遊戲模擬情境來用秤重的方式將水果重量由輕到重排出順序。首先初始畫面會看到 8 個輕重不一的水果（圖 3-5），接著可以用游標拖曳水果至天秤後點選海狸即可知道孰輕孰重（圖 3-6），而每次的比較皆會記錄在「比較次數」上，接著透過快速排序法將全部水果比較一輪過後，則可點選「輸入答案」由輕到重輸入數字（圖 3-7），若輸入的是錯的順序則會顯示錯誤的訊息，並且記錄錯誤的次數（圖 3-8），若輸入正確則會出現答對的訊息（圖 3-9）。. 圖3-5 水果秤重的初始畫面. 圖3-6 水果比較重量的畫面. 圖3-7 輸入重量順序的畫面 22.

(29) 圖3-8 答案錯誤的畫面. 圖3-9 答案正確的畫面. 23.

(30) 第三節資料蒐集與分析本研究蒐集學習態度問卷以及分解問題能力測驗的成績分析。在態度問卷方面，第一部份的問題採李克特式五點量表，填答的項目在分析排序時非常同意給予 5 分，非常不同意給予 1 分；第二部分以簡答題方式讓學生針對教材回答進行質性分析，用來佐證運算思維的教材是否適合高中生學習。在分解問題能力測驗方面，第一題的評分方式依據表 3-1 的評分標準給予評分，其評分標準以分解問題能力細分為兩項具體目標，具體目標則依據 Google 對分解問題的定義所訂定（ECT, 2015），來探討整體課程對於學生的分解問題能力之成效。第二題的評分方式依據表 3-2 的評分標準給予評分，其評分標準若從頭到尾策略使用完全正確則 2 分，若只有部分策略採用正確則 1 分，策略錯誤則 0 分，探討學生面對情境式問題時能否應用各個擊破法的概念。. 表3-1 具體目標. 分解問題能力測驗指標佳（2 分). 基礎（1 分). 不正確（0 分). 分解成小問題的數目. 提到排序與搜尋，或分解出三種問題以上. 能分解出兩種問題. 僅以一種方法進行闡述. 問題被分解至可明確解決問題的程度. 以編號或筆畫等數字來分解問題. 以地區、字型等文字來分解問題. 無簡化問題. 表3-2 具體目標. 各個擊破法的應用. 各個擊破法應用的答案與配分正確（2 分）. 部分正確（1 分）不正確（0 分）. 有效以二元搜有各個擊破法概尋法的方式分念應用，但應用解問題不完整. 24. 採用錯誤的策略.

(31) 第四章結果與討論本章分成四節，探討情境式運算思維教材，在教學上對學生的分解問題能力、學習態度、設計情境教材的元素，以及學生對課程的回饋等四大項，以作為反思本研究所設計的運算思維教材之依據。根據完整參與全程課程的 105 名學生進行資料分析與討論。. 第一節. 運算思維學習成效. 本節探討情境式運算思維之分解問題能力教材，對學生在運算思維學習成就上的影響。學生皆於三週課程結束之後，以研究者自編的成就測驗施測，並探討學生在學習成就上的成效。表 4-1 主要呈現學生在面對複雜的問題時，是否會藉由分解問題的方式來分析並解決問題。第一項表示學生分析複雜問題後，會先將題目分解成排序與搜尋去分析（如圖 4-1），或是三種以上的小問題一一去思考解決方式（如圖 4-2）的人數有 81%；而其他只分解成兩種小問題或沒有分解問題則進行去解決的人分別為 12%以及 7%（如圖 4-3）。第二項則有 40%的學生在面對複雜問題時，能將問題分解成能解決的程度也就是數字化的程度才能有效搜尋，如圖 4-1 提到以筆畫的方式進行排序後可以進行有效率地透過二元搜尋法搜尋；而 52%的學生則是採用地區、種類等文字方面去分類，如圖 4-2 雖然提到許多方法可以進行搜尋的方式，但還不夠將問題更簡化至能解決題目的程度，也就是有效率地找到目標；只有 8%的學生對於題目只是簡單描述過程而已（如圖 4-3）。. 25.

(32) 表4-1 具體目標. 分解問題能力分析佳（2 分). 基礎（1 分) 無（0 分). 平均（滿分 2 分). 分解成小問題的數目. 81%. 12%. 7%. 1.8. 問題被分解至可明確解決問題的程度. 40%. 52%. 8%. 1.3. 圖4-1. 學生甲第一題答案. 圖4-2. 學生乙第一題答案. 26.

