電腦科學史教材對學生科學本質觀、學習成就和學習態度之影響

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：吳正己博士. 電腦科學史教材對學生科學本質觀、學習成就和學習態度之影響. 研究生：黃裕明撰中華民國一○三年一月.

(2) 摘要本研究旨在發展高中資訊科技概論電腦科學史教材，並評估該教材對高中生科學本質、學習態度、學習成就以及概念脈絡發展之影響。教材的範圍為電腦網路單元，依此蒐集約二十多則相關的歷史素材，並以 HEM 圖發展電腦科學史教材。教材評估採取準實驗設計，參與者為南部某公立高中兩個班級，一共 64 位學生，實驗時間共五節課，依班級分成實驗組 32 人和控制組 32 人，兩組教學的差異在於教材內容是否包含電腦科學史。教學後學生填答科學本質量表、成就測驗以及態度問卷。研究結果顯示，電腦科學史教材能夠：（1）有效提昇學生的科學事業本質觀及科學方法本質觀，（2）增進學生對於電腦網路概念脈絡的理解，（3）增加學生學習電腦網路的興趣。建議未來設計電腦科學史教材可以採用 HEM 圖方式，並運用吸引學生之歷史素材以及資訊科技，以提昇學生學習科學史的興趣。. 關鍵字：電腦歷史、教材、科學本質、網路. II.

(3) Abstract The Effects of Computing History Materials on Students’ Views of Science, Achievement, and Attitudes toward Learning Yu-ming Huang This study explored the effects of integrating history of computing into teaching high school computer science classes. We aimed to promote students’ understating of science nature, learning the context of concept development, achievement, and attitudes on learning through computing history materials. The materials developed with historical episodes map (HEM), and had three storylines and more than 20 events related to the history of networking. A total of 64 students from two Grade 11 classes participated in this study. One class with 32 students served as the control group, and the other class also with 32 students was the experimental group. The control group was taught using traditional textbook, while the experimental group was taught using the HEM-designed materials. The two groups were taught with the same concepts about networking and doing similar discussions in class. The experiment lasted for 5 class periods. The finding revealed that teaching through computing history materials could (1) improve students’ the nature of scientific method and scientific enterprise, (2) enhance the understanding of the context of concept development, and (3) havepositive effects on students’ attitudes toward learning network. We suggested that computer educator to use HEM to develop historical-related teaching materials to promote student learning, and to design the materials with interesting history events and advanced technology, such as augmented reality, to enhance students’ interesting in learning history. Keyword：History of computing, teaching materials, nature of science, network III.

(4) 目. 錄. 摘要............................................................................................................................... II 表目錄……………………………………………………………………………….. V 圖目錄………………………………………………………………………………..VI 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 第四節名詞釋義.................................................................................................. 4 第二章文獻探討........................................................................................................ 5 第一節科學史應用於教學的理念...................................................................... 5 第二節科學史教材設計...................................................................................... 9 第三節科學史與電腦科學教學........................................................................ 13 第三章研究方法...................................................................................................... 17 第一節研究設計................................................................................................ 17 第二節實施程序................................................................................................ 18 第三節研究工具................................................................................................ 19 第四節資料蒐集與分析.................................................................................... 22 第五節預試........................................................................................................ 23 第四章電腦科學史教材發展 ................................................................................. 24 第一節教材發展步驟........................................................................................ 24 第二節單元教材規劃........................................................................................ 29 第三節教材的科學本質內涵............................................................................ 36 第四節教案設計................................................................................................ 38 第五章結果與討論 ................................................................................................. 40 第一節科學本質................................................................................................ 40 第二節學習態度................................................................................................ 44 第三節學習成就................................................................................................ 47 第四節概念脈絡................................................................................................ 48 第五節對電腦科學史教材看法........................................................................ 51 第六章結論與建議 ................................................................................................. 54 參考文獻...................................................................................................................... 56 附錄 A 電腦網路教學單元課程問卷（實驗組）………………………………….61 附錄 B 電腦網路教學單元課程問卷（控制組）………………………………….63 附錄 C 電腦網路教學單元成就測驗及參考解答………………………………….65 附錄 D 電腦網路的 HEM 圖………………………………………………………..68 附錄 E 電腦網路教學單元教案…………………………………………………….69 IV.

