以電腦科學史之發展脈絡發展高中資訊科教材-以資料表示法為例

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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:吳正己 博士. 以電腦科學史之發展脈絡發展高中資訊科教材 -以資料表示法為例. 研究生:楊. 騏. 中華民國一〇三年一月.

(2) 摘 要 本研究目的為發展高中電腦科學史教材,並評估教材之學習成效。本研究發 展之電腦科學史教材以資料表示法為主軸,蒐集從1830到1990年代近三十則相關 的歷史事件,用以呈現資料表示法概念的演進與發展。歷史素材的蒐集來自電腦 科學線上博物館、大學資訊工程教科書,以及電腦歷史線上期刊等,透過串連與 彙整相關史料繪製成為歷史事件圖(Historical Episode Map, HEM)。再依據歷 史事件圖設計教師授課用的投影片以及學生閱讀之講義,包含貫串資料表示法概 念發展的「數字表示」、「文字編碼」、「影像編碼」及「音訊編碼」等四個單 元,教材藉由概念脈絡連貫,並以多元領域觀點闡述。 教材評估以準實驗研究法進行,教學實驗的學校為台北市某公立高中,實驗 組與控制組各39名學生參與,實驗期間為期四週,每週一堂課。研究結果發現, 使用電腦科學史教材的實驗組學生其學習成就優於控制組學生,且更能掌握概念 脈絡的發展;而兩組學生對科學本質的理解沒有明顯不同;學習態度則為控制組 顯著優於實驗組,進一步分析學生在問卷開放式問題的填答及課堂觀察記錄,發 現實驗組的學生可能因添加之歷史內容其學習內容比控制組較多且時程緊湊,而 影響他們的學習興趣。 關鍵字:電腦科學史、教材發展、資料表示法.

(3) Applying History Context to Design High School Computer Science Instructional Materials - The Case on Data Representation Chi Yang. Abstract This study investigated how the history of computing can be applied to learn computer science. The objectives of this study were to develop high school computer science instructional materials with history context and to evaluate the effectiveness of the developed materials. The evolution of data representation concepts served as the case for history material development in the study. The materials was developed with 28 data representation related events from 1830 to 1990. I organized these events into a historical episode map (HEM) and then design the instructional materials accordingly. Four lesson units were developed, including: number representation, text representation, image representation, and audio representation. I employed a quasi-experimental research design to evaluate the materials. Two classes of high school students, each with 39 students, served as the experimental group and the control group respectively. The experiment was conducted over a period of four weeks with one period a week. The results showed that students in the experimental group developed better understanding of data representation concepts and the evolution of the concepts than students in the control group; both groups demonstrated similar views on nature of science; and the experimental group was inferior to the control group in attitudes toward learning. Keywords: History of computer science, Instructional materials, Data representation.

(4) 目 錄 附表目錄.........................................................................................................................I 附圖目錄....................................................................................................................... II 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 研究範圍 ...................................................................................................... 3 第二章 文獻探討 ......................................................................................................... 4 第一節 科學史與科學學習 ...................................................................................... 4 第二節 電腦科學史與電腦科學學習 ...................................................................... 6 第三節 科學史教材設計方法 .................................................................................. 9 第四節 科學史教材評估方式 ................................................................................ 12 第三章 研究方法 ....................................................................................................... 15 第一節 研究設計 .................................................................................................... 15 第二節 研究參與者 ................................................................................................ 15 第三節 實驗流程 .................................................................................................... 15 第四節 教材發展步驟 ............................................................................................ 17 第五節 教材評估工具 ............................................................................................ 22 第六節 資料分析方式 ............................................................................................ 24 第四章 教材發展 ....................................................................................................... 26 第一節 歷史事件圖 ................................................................................................ 26 第二節 教材組織架構 ............................................................................................ 36 第三節 與教科書的對應比較 ................................................................................ 41 第五章 教材評估 ....................................................................................................... 44 第一節 學習成就 .................................................................................................... 44 第二節 概念脈絡 .................................................................................................... 46 第三節 科學本質理解 ............................................................................................ 49 第四節 學習態度 .................................................................................................... 51 第五節 對教材看法 ................................................................................................ 53.

(5) 第六章 結論與建議 ................................................................................................... 57 第一節 結論 ............................................................................................................ 57 第二節 建議 ............................................................................................................ 58 參考文獻 ..................................................................................................................... 59 附錄.............................................................................................................................. 65 附錄 A 資料表示法歷史事件圖 ............................................................................ 66 附錄 B 成就測驗卷 ................................................................................................ 70 附錄 C 實驗組問卷 ................................................................................................ 74 附錄 D 控制組問卷 ................................................................................................ 77.

(6) 附表目錄 表2-1:1980年代各國與科學史相關的課程計畫及標準 .......................................... 5 表2-2:科學史對學生學習成效之相關研究 ............................................................ 12 表3-1:概念脈絡之評分表 ........................................................................................ 25 表4-1:「數字表示」單元的歷史脈絡摘要 ............................................................ 27 表4-2:「數字表示」單元的歷史事件細節 ............................................................ 28 表4-3:「文字編碼」單元的歷史脈絡摘要 ............................................................ 30 表4-4:「文字編碼」單元的歷史事件細節 ............................................................ 30 表4-5:「影像編碼」單元的歷史脈絡摘要 ............................................................ 31 表4-6:「影像編碼」單元的歷史事件細節 ............................................................ 33 表4-7:「音訊編碼」單元的歷史脈絡摘要 ............................................................ 35 表4-8:「音訊編碼」單元的歷史事件細節 ............................................................ 35 表4-9:各章節內容摘要 ............................................................................................ 38 表4-10:單元教材組織與實例說明 .......................................................................... 39 表4-11:「數字表示」與審定版教科書之章節對應 .............................................. 41 表4-12:「文字編碼」與審定版教科書之章節對應 .............................................. 41 表4-13:「影像編碼」與審定版教科書之章節對應 .............................................. 41 表4-14:「音訊編碼」與審定版教科書之章節對應 .............................................. 42 表5-1:兩組成就測驗-各題答對情形統計 ............................................................ 44 表5-2:兩組成就測驗-成績t檢定結果 ................................................................... 45 表5-3:兩組概念脈絡-各個脈絡元件的得分情形 ................................................ 47 表5-4:科學本質問卷填答統計(兩組人數均為39) ............................................ 50 表5-5:兩組科學本質-問卷t檢定結果 ................................................................... 50 表5-6:學習態度問卷填答統計(兩組人數均為39) ............................................ 51 表5-7:兩組學習興趣-問卷t檢定結果 ................................................................... 52 表5-8:對教材看法問卷填答統計(兩組人數均為39) ........................................ 53 表5-9:兩組對教材的看法-問卷t檢定結果 ........................................................... 54 表5-10:對教材看法問卷複選題填答統計 .............................................................. 55. I.

(7) 附圖目錄 圖2-1:古典遺傳學的歷史事件圖(引用自Lin et al., 2010) ................................ 11 圖3-1:教學實驗實施流程圖 .................................................................................... 16 圖3-2:使用電腦科學史教材的教學過程-觀看電腦科學史影片 ........................ 16 圖3-3:學生進行課堂練習 ........................................................................................ 17 圖3-4:本研究教材發展步驟 .................................................................................... 18 圖3-5:Lin等(2010)所發展科學史教材之組織架構 ........................................... 21 圖3-6:本研究發展電腦科學史教材之組織架構 .................................................... 21 圖3-7:將概念脈絡拆解為節點與連結關係等脈絡元件 ........................................ 24 圖4-1:歷史事件圖-數字表示 ................................................................................ 27 圖4-2:歷史事件圖-文字編碼 ................................................................................ 29 圖4-3:歷史事件圖-影像編碼 ................................................................................ 32 圖4-4:歷史事件圖-音訊編碼 ................................................................................ 34 圖4-5:「文字編碼」單元投影片呈現歷史事件CM1 ............................................ 36 圖4-6:電腦科學史與教材對應之資料表示法概念架構 ........................................ 37 圖4-7:教材本文與延伸學習、教學補充資源的關係 ............................................ 39 圖5-1:將概念脈絡拆解為節點與連結關係等脈絡元件 ........................................ 47 圖5-2:實驗組學生#9對資料表示法的概念脈絡 .................................................... 47. II.