(33) 圖4-3. 學生丙第一題答案. 表 4-2 主要是瞭解學生在面對情境式的問題時，是否能應用所學，有效採取各個擊破法來解決問題。結果顯示有 77%的學生懂得使用各個擊破法的概念去解決情境問題，可以完整正確回答出答案（如圖 4-4），而 7%的學生則是在一開始的策略是正確的，但最後幾個步驟則用了較沒效率的解法（如圖 4-5），最後的 16%學生則是採用沒效率或錯誤的方式去回答問題。. 表4-2. 各個擊破法的能力應用平均. 學生. 正確 (2). 部分正確 (1). 無 (0). 第二題答對人數比. 77%. 7%. 16%. 圖4-4. 學生丁第二題答案 27. (滿分 2 分). 1.65.

(34) 圖4-5. 學生戊第二題答案. 從研究結果可知，學生在面對複雜的開放式問題時，能試著先將問題進行分解簡化以找出可能的解法，並依據解法延伸至最有效的答案。. 第二節. 學習態度. 本節根據態度問卷第一部份的結果進行量化的分析與解釋，分別就課程教材對學習的助益、電腦科學課程的學習興趣與意願、電腦科學應用於生活情境的認同度等，共三個向度進行討論。. 壹、課程教材對學習的助益該向度主要是想了解學生在每堂課程中參與的小活動、小遊戲以及學習單的使用上，對學生在學習時是否是有幫助的。表 4-4 第一、二、三題主要是想了解小活動與小遊戲融入至課程中，對於學生學習上是否是有助益的，而第一題顯示有超過 8 成的學生（非常同意 41%、同意 47%）認為透過尋找餅乾的小活動，可以在過程中了解到有效的搜尋方法；第二、三題也有接近 8 成的學生（非常同意 31%、同意 46%；非常同意 32%、同意 49%）認為監視器尋找犯人以及水果秤重的小遊戲在學習上是有幫助的；第四題則是在課堂觀察中發現有部分學 28.

(35) 生在使用 Scratch 所製作的小遊戲時（監視器尋找犯人和水果秤重），覺得小遊戲很有趣，而且說著自己也想要寫一個來玩，因此特別列入問卷進行探討，而其結果顯示 6 成 6 的學生（非常同意 32%、同意 34%）因操作有趣的小遊戲會引起創作的興趣；第五題則想探討在針對圖形進行分解的課程中（Marji, 2014），是否能幫助學生分解問題的方式，其結果顯示有 8 成的學生（非常同意 32%、同意 49%）認為是有效的；第七題主要想探討學生在學習時，透過學習單將自身的解決方法寫下來，並之後與電腦科學的方式比較差異之此一過程是否對學習是有幫助的，其結果雖然顯示有 6 成 2 的學生（非常同意 22%、同意 40%）認為是有幫助的，但整體助益來講是偏低的，有些許學生在教材回饋時提到寫學習單是煩人的事情，而相關質性的探討將在之後的第四節做說明；第八題則是有高達 9 成的學生（非常同意 52%、同意 38%）都同意在課程中有實際動手操作的過程，是可以在學習時讓思考更清晰的。整體課程所採用的活動與小遊戲對學生都是有助益的，而且幾乎所有學生都認同有動手實際操作對學習有幫助，但學習單的使用讓少數學生覺得麻煩，不過在學習上可以幫助學生自我分析效率差異，有一定的效益存在。. 29.

