應用機器人於國小學童「自然與生活科技」領域創意學習之課程設計與實施

應用機器人於國小學童「自然與生活科技」領域

創意學習之課程設計與實施

施能木 國立台東大學美勞教育學系 講師 壹、前言 在全球化的趨勢下，各國均在尋求國家競爭力的最佳利基，且其競爭的核心 內涵已由傳統的「體力」競賽轉為「腦力」競賽。換言之，新世紀的國力競賽就 是以品質、創意與速度為主的競爭，而非傳統價格與數量的競賽。因此，政府因 應此創新競爭的潮流中，便提出「知識經濟」、「科技矽島」等政策走向，其目的 在於確保台灣經濟領先的優勢地位。然而，在知識與創新能力的加速提昇卻是有 賴於各級教育階段的養成，有鑑於此，政府致力於教育改革而推動「創新教學九 年一貫課程」，期以整體提升國民之素質及國家競爭力。 現今的國民中小學皆積極推動「創新教學九年一貫課程」，該課程的主要精 神在於以學生為主體，以生活經驗為重心，培養學生具備現代國民所需的基本能 力，也就是：1.瞭解自我與發展潛能；2.欣賞、表現與創新；3.生涯規劃與終身學 習；4.表達、溝通與分享；5.尊重、關懷與團隊合作；6.文化學習與國際瞭解；7. 規劃、組織與實踐；8.運用科技與資訊；9.主動探索與研究；10.獨立思考與解決 問題等十項基本能力。其中七至十項的基本能力係與知識的「創新系統」有關， 透過這些基本能力的養成，可讓台灣透過學校教育來擁有優異的科技人力、堅實 的高科技製造能力，而形成台灣經濟發展的優勢。 再者，「數位落差」（Digital divide）議題屬於國家公共政策的範疇，在現今 高科技的時代中，電腦、網路與科技已成為學習的主要途徑，沒有或不會使用電 腦、網路與科技者已成為「沒知識、與時代脫節」的弱勢族群。因此，任何個人、 任何地方都應該被包含納入資訊近用(Information access)之整體規劃，而非被排除 在全球資訊社會體系之外，所以資訊與知識的自由流通與接取應該被充分地保 障。換言之，弭平數位落差為國家整體發展與全面資訊化所必須重視的關鍵問題 之一。然而，台東縣地處於台灣的東南方，通常被稱為台灣的「後山」，在各項

基礎建設、教育資源與環境的建置皆因諸多因素而被排後或者忽略，因此，以台 東縣現有的教育環境與資源而言，確實有數位落差的事實存在。 LEGO Mindstorms（機器人組合）是樂高公司於 1998 年開始量產販售，它是 樂高公司與麻省理學院合作的產品，他們相信兒童藉由玩這套產品，能夠對他們 的認知與學習引發一場強烈的心智激盪（田耐青，民 88）。再者，Wu（2002）曾 利用 LEGO Mindstorms 進行「數學－科學－科技」統整學習的研究，結果發現： 它能充分支援統整學習的環境；學童皆能順利組合所需的機器人並解決預定的問 題，同時也能表現小組合作的決策形態與良好的互動關係，如此讓創意與經驗能 作最佳的連結。綜合上述兩者，我們可知道 LEGO Mindstorms 可以做到：1.可與 建構學習理論作最佳的結合；2.可落實學童解決問題的認知歷程；3.可讓學童將 創造力具體表現在機器人設計的成品上；4.可使學童具有強烈的學習動機及與他 人建立良好的合作學習關係。 基於前述創新能力的養成、數位落差的減低、LEGO Mindstorms 的優點等背 景因素，筆者於 94 年 3 月申請教育部九十四年度九年一貫課程與教學深耕計畫 （大學與國民中小學攜手合作計畫），通過教育部的評審過程而獲得相關經費的 補助，使得計畫得以順利進行。在該計畫中利用「樂高機器人組合（LEGO Mindstorms RIS 2.0）」為教學媒體，透過國立台東大學與台東縣東海國小的教師 群所組成學理與實務合一的研究團隊，建構與設計出一系列「自然與生活科技」 領域的創意學習活動，以指導國小五、六年級學童應用 LEGO Mindstorms RIS 2.0 來組合、創造機器人，以解決教師們所指定的預設問題，如此讓學童們可利用科 技為工具，來進行各類探索、實驗、解決實際的問題、進行知識創新的對話及反 省思考等活動的學習，以便建構出屬於自己的知識創新系統及創造力。本文係摘 錄計畫的部份成果，以供國小教師在推動小學科技教育時的參考。 貳、計畫的實施目標 為發揮師資培育機構的研究、服務的功能，同時與國民中小學建立長期專業 發展的伙伴關係，在計畫中採用行動研究法，以台東縣東海國民小學五、六年級 27 位學童為研究對象，教學時間每週三小時且進行兩學期。在計畫中利用「樂 高機器人組合（LEGO Mindstorms RIS 2.0）」為教學媒體，透過研究團隊發展與設