(8) 第一章 緒論 第一節 研究背景與動機 每一個科學知識的形成,背後都有一段故事。例如內儲程式為了解決早期電 腦若要變換計算方式便須重接線路的問題而出現;高階語言則源自機器語言難以 讀懂而發明等等(Lee, 1996)。科學知識演進的過程,也就是科學史,可以濃縮 科學知識發展的歷程,並呈現科學家創造新知識的社會背景(林淑梤、劉聖忠、 黃茂在、陳素芬及張文華,2008)。 將科學史運用於教學之中,有助於學生在學習科學概念時,瞭解當時的科技 技術與社會需求等背景脈絡,體會科學家創造科學知識的情境,以及科學知識演 進的歷程(林淑梤等,2008;許良榮、李田英,1995)。藉由瞭解科學發展的歷 程,可以將所學的知識概念,根據其特徵、突破或不足之處,釐清知識概念間的 因果脈絡,串連形成科學知識的脈絡架構,進而掌握科學概念的主軸(Gal-Ezer & Harel, 1998; Lee, 1996)。藉由科學發展的角度組織知識概念,不僅可以對科 學知識發展背景有更深入的認識,並根據科學發展的來龍去脈連結諸多概念,讓 知識成為統整而非零碎或獨立的存在,更在認知層次上從記憶、演算進展到較高 層次的分析與綜合,有助於增進科學概念的理解,使科學知識的學習能更加完整 而有意義(Galili & Hazan, 2001; Jiao & Lv, 2009; Kim & Irving, 2010)。 學習科學史也有助於學生了解科學的本質。科學知識由新理論取代舊理論、 持續動態改變的歷程,除幫助學生建構自己的知識體系,還可以理解科學知識的 暫時性與不確定性,破除科學是絕對客觀、正確而不容懷疑的迷思;也可以從科 學家因為有著不同的經歷與看法,而產生多種探究科學的方法,甚至出現激烈爭 執或互不相讓的局面,發現科學家也有人性化的一面;亦可以從文化、政治與經 濟的支持或反對等社會背景,瞭解科學發展與人類社會之間的互動關係。這些在 科學世界裡萬變中的不變,能藉由科學史的呈現,傳達科學本質的內涵(Lin,. 1.

(9) Cheng, & Chang, 2010; Matthews, 1994),進而建立對科學的認同,提昇學習科 學的興趣(Solbes & Traver, 2003)。 這也就是為什麼科學教育相當重視科學史,像是物理、化學、生物等學科, 已發展出許多科學史教材,並且進行相關實證研究,如Galili及Hazan(2001)發 展幾何光學概念演進的教材、Lin、Hung及Hung(2002)編製理想氣體解題發展 的教材,與Lin、Cheng及Chang(2010)設計古典遺傳學發展演進的教材等,實 驗結果皆顯示科學史對科學學習確實有所幫助。 近年來重視科學史的風潮亦擴及至電腦科學界,許多電腦科學學者 (Gal-Ezer & Harel, 1998; Lee, 1996; Rupf, 2004)呼籲將電腦科學史納入電腦課 程中,以提昇學生電腦科學的素養及學習成效。我國高中必修「資訊科技概論」 課程綱要中,亦將電腦科學史納為學習內容,明列應教授資訊科學的本質與內涵、 電腦發展、及資訊科學發展的重要里程碑,希望透過電腦科學發展的重要事件或 創新貢獻始末,使授課情境更生動活潑,幫助學生瞭解電腦科學的本質及全貌, 達到更為深刻的學習效果(教育部,2008)。 在電腦課程的教學活動中,教科書扮演著極為重要的角色,調查顯示我國資 訊教師對教科書的依賴高達76%(陳怡芬,2013),故教科書中若缺乏適當的科 學史教材資源,將難以發揮科學史對電腦科學的學習效益。然而台灣有關電腦科 學史相關的教材仍屬極為貧乏,根據陳秋燕(2009)對我國電腦教科書的分析結 果,電腦科學史佔教科書的總篇幅僅有2.1%,其中多呈現的是人名、事件與發生 日期等歷史之事實(77.8%),較少以因果關係來描述電腦科學的演進(22.2%), 未能呈現電腦科學事件發展的脈絡關係。顯示電腦科學史素材在教科書中的呈現 仍有許多問題。 綜上所述,科學史對於教學有建立脈絡架構、增進概念理解、瞭解科學本質、 及提昇學習興趣等幫助,但科學史在現行教科書中的呈現仍有許多問題,本研究 為了發展能呈現概念脈絡的電腦科學史教材,採用科學發展脈絡為主軸的教材設 計方法,進行相關史料的蒐集整理與教材編製,再觀察學生的學習成效,期許教. 2.

(10) 材成果可作為教科書的編修參考,並提供教師與學生使用,發揮電腦科學史對電 腦科學學習的效益。. 第二節 研究目的 本研究在發展電腦科學史融入高中資訊科之教材,研究目的有下列二項: 一、發展高中電腦科學史教材。 二、探討電腦科學史教材之學習成效。. 第三節 研究範圍 本研究挑選「資料表示法」之學習主題,發展電腦科學史教材。選擇該學習 主題的原因是它在電腦科學中的重要性,根據ISTE(International Society for Technology in Education, 2012)的學生資訊科技能力標準,資料表示法是電腦科 學中十分重要的核心概念;台灣高中資訊科技概論課程綱要也明列數位化觀念為 課程核心知識(教育部,2008);陳怡芬(2013)亦指出,有超過六成的高中資 訊教師認為資料數位化與資料儲存方式的演進等概念非常重要。此外,就該主題 在現有教科書中的呈現情形來說,其電腦科學史素材的呈現仍屬於零碎而片段, 對於知識形成的脈絡少有著墨(陳秋燕,2009)。故本研究所發展之電腦科學史 教材,界定為「資料表示法」之電腦科學史相關內容。. 3.

(11) 第二章 文獻探討 本章旨在探討研究相關之理論基礎與理念。首先以科學史與科學學習為主題, 探討科學史在教育上的發展歷程與其在教學中扮演的角色;接著,再以電腦科學 史與電腦科學學習為主題,探討電腦科學史教學的發展歷程與其在教學中的功能; 最後,整理科學史教材發展及評估之相關研究,以作為本研究發展與評估電腦科 學史教材之依據。. 第一節 科學史與科學學習 隨著科學知識的演進發展,科學教育亦不斷與時並進。科學課程的改革,從 過去把科學視為「辯護知識(justifying knowledge)」的過程,逐漸轉移到把科 學當作「發現知識(discovering knowledge)」的過程(邱美虹,1994)。辯護 知識強調科學是一個既定的知識體,只需要有效率地去吸收並驗證那些我們已知 的科學知識,也就是在「學科學(learning science)」;而發現知識則比起掌握 既有的知識,更強調我們是如何知道那些還未知的科學知識,需要藉由觀察、思 考、辯證、提出假設或進行實驗等方法,來發展出新的知識,也就是在「做科學 (doing science)」,除了建立科學基本知識外,更培養科學思維(許良榮、李 田英,1995)。 在引導學生理解科學探究過程的目標下,能呈現科學發展演進與科學家個案 故事的「科學史」,便成為科學教學的必備要素(許良榮、李田英,1995)。科 學史在科學教育上的發展歷程,始於1920年代,比利時科學史學家George Sarton 在哈佛大學倡議科學史的重要性,並開授科學史課程;1940年代哈佛大學校長 James Conant則將科學史納入大學通識課程,讓非主修科學的學生可以由歷史的 角度學習終身受用科學概念,引起科學教育界對科學史的關注與重視;1960年代, Leo Klopfer更在《History of Science Cases for Schools》計畫中,進一步將科學史 導入中學課程;到了1980年代,諸如美國、英國及丹麥等各國,更具體推出與科. 4.

(12) 學史有關的課程計畫及標準(如表2-1),視科學史為科學課程的一部分(AAAS, 1989, 1993; Matthews, 1994)。 表2-1:1980年代各國與科學史相關的課程計畫及標準 國家 美國. 計畫及標準名稱 Project 2061 National Science Education Standard Benchmarks for Science Literacy. 英國. British National Curriculum. 丹麥. Danish Science and Technology Curriculum. 整理自AAAS(1989, 1993)、Matthews(1994)。 科學史在科學課程所扮演的角色,主要可分為將科學史視為教學工具,以及 將科學史視為學習內容兩種觀點(Rutherford, 2001)。 將科學史視為教學工具的觀點認為,呈現科學知識發展脈絡的科學史,可以 讓學生在瞭解科學知識產生的背景及演進過程中,學到整體而互相關聯的知識, 增進學生對科學概念的瞭解,並在建構更具體的知識概念與進行有意義學習的過 程中,提昇對科學的正向態度,進而在嘗試科學探究的思考方式,例如瞭解科學 家是如何發展科學知識或思考問題時,培養創造力、批判思考等高階思考技能。 Schecker(1992)的研究發現,科學史有助於學生察覺自己建構的物理概念, 以及那些概念是如何建構的,並以此為基礎建構新的概念。Galili及Hazan(2000) 也發現,在中學物理課程中引入相關的科學史內容,學生能建構更具體的概念知 識及進行有意義的學習,進而提昇學習的興趣。Lin、Hung及Hung(2002)則發 現學習化學科學史的八年級學生,在解決化學問題的表現上明顯比其他未學科學 史的學生好,且科學史教學大幅提昇低成就學生的學習成效,能建立學生對科學 的正向態度。王素慧(2007)發現實施科學史學習的學生,其批判思考能力及學 習科學態度,均顯著高於未實施科學史學習的學生。 將科學史視為學習內容的觀點則認為,科學史本身即具教育價值,能傳遞在 科學世界萬變中維持不變的科學本質。例如藉由科學史呈現科學持續動態改變的. 5.

