不同圖形組體教學策略輔助國小學童問題解決能力效益之研究

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(1)國立臺中教育大學數位內容科技學系碩士在職專班碩士論文. 指導教授：王曉璿博士. 不同圖形組體教學策略輔助國小學童問題解決能力效益之研究. 研究生：陳文鴻. 撰. 中華民國一百年七月.

(2) 謝誌感謝上帝！歷經兩年披星戴月的在職進修如今將告一段落，在這兩年的研究生活中一直按著自己的研究步調與王曉璿教授的指導方向步進地完成自己的預定規劃。研一下完成了兩篇研討會的論文投稿，研討會的投稿經驗開拓了個人研究的視野，在科技教育課程改革與發展研討會中感謝羅永和老師與陳嘉斌老師的指教意見；在新加坡全球華人計算機教育應用研討會中感謝北京師範大學余勝泉教授的方向建議，這些意見都匯聚成了本研究的養分。在論文計畫及正式口試中感謝朱延平教授對於本研究大方向的確定，使本研究不致過於枝節而無法聚焦；感謝羅豪章教授對於研究設計的缺失在論文計畫口試中加以提點，及在正式口試中對研究論文的仔細批閱使本研究更加堅實。更需感謝在研究路上一路相伴的指導教授-王曉璿教授。常於研習場合接受王曉璿教授的授課模式，因此考取研究所後便打定主意請教授擔任指導教授。教授在各方面均是學生的典範，在課業方面兩年的修課跟隨教授的模組化教學，以有限的時間達成最有效率的學習；在學識方面，教授研究的面向既廣且深，幾乎所有問題詢問教授都能得到滿意的解答及方向；由於新加坡研討會曾近身與教授相處，更感受到教授的學者大家風範。兩年研究所歷程中，教授對於研討會投稿的批改、簡報，研究論文的聚焦，及學生的生涯規劃均給予明確的方向及意見，王教授不僅是治學嚴謹的經師，更是我人生中的人師。在研究實驗過程中感謝內子宜箴、家妹銘珠及大學同學雅玲對於實驗過程中各種有形無形的協助；感謝瑩光老師及大學學弟世帆給予專業的意見與張文奇老師提供實驗工具；感謝信昭與明良在口試期間的協助：感謝教會中教友為我的代禱。更需感謝生養及教育我的父親及母親，有你們在生活上的協助我才能無後顧之憂的向前邁進，如今你們的殷殷之盼將一一成真。最後感謝內子宜箴，不管在研討會文章的共同研究及熬夜趕文獻，或在正式論文中提供架構及統計上的專業意見使我在研究的路上減輕不少負擔。當然在這兩年的情感上與生活上也感謝她擔待包容不少才能使我專心一意完成論文。若有榮耀，將榮耀歸於上帝！ 2011.07.11 陳文鴻.

(3) 不同圖形組體教學策略輔助國小學童問題解決能力效益之研究. 中文摘要本研究旨在探討不同圖形組體教學策略輔助國小學童學習 Scratch 程式設計課程後對學童問題解決能力產生的影響、學習成效及學習態度上的差異。本研究採用準實驗研究法，以台中市某國民小學五年級三個班級學生為研究對象。實驗共分為三組，以傳統講述教學法為控制組；以圖形組體輔助教學策略為實驗組，實驗組共兩組，實驗組一為流程圖組與實驗組二為概念圖組。本研究以研究者自編之主題式程式設計課程為教學工具。量化工具為「新編問題解決測驗」、「Scratch 學習態度量表」及「Scratch 成就測驗」。質性資料用來分析學童實作作品和學童訪談資料以了解其學習歷程。本研究所得結果如下：一、在學童問題解決能力方面：以圖形組體教學策略進行程式設計教學對於學童問題解決能力有顯著差異。二、在程式教學之學習成效方面：兩組實驗組學童在「Scratch 學習成就測驗」總分及各分項平均分數均比控制組學童高，其中概念圖組與控制組在 Scratch 學習成就的總分上達顯著性差異。三、在 Scratch 學習態度方面：概念圖組與流程圖組在「Scratch 學習態度量表」之信心面向有顯著差異。. 關鍵詞：Scratch、兒童程式設計、圖形組體、問題解決能力、學習成就、學習態度. I.

(4) The Study on the Problem-Solving Ability Effect of Different Graphic Organizer Instructional Strategies in Elementary School Students Abstract. The purpose of this study was to explore the impact of problem-solving ability、 learning achievement and learning attitude by using different graphic organizer instructional strategies in elementary school students after learning Scratch programming courses. Quasi-experimental study was used in the study. The subjects were fifth-grade students from three classes of an elementary school in Taichung City. The three classes were divided into three groups, a control group with the traditional teaching and two experimental groups with the flow chart teaching and the concept map teaching. In this study, self-design thematic programming courses were used during the research. Three evaluational tools including "New problem solving test", "Scratch learning attitude scale" and "Scratch achievement tests" were also used in the study. The studnets’ learning effect was analyzed in quantitative data and the students’ learning process was comprehended in qualitative interviews data. The findings were as follows： 1. The students in experimental groups had better learning effect of problem-solving abilities than the students in control group. 2. The students in concept map group had the better Scratch learning achievement than the students in control group. 3. The students in experimental groups had positive Scratch learning attitude better than the students in control group. Keywords： Scratch、children's programming、graphic organizer、problem solving、 learning achievement、learning attitude. II.

(5) 論文目次中文摘要 ....................................................................................................................... I 英文摘要 ...................................................................................................................... II 論文目次 .................................................................................................................... III 表目次 ......................................................................................................................... V 圖目次 ....................................................................................................................... VII 第一章 . 緒論 .......................................................................................................... 1 . 第一節研究背景與動機 .................................................................................... 1 第二節研究目的 ................................................................................................ 5 第三節待答問題 ................................................................................................ 5 第四節研究範圍 ................................................................................................ 5 第二章文獻探討 ........................................................................................................ 7 第一節兒童程式設計 ........................................................................................ 7 第二節 Scratch 程式設計語言及其相關研究 ................................................ 11 第三節圖形組體教學策略 .............................................................................. 21 第四節問題解決能力 ...................................................................................... 30 第三章研究方法 ...................................................................................................... 34 第一節研究架構、設計與流程 ...................................................................... 34 第二節研究對象 .............................................................................................. 43 第三節研究場地 .............................................................................................. 43 第四節研究工具 .............................................................................................. 44 第五節資料處理與分析 .................................................................................. 61 第四章研究結果與討論 .......................................................................................... 63 第一節圖形組體教學策略對學童問題解決能力之影響 .............................. 63 第二節 Scratch 學習成就測驗之討論 ............................................................. 84 III.

(6) 第三節 Scratch 學習態度之討論 ..................................................................... 90 第四節 Scratch 實作作品之討論 .................................................................... 99 第五節學童晤談之討論 ................................................................................ 101 第五章結論與建議 ................................................................................................ 110 第一節. 研究結論 .......................................................................................... 110 . 第二節未來研究建議 .................................................................................... 114 參考文獻 .................................................................................................................. 115 一、中文部份 ...................................................................................... 115 二、英文部份 ...................................................................................... 119 附錄 .......................................................................................................................... 125 附錄一. Scratch. 程式主題課程教學教案 ........................................ 125 . 附錄二「Scratch 學習態度量表」預試題目 .................................... 143 附錄三「Scratch 成就測驗」預試題目 ............................................ 146 附錄四「Scratch 成就測驗」正式施測題目 ...................................... 149 附錄五. 研究工具使用同意書 .............................................................. 152 . 附錄六. Scratch 實作作品評分標準 .................................................. 154 . IV.

(7) 表目次表 1. Scratch 之相關研究文獻整理表 ......................................................... 17 . 表 2. 研究設計模式 ........................................................................................ 38 . 表 3. 研究流程表 ............................................................................................ 41 . 表 4 「Scratch 學習態度量表」內部一致性數據整理表 ............................ 56 表 5 「Scratch 成就測驗」預試文字敘述程式題評分標準表 .................. 57 表 6 「Scratch 成就測驗」預試試題難度與鑑別度整理表 ...................... 59 表 7 「新編問題解決測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 .................. 64 表 8 「新編問題解決測驗」總分描述統計表 .............................................. 66 表 9 「新編問題解決測驗」總分共變數分析摘要表 .................................. 66 表 10 「新編問題解決測驗」總分成對比較表 ............................................ 67 表 11 「新編問題解決測驗」界定原因描述統計表 .................................... 68 表 12 「新編問題解決測驗」之界定原因共變數分析摘要表 .................... 68 表 13 「新編問題解決測驗」之界定原因成對比較表 ................................ 69 表 14 「新編問題解決測驗」之解決方法描述統計表 ................................ 71 表 15 「新編問題解決測驗」之解決方法共變數分析摘要表 .................... 71 表 16 「新編問題解決測驗」之解決方法成對比較表 ................................ 72 表 17 「新編問題解決測驗」之預防問題描述統計表 ................................ 74 表 18 「新編問題解決測驗」之預防問題共變數分析摘要表 .................... 74 表 19 「新編問題解決測驗」之預防問題成對比較表 ................................ 75 表 20 「新編問題解決測驗」之變通性描述統計表 .................................... 77 表 21 「新編問題解決測驗」之變通性共變數分析摘要表 ........................ 77 表 22 「新編問題解決測驗」之變通性成對比較表 .................................... 78 表 23 「新編問題解決測驗」之有效性描述統計表 .................................... 79 表 24 「新編問題解決測驗」之有效性共變數分析摘要表 ........................ 79 V.