計創意教學活動的教材、進行創造性思考的教學活動，並且透過實際教學活動以 培養學童科技創新設計與解決問題的能力，同時修正實施過程中的教學活動設 計，最後彙整計畫實施的成果內容，作為日後台東縣國民小學推動「自然與生活 科技」領域的創意教學之參考。有關計畫的實施目標敘述如后： 1. 建構出教師應用機器人組合進行創意教學時，所需的教材內容、教學媒 體及相關的文件。 2. 將教材內容在教學現場上實施，瞭解學童的學習狀況、創造力的發展、 問題解決的學習成效，以做為教材內容修正時的參考。 3. 瞭解教師們在教學現場中，所遭遇的困難之處及其因應對策。 參、創意學習活動的設計 一、LEGO Mindstorms 組件的特性 LEGO Mindstorms（機器人組合）是樂高公司與麻省理工學院經過十五年 的研發工作，於 1998 年秋季在英國及美國開始正式上市發售。由它的命名 「Mindstorms」可看出樂高公司及麻省理工學院對項產品的信心，他們相信孩 童經由玩這套產品，能夠對其認知與學習引發一場強烈的心智激盪。台灣在 1999 年的元月份也引進此產品，也是第一個發行該產品的非英系語系國家。這 套產品包括圖形化控制軟體（Robolab）、紅外線程式傳輸器（IC，Infrared Transmitter）、可程式控制積木（RCX，computer based programmable brick 或稱 Intelligent brick）及遊樂場零件組。零件組包含 297 個各式各樣的零件，例如： 齒輸、槓桿、輪胎、關節等；還有一些智慧的輸入、輸出裝置。輸入裝置有光 源感應器、觸控感應器及溫度感應器；輸出裝置有馬達及燈泡等。這些輸出、 入裝置與可程式控制積木搭配後，可以依據程式的指定及輸入裝置所傳回的數 值，做一些控制的動作，例如：使用者可以在軟體上設計程式，當光源的降到 某一程度時，馬達就開始運作。因此，LEGO Mindstorms 機器人組件可讓學童 組裝出具有不同功能的機器人，然後去解決教師所指定的問題，根據解決問題 的結果來評定學童的學習成效。 二、初始的教材設計與發展 在進行創意教學活動的教材設計之前，先讓參與計畫的教師群瞭解瞭