(5) 表目錄表 2- 1 表 2- 2 表 3- 1 表 3- 2 表 4- 1 表 4- 2 表 4- 3 表 4- 4. 科學史融入教學相關研究........................................................................ 8 資訊科學發展重要里程碑...................................................................... 16 研究設計 .................................................................................................. 17 自編科學本質題目 .................................................................................. 19 電腦網路包含之單元主題和概念.......................................................... 25 「電腦連結」單元學習目標與概念脈絡.............................................. 29 「電腦連結」單元的歷史事件.............................................................. 30 「電腦如何幫助人類溝通」單元學習目標與概念脈絡...................... 31. 表 4- 5 表 4- 6 表 4- 7 表 4- 8. 「電腦如何幫助人類溝通」單元的歷史事件...................................... 31 「現今的電腦網路如何形成」單元學習目標與概念脈絡.................. 32 「現今的電腦網路如何形成」單元的歷史事件.................................. 33 「社群媒體與社群網路」單元學習目標與概念脈絡.......................... 34. 表 4- 9 「社群媒體與社群網路」單元的歷史事件.......................................... 35 表 4- 10 科學知識本質教材示例......................................................................... 36 表 4- 11 科學方法本質教材示例 ......................................................................... 37 表 4- 12 科學事業本質教材示例......................................................................... 38 表 4- 13「電腦如何幫助人類溝通」單元.......................................................... 39 表 5- 1 「科學事業的本質分量表」分數差異性分析 ...................................... 40 表 5- 2 表 5- 3 表 5- 4 表 5- 5 表 5- 6 表 5- 7 表 5- 8 表 5- 9. 自編問卷-STS 的差異性分析 ................................................................ 41 自編問卷-科學知識的本質差異性分析 ................................................ 42 自編問卷-科學方法的本質差異性分析 ................................................ 43 自編問卷-學習態度 ................................................................................ 46 自編問卷的複選題填答情形－重要的概念 .......................................... 52 成就測驗的分數差異性分析 .................................................................. 48 控制組學生對概念的描述情況 .............................................................. 49 實驗組學生對概念的描述情況 .............................................................. 50. V.

(6) 圖目錄圖 2- 1 簡單機械單元之概念圖........................................................................... 12 圖 2- 2 分子遺傳學發展歷史事件圖................................................................... 13 圖 3- 1 教學實驗實施程序................................................................................... 18 圖 3- 2 ALOHANet 的發起人 Norman Abramson .............................................. 21 圖 4- 1 教材發展步驟........................................................................................... 24 圖 4- 2 HEM 圖的範例截圖................................................................................. 26. VI.

(7) 第一章緒論第一節研究背景與動機科學史在科學教育中具有多重的角色和功能，許多研究指出應用科學史教學的成果不斐（Lee, 1996; Gal-Ezer & Harel, 1998; Rupf, 2004；許良榮和蕭培玉， 2007；林陳涌、鄭榮輝和張永達，2009）。科學史包含科學的真實發展過程，從紀錄科學知識發展過程的科學史中，可以學習科學的方法（Conant, 1951）。而由科學史也可以發現，在科學發展時有許多迷思概念的產生，透過科學家之間的討論與爭辯，才逐漸建構出現今科學的樣貌。學生許多的迷思概念與科學史上的迷思概念是相同的（McCloskey, 1983; Clement, 1983），妥善利用科學史上出現過的迷思概念，可以提早發現學生的問題，有助於引導學生學習。此外，科學史提供了時代背景、社會人文或者科學家之間的互動，能反映出科學發展的動態過程，使學生能夠在學習的歷程中協調認知和價值觀，並達到人文社會與科學的融會貫通（劉君燦，1999）。科學史也能夠提昇學生的科學本質以及對科學的態度，如 Lin、Chen 及 Chang（2011）融入科學史於生物遺傳學的教學，學生的科學本質及科學態度顯著提昇。Kaygin, Balçin, Yildiz 和 Arslan（2011）以科學史融入八年級的費氏數列和黃金比例的教學，發現對學生的學習成就有正向的影響。是故，將科學史融入科學教育，可以幫助學生澄清迷思，並且訓練批判性的思考能力，進而建構完整且符合目前已知的知識結構（傅麗玉，1999；洪振方，1997；Matthews, 1994）。學生也可藉由科學發展的歷程，釐清知識或概念的脈絡關係，並形成科學知識的脈絡架構，進而建立完整的概念脈絡（Gal-Ezer& Harel, 1998）。若要推廣以科學史融入科學教學，勢必從科學史教材的設計著手。許良榮（1998）認為科學史課文應符合六項原則，分別是(1)須以符合科學發展史的順序呈現科學理論，(2)須呈現科學理論之「背景知識」，(3)須呈現科學理論之「先前條件」，(4)須描述科學家不同觀點的差異或是衝突，(5)以知識發現的角度描述科學理論的建構過程，(6)避免使用後來出現的科學知識說明先前的科學理論。. 1.