(36) 表4-3. 課程教材對學習的助益非常. 題目. 同意. 同意. 普通. 不同意. 非常. 平均. 不同意. (滿分 5 分). 1. 尋找餅乾的小活動幫助我分析有效的搜尋方法。. 41%. 45%. 11%. 3%. 0%. 4.24. 2. 監視器尋找犯人的小遊戲對我學習上很有幫助。. 31%. 46%. 21%. 2%. 0%. 4.07. 3. 水果秤重的小遊戲對我學習上很有幫助。. 32%. 49%. 18%. 0%. 1%. 4.11. 4. 我想用 Scratch 做出課程裡類似的小遊戲。. 32%. 34%. 26%. 8%. 0%. 3.91. 5. 我覺得分解圖案課程可以幫助我學習分解問題的方式。. 32%. 49%. 17%. 2%. 0%. 4.11. 7. 在學習單寫下想法，可以幫助我比較不同解決方法的效率。. 22%. 40%. 31%. 7%. 0%. 3.77. 8. 實際動手操作的過程可以讓我思考更清晰。. 52%. 38%. 9%. 1%. 0%. 4.42. 貳、電腦科學課程的學習興趣與意願該向度主要是想探討學生在經過三周的課程後，學生對電腦科學、整體課程，更甚至對未來電腦科學學習興趣與意願。表 4-5 第六題主要是想了解學生對使用 Scratch 軟體創造各式各樣的幾何圖形時是否感興趣，而結果顯示有 7 成的學生（非常同意 40%、同意 34%）是可以接受並且喜歡用 Scratch 軟體創造各式各樣的幾何圖形；第九題想了解該教材能否引起學生對電腦科學的興趣，其中有 7 成的學生（非常同意 40%、同意 34%）對電腦科學更感興趣；第十題欲探討學生經過這三周的課程，對於電腦科學只有基礎概念的認識，未來是否會繼續學習更多有關電腦科學的知識，其結果顯示只有接近 5 成的學生（非常同意 19%、同意 29%）有意願而已，雖然第十二題的結果顯示有高達 9 成的學生（非常同意 47%、同意 46%）認為整個課程是很有趣的。整體課程不管是教材的使用或是 Scratch 的創作對學生是感興趣的，但未來是否會去選修電腦相關課程還是偏低. 30.

(37) 的，因此該要讓學生有更後續對電腦科學學習的渴望還是仍有待加強的。. 表4-4. 電腦科學課程的學習興趣與意願非常. 題目. 同意. 同意. 普通. 不同意. 非常. 平均. 不同意. (滿分 5 分). 6. 我喜歡用 Scratch 創造各式各樣的幾何圖形。. 40%. 34%. 20%. 3%. 3%. 4.06. 9. 我對電腦科學更感興趣了。. 21%. 50%. 25%. 4%. 0%. 3.89. 10. 未來會嘗試修習電腦相關的選修課程。. 19%. 29%. 36%. 14%. 2%. 3.49. 12. 我覺得整個課程很有趣。. 47%. 46%. 4%. 4%. 0%. 4.35. 參、電腦科學應用於生活情境的認同度該向度主要是想了解學生在經過三周情境式運算思維教材的課程後，學生是否能加深認為電腦科學與生活的連結性，並且會想將電腦科學加以應用在生活中。表 4-6 第十一題結果呈現有 8 成的學生（非常同意 36%、同意 44%）認為電腦科學是可以幫助他解決生活中面對的問題；第十三題亦有接近 8 成的學生（非常同意 29%、同意 50%）認為會把課程的主軸「各個擊破法」的概念應用在生活、課業和工作上，認同此一能力多面向的應用；第十四題顯示有 8 成的學生（非常同意 39%、同意 44%）都同意整體課程讓學生認為電腦科學與生活是息息相關的。以情境式融入教材的整體課程，讓學生對於電腦科學應用於生活情境的認同度非常高，電腦科學不只是存在冷冰冰的書本或電腦裡，而是能在學生的生活中活了過來。. 31.

(38) 表4-5. 電腦科學應用於生活情境的認同度非常. 題目. 同意. 同意. 普通. 不同意. 非常. 平均. 不同意. (滿分 5 分). 11. 我覺得電腦科學可以幫我解決生活中面對的問題。. 36%. 44%. 18%. 2%. 0%. 4.14. 13. 我會把各個擊破法的概念應用在生活、課業和工作上。. 29%. 50%. 17%. 5%. 0%. 4.02. 14. 整個課程讓我覺得電腦科學跟生活是息息相關的。. 39%. 44%. 14%. 3%. 0%. 4.19. 第三節. 設計情境教材的元素探討. 本節根據態度問卷第二部份的結果進行質性的分析與解釋，分別就最貼近生活情境中的課程活動、最不貼近生活情境中的課程活動等兩個向度，探討課程中教材、小活動或小遊戲對學生來說是否能有效進入情境中發生有意義的學習。. 壹、最貼近生活情境中的課程活動表 4-7 第一題主要是想了解學生對於課程的教材與活動是否真的貼切於生活情境，而貼切的原因為何，其中最多人認為（40%）最貼近生活的課程為「尋找餅乾」的小活動，「尋找犯人」的小遊戲則有 21%，根據學生的回饋整理與分析後，認為兩者貼近生活的原因主要為生活中常常需要尋找事物，而且是有效率的搜尋方式：找東西時刪掉不可能的會找比較快，而且我很常不見東西。生活中常常會需要找東西，靠類似的方法才可以快速找到，對我很有幫助。生活中時常會遇到把東西弄丟，或是要從大量資料中找到自己想找的東西。生活中常常會有需要找東西的情況。因為在生活中做決定時，還有找資料的時候，常常面臨一堆選擇而不知如何是好。 32.