LEGO Mindstorms 機器人組件的特性。然後，筆者提出一要簡要版的課程設計 內容，再與教師群作充份的討論與溝通，逐步設計出相關教材與活動內容。因 此，基於 LEGO Mindstorms 的特性，在計畫進行的初期設計出九個教學活動單 元，以做為教學分析、教學實施、教學修正的參考，有關此九個教學活動單元 如表一所示： 表一、創意教學活動單元 單元名稱 單元目的 1.伊甸園 1.了解機器人積木的基本構造，及各元件的基本功能。 2.能以現有的積木創造出自行構想的機器人。 2. 連 接 我 的 智 慧 － 創 造 另 一 個 我 1.依據前一單元所學的基本元件組合一簡單機器人，並使之 運動。 2.學習速度及距離概念，學習視覺化、直覺式的基礎機器人 程式設計。教師給定某固定長度之直線距離，學生能製作 可進行簡單定長直線運動的機器人，以解決教師所提出的 問題。 3.機器人競速 1.教師給定一固定距離的直線，學生能依前一單元所學的基 本概念，修正其機器人設計，考量重量、機械運動、速度、 運動穩定性等因素，進行機器人的改良。 2.舉辦機器人競速比賽，學生以文字及圖片介紹其小組所設 計的機器人，並從各組所設計的機器人裡了解其他團隊所 設計之優缺點。 4. 我 的 寶 貝 會 轉 彎 1.學習各動力機器積木的運動模式及其控制命令。 2.學習角度及平面幾何之數學概念，以程式控制動力機械模 組，控制機器人進行非直線運動，使機器人能依教師所提 出之不定方向軌跡問題運動。 5. 真 實 世 界 大 不 同 1.學習訊息處理架構與學習感知積木的運作模式及其控制與 訊息接收命令。 2.教師給予不特定之三項障礙物阻擋機器人運動，學生設計 的機器人能判別障礙物並繞過或避開阻擋物繼續運動。

6.登陸月球 1.教師安排障礙物，學生所設計的機器人除能判別障礙物且 繞過或避開阻擋物繼續運動外，並能以最短之時間到達所 指定之地點。在此單元活動中，教師每週提出一障礙物安 排模式，依次加深環境的複雜程度，以訓練學生解決複雜 問題。 2.學生必須應用之前所學習的概念、技術、以及相關數學， 空間與障礙物的相關位置，設計機器人，判別障礙物，以 解決教師所提出的問題。 7.推骨牌機械人 1.教師安排紅、黃、綠、藍等種四種顏色的骨牌，學生所設 計的機械人要能正確地辨識骨牌的顏色，並且在行進之間 必須能夠順利地推倒紅色、黃色的骨牌。 2.學生必須應用之前所學習之概念、技術，及測光感測器的 使用及程式的控制，以設計出機械人推骨牌的機械裝置， 以解決上述的問題。 8.搬運機械人 1.教師安排一瓶裝有半瓶水的礦泉水瓶，冋時置於距離一個 15 公分見方黑框前 25 公分的位置，並且利用綠色膠帶在 水瓶前 20 公分劃出一條起始線。機器人必須在碰到水瓶 時抓住水瓶，並且將水瓶移至黑框內，放開水瓶且回到起 始線後。 2.學生必須應用之前學習的概念、技術，及測光感測器、觸 控感測器的使用及程式的控制，以設計出機械人抓取的機 械裝置，以解決上述的問題。 9.健美選拔 成果展覽，強化學生之後設認知能力。學生必須學習以文字、 圖片、影音等方式，將其最滿意的機器人設計表達出來，並 公開展覽與實地解說其設計。 肆、創意學習活動的實施與修正 學童們皆能順利完成上述 9 個單元的教學活動，同時表現出極高的學習意 願。在 9 個單元教學完成時，比在預定時間提早且有近一個月的空檔時間，因此

在教材設計與發展上新增「投籃機器人」的單元，在這個教學單元中有兩個次單 元即「定點投籃機器人」、「行走投籃機器人」，讓學童們統整前面個 9 個教學單 元所學到的知識與技術，設計出所需的投籃機器人，讓他們從簡易的單元（定點 投籃機器人）到複雜的單元（行走投籃機器人），同時在行走投籃機器人單元中 利用競賽方式進行教學，讓學生們享受到解決問題的能力與樂趣。有關 10 個教 學單的實施現況，詳見表二的圖示及其說明： 表二：創意教學的實施現況

向學童們講解 LEGO Mindstorms RIS 2.0 機器人組件的內容與用途。

學童們利用 LEGO Mindstorms RIS 2.0 機器人組件來設計與製作機器人。 學童們討論與製作小組的機器人。 學童們利用繪圖方式來記錄他們小組 所設計與製作的機器人。 學童們利用個人電腦撰寫 RoboLab 程 式，以讓他們所製作的機器人可以作 出正確的動作。 某小組學童們所設計與製作的雙馬達 四輪驅動車。