(8) 邱明富和高慧蓮（2006）提出以科學史教材教學時，教師應該在關鍵處以 What、 Why、Where、Who、When 及 How 等問題提醒學生思考相互呼應。而歸納許多科學史研究所使用的教材（Lin , Cheng & Chang, 2011; 廖麗貞、林寶英和洪振方，2000; 林淑梤、劉盛忠、黃茂在、陳素芬和張文華，2008; 李明昆、劉靜怡和洪振方，2011）後發現，教材的內容多能符合前述的設計原則。電腦科學也是科學領域的一個範疇（Denning, 2005），其教學的理念可與一般科學教育相提並論，電腦科學學者也認為融入電腦科學史於教學之中有其必要性。Lee（1997）及 Rupf（2004）認為融入電腦科學史於教學，可以引發學生的學習動機，並使之以客觀的態度探究事件的形成及模仿電腦科學家找尋證據的過程。IFIP TC3 and TC9 Joint Task Group（1999）也提出電腦科學史課程建議書，包括課程的實施形式、課程的內容以及教學的方法等，提倡電腦科學史的學習。高中「資訊科技概論課程綱要」（教育部，2008）亦強調「資訊科學發展」的重要，認為科學史可以幫助學生建立資訊科學的整體性概念，並能啟發學生學習資訊科技之興趣。然而，陳秋燕（2009）分析台灣的資訊科技概論教科書發現，電腦科學史在教科書中呈現不多，內容亦不盡完善。例如，教科書中對科學史之描述大多僅列出人名、日期或單一事件，並未完整地呈現電腦科學事件的演進關係，如此不僅無法達到電腦科學史教學的功能，更可能使學生認為科學知識的發生過程是單一事件，缺乏科學家之間的交流，進而傳達錯誤的科學本質觀。陳怡芬（2013）調查高中資訊教師對科學史的看法發現，教師普遍認為電腦科學史教材不足，並希望能夠有包含中文影音資料的電腦科學史網站資源可供使用。因此，如何發展適合高中資訊課程使用的電腦科學史教材？這些電腦科學史教材之教學成效為何？都是值得探討的問題。科學教育界重視應用科學史的教學，發展許多教材以及進行相關的教學研究，但電腦科學領域中關於電腦科學史的教材設計以及教學研究卻仍然貧乏。現行的電腦教科書缺乏科學史的部份，也鮮少提及電腦科學事件的演進關係，而資訊教 2.

(9) 師亦希望獲得更多電腦科學史的教材資源。故此，本研究參考其他科學領域科學史教材的設計理念，以高中資訊科技概論中的電腦網路主題為範疇，發展電腦科學史教材，並評估其使用成效，相關的教學研究結果，可以作為電腦科學史教材發展的參考。. 第二節研究目的本研究的主要目的為發展電腦科學史教材，並進一步探討電腦科學史教材對學生的科學本質觀、學習成就、概念脈絡理解、以及學習態度之影響。具體的研究目的如下： 1. 發展高中資訊科技概論電腦科學史的教材 2. 電腦科學史教材對學生科學本質的影響 3. 電腦科學史教材對學生學習態度的影響 4. 電腦科學史教材對學生學習成就的影響 5. 電腦科學史教材對學生建立概念脈絡的影響. 第三節研究範圍本研究的範圍如下： 1. 林陳涌（2006）提出科學本質具備三個面向，分別是科學事業本質、科學方法本質以及科學知識本質，本研究因教材設計內容著重於科學事業本質，故科學本質取科學事業本質為範疇。 2. 本研究設計的電腦科學史教材，內容依據高中「資訊科技概論」課程綱要（教育部，2008)電腦網路單元的教學目標，以電腦網路為範疇。. 3.

(10) 第四節名詞釋義本節針對研究出現的名詞釋義，包含科學史、科學本質、概念脈絡、學習態度以及學習成就。 1.. 科學史：紀錄科學發展過程的歷史，包含科學的真實發展過程（Conant, 1951）。. 2.. 科學本質：科學本質因時代不同而有不同的詮釋，本研究所指科學本質是以林陳涌（1996）整理國內外學者對於科學本質的解釋，包含科學事業本質、科學知識本質以及科學方法本質。. 3.. 概念脈絡：概念之間的前因後果關係，亦即概念在建立時的背景知識和先前條件所形成的脈絡。. 4.. 學習態度：對學習電腦網路的興趣以及對學習電腦科學史和相關歷史教材的興趣。. 5.. 學習成就：係透過學習歷程獲得較為持久性的行為結果，本研究指的是對於電腦網路概念的理解程度。. 4.