(8) 表 25 「新編問題解決測驗」之有效性成對比較表 .................................... 80 表 26. 三組學童五年級上學期電腦學期成績描述統計表 .......................... 84 . 表 27. 三組學童五年級上學期電腦學期成績變異數同質性檢定表 .......... 84 . 表 28. 不同組別 Scratch 學習成就測驗分數統計表 ................................... 85 . 表 29. Scratch 學習成就測驗單因子變異數分析統計表 ............................ 87 . 表 30. 成就測驗總分多重比較統計結果 ...................................................... 88 . 表 31. 不同組別之 Scratch 態度量表敘述統計摘要表 .............................. 90 . 表 32 「Scratch 學習態度量表」變異數同質性檢定表 .............................. 91 表 33 「Scratch 學習態度量表」單因子變異數分析統計表 ...................... 92 表 34 「Scratch 學習態度量表」之信心面向多重比較統計結果 ............. 93 表 35 「Scratch 學習態度量表-滿意分量表」各題填答狀況表 .............. 94 表 36 「Scratch 學習態度量表-興趣分量表」各題填答狀況表 .............. 95 表 37 「Scratch 學習態度量表-實用分量表」各題填答狀況表 .............. 96 表 38 「Scratch 學習態度量表-信心分量表」各題填答狀況表 .............. 97 表 39. Scratch 實作成績描述性統計摘要表 ............................................... 99 . 表 40. 學童晤談整理表—教材部分 ............................................................ 101 . 表 41. 學童晤談整理表—學習過程部分 .................................................... 104 . 表 42. 學童晤談整理表—學習興趣部分 .................................................... 106 . 表 43. 學童晤談整理表—總結部分 ............................................................ 108 . VI.

(9) 圖目次圖 1. Scratch 操作介面圖 .............................................................................. 11 . 圖 2. Scratch 八大類程式 ............................................................................... 12 . 圖 3. Scratch 動作類別之程式積木 ............................................................... 12 . 圖 4. Scratch 簡易迴圈程式碼 ....................................................................... 13 . 圖 5. 研究架構圖 ............................................................................................ 36 . 圖 6 「順序與迴圈」單元執行畫面與程式碼 .............................................. 45 圖 7 「順序與迴圈」單元教學用流程圖與概念圖 ...................................... 46 圖 8 「變數單元」執行畫面與程式碼 .......................................................... 48 圖 9 「變數單元」教學用流程圖與概念圖 .................................................. 49 圖 10 「條件判斷」單元畫面與程式碼 ........................................................ 51 圖 11 「條件判斷」單元教學用流程圖與概念圖 ........................................ 52 . VII.

(10) VIII.

(11) 第一章緒論本研究目的主要在探討以不同圖形組體教學策略輔助 Scratch 程式設計教學對學生問題解決能力產生的影響，並討論其學習成就、及學習態度上的差異。本章共分為研究背景與動機、研究目的、待答問題及研究範圍等四節。. 第一節研究背景與動機. 教育部在 1997 年推動「資訊教育基礎建設計畫」，1998 年資訊教育擴大內需方案，不僅擘劃了二十一世紀的資訊教育遠景，更大幅充實國中小資訊設備，使得國中小 100%皆有電腦教室，學生一人一機，這些硬體環境的建置為國中小資訊教學提供了良好的基礎。目前資訊教學課程仍以應用軟體的教學為主，如：文書處理、網際網路操作、中英文輸入、網頁設計、繪圖操作等(臺灣微軟，2004)，若學生在國小三年級至國中階段反覆的使用這些應用軟體，無法學習到有助於培養其邏輯思考的資訊課程內容(林美娟，2008)。 Logo 語言之父 Papert (1980)認為讓兒童學習程式語言可以發展邏輯思考、批判思考與學習如何學習的能力；程式設計也可以開發問題解決、創造思考、邏輯推理等能力(Fesakis & Serafeim, 2009)。在國外，美國計算機科學教師課程委員會(CSTA Curriculum Committee)於 2009 年計算機課程大綱的文件中，訂定 K-2 至 K-8 由淺入深的程式概念或程式設計的學習目標(CSTA, 2009)；而在國內，即將於民國 100 學年度實施的「九年一貫國中小學新課程綱要」，將「能認識程式語言基本概念及其功能」列為資訊能力指標(教育部，2008b)。不管國內外都將「程式語言的學習」安排於基本教育的課程綱要中，由此可知程式語言對學生的重要性。國小階段資訊課程是否適合學習程式設計？研究者就學術界的討論、學童的認知發展及學習興趣三方面加以討論。以學術界的研究而言，Papert (1980)認為學習程 1.

(12) 式將可使兒童之思考方式更有條理，並可養成兒童主動和自我導向的習慣；賴健二 (2004) 指出學習程式語言可以增進思考能力、組織能力和問題解決能力；林美娟 (2008)藉由分析現今國內資訊教學現況，並以文獻探討的研究指出程式設計教學適合導入國中小資訊課程。就學童的認知發展而言，依據皮亞傑認知發展理論，國小高年級兒童的心智發展階段正處於具體運思期過渡到形式運思期的快速發展階段(張春興，2007)；Brusilovsky、Calabrese、Hvorecky、Kouchnirenko 與 Miller (1997)指出應該讓學童在求學的階段接觸程式設計，因為學習程式設計有助於學童形成正確的邏輯和抽象推理過程。就學習興趣而言，資訊課程一向是學童最喜愛的科目之一，筆者於資訊教學第一現場近十年，發覺大多數兒童非常喜愛上電腦課程，因此，若能在兒童對資訊課程的高度興趣下，以適合兒童的教學工具進行有良好設計的程式設計教學課程，對國小學童的心智發展應有正面的助益。然而，學習程式設計對初學者而言，了解程式語言的語法是相當困難的(賴健二， 2004)。Du Boulay(1989) 認為初學者學習程式設計遭遇最大的困難是程式概念抽象的本質不易理解，他也指出適合初學者使用的程式語言應該具有的特性包括：（1）簡單化，（2）視覺化。就理想的程式設計教學而言，在程式設計問題解決過程中如果能提供適切的程式設計工具,幫助學習者將問題視覺化或物件化，將能促進學習者的思考與解題(Funkhouser, 1993)。Reichert, Nievergelt 與 Hartmann(2001)指出程式設計初學者學習程式設計時，應該是在一個遊戲的環境中被教導最基本的程式設計概念，且不應該被複雜的程式設計界面所干擾。因此，視覺化的程式設計工具能提供學習者更具體化的介面，將有助於初學者學習程式設計時掌握程式設計的架構 (Funkhouser, 1993)。目前以兒童的角度出發兼具簡單且視覺化的程式設計工具有：LOGO，MSWLogo, LEGO，Game Maker，Alice，Drape，Stragecast Creator 及 Scratch…等，其中 Scratch 是由美國麻省理工學院的 Lifelong Kindergarten group 針對八歲以上兒童所開發的學習軟體。Scratch 的特色是以程式積木取代繁複的程式指令及語法，兒童只需拖曳程式積木加以組合，便可在程式舞台中即時看到程式積木執行的結果，進而完成各種 2.