(39) 生活中很常需要找東西，有效地找到東西很實用。生活中有類似情境問題，可學以致用。日常生活中，處處都要尋找。在「水果秤重」的活動中也有 21%的學生認為最貼近生活，其原因分別為：生活中需要排序、比較或分類時會用到，以及是實用有效率的能力：平常也會需要找出比較重的東西，或是需要比較、排列，明白較快的方法會很有幫助。生活中常會有需要排序的情形，如果毫無系統將很耗時間。在這腳步快速的時代，講求效率是很重要，學了這個課程讓我更不會浪費時間。可以提升生活效率。日常生活資料多是沒經過排序。較少的同學（10%）認為最貼近生活情境的「分析幾何繪圖」其支持的原因可分為：(1)跟數學課相關；(2)生活中常需要將大問題分解；(3)自身對繪圖有興趣等三種原因：因為數學課學幾何時也會遇到類似的算角度等等的機會。數學課會用到，生活中有許多幾何圖形充斥在其中。生活中的事情通常也是由一個個小東西事件串連起來的。把複雜圖形一個個分析，如同生活中也常常會遇到複雜的事情，學會分析再去做很有助於解決那些麻煩事。我以後有點可能會用電腦繪圖。其他填答重複兩個以上的有 6%的同學（如：尋找餅乾和犯人），其所認為貼近生活的原因如上述所提，因此不多加論述。而最後有 2%的同學認為跟生活都不相關，都認為因為跟自身生活經驗都不相符。因此可以推論出，該知識只要是生活中能常常應用且增加解決問題的效率時，學生則會認為這是貼近生活的。 33.

(40) 表4-6. 是否貼近生活情境中的課程活動尋找. 尋找. 水果. 幾何. 餅乾. 犯人. 秤重. 繪圖. 1. 你覺得哪個課程或活動最貼近生活中的情境？. 40%. 21%. 21%. 2. 承上題，哪個課程或活動最不貼近生活中的情境？為什麼呢？. 4%. 15%. 13%. 題目. 其他. 無. 10%. 6%. 2%. 50%. 4%. 13%. 貳、最不貼近生活情境中的課程活動表 4-7 第二題對於「尋找餅乾」認為最不貼近生活的人只有 4%，其原因主要是活動規則不合常理，不會有只回答「是」或「否」的情境存在：平時不會有人那麼閒藏東西還讓你問東問西找出來。如果有人拿走了東西，不一定大家都排好讓你問，而且也不一定每個人都會回答。沒人有辦法回答你是 or 否。而認為「尋找犯人」最不為貼近的學生有 15%，其主要原分可分為，(1)沒有需要找犯人的需求或經驗；(2)沒有監視器需要操作；(3)錄影時間應是連續而非片段的照片：遇到小偷而且家裡有監視器的可能比較小。遇不到犯人。雖然很好玩，用的方法也不錯，但感覺平常並不會用到，畢竟我們不常去看監視器。因為我家沒有裝監視器，而且在８樓也沒什麼東西好偷，遭小偷這種事很難連結。不想東西被偷，監視器不是都是錄影的嗎。科技較進步，不用一張一張照片看。. 34.

(41) 在「水果秤重」活動中有 13%的學生認為最不貼近生活，其主要原因為平常不會有使用天秤的機會，而且用也是用電子磅：感覺現在都用電子秤，不會有天秤這種東西。沒有特別用到的地方。平常不會去秤重。接著有將近一半 50%的人認為最不貼近生活的課程為「幾何繪圖」的活動，學生認為最不貼近生活的原因主要為平常不會去繪畫幾何圖形的習慣，更甚是用程式來畫畫，但還是有不少學生認為課程是有趣的，不過跟生活情境不太貼近：平常不太會需要畫圖。生活中不太會畫到幾何圖。生活中大部分時間都不會使用這項技能，所以覺得和日常生活最不相關。縱然數學課程上常看到幾何圖形，但在日常生活中，幾乎不會用電腦繪幾何圖形。很好玩但是平常生活應該不會沒事就在畫幾何圖形吧。沒事不會碰到需要使用的情況，但是最有趣的一堂課。很好玩，但除了相關領域工作者，生活中幾乎用不到。好玩，但跟生活聯想不在一起。而其他 4%的學生認為寫測驗、寫學習單以及認為全部都不貼近生活。最後有 13%的學生認為所有的課程都很貼近一般生活，並且整個課程中的電腦科學多多少少也都被應用在生活之中。就上述結果可以推論出不貼近生活的原因主要為課程生活情境的限制不合常理，而且該能力是生活中比較不會去使用。. 35.