(13) 歷程,可以帶出科學知識的暫時性與不確定性;而科學研究的動機常來自於社會、 科技或政治等層面,科學研究的結果亦會對人類社會造成深遠的影響,則可以聯 繫科學與人文之間的交互關係,幫助學生去除科學獨立於社會或缺乏人性的迷思; 此外,科學家個人或科學家之間的互動故事,亦可以呈現科學人性化的一面,提 昇學習科學的興趣,並增進學生對科學家及科學研究工作的認識與鑑賞。 Kipnis(1998)的研究發現,讓學生在物理課程中重做歷史上重要實驗、閱 讀或討論科學史,有助學生對科學本質的體認。Solbes及Traver(2003)也指出, 實施物理與化學科學史教學,可以讓學生完整認識科學家的重要貢獻,並瞭解科 學革命及科學演進對人類生活的影響,提昇學習科學的興趣。林陳涌、鄭榮輝及 張永達(2009)發現,接受生物科學史教學的學生,能改變以往對科學發展以及 科學家的刻板印象,體會科學家在提出傲人成果的背後經歷的過程,以及科學研 究工作需要長時間的堅持不懈與努力累積。 總體來說,科學史兼具教學工具與學習內容的功能。學習科學史有助於建構 具體的科學概念及進行有意義的學習,除了提升解決問題、創造力及批判思考等 高階思考能力外,也能促進對科學本質的理解以及提昇學習科學的興趣及態度。. 第二節 電腦科學史與電腦科學學習 近年來,電腦科學學者逐漸意識到電腦科學史的重要性,認為應像其他科學 一樣在課程與教學之中重視電腦科學史。1978年美國電機電子工程師學會 (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)首度發行The Annals of the History of Computing期刊,鼓勵學術界進行電腦科學史的相關研究;1991年美國 電腦學會(Association for Computing Machinery, ACM)在大學電腦課程建議書 《Computing Curricula 1991》中首度將電腦科學史納入課程,具體呼籲實施電腦 科學史的教學(Tuck, 1991);其後2001年大學電腦課程建議書《Computing Curricula 2001》中,也具體在計算機概論與程式語言概論課程中納入電腦科學史 (ACM & IEEE, 2001)。. 6.

(14) 我國高中必修「資訊科技概論」課程綱要(教育部,2008)亦將電腦科學史 納為學習內容,明列應教授「資訊科學的本質與內涵」、「電腦發展」以及「資 訊科學發展的重要里程碑」等電腦科學史相關的主題,並在教學重點中特別提及 應介紹電腦科學發展的重要事件或創新貢獻的始末,包括電腦硬體、軟體及網路 的重要發展及其影響。 納入正式課程之電腦科學史,其教學功能類似於科學史在科學課程中的角色, 電腦科學教育學者也是從教學工具與學習內容兩個層面倡議電腦科學史在教學 中的運用。 Lee(1996)指出將電腦科學史視為教學工具,強調透過電腦科學的發展脈 絡,可以鑑往知來、避免重蹈覆轍,並建立完整的電腦科學知識結構,瞭解貫串 其中的科學思維及方法;很多電腦科學發展過程中一些錯誤的經驗或失敗的例子, 可以作為寶貴的教訓來借鑒學習,啟發學生避免重走一次前人已經嘗試過的錯路, 並延伸處理未來可能發生的問題。而在學習電腦科學的知識與理論時,可以從當 時科技技術與社會需求等概念發展的背景脈絡,體會電腦科學家創造電腦科學知 識的情境,瞭解當時電腦科學家在提出構想時思考的因果脈絡,從而釐清電腦知 識形成的來龍去脈,建立電腦科學概念的脈絡架構,並深化知識與知識間的連結 關係,有意義地組織各個電腦科學概念成為統整的知識體系,強化電腦科學概念 的學習,掌握電腦科學的主軸(Gal-Ezer & Harel, 1998; Lee, 1996)。瞭解電腦 科學的演進,也可以在置身電腦科學發展與革新場域的過程中,連接過去與現代, 欣賞前人的貢獻及認識現今的發展,激發學生探索與創新的能力,並對電腦科學 更有歸屬感(Rupf, 2004)。 Rupf(2004)在大學計算機結構課程融入電腦科學史,以《A History of Modern Computing (Ceruzzi, 2003)》作為教學活動的課外讀物,研究結果發現學生普遍認 為閱讀電腦科學史是一個很有價值也很有用的經驗,能讓他們以更深入的觀點瞭 解真實世界中電腦發展的歷程。Cortina及McKenna(2006)的研究也指出,主修 電腦科學的學生表示,認識電腦革命中的重要人物與電腦軟硬體的演進發展,對. 7.

(15) 於學習電腦科學非常重要。 將電腦科學史視為學習內容,則強調藉由電腦科學史的本身,傳達電腦科學 在快速進化中不變的本質。在學習電腦科學史中知識與理論架構不斷發展的過程, 可以瞭解那些知識與理論其實並不是永遠正確的真理,而是會隨著許多電腦科學 家的努力,在盡可能做到理性客觀而且經得起各方考驗的前提下,發展出更完整 的新概念、新理論,或由新的觀點推翻掉舊理論,而持續演變(Rupf, 2004)。 在教學之中帶入電腦科學知識會不斷改變的本質,可以讓學生開闊心胸,從非黑 即白、不是正確就是錯誤的觀點跳脫出來,思考目前已具共識的電腦科學知識可 能會受到哪些挑戰,或過去曾遭到質疑而被淡忘的理論,還有哪些可學習的地方, 激發探索電腦科學研究的興趣(Lee, 1996)。而在電腦科學發展中不可或缺的電 腦科學家,藉由真實地呈現其人物特性與事件發展過程,例如介紹許多提出重大 成果的電腦科學家,從數學、電子電機、自然科學、心理學或語言學等領域累積 基礎,並在經歷過一次又一次的失敗,卻仍然想繼續鑽研,在解決眾人問題以及 滿足自己好奇心的目標下,不斷嘗試直到成功的眾多事例,可以呈現電腦科學人 性化的一面,幫助學生認識電腦科學家及電腦科學研究工作,提昇對電腦科學的 正向看法,並領悟到嘗試錯誤其實是解決問題與邁向成功的必經過程 (Impagliazzo & Lee, 2004; Lee, 1996)。 Draper、Kessler及Riesenfeld(2009)在以電腦科學史為學習內容的大學課程 History of Electronic Computing中,透過帶領學生體驗早期的科技技術以及早期 的程式語言開發環境,瞭解與電腦科技發展相關的社會經濟議題,發現有助增進 學生對電腦科學發展相關社經因素的瞭解,以及提昇學習電腦科學的態度。 總體來說,學習電腦科學史有助學生建立正確的電腦科學知識與脈絡架構, 可以讓學生從多元的面向認識電腦科學的本質,深刻體會電腦科學與人類社會的 互動關係,並提昇學習興趣,激發探索與創新的能力。. 8.

(16) 第三節 科學史教材設計方法 目前電腦科學史相關的研究多偏重於高等教育(如Cortina & McKenna, 2006; Draper, Kessler, & Riesenfeld, 2009; Rupf, 2004),對於中學以下學生的課程或教 材設計則著墨甚少。然而對於大學以上學生可行的電腦科學史專書閱讀或文獻報 告,難以直接挪用到中學的電腦科學教育。不過,科學史融入教學在中學的科學 教育已經有超過五十年的經驗,對於科學史教材的設計方法已有許多研究成果, 像是:科學史教材的設計原則包含以符合科學發展史的順序呈現科學理論、必須 呈現科學理論之先前條件或背景知識,以及描述科學家不同觀點的差異或衝突等 (許良榮,1998);科學史教材發展的模式,主要可依與原教材表面或深度的結 合,分為附加式(add-on)與融入式(integrated)兩種(Matthews, 1994);基 於融入式的具體教材發展方法-「歷史事件圖(Historical Episodes Map, HEM)」, 從科學發展脈絡作為核心軸線,串連眾多歷史事件(Lin et al., 2010);還有科學 史素材在教材中呈現的注意事項,應避免單獨列出歷史人物之名稱、日期、地點, 或誰是「第一」等片斷的知識,而需注重電腦科學概念發展的脈絡關係(Lee, 1996) 等,可以作為設計適合中學生學習的電腦科學史教材的參考依據。 以下將特別針對「科學史教材設計原則」、「科學史教材設計模式」,以及 「呈現發展脈絡的歷史事件圖」等發展科學史教材的方法進行說明。. 壹、 科學史教材設計原則 許良榮、李田英(1995)整理科學教科書在科學史方面的問題時,發現很多 教科書對科學史雖然不是完全忽視,但大多數只是很簡略地呈現。例如科學史只 出現在第一章,之後就不再提及;或是僅呈現理論發現的年代日期、科學家的名 字等零散訊息,沒有辦法讓學生瞭解真實科學發展的脈絡關係。為了避免科學史 在教材中的不恰當的呈現,而有認知負荷過重、只單純呈現片段的事實等問題, 許良榮(1998)提出科學史教材的設計應符合以下原則:以符合科學發展史的順 序呈現科學理論、必須呈現科學理論之先前條件或背景知識,以及描述科學家不. 9.