(11) 第二章文獻探討本章首先以科學史應用於教學的理念，探討科學史與科學本質的關係，科學史如何融入在科學教學的方法等；其次，探討科學史教材的有哪些設計原則，並整理不同的科學史教材設計方法，歸納發展科學史教材的重點；最後，探討電腦科學史的教學意義與教學重點，了解教材應包含哪些主題和概念，並依此作為教材內容的依據。. 第一節科學史應用於教學的理念本節探討科學本質及其與科學教育的關係，以及科學史融入教學對於學習科學本質的影響，並從文獻中歸納科學史融入科學教育的研究，從中探討科學史教材的設計原則，並探討不同科學史教材的設計方法，作為教材設計時的依據。. 壹、科學史與科學本質學習科學教育的改革中，科學本質和科學史受到相當廣泛的重視，美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science, [AAAS], 1989)呼籲科學教育學者及教師應注重培養學生對於科學本質的瞭解，其所提出的 Project 2061 將科學本質分成三個領域，如下所示。 1.. 科學的世界觀 (scientific world view)：科學的世界觀著重於科學家擁有共同的信念，並在嚴謹的科學規範之下，對現象提出解釋。但這些經由解釋產生的理論是不斷變化的，新的觀察證據會影響已存在的理論，也因此科學家所提出的理論也僅是暫時的。. 2.. 科學探究活動 (scientific inquiry)：科學的探究活動是科學家在面對問題時從提出假設，以邏輯的方式分析證據，最後得到理論的過程。. 3.. 科學事業 (science enterprise)：科學事業強調科學家與科學社群之間互動的情形，亦即理論辯證的過程，與人文社會及時代背景有關。. 5.

(12) 林陳涌（1996）的「了解科學本質量表」 (Understanding of the Nature of Science Scale, UNOS)將科學本質分成三個部份，分為科學知識，科學方法以及科學事業。科學知識指的是學生的科學世界觀，科學方法指的是學生對於科學探究活動的理解，而科學事業則是指學生對於科學事業的瞭解。國外的學者對於發展科學本質的評量工具研究已久，如 Cooley 和 Klopfer （1961）發展的「了解科學測驗」（Test on Understanding Science, TOUS），偏重在科學家與科學社群，科學知識本質的題目較少。Rubba 和 Andersen（1978）發展的「科學知識本質量表」（Nature of Scientific Knowledge Scale, NSKS）則偏重於科學知識的議題；林陳涌（1996）的「了解科學本質量表」則綜合了國內外學者對於科學本質的定義，並以國內的高中作為研究的對象，其量表的信度和效度均有嚴格考驗。謝甫宜和洪振方（2010）以林陳涌（1996）科學本質的三個向度為範疇，對科學本質提出進一步的闡述： 1.. 科學知識的本質：科學知識具有經久性與可重複性，亦可被新知識所取代，也必須被公開發表和被科學社群接受。項目包括：累積性、暫時性、可重複性、創造性、公開性以及可預測性。. 2.. 科學方法的本質：科學方法是建構科學知識的過程，沒有固定的科學方法和步驟，且受到科學家本身的信念和理論影響。此面向包括：質疑性、經驗性、實證性、理論蘊含的、科學方法的多元性、邏輯推論性以及科學的限制。. 3.. 科學事業的本質：科學家兼具科學專業與公民的身份，並且受到倫理和道德、科學社群的規範，同時科學、科技和社會三者會互相影響。此面向包括：倫理與道德原則、科學家的身份、科學社群的重要性以及 STS 的交互影響。. 上述對於科學本質的闡述，與蘇明州和高慧蓮（2006）提出科學本質的範疇吻合，兩者之差異僅在前者使用「科學方法的本質」，後者使用「科學探究的本 6.