學童們實際利用機器人解決初階避障 礙物的實際狀況。 某小組學童們所設計與製作的防撞桿 四輪驅動車。 學童們與教師群的上課情況。 學童們利用個人電腦撰寫 RoboLab 程 式的教室實實情境。 學童們利用所設計的機器人解決抓水 瓶問題的教室真實情境。 某小組學童們所設計與製作的抓水瓶 機器人。 某小組學童們所設計與製作的四隻腳 行走機器人。 學童們利用機器人解決在黑圈裡漫遊 問題的教室真實情境。

學童們利用機器人解決沿黑圈行走問 題的教室真實情境。 學童們利用機器人解決推骨牌問題的 教室真實情境。 小組的學童們在討論抓水瓶機器人的 設計與製作方法的教室真實情境。 學童們在設計與製作機器人的教室真 實情境。 學童們利用機器人解決兩腳行走問題 的教室真實情境。 學童們利用機器人解決四腳行走問題 的教室真實情境。 學童們小組間的競賽記點之記錄表。 在教學活動的實施過程中，大多數的學童們皆願意挑戰老師所指定的問題， 同時進行組間的競賽活動，學生們都能積極地設計出可解決問題的機器人以順利 解決問題。因此，在教學活動之中增列 10 待解決的問題，配合教學活動的進行，

讓學童們確實設計出具解決問題功能的機器人，以有效地解決「待解決問題」， 提高學童們的學習動機與成效。有關 10 個待解決問題內容敘述如后： 一、初階避障礙物機器人 問題為「讓你們小組的雙馬達四輪車可順利通過水瓶障礙物。（如圖 1 所示）」，於工作桌（長 180cm；寬 90cm；高 73cm）利用綠色、紅色的膠帶 繪製出起點、終點的位置，同時放置三瓶礦泉水瓶，有關實際的配置圖如圖 2-4，而問題情境的實際尺寸配置圖如圖 5 所示： 二、進階避障礙物機器人 問題為「讓你們小組的雙馬達四輪車碰到水瓶後，會自動繞過水瓶繼續 圖 3 圖 4 圖 5 圖 1 圖 2

前進，直到碰到第二瓶水瓶即停止。（如圖 6、7 所示）」。 三、在黑圈裡漫遊機器人 問題為「讓你們小組所製作的履帶車，在黑色的橢圓圈裡漫遊二分鐘， 且履帶車的車體不可全部超過黑圈。（如圖 8 所示）」。 四、沿黑圈行走機器人 問題為「讓你們小組所製作的履帶車，沿黑色的橢圓線徑前進，直到繞 完二圈為止。（如圖 9 所示）」。 五、推骨牌機器人 問題為「讓你們小組所製作的推骨牌機器人，它能夠順利推倒紅色、黃 色的骨牌。（如圖 10 所示）」。 圖 8 圖 9 圖 7 圖 6

六、抓水瓶機器人 問題為「讓你們小組所製作所製作的機械人要從起點線出發，當碰到水 瓶時會抓住水瓶，然後搬移水瓶至黑色的方框內，然後機械人放開水瓶且退 回起點線後，完成整個程序者，即算順利解決此問題。（如圖 11、12 所示）」。 七、兩隻腳行走機器人 問題為「讓你們小組所製作的兩隻腳機器人，它要從起點線出發，向前 行走直到過終點線，即算順利解決此問題。（如圖 13、14 所示）」 八、四隻腳行走機器人 問題為「讓你們小組所製作的四隻腳機器人，它要從起點線出發，向前 行走直到過終點線，即算順利解決此問題。（如圖 15 所示）」 圖 10 圖 11 圖 12 圖13 圖 14