(42) 第四節. 學生對課程的回饋. 本節根據態度問卷第二部份最後一題「關於課程、教材的其他感想與建議」，以開放式問答的方式讓學生針對整體課程給予回饋與建議，來對整體課程進行質性分析與統整而做出系統性地探討。. 壹、貼近生活情境的遊戲實作對學習很有幫助學生認為將生活情境融入課程教材，以小遊戲方式讓學生在情境中透過動手實作來學習，不只是在知識的構築上更加深刻，也更可以明確地了解到知識運用的時間點，從而在生活中遇到相類似的問題時發揮課程所學，學以致用，而且其趣味性更是幫助學生有持續學習的動力：老師上課很好玩喔，特別是透過遊戲實作和思考有趣的問題，讓我對課程內容印象更深刻，也會想應用在生活中。我覺得用玩遊戲的方式學習會比用 ppt 上課更容易吸收，因為樂趣是學習新知的原動力，希望以後還能常常邊學邊玩，讓電腦課更有趣!!。透過實作小遊戲很有趣，很有參與感。課程搭配著遊戲在動手操作的同時，也學習到更多的知識了。非常實用，雖然都是電腦科學的相關課程，不過都可以應用在生活，有時候處理事情時會想起課程內容。我覺得讓同學實際操作這一點很好，因為會更有感受並知道如何運用老師所教的，而且也不會很快忘記。這些課程在生活上都會滿有用的。貳、整體課程讓學生對電腦科學燃起興趣課程的趣味性讓學生不再害怕冷冰冰的電腦科學知識，而是覺得電腦科學活了起來，活在學生生活周遭，願意去認真學習：. 36.

(43) 這系列的課程滿好玩的。其實我對資訊是個比較沒熱誠的人，本來覺得它冷冷的不會想去接觸，可是老師的課輕鬆有趣，我學到很多，謝謝老師。課程很有趣，第一次這麼認真地上電腦課。參、加入主要人物在故事中引導加深學習印象在生活情境的課程中以主角來面對生活問題，而且各個課程的問題是在有故事性的情況下連接各個課程單元，使學生在學習上印象深刻也更加被吸引：我喜歡可愛的海狸，我覺得用故事做引導的教學方式超棒的。整體都還挺有趣，不論海狸是不是出場很多次，同學都被吸引了，比一般直接上課還精彩。海狸真的令人印象深刻，這樣用故事或事件上課比較有趣。我覺得這４個很好玩，也很有趣，尤其課程具有故事性，更增添了學習動機，是一個很好的教材。覺得還不錯，讓我覺得在課程的學習比較沒有壓力，所以更能投入，海狸好可愛。. 肆、學習單對於少許學生感到厭煩對於要花腦筋思考寫測驗以及寫學習單是容易讓學生感到厭煩的事情，因此在設計上，學習單的題目應該要再簡單以及引導要再明確，或是改由其他使用小遊戲或小工具等方式來實際操作：學習單可以多一點空間做筆記之類的。學習單好多哦，很難整理，可以試試其他方式，其實其他都很好。教材準備得很好，沒有學習單更好。學習單太麻煩。. 37.