(13) 質」，兩者在名稱上稍微不同，但實質上其內涵是一致的。許良榮和蕭培玉（2007）調查近三十年的國內外文獻，發現仍有許多學生具有不恰當的科學本質觀。因此，如何培養學生具備有良好的科學本質觀，是科學教育上應重視的地方。科學本質必須內含於科學的教學之中（Lederman, 1986; Duschl, 1988），而以科學史融入教學可以達到科學本質的教學目標（巫俊明, 1997； Solomon, Duveen & McCarthy, 1992; Abd-El-Khalick & Lederman, 2000）。科學史和科學的發展緊密連結（William, Susan, & Wilke, 2011），科學史不僅僅是歷史，其中包含了科學的知識與辯證過程。學生在學習的過程中，會產生迷思概念，而這些迷思常常與科學史的發展並存（Simona & Barbara, 2010）。透過科學史，不僅可以幫助學生及早發現迷思，並且提供當時代科學發展時的社會文化、政治、和歷史的背景，協助學生可以想像和模擬，進而引起學習的興趣（William, Susan, & Wilke, 2011）。而許多的抽象概念也融合在科學史當中，學生可以經由科學史，很容易地了解這些抽象的概念（Bülent, Bilal, Cemalettin, & Selahattin, 2011）；學生可以像科學家一樣地從事科學的發展過程（Simona & Barbara, 2010）；科學史正是扮演穿針引線的工作，協助學生了解科學本質，例如科學的變動性、科學與社會文化的相關性、科學是暫定性且可靠和可重複被驗證的、定理和定律是嚴謹證明等（William , Susan, & Wilke, 2011）；科學史在科學教育上，具有強化學生對於科學本質的認識（Lin , Cheng & Chang, 2011）。. 貳、科學史融入科學教學的方法許多研究發現融入科學史在科學教學中，對學生的科學本質觀、學習態度，以及學習成就都有正面的影響（Simona & Barbara, 2010; Lin, Cheng & Chang, 2011; Bülent et al., 2011）。科學史可作為進入核心的科學概念前探究科學現象的背景（Simona & Barbara, 2010），歷史事件圖（Historical Episode Map, HEM）可以完整呈現科學發展的來龍去脈（Lin , Cheng & Chang, 2011），科學史與生活經驗的結合使學生容易了解抽象的概念（Bülent et al., 2011）。教師有許多種融入 7.

(14) 科學史在科學教育上的方法，大致上可以分為「科學傳記或史料閱讀」、「角色扮演」、「實驗重現」、「議題討論和辯護」以及「多媒體課程」（李明昆、劉靜怡和洪振方，2011）。研究者從科學期刊尋找一些與科學史融入教學所使用的相關教學研究，列表如 2-1。. 表 2- 1 科學史融入教學相關研究教學活動型態文獻. 科學傳. 角色. 實驗. 議題討. 多媒體. 記或史. 扮演. 重現. 論和辯. 課程. 料閱讀. 護. . Lin & Chen（2002） Lin, Hung & Hung（2002）. . . . . . Mesmer（2003） Lin, Cheng & Chang（2011）. . 廖麗貞、林寶英和洪振方（2000）. . . . . . 林淑梤、劉盛忠、黃茂在、陳素芬和張文華（2008） . 張容君、張慧博和鄭子善（2010） . 李明昆、劉靜怡和洪振方(2011). . . . 這些以科學史融入教學的研究提供學生更為豐富的科學發展面貌，學生能學習更為完整的科學概念，並能有效的提昇科學本質和對科學的態度（Lin , Cheng & Chang, 2011）。而在教材設計的取向，因設計的教學方法不同而有相對應的方式，例如以「角色扮演」和「議題討論與辯護」的教學方式，其教材內容偏向強調科學發展歷程中具有辯論性的議題，因此多以歷史對話，互動式歷史小故事等方式呈現，如拉馬克和達爾文的演化理論辯論（廖麗貞、林寶英和洪振方，2000），以及拉瓦節與卜利士力爭辯是否存在燃素說（張容君、張慧博和鄭子善，2010）. 8.

(15) 皆屬此類。而若是「實驗重現」或「科學史料的閱讀」，則教材的內容多呈現科學家如何找到證據的過程，屬於歷史個案研究（Lin , Hung & Hung, 2002；李明昆、劉靜怡和洪振方，2011）。由此可見，教材的編寫應考量教師的教學設計，並考慮教師使用的彈性與方便性，以期能推廣科學史的教學。. 第二節科學史教材設計壹、科學史教材的設計原則科學史可以提昇科學本質，但如何編寫適當的科學史教材且能有效的傳達科學本質是值得討論的重點（Abd-El-Khalick & Lederman, 2000）。林淑梤等人（2008）依據 Monk 和 Osborne（1998）所提出的科學史融入教學的模式，統整出科學史教材的設計原則，如下： 1.. 提供科學理論建立前，應有現象和問題的存在。這些可以說明科學本質中的一致性，累積性，可複製性等概念。. 2.. 提供科學原理被提出來的過程和背景，過程可以說明科學本質中的可驗證性、可預測性、實證性，經驗性、理論蘊含的，以及方法的多元性、邏輯推理性等；背景則可以呈現科學家之間的互動，亦即科學社群的重要性和 STS 的交互影響等。. 許良榮（1998）依據文獻探討的結果，針對如何利用科學史的資源設計科學課文，建立六項科學史教材內容的設計原則如下： 1. 以符合科學發展的順序呈現科學理論。 2. 必須呈現科學理論之「背景知識」，是指描述在理論建立之前，與之不同的主張看法及其差異。 3. 必須呈現科學理論之「先前條件」，是指建立該理論前必須具備的知識或者理論。 9.