(13) 程式。較諸傳統上需記憶繁複指令及語法的程式語言，Scratch 對兒童而言不需記憶指令及語法，加上 Scratch 活潑的視覺化操作介面可引起兒童學習程式的興趣，同時具備豐富的多媒體功能，可讓兒童輕易的設計出互動故事、動畫、遊戲等作品("Scratch website," 2010)。由於 Scratch 具備以上這些適合兒童的特色及功能，因此，本研究使用 Scratch 為國小學童用以學習程式設計課程的工具。研究者以往在進行國小兒童程式設計課程教學時，發覺依照課本單元以循序講解功能及範例，學童在當下大部分均能完成研究者指定的操作內容，但在單元講解完畢後開始交付作業時，近半的學童對於將自己學過的概念加以連結統整卻有困難。因此，研究者思索在程式設計的課程中是否能使用讓學生進行「有意義學習」的教學策略或工具，才能使學生整合已學過的概念進行程式的問題解決。 Mayer(1981)認為程式設計初學者缺乏特殊性質的領域知識，若他們無法理解新知識，便不能把新獲取的知識與舊有知識作連結，也不能做「有意義的學習」，因此，教師若能在程式教學課程中，採用能使學童進行「有意義學習」的教學策略進行教學，對學童在學習程式設計上將有莫大的幫助。在初學者學習程式概念的過程中，教師可以運用輔助學習的工具，諸如：動畫，圖像，組織圖….，使初學者透過這些工具能了解電腦科學中的重要概念和了解程式指令的行為(Holmes & Smith, 1997； Marks, Freeman, & Leitner, 2001)。 Jensen(2005)指出運用圖像化呈現知識結構的圖形組體方法，可以幫助學生學得更多，記得更多，並且能改變學生的學習態度。圖形組體是教師可以使用的教學組織工具，能以視覺化來呈現關鍵內容，對於組織訊息很有幫助（Baxendell , 2003）。流程圖為圖形組體的一種，程式設計一般多以流程圖來進行教學，林沛宇(2006) 認為初學程式語言時輔以流程圖協助學習可以很快進入狀況，而圖形化的流程圖很容易讓初學者學習到程式語言的基本觀念。流程圖是利用圖像的呈現方式，用來描述整個系統活動的過程、運作方式、功能及動作等(江翹竹，2005)。概念圖是 Novak 與 Gowin 於 1984 年以 Ausubel 「有意義的學習（meaningful learning）」理論為基礎所發展出的工具，透過此工具學生可以將認知的知識更具體 3.

(14) 化，將了解的知識透過圖形表達出來，老師可以更清楚知道學生已經學會什麼知識，以達到有意義學習的目的(Novak & Gowin, 1984)。Keppens 與 Hay(2008)指出概念圖可應用於很多場合，也適合應用在程式設計教學上。王曉璿、陳文鴻與邱宜箴(2010b) 針對概念圖是否可以輔助國小五年級學童學習程式設計進行初探性教學實驗，研究結果顯示運用概念圖的教學策略，可以幫助國小學童學習 Scratch 程式設計課程。另外，研究者在進行課程時發現依照課本講授課程對學生而言興趣不高，因此，研究者進一步以主題式設計教學課程，加上運用概念圖教學策略進行 Scratch 程式教學，結果顯示學童對 Scratch 程式設計有高度的興趣，經由問卷結果顯示教師運用概念圖可以幫助學童掌握程式設計課程內容的重點，且學童們認為運用概念圖來學習程式設計對他們是有幫助的(王曉璿、陳文鴻、邱宜箴，2010a)。程式設計為一連串的問題解決過程，學習程式語言就是學習問題解決技能 (Mayer, 1992)。因此，研究者欲進一步探討使用圖形組體教學策略進行 Scratch 程式設計課程後對學童在問題解決能力上的影響。本研究將以「流程圖教學策略」、「概念圖教學策略」為實驗組一、二與「傳統講授教學策略」為控制組，進行國小學童 Scratch 程式設計課程，探討不同圖形組體教學策略對學童問題解決能力之影響，並探討兒童在學習程式設計時的學習成效與學習態度。. 4.

(15) 第二節研究目的. 本研究的目的為：一、. 探討以圖形組體教學策略對五年級學童學習 Scratch 程式語言課程後的學習成效差異。. 二、. 探討以圖形組體教學策略對五年級學童學習 Scratch 程式語言課程後的學習態度差異。. 三、. 探討以圖形組體教學策略對五年級學童學習 Scratch 程式語言課程後，其問題解決能力之影響。. 第三節待答問題. 一、. 實施「圖形組體教學策略輔助學童 Scratch 程式設計教學課程」後，學童對於 Scratch 程式語言的學習成效為何？. 二、. 實施「圖形組體教學策略輔助學童 Scratch 程式設計教學課程」後，學童在 Scratch 課程中的學習態度為何？. 三、. 實施「圖形組體教學策略輔助學童 Scratch 程式設計教學課程」後，對於學童問題解決能力之影響為何？. 第四節研究範圍. 本研究探討以圖形組體教學策略輔助程式設計教學對學童問題解決能力之影響，實施過程中雖力求嚴謹，但因主客觀環境仍有許多難以克服之處，以下列出本研究之研究限制與範圍：. 5.

(16) 一、研究範圍：本研究以台中市某國小三班五年級的學童為研究對象，這些研究對象自三年級起即接受每週一節課之資訊課程，已有電腦基本操作能力。研究時間以每週二節課進行 Scratch 程式設計課程，課程共進行 6 週，計 480 分鐘。. 二、研究限制： (一) 研究對象限制：本研究的研究對象是台中市五年級的學童三班，限於學校行政因素無法將受試者採用隨機分派，故以原班級型態進行教學實驗。其中兩班為實驗組，接受概念圖教學策略介入程式設計課程及流程圖教學策略介入程式設計課程﹔另一班為控制組，接受講述式程式設計課程，在研究結果上不宜作過度推論。 (二) 研究環境之限制︰本研究環境之學校規模為三十五班左右的中型學校，每班人數約在三十人左右，學校位於鄉鎮，學區家長職業以農、工為主，因此研究結果推論宜考慮到城鄉差距。 (三) 研究師資之限制︰本研究由研究者擔任實驗組與控制組的教學者。研究者教學年資十四年，擔任資訊課程教學十年，對於資訊課程架構與內容相當熟稔。對於資訊課程是由導師擔任或由主任、非資訊組長兼任之學校，研究結果的推論上恐受限制。 (四) 概念圖範圍的限制︰在實驗課程中，概念圖組所使用的概念圖以 3-5 個主概念為範圍，以避免過多概念干擾學童課程上的學習。. 6.

(17) 第二章文獻探討本章主要針對本研究相關文獻做收集、整理、比較與分析。本章共分為四節，第一節探討兒童程式設計；第二節介紹 Scratch 程式語言；第三節討論圖形組體教學策略；第四節探討問題解決能力。. 第一節兒童程式設計. 本節探討資訊課程現況、兒童程式設計之輔助性價值、兒童學習程式設計之困難點與因應之道與兒童程式設計之相關文獻，以了解兒童程式設計的必要性。. 一、資訊課程現況民國 100 學年度九年一貫國中小學新課程綱要中的基本理念開宗明義寫道：傳統的讀、寫、算基本素養已不足以因應資訊社會的需求，具備資訊科技的能力儼然成為現代國民應具備的第四種基本素養，在課程的設計上需強調如何使用資訊科技工具以有效的解決問題，並進一步養成學生運用邏輯思維的習慣(教育部，2008a)。 Reichert (2001)指出雖然應用軟體學習也是資訊科技學習的一環，但程式設計的學習可以讓學生清楚了解電腦運作的原理，應將程式設計視為學生的基本能力之一，Prensky (2008)也指出程式設計將成為未來的關鍵能力之一。然而，目前國內的資訊教育教學大部分著重於應用軟體的使用教學。依據台灣微軟的調查結果顯示，國小電腦課程最常授課的內容為：文書處理，網際網路操作，中英文輸入(臺灣微軟， 2004)。依據國立師範大學問卷調查研究顯示：國小電腦課上課內容以應用軟體居多，如文書處理軟體、網路與郵件應用、作業系統操作、簡報製作及中文打字等(劉紹勝，2008)。目前國小資訊課程的授課內容偏向以一般應用軟體的教學為主(蔡依. 7.