(17) 同觀點的差異或衝突等。由於學生的概念發展與科學史發展常常有平行的現象, 以科學發展史的順序呈現科學理論,比較能夠符合學生的概念發展,讓學生在科 學理論發現的情境中,瞭解理論出現的前因後果,對應出概念的邏輯結構。如果 反過來以現有的科學知識來解釋科學理論,會有該理論已經是正確的基本假定, 學生只能被動接受而難以提出質疑或進行驗證,需儘量避免。而在教材中說明科 學理論建立前所需具備的知識理論,或與該理論不同的立場主張,可以讓學生瞭 解科學家如何思考問題,以及科學家之間的互動與衝突,提供學生體會科學探究 的多重路徑,以及科學活動中人性化的一面。. 貳、 科學史教材設計模式 科學史教材的設計方法,即科學史與知識概念的整合方式,主要可依與原教 材表面或深度的結合分為附加式與融入式兩種(Matthews, 1994)。附加式屬於 外加的補充,在不改變原教材結構的前提下,把適當的科學史素材以專欄介紹的 形式,放在教材適當的位置。附加式的好處為具備使用的彈性,教師可以自由選 擇使用的時機,但科學史內容與知識概念沒有緊密的結合,難以呈現統整的概念 脈絡。融入式則是以科學史為導向重新整理教材,從較大的核心觀念情境之中, 串連多項相關的科學史事件,並將科學史內容與知識概念做適當而精緻的融合, 成為可取代原教材的一份新教材。融入式的優點是知識概念與歷史發展自然結合, 能呈現科學發展的脈絡,但教師缺乏選用或調整內容的彈性,教材編寫難度也比 較高。. 參、 呈現發展脈絡的歷史事件圖 為了設計能呈現科學的發展脈絡、串連多個相關歷史事件且具統整核心觀念 的科學史教材,Lin等(2010)提出了「歷史事件圖」的科學史教材發展方法: 首先選定學習主題,由符合學習主題之科學史專書開始進行資料蒐集,接著訂定 發展脈絡的主軸以及彼此的關聯,再以較大格局的觀點組織歷史事件,繪製成為 能交互描繪整個概念發展的歷史事件圖(如圖2-1),最後根據此歷史事件圖來. 10.

(18) 編製教材。. 圖2-1:古典遺傳學的歷史事件圖(引用自Lin et al., 2010) 在圖2-1中,Lin等(2010)將古典遺傳學的發展過程中眾多的歷史事件,劃 分為遺傳、生殖、細胞學、科技四個軸線,呈現顯微鏡的發展、發現精液中有小 生物,到發現染色體與遺傳因子、精卵在性狀遺傳上扮演等量角色等歷史事件互 相影響的發展脈絡,最後奠基出古典遺傳學的理論框架。有了古典遺傳學的歷史 事件圖之後,從圖中所得到「從生殖到遺傳」的宏觀角度,介紹Mendel根據豌豆 實驗所提出對遺傳的想法、Hooke利用顯微鏡發現細胞的故事、Sutton發現遺傳 因子位於染色體上的歷史…等概念發展的重要歷史事件進行教材編寫,最後再根. 11.

(19) 據研究團隊的共同討論與學生試閱反應加以修訂,完成適合中學生學習之科學史 教材。研究結果發現,完成之教材能提昇學生科學態度以及對科學本質的理解。 總體來說,以科學發展脈絡為主軸的融入式科學史教材設計,可以將知識概 念與歷史發展自然結合;而將歷史事件、事件間連結關係、及領域軸線組織而成 的歷史事件圖,可以學習主題為核心,串連多項相關科學史事件,緊密將科學史 融入教材內容之中。. 第四節 科學史教材評估方式 評估科學史教材的方式,許多科學教育學者分別從學生對科學知識的掌握、 學生所建立的科學概念、對科學本質的體會、學習科學的興趣、對科學的態度、 解決問題或批判思考的能力等面向,探討科學史對對學生的學習成效(如表 2-2)。 表2-2:科學史對學生學習成效之相關研究 文獻. 年段/科目. 評估方式. Kipnis(1998). 大學/物理. 科學本質:經過定義問題、選擇變數、提出假設、 實驗測試、提出結論等的探究活動過程,分析學生 反應。. Galili及Hazan(2000). 大學/物理. Solbes及Traver(2003). 高中/. 概念建構:個案研究。 對科學的態度:自編態度問卷。. 物理與化學 Lin、Hung及Hung(2002) 國中/化學. 問題解決能力:研究發展之問題解決測驗,共12 題,著重在解決問題而非機械計算。. Kim及Irving(2010). 高中/生物. 1. 科學本質:半結構式個別訪談。 2. 學科知識:根據學生聯想出許多概念之名詞, 連結繪製成概念圖,並根據評分表給分。. 12.

(20) 表2-2:科學史對學生學習成效之相關研究(續) 文獻. 年段/科目. 評估方式. 林陳涌、鄭榮輝及張永達. 高中/生物. 1. 科學本質觀:林陳涌(1996)「瞭解科學本質. (2009). 量表」之部份27題。 2. 對科學的態度:Lin(1994)「對科學的態度量 表」之部份40題。 3. 科學學習成就:自編遺傳學成就測驗,共33題 選擇題。. Lin、Cheng及Chang. 國中/生物. (2010). 1. 科學本質觀:林陳涌(1996)「瞭解科學本質 量表」之部份27題。 2. 對科學的態度:Lin(1994)「對科學的態度量 表」之部份40題。. 邱明富、高慧蓮(2004). 王素慧(2007). 國小/自然. 科學本質觀:自編「國小學童本質觀問卷」、「科. 與生活科技. 學本質晤談工具」. 國小/自然. 1. 批判思考:自編「批判思考能力測驗」及「批. 與生活科技. 判思考傾向測驗」。 2. 科學學習態度:自編「科學態度問卷」。. Rupf(2004). 大學/ 電腦科學. 1. 學科知識:自編閱讀測驗,共50題,包含是非、 多選、填空等題型。 2. 學習態度及興趣:自編問卷,共10題,包含是 非、複選,及開放式問答。. Cortina及McKenna. 大學/. (2006). 電腦科學. 1. 課程學習成果:隨堂小考、期中期末考。 2. 學習態度及興趣:期末課程評鑑之問卷、修課 人數。. Draper、Kessler及. 大學/. Riesenfeld(2009). 電腦科學. 1. 課程學習成果:報告寫作、程式實做。 2. 學習態度及興趣:期末課程評鑑之問卷。. 上述研究主要可依探討的向度分為科學知識、科學本質與興趣態度三大方面 進行研究工具的整理與說明。 在科學知識方面,自編測驗由於具有切合學習科目與內容,以及花費較短時 間取得多數學生資料的特性,受到最多學者(如Cortina & McKenna, 2006; Rupf, 2004; 林陳涌等,2009)採用;另外Kim及Irving(2010)提出的概念圖,能完整. 13.

(21) 分析學生所建立的概念在連結的脈絡上是否貼近於(相對來說)正確的科學概念。 在科學知識方面的研究結果指出,融入科學史的教學對科學知識的學習不會有負 面影響(如Kim & Irving, 2010; 林陳涌等,2009),或可以增進理解,對科學概 念有更深刻的認識(如Galili & Hazan, 2000; Lin et al., 2002; 王素慧,2007)。 而在科學本質與興趣態度方面,大多數研究都是採用量表或問卷的方式量測 學生的學習成效,其中有的學者引用或修改現有的量表對學生進行施測(如Lin et al., 2010; 林陳涌等,2009),有的學者則是視學習對象之需要採用自編問卷(如 Rupf, 2004; Solbes & Traver, 2003; 王素慧,2007;邱明富、高慧蓮,2004)。在 科學本質與興趣態度方面的研究結果均發現,融入科學史的教學有助於提昇學生 對科學本質的理解(如Kim & Irving, 2010; Kipnis,1998; Lin et al., 2010; 林陳涌等, 2009;邱明富、高慧蓮,2004),以及學習科學的興趣(如Lin et al., 2010; Rupf, 2004; Solbes & Traver, 2003; 王素慧,2007;林陳涌等,2009)。 總體來說,在學生的科學本質觀、對科學的態度、學習科學的興趣等面向, 不論是對少數學生進行長時間的訪談、個案研究、活動過程分析,或對多數學生 進行短時間的問卷、量表施測,均得到融入科學史的確有助益的結果;而在學生 建立科學概念、對科學知識的掌握、運用高階思維能力等面向則有不同結果,有 的發現有正面影響,有的則發現沒有顯著差異。. 14.