(16) 4. 必須描述科學家不同觀點的差異性或是衝突，使學生了解科學理論之間的互動關係，強化對於理論的連結。 5. 以知識發現的角度描述科學理論的建構過程，「知識發現的角度」是指科學家從觀察現象到對於證據的解釋和思考的過程，而非直接先把理論的結果呈現給學生。 6. 避免以現有的科學知識說明科學理論，例如十九世紀初「定比定律」剛建立時，科學家尚未完全建立元素的原子量，因此在解釋時應避免使用化學式，亦即不使用原子量的比值來解釋定比定律。上述文獻關於科學史教材設計的原則，著重在科學理論發展時背景的呈現，以及不同科學家根據其自身的先備知識和證據解釋某個現象的過程。而從融入科學史教學的研究中，觀察其所使用的科學史教材是否具備這些特性，亦可以發現這些設計原則的存在，如林陳涌、鄭榮輝和張永達（2009）「在豌豆尋找雙螺旋」的教材，先提出孟德爾發現遺傳物質與外表性徵的差異現象，但當時候的科學家卻仍然不明白這之間的過程是如何發生，直到 1920 年開始，科學社群先是證實了蛋白質與遺傳有關，因此有科學家認為蛋白質就是基因，經不斷地討論和辯論，提出證據，最後才被證明決定外表性徵的基因是 DNA。又如李明昆、劉靜怡和洪振方（2011）所發展的物理學教材，先是提出在十九世紀初時人們已經發現電和磁，但當時是個別的獨立現象，直到奧斯特在 1806 年因受到德國哲學家康德主張：「自然界中各種力是出自於同一源」的影響，開始研究電和磁的關係，並發現了電流磁效應，從此電和磁結合成「電磁學」。教師應如何使用科學史教材進行教學，才能有效利用科學史的功能？邱明富和高慧蓮（2006）提到，以科學史融入教學時，教師應該在關鍵處以 6W（What, Why, Where, Who, When, How）提醒學生，能加強學生對於科學史的了解。再對應科學史教材的設計原則，可以發現「What」為主要的中心思想，如理論的發現或者概念的發明; 「Where」是透過師生的討論和思考，指出科學家之間對於理論解釋的差異之處; 「Who」為歷史個案中的關鍵人物; 「When」為事件發 10.

(17) 生的時間; 「Why」可以描述科學家為什麼要從事研究的契機，影響科學家使用哪些研究方法的理由等;「How」為科學家如何找尋答案的過程，以及使用哪些科學的方法得到理論的結果。林淑梤等人（2011）認為，設計科學史教材時，應先選定教學的主題，並從科學和科技的百科全書、博物館展示品、書籍、影片、網路資源尋找相關的歷史故事，選擇合適的資料，設計成適合閱讀或觀賞的教材；張容君、張慧博和鄭子善（2010）認為，科學史教材可以用部落格或者影片的方式呈現。. 貳、不同科學史教材的設計方法許多學者利用不同的方法設計科學史的教材，為有效傳達科學本質，且符合教師教學需求，本研究選擇一些能呈現科學背景、科學概念與脈絡發展的教材設計方式，進一步探討其內涵。. 一、以傳記方式設計廖麗貞、林寶英和洪振方（2000）將教材分為兩個部份，第一部份以達爾文的生平及思想為主，乃採用科學家傳記及學說在其社會文化脈絡中發展的方式編寫，並配以每次授課約二十分鐘長度的錄影帶，其中一套是由英國 BBC 電視台所錄製的「達爾文的航行」（The Voyage of Charles Darwin），共七捲；另有一捲是自然界的偽裝術，皆由國立教育資料館翻譯配音。研究者從教材和錄影帶所提供的情境中，讓學生瞭解達爾文的求學生涯、小獵犬號所見到自然界的事實、個人的思考及他如何和同世代的人互動、建立科學通訊網絡及如何將理論呈現在世人面前的過程。第二部份的教材談論「物種的形成和生命的起源及其發展」，配合由 NHK 及 BDF 製作的錄影帶，論及生命的起源和演化，並談論生命的本質，進而讓學生重視並尊重生命，培養學生的思辨和價值反思能力。. 二、以概念圖方式設計 11.