(18) 玲，2007)。應用軟體的操作使用教學雖有其重要性，但林美娟(2008)藉由文獻分析指出程式設計教學課程也適合導入國中小資訊課程，因此，若在應用軟體教學之外能安排培養學童邏輯思考及創新思維的程式設計教學內容，將有助於學童培養程式設計的基本能力。. 二、兒童學習程式設計之輔助性價值探討根據許多中外學者研究(Papert,1980；Shafto,1986； Mayer & Fay,1987；賴健二， 2002；許秀影，2007)指出，學童學習程式設計後對學童有正面的影響。Papert (1980) 認為學習程式將可使兒童之思考方式更有條理，並可養成兒童主動和自我導向的習慣。Shafto (1986)表示學習程式設計有助於學童學習科學及數學。Mayer 及 Fay (1987) 指出學習程式可以減少認知上的迷思概念，並增強空間能力。賴健二(2002)也指出，中小學生學習程式語言可以增進學生之邏輯思考能力、組織能力和問題解決能力。許秀影(2007)表示，讓兒童寫程式，主要是要用電腦訓練人腦。透過學習程式語言，強化孩子們數學分析、邏輯思考能力。綜合以上學者之論述，教授兒童學習程式設計對於兒童在邏輯思考，認知分析能力及問題解決能力等方面會有正面的影響。. 三、兒童學習程式設計之困難點與因應之道一般新手學習程式語言常會遭遇很多困難：傳統文字介面很難使用，很難理解程式語言語法，若教學方式無法適時加以引導，學童很難深入了解程式語言的概念 (Resnick, Maloney, Monroy-Hernandez, Rusk, Eastmond, Brennan & Millner, 2000)，導致學習成效不佳或對程式語言產生畏懼感；對兒童而言更需注意這些困難點，將這些學習障礙盡量減低，進而挑選適合兒童學習的程式語言，對兒童學習程式才能有事半功倍的效果。傳統程式語言注重語法，導致初學者對於需要了解程式語法覺得是有困難的 (Resnick et al , 2009)。Du Boulay(1989) 指出初學者對於學習程式語言使用的語法及 8.

(19) 了解語法下隱含的語意(semantics)是有困難的。賴健二(2004)也指出，對程式設計初學者，尤其是兒童來說，要了解程式語言的語法是相當困難的。再者，臺灣學童目前均以視覺化的視窗系統學習資訊課程，對於以文字指令式的程式語言恐難接受，教學者將會花費更大心力教授它們從未接觸過的文字介面。而對於非英語系國家的學童而言，程式語言工具的英文介面更是他們踏進程式語言的困難點。因此，針對學童學習程式設計的困難點，許銘津與劉明洲(1993)的研究指出要發展一套電腦教學軟體，在教學法、教材的安排和人機介面的設計等過程都必須考量兒童本身的認知結構及心理成熟因素。在 1960 年代學者 Papert 開發了一套專為兒童設計的程式語言工具 Logo。 Clements 和 Sarama ( 1997)提出適合 Logo 的教學環境為：(1)提供沒有恐懼的環境，讓學生能輕鬆且自然的學習 (2) 可以幫助學生建立視覺取向的學習 (3) 提供一個即時回饋的環境，可以幫助學生學習程式設計。由此可知，一個簡單、視覺化、能即時顯示執行結果的輔助兒童學習程式語言工具是重要的。由以上文獻歸納，選擇一套適合的兒童的視覺化程式語言工具學習程式語言的概念；使學童不須困擾於文字界面的操作，也不須記憶背誦語法與單字，只需專心於將他的想法以程式設計的方式呈現出來。. 四、適合兒童的程式設計工具 Kelleher 與 Pausch(2005)在「降低程式設計的障礙」一文中詳細分析了各種適合程式設計新手的程式設計工具。研究者根據文中提及適合兒童的程式設計工具及配合國內的學者的相關的研究文獻，整理了三種常用的兒童程式設計工具。 (一) LOGO LOGO 是 Papert 在 1960 年代以建構主義的教育理念所開發而成，其目的是為了讓兒童接觸數學、音樂、科學及藝術等設計主題。兒童可藉由指揮烏龜的各種動作來畫出圖案，寫音樂程式，及翻譯語言等。1980 年 Papert 出版了「Mindstorms: Children, Computers, And Powerful Ideas」( 1980) 這本書，帶動了教師開始關注 LOGO 能帶給 9.

(20) 兒童的智力及創造力的無限潛力。而各種版本的 LOGO 也應運而生，例如:Logo for MSX ，Atari Logo，Commodore Logo，LCSI's Apple Logo，MicroWorlds logo，PCLogo， StarLogo，UCBLogo 及 MSWLogo。 (二) Alice Alice 是一套由美國卡內基美濃大學所開發的免費程式設計軟體，其目的是透過 3D 的程式環境，讓第一次接觸程式設計的學生可以在視覺化的環境下學習程式設計的概念及問題解決策略。使用者能在自創的虛擬世界中控制各種 3D 物件，輕易地創造出動畫及簡單的遊戲，進而學得基本的電腦科學知識。Alice 設計的特性是以「說故事」的方式來發展物件導向的 3D 動畫程式。Alice 視覺化的設計介面能使學習者減少挫折感，執行的結果能夠立即顯示，便利使用者立即除錯，而使用者能由其中學習程式基本控制結構。 (三) Scratch Scratch 是由美國麻省理工學院多媒體實驗室針對兒童所開發的程式設計自由軟體，其目的在幫助八歲以上的兒童學習數學以及計算觀念，增加創意思考、有系統的邏輯推理和合作學習("Scratch website," 2010)。Scratch 的特色是以視覺化積木組合的方式讓兒童撰寫程式，Gans( 2010)認為使用程式積木減少了學童傳統程式語言抽象的語法及語意的負擔，使兒童可以輕易的創造出互動性的故事、動畫及遊戲等作品。 Chitsaz( 2011)指出 Scratch 去除了語言、語法及符號的障礙能使學生專注於程式問題的解決，並使複雜的流程控制更自然(Parsons & Haden, 2007)。目前國內學者大部分採用 Scratch 為研究工具是因為 Scratch 具備了針對兒童設計的卡通化視覺介面，拖放積木組合式的簡單操作環境以及完全中文化的顯示環境，這些特色能大大減低兒童使用程式工具軟體的障礙(楊書銘，2008；張文奇，2009；王麒富，2009；王國川，2009；蔡孟憲，2010；蕭信輝，2010)。. 10.

(21) 第二節 Scratch 程式設計語言及其相關研究. 本節共分兩個部分，第一部分介紹 Scratch 程式設計語言，第二部份整理國內關於 Scratch 的研究相關文獻。. 一、Scratch 程式設計語言 Scratch 軟體是由美國 MIT Media Lab 的 Dr. Mitchel Resnick 所領導的 Lifelong Kindergarten Group 所發展的一套免費的程式語言。Scratch 最先是在 2007 年夏天發表釋出，目前的版本為 1.4 版，支援中文介面，可以在 Windows，Linux，及 Mac OS X 等平台執行。Scratch 的設計靈感來自於教學童們程式設計時遇到的種種困難，其目的在幫助八歲以上的兒童學習數學以及計算觀念，增加創意思考、有系統的邏輯推理和合作學習 ("Scratch website," 2010)，而其設計的原則為更具操弄性，更有意義性及更具社會性(Resnick et al., 2009)。 Scratch 的特色是以積木組合的方式讓兒童撰寫程式，兒童可以輕易地創造出互動式的故事、動畫、遊戲等多媒體程式。Scratch 的圖形化視窗介面大致分為四個區塊如圖 1 所示，左邊視窗為程式積木區塊；中間視窗為角色程式及屬性區，右上角視窗為舞台區，使用者可即時檢視所創作的作品；右下角視窗為演員列表區，所有的角色都會出現在此視窗。. 圖 1. Scratch 操作介面圖 11.

(22) 在程式積木區塊部分，以顏色區分為八類程式，如圖 2 所示，分別為動作，外觀、聲音、畫筆、控制、偵測、數值與邏輯運算、變數等，每一類程式下的指令都是以積木的形式來呈現，如圖 3 所示。. 圖 2. 圖 3. Scratch 八大類程式. Scratch 動作類別之程式積木. 12.

(23) 「角色程式及屬性區塊」為兒童撰寫程式碼的重要區塊，兒童只需將「程式積木區塊」的程式碼拖拉至此區塊中，接著對問題理解後加以排列程式積木即完成程式的撰寫，如圖 4 為一簡易迴圈程式碼。. 圖 4. Scratch 簡易迴圈程式碼. 依據 Scratch 的說明文件，現行 Scratch 版本所包含的程式積木概念包括了︰順序(sequence)、迴圈(looping)、條件語句(conditional statements)、變數(variables)、陣列(arrays)、事件處理(event handling)、線程(threads)、協調及同步(coordination and synchronization)、鍵盤輸入(keyboard input)、亂數值(random numbers)、布林邏輯 ( boolean logic)、動態作用(dynamic interaction)及使用者介面設計(user interface design)。而目前 Scratch 版本尚未具備的程式概念為︰函數(procedures and functions)、遞迴(recursion)、異常處理(exception handling)、參數的傳遞即回傳值 (parameter passing and return values)、定義物件類別(defining classes of objects)、繼承 (inheritance)及檔案輸入輸出(file input/output)等。 Scratch 的主要核心精神為：＂Imagine， Program ，Share “。 Scratch 的官方網站提供了社群的分享平台，能讓使用者分享她們所創作的作品，也可以輕易的下載其他使用者的作品原始檔案。藉由觀摩他人的分享作品，能夠學習他人優秀的創意想法及程式邏輯設計概念，並將有用的想法再造成為自己新的創意。由於 Scratch 具有視覺化分類清楚的程式積木，豐富的多媒體功能且具備中文化 13.