(22) 第三章 研究方法 本研究目的主要是以電腦科學發展脈絡為主軸發展電腦科學史教材,並檢驗 此教材是否能增進學生的學習成效。本章將針對研究設計、研究參與者、實驗流 程、教材發展的步驟、教材評估的工具以及資料分析方式等研究內容進行說明。. 第一節 研究設計 本研究採準實驗研究法,研究分為實驗組與控制組,自變項為使用本研究發 展之電腦科學史教材進行教學與否,依變項為學生使用該教材的學習成效。學習 成效包含學生的學習成就、產生的概念脈絡、對科學本質的理解、學習興趣等四 項。實驗時間兩組皆為四週,每週1小時的教學時間,並在教學結束後進行問卷 與成就測驗。教材、問卷及成就測驗的編製,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 研究參與者 本研究之參與對象為台北市某公立高中剛開始修習「資訊科技概論」的高一 兩班學生,學生編班為常態分班。一班為實驗組,全程使用電腦科學史教材;另 一班為控制組,全程使用傳統教材,兩組學生人數均為39人。兩組授課教師皆為 同一資訊教師,研究者在教學實驗進行過程擔任不介入教學進行的課堂觀察者。. 第三節 實驗流程 實驗時間兩組皆於高一上學期開學後的第二次上課開始,兩組在電腦課的第 一次之上課內容皆為課程簡介。本實驗時間不含後測共計有四週,每週授課時數 1小時,合計4小時,實驗實施步驟如圖3-1所示。每堂課的進行皆為教師先進行 30-35分鐘的講課,接下來10-15分鐘進行課堂練習,最後5分鐘檢討課堂練習的 結果。問卷及成就測驗則分別使用最後一週的下課以及下次上課的時間,共計半. 15.

(23) 小時來完成。. 圖3-1:教學實驗實施流程圖. 圖3-2:使用電腦科學史教材的教學過程-觀看電腦科學史影片. 16.

(24) 圖3-3:學生進行課堂練習 實驗組與控制組的差別僅在使用科學史教材與否,兩組授課教師、教學時數、 學習目標、教材涵蓋概念、教學運用媒體、課堂練習題以及師生互動方式等均為 相同。其中教學方式均為使用投影片講授,師生互動方式均為教師講課時隨機提 出問題,讓學生分組搶答。. 第四節 教材發展步驟 教材的發展主要基於Lin等(2010)所提出「歷史事件圖」的科學史教材發 展方法,在「選定主題」、「蒐集史料」、「繪製歷史事件圖」等步驟外,再擴 充為包含教材設計的「編寫講義」與「製作投影片」,共五個步驟,流程圖如圖 3-4,各個步驟的詳細內容將分述如後。. 17.

(25) 圖3-4:本研究教材發展步驟. 壹、 選定主題 陳怡芬(2013)對高中資訊教師的調查研究顯示,大多數教師認為學生應學 習的電腦科學史內容包括資料表示法及電腦網路等學習主題;又資料表示法在高 中資訊科技概論課程綱要(教育部,2008)中,亦明列數位化觀念為課程核心知 識。故本研究選定包含資料儲存方式以及資料數位化演進的「資料表示法」作為 發展科學史教材的主題。. 貳、 蒐集史料 選定學習主題後,開始進行史料蒐集。由於資料表示法仍未有已出版之電腦. 18.

(26) 科學史相關專書,故本研究乃根據學習主題之電腦科學概念做為關鍵字,在電腦 科學相關線上博物館(如電腦歷史博物館,http://www.computerhistory.org/)、 資訊工程系各領域科目所用之原文教科書(如《Fundamental of Digital Imaging (Trussell & Vrhel, 2008)》)、電腦科學家所發表之期刊文章(如《First Draft of a Report on the EDVAC(Von Neumann, 1945)》),以及電腦歷史相關期刊(如 The Annals of the History of Computing)等資源,蒐集包含人、事、時、地、物等 資訊的歷史事件。 在史料蒐集完成前,每筆史料均需檢查其正確性與重要性,確認多方具可信 度的來源均會提及該歷史事件。. 參、 繪製歷史事件圖 將上一步驟所蒐集到的歷史事件,根據概念承接與時間順序的關係相互連結 起來,利用圖形來呈現電腦科學概念的發展過程。 繪製成圖形的圖例,除根據Lin等(2010)每個歷史事件利用一個「矩形」 表示,並利用「箭頭」來連接各個矩形,為配合教材發展與電腦科學發展的特性, 本研究再將矩形擴充為「深色矩形」與「淺色矩形」,以及將箭頭分為「實線箭 頭」與「虛線箭頭」。其中「深色矩形」表示在教材中會出現的歷史事件,「淺 色矩形」則表示在完整概念發展史中有承接關係,但與學習目標較無直接相關, 教師可以視需要補充的歷史事件;而兩個歷史事件間的「實線箭頭」表示前者影 響後者,或基於前者的引導,導致後來新突破的產生,有時間與概念相承的關係; 「虛線箭頭」則除了具有演進的關係,有前者並未被後者取代的意義;藍色矩形 正下方的括弧文字為該歷史事件中重要人物的名稱原文,而右下方的「摺角紙張」 則是該歷史事件的備註說明。 而在繪製的過程中,可採用分而治之(divide and conquer)與合併(merge) 策略:先一一完成更小部分的歷史事件圖,再兩兩整併起來,成為整個學習主題 的歷史事件圖。先各自完成數字表示(如第四章圖4-1)、文字編碼(如圖4-2)、. 19.

(27) 影像編碼(如圖4-3)及音訊編碼(如圖4-4)等四個部份的局部歷史事件圖,接 著將圖4-1與圖4-2合併成為數字與文字編碼的部分歷史事件圖,再把影像編碼的 圖4-3與音訊編碼的圖4-4亦整併進來,最後完成資料表示法的歷史事件圖(參見 附錄A)。 整幅歷史事件圖繪製完成前,還需檢查缺漏或多餘。檢查缺漏指的是檢查各 歷史事件間在連結時是否缺少概念發展的背景或對後續的影響;如果有出現缺漏 的情況,必須再回到蒐集史料的步驟補足歷史事件。而檢查多餘,則是在找出是 否會有無法與其他事件相連結的歷史事件,表示此歷史事件與學習主題無關,屬 於多餘的史料,可以不繪製入此學習主題的歷史事件圖中。 本步驟完成之歷史事件圖,可一併產出與學習目標對應之歷史脈絡對應表 (詳見第四章第一節),提供下一步驟使用。. 肆、 編寫講義 根據上一步驟完成的歷史事件圖與歷史脈絡對應表,以及學習目標,開始敘 寫講義內文,並設計課堂練習題與討論問題。 講義編寫的原則包含清楚呈現電腦科學史素材與概念內容,目標則在提供學 生自行閱讀以及教師準備課程之用。 編寫講義前,參考高中資訊科課程綱要(教育部,2008)、資工系計算機概 論原文教科書《Foundations of Computer Science(Forouzan, 2003)》,以及現行 審定版高中資訊教科書《普通高級中學資訊科技概論(包含松崗,2012、旗立, 2010、啟芳,2013、全華,2013共四個版本)》,規劃出需要編寫的各個單元名 稱與內容。 接下來參考Lin等(2010)所發展之科學史講義,在古典遺傳學「從生殖到 遺傳」的學習主題之下有多個小節,每個小節又包含教材本文與討論問題之架構 (如圖3-5),本研究編寫講義之組織將學習主題的小節之下,再細分為教材本 文與配套教材,其中教材本文包含前言、概念發展的背景、概念發展的過程、概. 20.

(28) 念發展的結果、概念對後來的影響以及小結,配套教材則包含討論問題、課堂練 習題、延伸學習以及教學補充資源(如圖3-6)。. 圖3-5:Lin等(2010)所發展科學史教材之組織架構. 圖3-6:本研究發展電腦科學史教材之組織架構 講義編寫完成前,還需檢驗電腦科學史素材與學習目標的相關性以及學生的 認知負載,如果歷史事件與學生之概念理解無關,則將其刪除,並回到繪製事件 圖的步驟,將該歷史事件的深色矩形修正為淺色矩形。. 伍、 製作投影片 為配合電腦課程多在電腦教室使用投影片教學的特性,特有此步驟說明電腦 科學史投影片製作的方法。 由上一步驟完成的各單元講義中,摘錄條列式的重點,並加強視覺化呈現, 搜尋或製作能輔助概念說明的電腦科學史圖片、影片或音樂等多媒體素材,製作. 21.