(18) 林淑梤等人（2008）先繪製出每個單元的概念圖，並依此設計對應的科學概念和科學本質教學藍圖，如圖 2-1，在每個概念中尋找歷史素材，並規劃教材呈現的順序。. 圖 2- 1 簡單機械單元之概念圖（引自：林淑梤等人，2008）. 三、以歷史事件圖設計林陳涌等人（2009）選定高中遺傳學主題之後，訂立各主軸的發展脈絡和關聯性，發展成為遺傳學歷史事件圖（Historical Episode Map，HEM），並根據歷史事件圖中的概念關係，呈現科學發展的過程，每個歷史事件涵蓋數個科學家的故事，時間從 19 世紀末到 20 世紀初，共有 20 則歷史的故事，如圖 2-2。分子遺傳學歷史事件圖沿著基因和性狀兩個概念的轉換，左軸呈現的是自古典遺傳學的基因發展成 DNA 的歷史脈絡，右軸呈現的是自古典遺傳學外表性狀的意義發展成酵素或蛋白質的過程，彼此之間又有許多科學活動交互影響，終於成為現今的分子遺傳學。. 12.

(19) 圖 2- 2 分子遺傳學發展歷史事件圖（引自：林陳涌等人，2009）. 歷史事件圖能夠完整呈現概念之間的脈絡，能呈現科學家與社會之間的互動過程，能使學生瞭解科學知識的本質，也能透過科學活動使學生瞭解科學探究方法的本質觀，而其運用在教學實驗的結果，發現學生的科學本質有顯著的影響，對於學習態度也有正面的提昇。. 第三節科學史與電腦科學教學本節探討電腦科學的教學，再探討電腦科學史如何傳達科學本質，最後探討電腦科學史教材的內容應包含的概念，以此作為電腦科學史教材設計的基礎。. 壹、電腦科學史的教學價值電腦科學的蓬勃發展起始於近五、六十年左右，早期的電腦科學家出身於其他的科學領域，如數學、電子電機、或者語言學等，電腦科學是否屬於科學領域 13.

(20) 因此而眾說紛紜。直到 ACM 及 IEEE-CS 自 1967、1978、1999 及 2001 年提出的大學電腦課程建議書之後，電腦科學的定位才逐漸有了明確的範疇。Denning （1989）等提出「Computing as a Discipline」一文，指出電腦科學架構在科學（實驗、科學方法、模組的建立），數學（理論、證明）和工程（建制系統、機器）之上。Denning（2007）以生物基因編碼及量子電動學（quantum eletrodynamics）為例，說明電腦科學存在於自然界的現象中。電腦科學領域雖然年輕，但仍屬於科學的一部分，其科學本質應與其他科學領域相同。就學習工具而言，由電腦科學史可以鑑往知來，避免前人所發生的錯誤以及預測未來電腦的發展趨勢。如 Apple Macintosh 的記憶體問題，如果能從以往的經驗知道 IBM 在設計記憶體時出現的錯誤，則 Apple Macintosh 不會發生同樣的錯誤（Lee, 1996）。就學習內容而言，由歷史可以知道電腦科學本質的意含，如 IFIP 提出的電腦科學史課程，著重在電腦科學的演進過程，提供相關的人事物以及發展背景，學生可以瞭解電腦科學的發展是由許多思維和觀念綜合而成的結果，並非由單一科學家獨自構成現在的模樣（IFIP TC3 and TC9 Joint Task Group, 1999）；就學習內容而言，應以此為內容的基準，使學生對真實的世界有更宏觀的概念以及有洞察力的觀點（Rupf, 2004）。 Rupf（2004）認為，電腦科學史有諸多優點，加入「人」的觀點，可以讓科學變得更加有趣；藉由前人的貢獻，讓學生瞭解概念之間的轉折和突破，幫助學生瞭解電腦概念的因果關係等。Lee（1997）也認為，透過電腦科學史，將可使學生以更為客觀的態度探究科學的進展，並預測科學對人類的生活影響。因此，電腦科學史能夠傳達科學本質，能使學生體會科技、社會和人文之間的交互關係，能使學生明白科學方法的多元性，進而建構出電腦概念的脈絡關係，有效達到電腦科學的學習。. 貳、高中電腦科學史教學重點電腦科學史的教材內容應包含的概念和主題，學者認為可以從電腦科學發展 14.