(24) 界面這些特點相當適合兒童在程式設計課程中使用。. 二、Scratch 相關研究文獻自 Scratch 在 2007 年發表以來，國內外就有不少資訊先進利用此新一代程式設計工具進行各方面的研究。以下整理有關於國內外關於 Scratch 的相關研究。 (一)國外 Scratch 相關研究 1. 大學生使用 Scratch 的相關研究國外研究學者 Malan 與 Leitner(2007)認為 Scratch 的環境能使學生在掌握程式語法結構之前，專注在問題的邏輯表示，適合第一次接觸程式的新手。因此在哈佛大學暑期學校進行 JAVA 課程前，先以 Scratch 當成是入門程式語言進行程式教學。研究發現，Scratch 簡單的操作能使學生有自信，也能使學生熟悉程式的語法。JAVA 課程結束後以問卷調查 Scratch 的經驗是否影響之後的 JAVA 程式經驗，76%學生都認為 Scratch 對它們有積極的影響，特別是沒有程式背景的學生。 Wolz, Leitner, Malan, 與 Maloney (2009) 討論了使學生由 Scratch 過渡到 JAVA 的哈佛經驗(Malan&Leitner ,2007)指出 Scratch 的靈活度,簡單性及方便性使學生具備正向積極的程式經驗。 Rizvi, Humphries, Major, Jones, 與 Lauzun(2011)認為 Scratch 是具多媒體的程式語言能使學生免於記憶語法，只需將重點放在演算法的開發與專案的設計上。他們在電腦科學系針對數理背景較弱的學生開設 Scratch 課程，初步評估顯示學生在程式設計能力上顯示高度的自信。. 2. 中學生(青少年)使用 Scratch 的相關研究 Maloney, Peppler, Kafai, Resnick, 與 Rusk (2008)分析 8-18 歲的青少年在課後俱樂部使用 Scratch 超過 18 個月中的 536 個作品，其中 111 個作品沒有使用到程式的概念，單純只將 Scratch 作為媒體整合，425 個作品均會使用順序概念，374 個作品會使用線程概念，而使用者互動、循環、條件語句、廣播及同步、布林判斷及變數 14.

(25) 等程式概念也會在需要的作品中出現。其中發現廣播和同步概念在作品中大量被使用，布林運算、變數不容易由學童自學而得，但經由教師的教導，學童們馬上能應用變數概念解決程式的問題，這顯示了電腦俱樂部青少年缺乏正規師資的指導及他們都是程式新手的問題點。研究指出青少年使用 Scratch 的理由為 Kelleher 與 Pausch(2005)在「降低程式設計的障礙」一文中所提的三個論點:簡化程式設計系統使之適合於新手、能在適時指導新手及使學習者有動機與興趣學習程式設計。 Adams(2010)在暑期夏令營針對中學生使用了 Scratch 介紹程式設計的課程，中學生們對於 Scratch 的反應是正向的並認為能增進他們的電腦經驗。 Meerbaum-Salant, Armoni,與 Ben-Ari (2010)在中學以 Scratch 實施電腦科學的概念課程，研究發現大部分學生能順利學得電腦科學概念，但在初始化，變數及同步化的概念有些問題，這些問題都可由教師修改教學課程加以克服。. 3. 兒童使用 Scratch 的相關研究 Utting,Cooper,Kölling,Maloney,與 Resnick ( 2010)等軟體設計者在 ACM Symposium on Computer Science Education 的特別議程中討論了 Alice,Greenfoot 及 Scratch 的設計目的，方法及影響。Scratch 的設計者認為在學童感興趣時可盡早學習程式設計，學童對運作有誤的程式積木不斷修正能增進程式技巧，可使他們著重在動手解決問題。 Ward, Marghitu, Bell, 與 Lambert( 2010)指出使用 Scratch 以創意及吸引人的方式進行教學，但 Scratch 的功能缺少陣列及參數傳遞等功能限制了想法的實現。 Siever, Heeler, 與 Heeler (2011)針對五六年級學生在不同程式設計環境中 (Scratch,機器人,虛擬環境)解決多步驟的任務，研究結果顯示學生對於多步驟的問題相當有把握，也能應用問題解決能力在不同的環境。 Lewis( 2010)比較六年級學童以 Logo 和 Scratch 兩組進行程式設計的學習態度及學習成果，兩組間只有 Scratch 組高成就學童在學習條件語句部分有顯著差別，學習態度部分 Logo 組學童對於他們程式設計的能力呈現較高程度的信心。 15.

(26) 4. 未來老師使用 Scratch 的相關研究 Fesakis 與 Serafeim( 2009)以問卷方式調查學齡前教育與教育設計系的未來老師共 70 人，研究結果顯示高比例的老師們有高度興趣在課堂上使用 Scratch、而使用 Scratch 會降低他們的壓力及對自己能力不夠的焦慮、而老師們希望使用 Scratch 設計網路上的教育應用程式。. 16.

(27) (二)國內 Scratch 相關研究研究者將國內學者關於 Scratch 的相關文獻整理如下表，以作為本研究研究的參考基礎。. 表 1. Scratch 之相關研究文獻整理表. 研究者. 研究題目. 研究目的. 研究對象. 研究方法. 楊書銘. Scratch 程式設計. 設計一套教學課程，. 國小六年級準實驗研究. (2008). 對六年級學童邏輯. 並實際運用於教學，. 學童. 法. 推理能力、問題解決探討學習 Scratch 對. 採量化與質. 能力及創造力的影. 於小學六年級學童的. 性研究並行. 響. 邏輯推理能力、問題. 的方式. 解決能力與創造力的影響，並分析學童對於本課程的學習歷程，以及對於 Scratch 之學習態度。張文奇. 視覺化程式設計對. 探討學習 Scratch 程國小六年級準實驗研究. (2008). 國小兒童高層次思. 式語言對於學生高層. 考能力之影響. 次思考能力之影響。. 採量化與質. 並利用合作學習及獨. 性研究並行. 立學習兩種不同的教. 的方式. 學策略探討對於學生學習成效的影響。. 17. 學童. 法.

(28) 王國川. 國小中年級學生以. 實施 Scratch 程式語國小四年級質量混合的. (2008). Scratch 學習程式. 言教學，探討國小中. 語言設計之研究. 年級學生製作作品的. 方式. 歷程、學習成效與學習態度等改變情形。蕭信輝. Scratch 程式設計. Scratch 對國小五年. 國小五年級準實驗研究. (2009). 對國小五年級學童. 級學童科學過程技. 學童. 法. 科學過程技能、問題能、問題解決能力及. 採量化與質. 解決能力及後設認. 性研究並行. 後設認知之影響. 知之影響. 的方式. 王麒富. 應用直觀 Scratch. 發展一套 Scratch. 國小五年級行動研究法. (2009). 軟體提升國小學童. 教學課程，教學活動. 學童. 問題解決能力效益. 結束後，分析學生學. 之研究. 習 Scratch 軟體後的學習現況，以及探討學生問題解決的能力有何變化。. 蔡孟憲. Scratch 程式設計. 使用 Scratch 所設計國小五年級準實驗研究. (2010). 對國小五年級學生. 的課程後，分析學生. 幾何概念及邏輯推. 在幾何概念，邏輯推. 採量化與質. 理能力的影響. 理能力，學習成就及. 性研究並行. 學習態度的影響. 的方式. 18. 學童. 法.