(29) 各單元投影片。 投影片製作的原則包含使用言簡意賅而邏輯連貫的文字敘述,透過各張投影 片的標題串連歷史發展的脈絡,並善用多種媒體加深學習印象。目標在提供教師 授課使用。 多媒體素材的搜尋,優先引用歷史事件圖中直接史料來源的圖片、影片或音 樂,若直接史料來源缺乏相關素材,再以歷史事件圖中各矩形下方的括弧文字或 摺角紙張中的資訊做為關鍵字,進行圖片或影片搜尋。其中搜尋得到的電腦科學 史影片,可再根據學習主題將時間長度剪接在一分鐘左右,方便教師於課堂中播 放解說。 而在摘錄講義文字的過程中,如發現對同個概念可以有更通順達義的敘述, 或在投影片中插入了講義原先沒有的圖片或影片,則要再回到編寫講義的步驟將 講義做更新修正,或附上引用來源。 投影片製作完成前,還需檢驗每張投影片僅在呈現一個重點概念(避免造成 混淆或失焦),且單元內的每張投影片皆指向同一個學習目標,而所有單元的投 影片都能對應到同一個學習主題。 本步驟完成之投影片可一併產出課程教案,提供教師參考使用。至此,教材 發展結束。. 第五節 教材評估工具 教材評估的工具,主要分為成就測驗卷與問卷兩部分,其中問卷包含了學習 興趣、對科學本質的理解、對教材的看法、產生的概念脈絡等四類題項。詳細的 測驗題目可參見附錄B,問卷題目則可參見附錄C、D。. 壹、 成就測驗 測驗的目的主要是瞭解學生在學習資料表示法的成就,測驗卷題目是由課堂 練習題修改而來,共計有8題,全為填空題,評分僅有正確或錯誤兩種情形,實. 22.

(30) 驗組與控制組題目完全相同(測驗題目、詳解、評分及難易度分析結果,請參見 附錄B)。. 貳、 學習態度問卷 學習態度題項,主要在瞭解學生對學習資料表示法的興趣、希望繼續學習的 意願。參考彭孟凱(2013)與王正如(2010)的中學電腦科學習興趣問卷修改而 成4個問題,實驗組與控制組題目完全相同(參見附錄C、D第1至4題)。. 參、 科學本質問卷 對科學本質的理解題項,主要在瞭解學生對科學本質知識面、探究面與事業 面的理解。參考林陳涌(1996)與邱明富、高慧蓮(2004)的中小學科學本質問 卷依學習主題之內容修改而成4個問題,實驗組與控制組題目完全相同(參見附 錄C、D第5至8題)。. 肆、 教材看法問卷 對教材的看法題項,主要在瞭解學生對理解教材以及教材是否對學習有幫助 等看法。參考彭孟凱(2013)與王正如(2010)中學電腦科對教材的問卷,編製 實驗組9個問題、控制組6個問題;其中4題兩組相同,2題有根據兩組使用的教材 而對題項字句稍做修改,另實驗組多出3題與電腦科學史教材相關的題目,用以 瞭解實驗組對電腦科學史教材的看法(參見附錄C第9至17題、附錄D第9至14 題)。. 伍、 概念脈絡問卷 概念脈絡之題項,主要在瞭解學生對學習概念所產生之脈絡架構,根據Kim 及Irving(2010)的概念圖以及對學生產生之概念脈絡的訪談預試修改而來。預 試時藉由一對一訪談,僅獲得六位受訪者之概念脈絡,為了要取得所有研究參與 者之概念脈絡,將原本訪談大綱還需要口頭說明的部分,修改為更完整的敘述, 並納入問卷之中,對兩組學生均進行施測。共計有5題,實驗組與控制組完全相. 23.

(31) 同。(參見附錄C第18至22題、附錄D第15至19題). 第六節 資料分析方式 資料分析主要以兩組受試者的成就測驗與問卷作為分析重點,輔以兩組學生 在問卷開放式空間的填答與課堂觀察紀錄作為分析佐證,觀察兩組學生的差異。 其中成就測驗之學習成就,以及問卷之學習興趣、對科學本質的理解與對教材的 看法等部分採用量化分析,而問卷之概念脈絡部分則採用質性分析。 在學習成就方面,對學生成就測驗總成績採統計方法t檢定,以.05顯著水準 分析兩組學生在成就測驗上是否達到顯著差異。 在問卷方面,量化的部分採李克特式五點量表,填答項目有非常同意、同意、 普通、不同意及非常不同意,在分析時依序計分為5分、4分、3分、2分及1分; 全問卷大多屬於正向詢問,僅有對科學本質的理解部分之第1題,由於語句通順 的考量屬於反向詢問並採反向計分。針對兩組問卷中重複的18題進行t檢定,以.05 顯著水準分析兩組學生是否達到顯著差異。而實驗組在對教材的看法部分,比控 制組多出3題,用以瞭解實驗組對科學史教材的看法。 問卷質性部分的分析,將問卷中的五個題項分別對應到概念脈絡的三個節點 與兩個連結關係(如圖3-7),其中兩組學生在概念脈絡題項之前三題所回答的 重要概念、項目或環節,此處統一稱為節點,即為兩組學生產生之概念脈絡的第 二、第一與第三個節點(其代號分別為N2、N1與N3);而在後兩題所回答的關 聯或因果關係,在此處統一稱為連結關係,即為該兩組學生產生之概念脈絡的第 一與第二個連結關係(其代號為R1與R2)。. N1. N2 R1. N3 R2. 圖3-7:將概念脈絡拆解為節點與連結關係等脈絡元件 接下來將兩組學生的各個脈絡元素(包含N1、N2、N3與R1、R2共五個脈絡. 24.

(32) 元素),分別評定與電腦課程有關且與學習主軸有直接相關為2分,與電腦課程 有關但與學習主軸無直接相關為1分,空缺或與電腦課程無關為0分(如表3-1), 再將不同分數之回答結果分別呈現(詳見第五章第五節),顯示兩組學生掌握電 腦科學主軸的情況。 表3-1:概念脈絡之評分表 脈絡元素之類型. 得分. 與電腦課程有關,且與學習主軸有直接相關。. 2分. 與電腦課程有關,但與學習主軸無直接相關。. 1分. 空缺,或與電腦課程無關。. 0分. 其中本研究對概念脈絡之分析,是將節點與連結關係分別進行評分。其連結 關係與兩端節點的評分並不相依。意即兩個相鄰的節點若均評定為1分,其連結 關係亦有可能評定為2分(表示受試者選擇的節點雖然不夠精確,但在組織各節 點間的連結關係是明確且與學習主軸相關的) ;兩個相鄰的節點若均評定為2分, 其連結關係亦有可能評定為1分以下(表示受試者雖然能選擇出精確的節點,但 在組織各節點間的連結關係仍有空缺或與學習主軸無直接相關);不過,兩個相 鄰的節點中若有一個評定為0分,則可以推定其連結關係不可能評定為2分(一個 電腦課程無關的節點,與其他節點的連結關係,必無法產生與學習主軸直接相關 的連結關係)。 本問卷採用線上填答,記名僅用來檢查是否重複繳交,如有重複繳交的情況, 則保留提交時間較新的填答結果。. 25.

(33) 第四章 教材發展 本章在呈現電腦科學史教材發展的結果。本研究採用Lin等(2010)組織歷 史事件成為歷史事件圖的科學史教材發展方法,經過「選定學習主題」、「蒐集 相關史料」、「繪製歷史事件圖」、「編寫講義」及「製作投影片」等步驟製作 電腦科學史教材。以下將針對歷史事件圖以及教材內容兩方面進行詳細說明。. 第一節 歷史事件圖 本研究選定之主題為「資料表示法」學習主題,蒐集相關之歷史事件共有28 則,據此繪製歷史事件圖(參見附錄A)。歷史事件收錄時間從1830到1990年代, 歷經約一百六十餘年。包括數學、計算科技、及通信科技三大領域,由早期利用 機械齒輪表示十進制數字,到近代利用電子元件表示二進制數字;接著以二進制 的方式制定出各種編碼標準,用來表示文字符號、影像及音訊等多種資料的發展 歷程。在資料表示法主題的歷史事件圖中,進一步劃分出數字表示、文字編碼、 影像編碼、音訊編碼等四個學習單元,其歷史事件圖分述於下。. 壹、 數字表示歷史事件圖 如圖4-1所示數字表示的概念演進,始於需要將計算工作交由機械自動化處 理,當時透過刻有十個刻度的齒輪來表示0~9的數字(Doron Swade, 2008; James Gleick, 2011),接下來隨著電子科技的發展,以及二次世界大戰的時代背景, 為了追求更快速更準確的計算,計算工具的製造元件由機械齒輪換成了真空管等 電子元件(Burks & Burks, 1981)。為了要搭配電子元件僅有充滿電與沒充電的 兩種狀態,馮紐曼(John von Neumann,1903-1957)提出了二進制電腦的完整設 計,讓同樣數量的電子元件可以表示更多數字(Von Neumann, 1945)。數字表 示單元之歷史脈絡摘要如表4-1,而相關之歷史事件細節則如表4-2。. 26.