九、定點投籃機器人 問題為：「讓你們小組所製作的投籃機器人，位於籃板前 50 公分處投擲 線，將 6 顆乒乓球順利投入籃框內，即算順利解決此問題。（如圖 16 所示）」 十、行走投籃機器人 問題為：「讓你們小組所製作的投籃機器人，位於籃板前 90 公分處投擲 線，開始前進至距離籃板 50-60 公分處，不得超越紅線(50 公分處)，在一分 鐘時間內看投入籃框內的乒乓球數。（如圖 17 所示）」 伍、教學所遭遇的困難與因應策略 一、教學環境的安排與配置 有關機器人教學的教室是需要一個較大空間的教室，而非一般的班級教 圖 15 圖 16 圖 17

室，在與學校進行協調與溝通之後，學校同意借用會議室以作為機器人教學 的空間。教室裡配置有 12 張大的工作桌（長 180cm；寬 90cm；高 73cm）， 其中 10 張工作課可讓 10 組的學生們放置樂高 RIS 2.0 機器人組件，同時有 足夠的桌面空間讓同學們製作出不同類型的機器人；其中 2 桌工作作為教師 進行教學放置筆記電腦、單鎗投影機、教材與教學媒體、以及相關教學所需 的資料等。有關教室中工作桌的配置圖如圖 18 所示，圖中的綠色的方塊即 是 12 張工作桌；教室裡的櫃子係為四個底櫃（如圖中的○S ），用來放樂高 RIS 2.0 機器人組件及教學相關的用具；C1-C5 的位置放置較小的桌子，以便 放置五台個人電腦，以供學生們撰寫機器人動作的 RoboLab 程式。 二、電腦的使用問題與因應策略 為機器人能夠行動起來，必須將驅動機器人的程式撰寫完成且輸入機器人 的 RCX 內，因此要有五台個人電腦的設備（兩組共用一台），以便安裝 RoboLab 2.54 的軟體，以連接紅外線傳輸器而讓程式可以傳送到 RCX 裡，讓機器人得 以正常工作而達成設定的功能。但在教學進行過程中，發現學校所提供的電腦 有 CD-ROM 光碟機故障、作業系統無法正常工作、電腦中毒、硬體故障等問 09 10 08 02 04 05 03 06 07 01 T C1 C5 C2 C3 C4 S 09 10 08 02 04 05 03 06 07 01 T C1 C5 C2 C3 C4 S 圖 18

題，因此必須花費更多課餘時間去作安裝、測試、調整的工作，但結果不一定 會成功，而使得電腦問題成為教學的最大負擔。經過繁複的維護過程，終於將 教學活動中需要的個人電腦問題解決。由於可知，沒有足夠的電腦可供使用是 急待解決的問題，也是教學情境佈置急待克服的問題，所以教學設備的安置、 維護與保養也是教學活動進行中很重要的一環。 陸、結語

本文展現如何應用樂高機器人組件（LEGO Mindstorms RIS 2.0）來幫助國小 學童們發展創意，並且引導他們動手製作機器人以解決相關問題。如此，國小學 童們所處的真實環境可促使他們學習到現實生活中的機械機置、程式撰寫及科技 的相關技能。就我們的經驗而言，在課程的教學活動進行期間，對學生們最佳的 獎勵就是他們的作品可以真正解決所遭遇的問題，還有改良先前的作品以製作出 更佳的作品。 在我們所提供的每個機器人創造活動中，並沒有最佳答案或設計方案，因此 學生們能自行解決問題就創造性思考而言是非常重要的。同時，我們也學到加強 學生們創造性思考的最佳方法就是鼓勵他們自我挑戰，以克服所遭遇的問題。再 者，每件由學生們建造出來的機器人皆是呈現出他們在問題思考、問題解決歷程 的後設認知的表現。 同時，參與整個計畫的師培機構人員與國小教師們皆能對機器人創意課程的 設計與發展有其專業的成表，再者藉由指導學童們機器人設計與製作的過程，對 於國小學童們科技創新能力的知識與技術有著相當深入的瞭解，如此讓學理與實 務作密切的配合，同時也發展出適合國小學童們進行機器人創意教學時所需的教 材內容、教學媒體與相關文件內容。