(29) 由表 1 研究文獻分析得知：歸納學者們採用 Scratch 為程式設計研究工具，是因為 Scratch 視覺中文化的操作介面對兒童而言相當容易，沒有語言上的障礙，且其程式積木的特色更免除了學童記憶程式指令的困擾。歸納學童們學習 Scratch 後的態度，大部分對學習 Scratch 有高度的意願，是有用的學習活動。張文奇(2008)的研究中，學童沒有因學習 Scratch 後增加對程式設計的興趣。蕭信輝(2010)的研究中顯示學童態度對學習程式設計感到些微的焦慮，與信心不足。歸納學者們的研究結果：楊書銘(2008)指出學習 Scratch 課程後，學童邏輯推理能力未有顯著提升；「猜測原因」及「整體問題解決能力」有顯著提升，「開放性」和「變通力」「創造力」有顯著提升。張文奇(2009)研究發現：在學習 Scratch 課程後對學童邏輯推理能力，問題解決能力中的「猜測原因」、「逆向原因猜測」、「預防問題」三個分項能力及創造力中的「獨創力」、「標題」兩個分項能力及總分皆有顯著的提升。王麒富(2009)認為學習 Scratch 課程後學生問題解決能力測驗總分達顯著水準，表示學生問題解決能力確有進步；但若分項檢驗各能力向度時，僅「問題察覺」和「原因推測」達顯著水準。蔡孟憲(2010)認為學習 Scratch 課程後，學生幾何概念有顯著提升，但是對邏輯推理能力則無顯著提升。蕭信輝(2010)指出學習 Scratch 課程後，對於學童整體科學過程技能有顯著的影響，對於學童整體問題解決能力有顯著的影響，且在問題解決過程和問題解決情意兩種分項能力都達到顯著效果。歸納程式設計的教學策略部分︰楊書銘(2009)指出在「創作、分享、回饋、反思、再創作」的教學策略上，「創作、分享」成效較佳；但因課程時間不足，在「回饋、反思、再創作」方面並未達預期成效。張文奇(2009)指出合作學習與獨立學習在 Scratch 的學習成就無顯著差異。許銘津與劉明洲(1993)指出要發展一套電腦教學軟體，在教學法、教材的安排和人機介面的設計等過程都必須考量兒童本身的認知結構及心理成熟因素。Perkins 與 19.

(30) Martin(1986) 也指出程式語言需要特別的教學方式，並可將認知策略加入程式語言教學。研究者綜合以上的文獻發現，上述研究在探討適合教師進行程式設計的教學策略上著墨並不深，但考量程式設計教學需使學童在學習程式時有整體概念的架構，若讓程式設計初學者在初期以自行摸索去架構概念是有困難的。因此，研究者在進行 Scratch 程式教學時將以圖形組體之教學策略幫助學童對所欲解決的程式問題有整體的概念。. 20.

(31) 第三節圖形組體教學策略. 當學習者學習程式語言時，由於缺乏對整體問題解決的規劃，導致只得到片段零碎的知識，而教學方式也是造成程式語言教學的障礙(Ben-Ari, 1998)。Perkins 與 Martin(1986) 指出程式語言需要特別的教學方式，並可將認知策略加入程式語言教學。林美娟( 2008)歸納出只要國中小教師找尋不同年齡層適合之程式工具，並且在教材的編製上引導學生進行「有意義」的學習活動將有助於學生學習程式設計。以往研究者進行 Scratch 程式設計課程時是依照課本單元循序講解功能及範例，學童在當下大部分均能完成研究者指定的操作內容，但在單元講解完畢後開始交付作業時，近半的學童對於將自己學過的概念加以連結統整卻有困難。研究者便思量在進行程式設計課程時，能使用何種教學策略對學童學習程式設計較有助益。 Perkins,Schwartz, 與 Simmons(1988)提出使用後設認知課程來協助程式設計的初學者學習程式設計，其功能有 (1)協助初學者建構其內在的電腦運作模型 (2)幫助初學者概念化並組織程式的組成元件 (3)提供工具及如何解決問題的方法。圖形組體的理論基礎包括：訊息處理論、基模理論、近側發展區理論與有意義的學習理論。訊息處理論中提及新知識的學習過程必先藉由感官收錄，經過短期記憶，而後才會產生長期記憶(張春興，2007)。在學習過程中，使學生利用圖形表徵工具，將所獲得的訊息及知識加以整理，必能增進學生的學習成效，且可完整學習學科的概念、知識及知識的運作(林民棟，2006)。基模理論中 Bruner(1974)提出認知發展的三個表徵階段：動作、影像及符號，教師教學時應由直接具體的動作經驗切入，到以圖像描述的經驗使學生獲得知識，再到運用文字符號方式為學生所理解。因此，圖形組體對於國小學童能簡化學習任務、架構其知識基模，進而幫助學習。近側發展區是指介於兒童自己實力所能達到的水準，與經過他人協助後所達到的水準，兩者之間的差距謂之近側發展區。在發展近側發展區的過程中，別人所給予學生的協助，即稱為鷹架作用，就教師而言必須設計適合兒童目前能力的課程，提供兒童目 21.

(32) 前能力所能理解的輔助。Ausubel（1963）強調新的學習須與個體原有認知結構中的舊經驗相關連，此即「有意義的學習理論」。因此，圖形組體本身加強了完整建構所學知識的效果，是一個幫助理解、回想和學習的心智工具(Bromley, Irwin-DeVitis, & Modlo, 1995)。. 一、圖形組體的定義圖形組體（graphic organizer）的定義是將知識以視覺化的方式呈現出來，以文字加上圖像結構化來表達概念間的關係（Bromley,Vitis &Modlo, 2005）；圖形組體的組成元素包含了節點、連結關係和空間配置（Lambiotte ,Dansereau ,Cross & Reynolds, 1989）；圖形組體是教師可以使用的教學組織工具，能以視覺化來呈現關鍵內容，對於組織訊息很有幫助（Baxendell , 2003）。黃永和及莊淑琴（2004）指出圖形組體是藉由節點、關係連結與空間配置等形式的安排，將知識或訊息的重要層面以視覺化的方式展現出來。李欣蓉（2005）指出圖形組體是將某個概念或主題之訊息結構化，並重組成一個新的模型。林香廷(2008) 圖形組體為一種視覺化表達知識與訊息的方法，能為教學提供輔助，構思圖形組體時能建立新的知識基模、擴大學習深度以增進後設認知的能力。吳素芬(2009) 指出圖形組體是藉由節點、連結關係與空間配置，將知識或訊息以視覺化與結構化安排呈現。. 二、圖形組體的教學功能圖形組體能引起學生的學習動機，並提高記憶力、可提昇閱讀、寫作、算術的基本技巧且能發展高層次思考能力（Bromley,Vitis, & Modlo, 1995）。圖形組體要能有效地輔助教學與學習，必須融入適當的教學理念中，成為一種「理論驅動」（theory-driven）的教學工具（黃永和、莊淑琴，2004）。當學生以視覺工具呈現其認知策略的同時就是在練習後設認知（Hyerle,1996），林香廷(2008) 22.

(33) 指出使用圖形組體可加強知識整合與知識結構、增進批判思考力，若教學中能依不同知識形態以不同圖形組體加以輔助，對提高學生學習動機與學習成就必有助益。由此可見圖形組體是一個能整合心智、經驗及提升思考能力之教學與學習的工具。教學者須將教學內容明確且有系統的使用構造圖像的方式來表示（蔡秉燁， 2004）。透過構造圖像，對教學者而言，可利用圖像有效的引導學習者進行新舊概念聯結，在學習者出現概念迷失時給予診斷與協助﹔對學習者而言教學前導以圖像呈現，可使新知識與舊經驗之間產生關聯，也能整理自我的認知結構，進而對學科有較為深入的統整性理解。. 三、圖形組體類型. 溫至帆與計惠卿(2010)指出目前國內圖形組體的研究以概念構圖（concept mapping）與心智圖（mind map）為大宗，對其他圖像形式之研究相對較少。 Bromley, Vitis,與 Modlo(1995)將圖形組體歸類為四種類型： (一) 階層型（Hierarchical）：包括一個主要概念與次概念的層次或等級，此類型強調歸納和分類的能力。 (二) 概念型（Conceptual）：包括一個中心概念或類別，可在類別下加以描述事實、特徵或範例。此類別強調描述、收集、解決問題、進行相對比較等能力。 (三) 序列型（Sequential）：是以時間或發生的先後來排列順序，強調事件的因果、過程或是問題解決。 (四) 循環型（Cyclical）：此型態描述系列、連續、循環等訊息。. Marchand-Martella, Miller,與 MacQueen(1998)根據不同的教學內容及教學目標將圖形組體分為四種類型： (一) 階層型（Hierarchical）：表達主要教學概念及其下的細節。 (二) 比較型 (Comparative) ：比較主要教學概念間的相似及相異之處。 23.