(34) 圖4-1:歷史事件圖-數字表示 表4-1:「數字表示」單元的歷史脈絡摘要 單元主題. 學習目標. 歷史脈絡. 數字表示. 瞭解如何利用0與1. 1945年電子元件(真空管)取代了機械齒輪成為設計計算器的元件(如. 表示各種數字。. 附錄A中歷史事件CP3,下略),而馮紐曼提出以二進制作為電腦內部 儲存單位的概念(NR1),取代了自十七世紀以來加法器等計算工具 所使用的十進制(CP2),這樣的改變讓往後的各種資料在編碼時均 使用二進制來表示。. 27.

(35) 表4-2:「數字表示」單元的歷史事件細節 年代(時). 人物組織(人). 事件摘要(事). 產出結果(物). 發生地點(地). 1832. 巴貝奇. 以0~9的十進制齒輪表示數. 計算機器:差分機. 英國. (Charles Babbage). 字,做四則運算及多項式函數. 電腦:ENIAC. 美國. 美國. 計算。 1943~1946. 美國陸軍與賓州大學. 以排狀真空管表示0~9的十進. (John Mauchly &. 制數字,可改寫程式做各種計. Presper Eckert) 1945. 算。. 馮紐曼. 提出將電腦改用二進制可以簡. 報告書: 《EDVAC. (John von Neumann). 化處理、加速計算與確保正確. 的第一份草案》. 的特點與具體做法。. 在能利用最簡化的二進制表示數字資料之後,1950年代文字、影像與音訊表 示法分別在十分相近的時間點,從不同角度出發,各自開始制定所需的編碼標 準。. 貳、 文字編碼歷史事件圖 電腦對文字編碼的方式,借鏡通信科技之摩斯電碼及博多電報(Eric Fischer, n.d.),各個國家與各家公司利用二進制的0與1分別制定出各自的編碼表(Bemer, 1960)。但由於各套編碼表時常需要互相轉換相當不便,所以有了統一共通標準 的需要,進而促成ASCII碼的出現(Bemer, Smith & Williams, 1961; Eric Fischer, n.d.)。但是ASCII碼仍未能包含東亞、中歐文化等大量文字符號,在經歷過一 次次各國各自制定編碼標準、地區統合之後,能涵蓋世界上大部分文字符號的萬 國碼終於成形(Unicode, 2012)。現今仍在發展中的萬國碼,則能根據不同需要, 選用不定長度與固定長度的編碼標準,讓全世界的電腦都能遵循使用(Unicode, 2012)。文字編碼單元之歷史事件圖如圖4-2,歷史脈絡摘要如表4-3,而相關之 歷史事件細節則如表4-4。. 28.

(36) 圖4-2:歷史事件圖-文字編碼. 29.

(37) 表4-3:「文字編碼」單元的歷史脈絡摘要 單元主題. 學習目標. 歷史脈絡. 文字編碼. 瞭解如何利用0與1. 1967年美國國家標準局的貝莫(Bob Bemer, 1920-2004)等人提出並編. 表示文字符號。. 訂ASCII碼,統一了英文字母與常用的數字符號(TR2),取代當時百 家爭鳴的六十多套文字編碼表(TR1),並影響往後容納世界各國文 字符號的萬國碼的成形(TR4)。. 表4-4:「文字編碼」單元的歷史事件細節 年代(時). 人物組織(人). 事件摘要(事). 產出結果(物). 發生地點(地). 1836. 摩斯. 以‧與-兩種符號表示大寫英. 電報編碼:. 美國. (Samuel Morse). 文字母及數字,採不定長度編. 摩斯電碼. 碼。 1874. 博多. 以●與○兩種符號表示大寫英. 電報編碼:. (Émile Baudot). 文字母、數字及符號,採5-bit. 博多電報. 法國. 固定長度編碼。 1954~1967. 美國IBM公司、歐洲電. 同樣在表示英文字母符號,美. 電腦文字編碼:. 腦製造協會、蘇聯國. 國與西歐國家使用之編碼多達. BCD、DEC、. 家標準局…等. 六十餘種。. 歐美地區. SIXBIT、GOST… 等. 1967. 美國國家標準局. 統一美國與西歐國家英文大小. 電腦文字編碼:. (Bob Bemer). 寫字母、數字、符號等文字編. ASCII. 美國. 碼標準,採7-bit固定長度編碼。 1978~1993. 日本微軟、台灣資策. 東亞、中歐等不同地區各別制. 電腦文字編碼:日. 東亞與中歐. 會、中國國家標準總. 定編碼標準。. 文ShiftJIS、正體. 地區. 局…等各國資訊領導. 中文BIG-5、簡體. 單位. 中文GB2312、韓 文KSX…等。. 1993~至今. Unicode聯盟. 統一世界上大部分文字符號的. 電腦文字編碼:. 編碼標準,同時支援可變或固. Unicode萬國碼. 定長度編碼,可根據不同需求 使用。. 30. 美國.

(38) 參、 影像編碼歷史事件圖 影像編碼可分為點陣影像與向量影像,發展初期兩者在十分接近的時間點, 為了不同的需求與目標分頭並進。 其中點陣影像的表示方法,源自於照片需要被儲存、處理與傳輸的需求 (Chanda & Majumder, 2006; Gonzalez & Woods, 2008)。參考通信科技中利用電 報的文字符號來組合圖形、利用深淺小點來組合黑白照片等做法(McFarlane, 1972; Trussell & Vrhel, 2008) ,美國國家標準局中以柯爾基(Russell Kirsch, 1929-) 為首的電腦科學家,定義出方形的像素點,各自表示不同的色階來組合表示成一 張照片(Kirsch, 1998),開創了照片與圖片在電腦中的編碼方式,並影響後來 各種點陣影像格式與影像處理、資料壓縮等技術的發展(Kirsch, 1998)。 而向量影像的表示方法,源自軍事與工程等需要非常精準或能縮放比例的圖 形需要(Angel & Shreiner, 2012),先有SAGE防空系統參考平面直角坐標系中 利用方程式來表示雷達偵測圖的做法(Jacobs, Harrington & Tropp, 1983),而後 麻省理工學院的博士生薩森藍(Ivan Sutherland, 1938-)更改進前者的編碼方式, 定義出點、線段、多邊形等向量元素,組合表示各種圖形(Sutherland, 2003), 成為機械製圖、工程藍圖等精密圖形的編碼標準,並影響後來各種向量影像格式 與電腦輔助設計、使用者圖形介面領域的發展(Yares, 2013)。 影像編碼單元之歷史事件圖如圖4-3,歷史脈絡摘要如表4-5,而相關之歷史 事件細節則如表4-6。 表4-5:「影像編碼」單元的歷史脈絡摘要 單元主題. 學習目標. 歷史脈絡. 影像編碼. 瞭解如何利用0與1. 點陣影像方面,1957年美國國家標準局定義出方形的像素點(IR1),. 表示影像畫面。. 解決照片原先只能利用電報編碼傳輸的問題(CM2、CM4),影響後 來各種點陣影像格式的發展(IR5、IR6);向量影像方面,1963年薩 森藍(IR3)改進SAGE的雷達偵測圖(IR2),定義出點、線段、多 邊形等向量元素,影響後來各種向量影像格式的發展(IR4)。. 31.

(39) 圖4-3:歷史事件圖-影像編碼. 32.

(40) 表4-6:「影像編碼」單元的歷史事件細節 年代(時). 人物組織(人). 事件摘要(事). 產出結果(物). 發生地點(地). 1921~1929. 巴塞洛繆與麥克法蘭. 先以<、>、+等文字符號來. 電報編碼:. 英國. (Harry Bartholomew &. 組合表示照片,後利用由黑到. Bartlane照片電報. Maynard McFarlane). 白的深淺小圓點來組合表示照 片。. 1957. 美國國家標準局. 利用由黑到白的方形像素點來. 電腦影像編碼:像. (Russell Kirsch). 組 合表示照片, 每個像素 採. 素點、週邊設備: 滾筒掃描機. 2-bit編碼。 1958. 美國. 美國防空司令部. 以坐標位置來表示點與線段,. 電腦:SAGE. (Bert Sutherland). 再連接許多線段來表示雷達探. 防空系統. 美國. 測圖形。 1963. 薩森藍. 以幾何圖形的類別及屬性(如. 電腦影像編碼:. (Ivan Sutherland). 圓形有圓心坐標、半徑長度等. 向量元素、週邊設. 屬 性)來組合表 示工程設 計. 備:Sketchpad向量. 圖。. 美國. 繪圖板. 肆、 音訊編碼歷史事件圖 音訊編碼可分為電子合成音與數位化音訊,先有電子合成音而後有數位化音 訊。 電子合成音的出現源自利用樂譜演奏的音樂(Dean, 2009),參考ENIAC電 腦為了除錯而發出隨機音階(Dean, 2009; Elsea, 2005),以及接下來Ferranti Mark I電腦將每個音階各自編有一個特定的編碼等做法(Fildes, 2008; University of Manchester, n.d.),而發展出將樂譜中各音符的音階、節拍及音色等資料整合編 碼為MIDI的方式,開創了流行電子音樂的新領域(Collins, 2009; Computer History Museum, n.d.; Huber, 2007)。 數位化音訊則源自人聲語音的需要(Krasner, 1979),英國科學家李維(Alec Reeves, 1902-1971)為解決長途電話的雜訊問題,根據聲波的特性運用通信科技 中的PCM理論,透過取樣與量化的方法,將連續的類比音訊轉為間斷的數位音. 33.