(44) 第五章結論與建議在資訊科技充斥的時代中，電腦科學的學習不再只是書本上的知識，電腦中的理論，已轉變為運算思維來分析與處理生活上的問題，以及探究各種領域知識之基本工具，是普遍人們都可適用而非專屬於電腦科學家，且重要性等同於閱讀、寫作、算術等須具備的基礎能力。學生在課程中透過運算思維學習時能更加了解到學科之間與生活的重要關係，因此資訊科技課程如何有效培養學生運算思維的能力至關重要。透過真實的活動中建構知識，且讓活動與其文化相近結合，使學習者與情境互動來產生知識，強調學習者在生活的情境脈絡中進行著，並將知識視為工具在情境中使用，如同教育部一再強調生活相關之實作學習活動、課程教學應與生活情境作有意義的結合。以期學生洞察生活之中的問題，再將所學到的知識應用於生活並嘗試解決，並且重視電腦科學與生活情境的連結，彰顯電腦科學與生活情境的關係。因此本研究旨在探討以情境式教學，是否有助於培養運算思維的分解問題能力以及提升學習態度。以下針對本研究之結果歸納出結論，並對過程中所發現的問題提出建議，以做為未來相關研究之借鏡。. 第一節結論壹、情境式運算思維教材有效幫助學生學習運算思維中的分解問題策略，尤其是教材中的小遊戲及實作活動情境式運算思維教材能幫助學生在面對複雜的開放式問題時，會先以分解問題策略對題目進行分解，並在後續找出可能解法，尤其整體課程中以情境呈現的活動與小遊戲讓學生在學習上可以更加投入，而且配合實際操作對學習更有幫助，因此用遊戲方式建立的情境，讓學生透過動手實作來學習，使知識的構築上更加深刻，而且其趣味性更是幫助學生持續有動力的學習新知。. 38.

(45) 貳、情境式運算思維教材增加學生學習電腦科學的學習興趣與意願整體課程以情境式學習有效增加學生學習電腦科學的興趣與意願，因其趣味性讓學生不再害怕冷冰冰的電腦科學知識，而是覺得電腦科學活了起來，活在學生生活周遭，願意去認真學習。參、幫助學生瞭解運算思維與解決實際生活問題的相關性情境式教材讓學生對於電腦科學應用於生活情境的認同度非常高，讓學生在學習時，透過電腦科學有效率的解決生活問題，學以致用，若是用故事性的方式，連接各個課程單元，使學生在學習上印象更為深刻，知識的學習也可以延續下去。而學生認為課程最貼近生活的原因，主要是該知識只要是生活中能常常應用且能增加解決問題的效率時，學生則會認為這是貼近生活的情境。. 第二節建議研究結果發現，以情境式學習進行運算思維教學，並加入實作活動，讓學生能對運算思維內涵有具體的經驗，知道如何在相關情境中察覺與應用所學的運算思維能力。然而，在態度問卷中發現，學生認為課程中題目的規則限制不夠合理，例如第一課尋找餅乾活動只能回答「是」或「否」的情境在生活中少有，以及該能力是生活中比較不會去使用，例如學生沒有繪圖的習慣等原因，而較脫離情境感。雖在整體課程中有九成的學生認為是有趣的，但未來會去選修電腦相關課程的學生略約五成而已。因此，建議後續的研究方向，對於課程中的規則限制，應以合理的情境方式來描述出，而非直接硬性規定來講述規則，並且能舉例更多使用的時機與情況，使課程以貼近學生生活的方式能更融入情境，進而察覺出運算思維能力於生活中的重要性；在教學內容中，可以適時增加電腦科學在各個專業領域的相關應用，以增進學生未來對於電腦科學學習興趣與意願。. 39.

(46) 參考文獻王春展（1996）。情境學習理論及其在國小教育的應用。國教學報，8，53-72。林吟霞、王彥方。（2009）。情境學習在課程與教學中的運用。北縣教育。徐新逸（1996）。情境學習在數學教育上的應用。教學科技與媒體，29，13-22。教育部（2008a）。國民中小學九年一貫課程綱要重大議題─資訊教育。教育部（2008b）。普通高級中學必修科目「資訊科技概論」課程綱要。教育部（2013）。提升國民素養專案計畫報告書（初稿）。國教院（2015）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校科技領域（草案）。國家教育研究院（2013）。十二年國民基本教育科技領域綱要內容之前導研究。國家教育研究院專題研究成果報告（編號：NAER-102-06-A-1-02-09-1-18）。 ACARA (Australian Curriculum, Assessment, Reporting Authority) (2013). Draft Australian Curriculum: Technologies. Retrieved from http://consultation.australiancurriculum.edu.au/Static/docs/Technologies/Draft%2 0Australian%20Curriculum%20Technologies%20-%20February%202013.pdf Bundy, A. (2007). Computational thinking is pervasive. Journal of Scientific and Practical Computing, 1(2), 67-69. Brinda, T., Puhlmann, H., & Schulte, C. (2009). Bridging ICT and CS: Educational standards for computer science in lower secondary education. ACM SIGCSE Bulletin, 41(3), 288-292. Brown, J. S., Collins, A., & Duguid, P. (1989). Situated cognition and the culture of learning. Educational researcher, 18(1), 32-42. 40.

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