(34) (三) 序列型(Sequential)：表達教學概念中一系列的步驟及事件。 (四) 圖表型(Diagrams)：表達真實世界的真實物件及系統。. 而國內研究者林香廷(2008)為因應主題教學內容將圖形組體分成以下三種： (一) 以網狀圖與階層圖進行概念性的圖形組體主題教學：網狀圖可表現放射狀的思考模式、階層圖又稱概念構圖。 (二) 以次序圖進行序列性的圖形組體主題教學：依事件先後關係的次序加以排列的一種圖形組體，包括順序圖及時間線圖等。 (三) 以維恩圖與框架表進行比較性的圖形組體主題教學：表達兩個物體、事件或觀念之間的差異性與共通性，以提供相互比較或對比的效果。. 本研究以程式設計教學為實驗課程，除了運用圖形組體的概念圖作為實驗組二的教學策略之外，並運用程式教學常用的流程圖作為實驗組一的教學策略。. 四、流程圖教學策略. 流程圖在圖形組體的分類中屬於次序圖的一種，程式教學多以流程圖來進行教學。林沛宇(2007)認為初學程式語言時以流程圖來學習可以很快進入狀況，而圖形化的流程圖很容易讓初學者學習到程式語言的觀念。流程圖是利用圖像的呈現方式，用來描述複雜的過程，像是程式編寫或是排除電腦錯誤等(江翹竹，2006)。郭國長 (2000) 指出為了避免程式會有邏輯上的錯誤，或條件沒有考慮週到，因此，撰寫程式之前，必須先研究分析解決問題的方法，並將其歸納整理成有系統的步驟，然後將各步驟以各種不同的流程圖符號表示出來，此即所謂的「程式流程圖」。. 24.

(35) 流程圖的種類可分為三種(郭國長，2000) (一) 系統流程圖（System Flow Chart）：用來描述整個工作系統中，各個部門間的作業關係。 (二) 程式流程圖（Program Flow Chart）：用來說明程式內的處理流程，該程式流程圖可說明各種運算及執行的先後次序。 (三) 資料流程圖（Data Flow Chart）：資料流程圖是結構化分析的基本工具，不同的圖形將系統內部及系統與外界間的各種資源傳遞狀況表示出來。. 本研究在實施程式教學採用的是「程式流程圖」（Program Flow Chart）進行教學，能讓學生能夠清楚了解程式中所有執行的先後次序。. 25.

(36) 五、概念圖教學策略. 「概念圖教學策略」可以進行「有意義」的教學，又能融入認知策略，幫助學童組織程式概念，進而產生「有意義」的程式設計學習。因此研究者將以概念圖教學策略融入程式設計教學以期提升學生程式設計的學習成效。概念是指具有普遍性、廣泛性、永恆性和抽象性的觀點。透過概念整合，能讓學習者在新知識形成過程的模式及規律達到思維的整合，也能有效協助學習者建立出組織良好的知識結構(Bransford, 2000)。學習者需主動進行認知和建構，也需依托於周圍情境的支持。在有效環境的支持之下，個體將可縮短建構和認知的歷程，也可更快速的建立出概念體系架構 (魏金財，2004)。教師所扮演的角色在積極上是協助學習者更有效的學習，這包括環境的布置、學習流程的設計、適當的學習內容和範圍；在消極上則是排除學習上不當的干擾因素(Pratt, 1994)。Spector 與 Davidsen(2000)也提出學習者通常希望有良好的結構和較多的指導，學習者不會在短時間變成專家。傳統學習環境對抽象概念的學習大多以口頭的解釋和說明為主，偶而輔以演示來教學，學習者是在抽離、獨立的情況下，以練習和強記的方式學習，這種概念學習的方法就是造成學生無法真正理解概念(魏金財，2004)。Jonassen(2000)認為心智工具是一個運用電腦環境與軟體來激發學習者高層次思維與創造力，並可加強知識的保留與遷移作用及協助知識建構與認知學習的工具。Gordin 與 Pea(1995)指出，具體的圖形和其他的直觀訊息表徵有助於人們的學習。圖形能增加學習的內在和外在兩方面的動力，亦可提供學習者一種視覺參考作用，而視覺參考物則是幫助學生看出所學內容各部分間關係的一種方法(Rieber, 1994)。概念圖(concept map)是將文字方塊或圖標用線連起來，學習者所表徵出來的型式，顯示其學習的內容是存在著怎樣的關係。這些組合法也幫助學習者理解複雜概念，以及概念組成部分之間的關係，這點可幫助學習者對複雜概念的全部理解(Laflore, 2000)。. 26.

(37) 概念圖是 Novak 和 Gowin 於 1984 年以 Ausubel 「有意義的學習（meaningful learning）」理論為基礎所發展出的工具，也是一套可用於教學、學習、研究及評鑑的方法 (Novak & Gowin, 1984)，更是一種被廣泛使用的教學與學習策略(Novak, 1990)。「有意義的學習」是學習者主動發覺新材料與舊經驗間的的連結關係，進而發現其意義的一種學習行為，只要學習者將將要學習的新知識與舊有的命題架構或知識架構連結，有意義的學習便產生了(余民寧，1997)，由於這種學習較具新穎性，創新性與活潑性，因此較容易使學生發現學習的意義。而教師所扮演的角色是教導學生有效適合的學習策略，建立起學生的學習經驗，以促進學生有意義學習的發生。在概念圖中是以節點(node)來表達概念，以階層的方式排列概念，越上層的概念較一般性(概括性)，越下層的概念較具特殊性，最下層的概念則是最具體的範例；概念和概念間的關係以連接線代表。因此，概念圖是一種用視覺化呈現的知識圖，概念圖包含了以下三個性質(Novak & Gowin, 1984)： (一) 階層結構（Hierarchically organized）：一般性的概念在上層，概括性或較特殊的概念在下層。 (二) 漸進分化（progressive differentiation）：由較一般性的概念往下到概括性較小、較特殊的概念。 (三) 整合一致（integrative reconciliation）：當兩個或以上的概念意義發生衝突時，就必須進行概念的整合，可以是上下附屬統合（縱的聯結）或不同分支概念間的關聯（橫的聯結）。所以，吳文芳(2006)認為概念圖是一種視覺化的空間圖形組織，可以將雜亂、無秩序的概念依照合理的邏輯順序加以分類，且按照概念範圍的大小進行階層性的排列，透過連結語的串結將不同階層或是不同類別的概念作有意義的連結，最後建構成一個有意義的知識結構網絡。林素妃( 2007)指出概念圖可以清晰顯現教師所要呈現的教學單元或學習者的概念架構，因此教師可以幫助孩子如何學習，並達到重要的教學目標，也可在學生學習新知識之前，了解學生的先備知識。 Novak 與 Gowin(1984)指出在教學上概念圖可以協助教師使學生易於了解課程 27.

(38) 方向，在學習上概念圖可以幫助學生在主要概念上的學習並建立新舊知識的連結，在課程上概念圖可以去蕪存菁取出有效的資料利於學生學習。因此，無論對教師或學生而言，概念圖都是一項有用的工具，對教師而言是一種教學策略：教師事先提供概念圖作為一種教學工具；對學生而言是一種學習策略：學生主動建構概念圖作為一種學習策略(余民寧，1997)。布魯納在「教育的過程」(1977) 一書中提到：學校學習應該聚焦在學科的結構，掌握了學科的結構就能夠理解這門學科。學習學科的結構也就是學習學科間的知識是如何互相連繫，而概念圖即呈現了知識間有意義的關連，因此能促進學科的學習。 Mintzes, Wandersee,與 Novak(2005)等建構主義學習理論學者認為只有學生將新知識同化到已有的概念框架中，有意義的學習才會發生，教學就是要採取適合的方法讓有意義的學習發生。而利用概念圖進行教學便是一種能讓有意義學習發生的教學方法。余民寧(1997)指出概念圖是一種類似網路結構脈絡的學習法，它可以幫助學習者了解重要概念之間的連結關係，是一種有意義的結構化學習法，可以促進學生進行有意義的學習。「How people learning: Brain, mind,experience and school」(Bransford, 2000)一書中提到：新手的知識瑣碎不連貫,專家解決問題的策略比較整體,對於新手而言必須要學習專家如何分析,思考問題,而達到理想的學習成效。由教師製作完整的概念圖提供學生對新知識建構的良好支架，能使學生在全新的領域學習上有較完整的概念。因此，在本研究中，以教師事先提供程式課程概念圖作為一種教學策略，幫助學生統整及階層化課程中的概念和及運用概念的能力，幫助學生在程式設計的課程中能進行有意義的學習。. 自 Novak 發展概念圖以來，概念圖的應用由原本的科學教育領域逐漸發展至其他領域的應用上(余民寧，1997)。在「概念圖」研究數量的部分，研究者以「概念圖」關鍵字查詢臺灣博碩士論文知識加值系統網站之學者論文發現，民國 78 年-89 年間 28.