(41) 訊(Reeves, 1965; Science Museum, n.d.; Vardalas, 2012)。至此,儘管數位化音 訊的編碼方式已經有著落,但礙於硬體的發展尚未成熟,一直到1987年音效卡的 出現結合了理論與實際,讓語音資料能有效率地以二進制編碼表示(Chowning, 1973),才逆轉電子合成音曾在1950-1980年代的主流地位,而成為現今數位音 訊的大宗,並影響後來各種數位音訊格式與音訊處理、語音辨識技術的發展 (Dean, 2009; Vardalas, 2012)。 音訊編碼單元之歷史事件圖如圖4-4,歷史脈絡摘要如表4-7,而相關之歷史 事件細節則如表4-8。. 圖4-4:歷史事件圖-音訊編碼. 34.

(42) 表4-7:「音訊編碼」單元的歷史脈絡摘要 單元主題. 學習目標. 歷史脈絡. 音訊編碼. 瞭解如何利用0與1. 數位化音訊方面,1981年美國音響工程師史密斯(Dave Smith, 1947-). 表示樂曲聲音。. 為豐富原本樂曲的編碼方式(CP3、AR1),提出MIDI的概念將樂譜 編碼(AR2),開創流行電子音樂的新領域;數位化音訊方面,1937 年英國科學家李維應用PCM理論(CM5)將聲波轉換為數值(AR3), 影響了後來各種數位化的音訊格式發展(AR4、AR5)。. 表4-8:「音訊編碼」單元的歷史事件細節 年代(時). 人物組織(人). 事件摘要(事). 產出結果(物). 發生地點(地). 1947. 美國陸軍與賓州大學. 利用每隔一段時間發出一個隨. 電腦:ENIAC. 美國. 電腦:Ferranti. 英國. (John Mauchly &. 機的音階來幫助除錯。. Presper Eckert) 1951. 英國曼徹斯特大學. 將各音階編碼來組合表示簡單. (Freddie Williams &. 旋律的歌曲。. Mark 1. Tom Kilburn) 1981. 史密斯. 將樂器音色加入編碼規範。. (Dave Smith) 1937. 電腦音訊編碼:. 美國. MIDI. 李維. 將聲波以取樣、量化的方法轉. 專利:《將PCM. (Alec Reeves). 化為數值資料來處理與傳輸。. 理論應用於聲音. 法國. 傳訊》 1985~1987. 日本山葉公司、. 利用音效晶片生產音效卡,實. 電腦硬體:. 加拿大AdLib公司. 做 PCM理 論中類比與數位音. YM3812音效晶. 訊的轉換模擬。 1988~1991. 片、AdLib音效卡. 微軟公司、蘋果公. 利用PCM理論將聲波編碼,對. 音訊格式:. 司、貝爾實驗室等作. 應不同作業系統而有各自的數. WAV、AIFF、AU. 業系統開發單位. 位音訊格式。. 等未壓縮數位聲 音格式. 35. 日本、加拿大. 美國.

(43) 第二節 教材組織架構 本節在介紹本研究完成之教材。首先由概念架構與單元摘要簡介教材各單元 的架構與內容,接下來從教材中實際的例子來說明教材內容的組織架構,最後與 現行教科書進行對應比較,提供教材搭配現有課程的應用方式,並歸結本教材之 特色。. 壹、 概念架構 根據上一節歷史事件圖中的電腦科學史事件進行教材編製,在「資料表示法」 學習主題下設有「數字表示」、「文字編碼」、「影像編碼」及「音訊編碼」四 個單元,其重要之概念架構如圖4-6,每個單元依其概念演進選擇3~6則歷史事 件串接單元內容。其中歷史事件選擇數量的不同,主要是根據各單元的概念複雜 度來決定,例如在數字表示單元中,學生需學習二進制與十進制的轉換方式,學 習複雜度較高,故僅選擇三則歷史事件交代概念出現的前因後果;而在文字編碼 單元中,只是將各個編碼對應到不同的字元,學習複雜度較低,可以用六則歷史 事件完整呈現文字編碼演進的過程。在投影片教材中呈現歷史事件的實例如圖 4-5所示。. 圖4-5:「文字編碼」單元投影片呈現歷史事件CM1. 36.

(44) 圖4-6:電腦科學史與教材對應之資料表示法概念架構. 貳、 單元摘要 本研究根據歷史事件圖(參見附錄A)所發展的教材,包括學生閱讀用的講 義以及教師授課用的投影片兩部分。講義與投影片在資料表示法的學習主題「讓 電腦認識各種資料」之下,皆有「數字表示」、「文字編碼」、「影像編碼」及 「音訊編碼」四個單元,各單元名稱與內容摘要如表4-9。. 37.

(45) 表4-9:各章節內容摘要 單元主題. 單元名稱. 摘要. 數字表示. 如何只用0與1表示各種數字?. 藉由電腦發展從十進制到二進制的演變,引導學生 瞭解如何只用最簡化的0與1表示各種數字,進一步 思考現代電腦使用二進制優於十進制的理由。. 文字編碼. 如何用0與1表示文字符號?. 藉由文字編碼從僅有英文字母到有各國語言文字 的過程,引導學生瞭解如何利用最簡化的0與1表示 各種文字符號,進一步體會統一標準的重要性。. 影像編碼. 影像畫面如何用0與1表示?. 藉由點陣與向量圖形的編碼發展,引導學生瞭解如 何利用0與1表示不同類型的數位影像,進一步體會 科學家會根據自身經驗而對解決問題的方法做出 不同嘗試。. 音訊編碼. 電腦裡的聲音長什麼樣子?. 藉由電子合成音與人聲音訊的編碼發展,引導學生 瞭解如何利用0與1表示不同類型的數位音訊,進一 步體會技術、社會與科學相互影響的歷程。. 參、 單元教材組織 教材內容包含本文與配套教材。每個單元之本文包含:前言、概念發展的背 景、過程、結果、影響及小結等六項,強調歷史發展脈絡的呈現。配套教材則有 討論問題、課堂練習題、延伸學習以及教學補充資源等四項,前兩項分別是透過 開放與封閉式問題深化學生對概念的理解,教師亦可將其用作形成性評量,確認 學生的學習成果;後兩項的延伸學習及教學補充資源,則是提供資質優異的學生 課後閱讀拓展學習視角,以及讓授課教師透過更豐富的教學資源增進專業發展。 其中教材本文與延伸學習、教學補充資源之間的關係,圖示如圖4-7,教材本文 呈現的是核心的學習主軸,延伸學習與補充資源則是根據與學習主軸的關聯程度, 包覆在教材本文的外圍,教師或學生可視學習需要參酌運用。教材內文的各項說 明以及教材中的實例,則如表4-10所示。. 38.

(46) 教材本文. 延伸學習. 教學補充資源. 圖4-7:教材本文與延伸學習、教學補充資源的關係. 表4-10:單元教材組織與實例說明 單元組織. 說明. 實例. 前言. 藉由情境與待答問題,引導學生開. 在科幻電影裡面常常看到闖進電腦. 始學習本章節的概念內容。. 的世界裡,就是一大堆的0和1,… 如果電腦裡面真的是由一大堆的0 和1組成,又是怎麼組成的呢? ﹝數字表示﹞. 概念發展背景. 呈現在學習主軸的概念出現之前,.  摩斯電碼的問題 ﹝文字編碼﹞. 當時既有的概念、技術與問題。.  能儲存與播放簡單旋律的 Ferranti Mark 1電腦﹝音訊編碼﹞. 概念發展過程. 呈現主要學習概念之演進與發展的. 從百家爭鳴到大一統 ﹝文字編碼﹞. 過程。 概念發展結果 概念影響. 小結. 呈現學習概念的內容。. 電子合成音的編碼方式﹝音訊編碼﹞. 呈現學習主軸的概念出現之後,對. 像素點的出現,影響各種影像處理. 現代的影響。. 技術的發展。. 統整小節的學習內容,呈現學習內. 點陣與向量影像的特性比較,需根. 容在生活上的應用或學習內容間的. 據不同需求選擇適合的編碼方式。. 對照比較,做為結語。. ﹝影像編碼﹞. ﹝影像編碼﹞. 39.

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