(39) 共有 39 篇探討概念圖的論文，民國 90 年-95 年間數量大增為 154 篇論文探究概念圖，近五年來數量仍有 64 篇論文與概念圖主題有關。由此可知，概念圖在國內研究領域中占有重要的地位，不管是概念圖是應用在教師教學策略上，學生學習策略上，或教學評量上都有為數不少的論文加以深入探討學生「有意義的學習」。范瑞東(2005) 分析了 62 篇教學實驗類的概念圖論文或期刊文章，在教學對象部分以國民小學為大部分，近半數的研究除教學成效外，會輔以問卷或態度量表；在學科上幾乎涵蓋了所有的學科，但以自然科學為大部分；教學時間短則一小時，長至一學期；大部分研究均對此教學策略持正向的看法。在教學實驗大部分的論文中以概念圖為教學策略(法)取代傳統教學或輔助傳統教學，最後用以檢驗學生的學習成效。因此，概念圖教學策略目前已大量應用於教育上，但較少學者將概念圖融入課程設計及教材上，特別是概念圖教學策略應用在國小程式設計部分目前則沒有學者進行這方面的探討。所以，研究者期望以概念圖教學策略融入程式設計課程中，希望能對學童的程式設計學習成效上有所助益，進而使學童在程式設計上達到有意義學習的目的。本研究以程式主題進行教學設計，除了運用圖形組體的流程圖作為實驗組一的教學策略之外，並使用概念圖作為實驗組二的教學策略。以探討圖形組體教學策略運用於程式設計教學相較於一般傳統講述對於問題解決能力，程式設計學習成效與學習態度的差異。. 29.

(40) 第四節問題解決能力. 在許多程式設計教學研究 (Govender & Grayson, 2006; Rist,1995,1996; Winslow,1996）明確指出，程式設計初學者在學習程式語言時，所遭遇到最大的障礙就是“不知道如何將所規劃的問題解決方案以程式的方式表達出來”。因此，運用問題解決教學歷程來學習程式設計將可幫助學習者的學習，本節將探討(1)問題解決(2) 問題解決能力與(3)問題解決能力與程式設計之相關研究。. 一、問題解決定義從認知心理學的角度來看，張春興（2007）認為「所謂問題，是指個人在有目的、有待追求而尚未找到適當辦法時，所感到的心理困境。」而朱柏州(2002)認為個體在處於某種新的情境中，為達成目標的狀態，而必須使目前呈現的狀態有所改變，而這兩者之間的差異，即可定義為問題。所有的認知活動本質上可說是問題解決，因為人類的認知是有目的性的，為達成目標，人類會去除過程中所遭遇的障礙(Anderson, 1996)。問題解決也可說是一種心智歷程，Hatch(1988)認為「問題解決」是對問題尋找合理且適當解決方案的一個過程。Gagne(1985)指出，問題解決可視為一個過程，學習者發現可以把先前所學過的規則加以組合，應用於解決一個無先例的問題方案上。Pólya 與 Conway( 2004)認為「問題解決」是一種外顯的認知行為過程，這種過程是對問題的情境提出各種可能的解決方法，並且從這些可用的選擇中，去選擇出比較有效的方法，再加以執行。 Frederiksen(1984)；Krulik 與 Rundnick(1996)等人也認為問題解決是指個體利用已學過的知識、技能去滿足情境的需要，以獲致解決困難情境的過程。黃茂在與陳文典(2004)認為：「問題解決是人們運用既有的知識、經驗、技能，藉各種思維及行動來處理問題，使情況能變遷到預期達到的狀態，一種心智活動的 30.

(41) 歷程」。朱柏州(2002)認為「問題解決」是一種去尋求對某項情境問題的可行解答或結果之過程，亦是一種思考組織和記憶事物的個人行為技術，也是對新的環境事物來做歸納，是個體必須回應對事物的各種記憶需求的結果。蘇秀玲(2004)認為個體在遭遇的各式的問題時，會運用其先前認知的經驗、知識、能力、個別技能和所獲得的各種資訊，來提出可能有效的解決方法，藉此來減少所處問題情境與達成目標狀態之間差異的過程。王麒富(2009)將「問題解決」定義為學生在面對生活中的問題時，運用其先有知識、舊經驗和思考能力，以獲得問題的解答，達成預定的目標，這種歷程即是問題解決。另外有學者提出更高層次的發展，認為問題解決能提出創新的方法來解決問題。Anamuah-Mensay(1986)與 Hatch(1988)認為問題解決是超越個體已學過的原理原則，創造出新的解題方法之過程。王文科(1995)認為「問題解決」，是指有目的的指向活動或是一種形式的思維，而原有的知識、經驗及當前情境問題必須重新改組、轉換或聯合，才能達到即定的目標，也就是解決問題。而李登隆( 2003)也提出「問題解決」是運用學生舊有的經驗和先備知識，去察覺問題、蒐集並且加以思考相關的資料，再經由分析與推理，發展出新的解決方法，以獲得解決問題的能力。因此，綜合上述學者的定義，問題解決是一種心智活動，也是一種認知行為的過程，進而以高層次思考來發展出新的解決方法，而要發展出問題解決的能力，是教學者可以運用教學活動來培養訓練的。. 二、問題解決能力定義 Gagne (1985)認為問題解決能力是一種較高層次的學習層次，個體若要順利解決問題，不但必須具備”敘述性”方面的知識同時也要具備”程序性”方面的知識。Smith 與 Ragan(1999)認為問題解決是能統整學習過的規則、宣告性知識和認知策略來解決目前所遭遇的問題的能力，並在問題解決的過程中能產生新的學習。黃茂在、陳文興( 2004)提出問題解決能力是經由各種不同的處理事件中，可以成功找出解決問題通則方法的「能力」。而吳國聖（2009)認為問題解決能力牽涉到一 31.

(42) 個人的分析以及推理的過程，也牽涉到實際付諸行動、執行的過程，並將問題解決能力分為兩個層面，一是思考層面，一是行動層面，兩層面需要搭配合作才能圓滿的解決問題。學習者在生活中面對問題，將使用先前認知到的舊知識以解決問題。在問題解決之前，學習者必須要將若干已知的規則重新組織，以形成新的高級規則，以達到預定的目標狀態。而問題若被順利解決，學習者的知識、能力與經驗也必會提高(朱柏州，2002)。黃茂在、陳文典(2004)對問題解決能力下了一個界說：一個人在遇到問題時，能自主的、主動的謀求解決，能有規劃、有條理、有方法、有步驟地處理問題，能適切地、合理地、有效地解決問題。詹秀美與吳武典( 1991)認為個體解決日常生活問題的能力即為問題解決能力，而解決問題過程中運用了邏輯思考與擴散思考。問題解決能力包含五種能力:1.解釋推論 2.猜測原因 3.逆向原因猜測 4.決定解決方法 5.預防問題。因此，問題解決除了以舊經驗和先備知識去思考分析問題之外，能以創新的思考發展出解決的方法，就是問題解決能力。. 三、問題解決能力與程式設計相關研究 Fesakis 與 Serafeim( 2009)指出電腦程式設計可發展高層次思考技能如：問題解決能力、創造性思考能力及邏輯推理能力等。 Papert( 1980)強調在 Logo 程式設計當中，兒童必須確實反映出他們將如何完成一件工作，也就是說 Logo 可以反映出兒童是如何思考，如何解決問題的。Reed, Palumbo,與 Stolar( 1988)的研究發現，Logo 程式語言的教學提供學生一個情境或問題，使學生運用電腦的程式指令與程式之結構，並採取不同的策略以解決問題。吳志緯(2002)在「國小學生以電腦樂高進行科學學習之個案研究」中，以探討國小六年級學童在電腦樂高教學方案及探究活動情境下，學生的問題解決歷程。研究結果發現，學生在活動中問題解決的歷程共有五部分：問題的確定、分工、積木設計與組裝、程式設計與執行、修正。楊書銘(2008)的「Scratch 程式設計對六年級學童邏輯推理能力、問題解決能力 32.

(43) 及創造力的影響」研究中，發現 Scratch 教學課程對於學童之「猜測原因」及整體問題解決能力有顯著提升。張文奇(2009)以 Scratch 教學課程對學生高層次思考能力進行研究，結果顯示問題解決能力中「猜測原因」、「逆向原因猜測」、「預防問題」三個分項能力有顯著的提升。 DeMatteo( 2010)對於問題解決使用於課堂上有三點建議，要求學生產生能共享的解決方案、鼓勵學生以各種媒體來表達他們的解決方案以及要求學生與同伴共同解決問題。對於初學程式設計的學習者而言，問題解決技巧不容易由學習者主動學習而得到。因此，教學者應該將問題解決的歷程融入教學活動，使學習者透過問題解決的學習過程能習得程式設計的技能，以期能有效達成程式設計教學的目標（Mayer,1989, 1992；Pea,1987）。. 綜合以上相關研究文獻，程式設計對於學童問題解決能力的提升的確有所助益。本研究將以指導國小五年級學童學習 Scratch 程式設計語言，透過圖形組體的流程圖教學策略與概念圖教學策略來提升學童問題解決的能力。. 33.