(21) 的里程碑選擇，如 Lee（1996）認為電腦硬體、程式語言、人工智慧等主題；Zhang 和 Howlan（2005）認為電腦硬體、電腦軟體、資訊理論和其他應用核心等主題； Cortina 和 Mckenna（2006）認為電腦硬體、電腦軟體、計算理論及倫理相關議題等主題。電腦科學史在我國高中電腦課程「資訊科技概論」（教育部，2008）中也獲得重視，其教材綱要中列出「資訊科學本質和內涵」、「電腦發展」、「資訊科學發展的重要里程碑」、「網路發展」等與電腦科學史息息相關的議題，並在教學重點中建議教師應介紹電腦的發展史，說明資訊發展與社會、經濟等各方面的關係等，其列出 19 個資訊發展的里程碑（表 2-2），作為教材內容的建議，並且提醒教材的內容應具有前瞻性及趣味性，方能達到引起學生學習動機的功能。陳怡芬（2013）調查高中資訊教師對電腦科學史教材內容的建議，發現多數的教師認為網路應用服務、網路技術的發展非常重要，而影響近代電腦與網路發展深遠的人物也較能吸引學生的興趣，而以課程綱要列出的 19 個資訊發展的里程碑調查高中教師看法的結果，有高達九成以上的教師認為「電腦網路」是高中生應該知道的科學發展里程碑。從上述的文獻，顯示電腦網路主題以及相關的概念是電腦科學史教材中需著重的教學重點。. 15.

(22) 表 2- 2 資訊科學發展重要里程碑重要里程碑 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.. 內儲程式概念（stored-program concept）平行處理（parallel processing）電腦網路（computer networks）可計算性（computability）計算複雜度（computational complexity）資訊安全（information security）電晶體與積體電路（transistors and integrated circuits）. 8. 數位訊號處理（digital signal processing） 9. 電腦模擬（computer simulation） 10. 數值計算（numerical computation） 11. 自動控制（automatic control） 12. 資料庫（database） 13. 巨量資料計算（massive data computation） 14. 人工智慧（artificial intelligence） 15. 電腦輔助設計與製造（CAD and CAM） 16. 地理資訊系統（GIS） 17. 資料探勘（data mining） 18. 數位典藏（digital archives） 19. 生物資訊（bioinformatics）資料來源：教育部（2008）。普通高級中學「資訊科技概論」課程綱要。. 16.

(23) 第三章研究方法本研究首先發展高中電腦科學史教材，接著以準實驗研究法評估教材成效。本章詳述研究設計、實施程序、研究工具以及資料蒐集與分析方法，至於電腦科學史的教材設計，則獨立於第四章詳述。. 第一節研究設計本研究以南部某公立高中，修習資訊科技概論的高二學生，隨機挑選兩個班級進行教學實驗。因班級之間為 S 型常態編班，故採取準實驗設計的方式，實驗共分成兩組，一班為實驗組，另一班為控制組。實驗組的人數為 32 人，控制組的人數為 32 人，共 64 位學生。兩組使用的教材涵蓋相同的電腦網路概念，差異之處僅在於實驗組所使用的是電腦科學史教材，控制組則使用傳統教科書。教學實驗之授課由在該公立高中擔任實習教師的研究者本人進行，實驗的時間為四週，實驗完後的次週，兩組分別填答成就測驗和科學本質問卷，以 t 檢定考驗兩組在學習成果上的差異，如表 3-1 所示。電腦科學史教材由研究者依 HEM 圖的設計方式，初步設計後，於台北某公立高中兩個班級預試，根據授課教師以及學生的回饋，修改教材，再經電腦領域專家、高中教師以及研究者討論修訂後，成為本次實驗所使用的電腦科學史教材。. 表 3- 1 研究設計教學處理. 評量方式. 以 HEM 圖發展的電腦科學史科學本質量表教材進行教學電腦網路成就測驗課堂問卷. 17. 統計方式 t 檢定.

(24) 第二節實施程序兩組在進行實驗之前，授課教師（即研究者）先在此兩組進行四週的課程教學，使學生能熟悉教師的教學方式。實驗為真正進行為第五週到第八週，第九週時以問卷和成就測驗評量兩組學生的學習成果，如圖 3-1。. 師生熟悉（四週）. 實驗開始實驗組. 控制組. 使用傳統教科書（第五週到第八週）. 使用電腦科學史教材（第五週到第八週）. 問卷和成就測驗（第九週）. 資料蒐集分析圖 3- 1 教學實驗實施程序每週的上課時間皆為一節 45 分鐘，課堂由教師講述的時間約 25 分鐘，由同學討論和操作的時間約為 15 分鐘，最後 5 分鐘則由教師帶領檢討課堂的小練習，兩組的課堂練習活動皆相同，成就測驗的題目也從這些課堂練習活動中選取，因此，在教材所需傳達的概念兩組應無差異。第九週先利用 15 分鐘讓兩組學生填答問卷，最後的 30 分鐘則讓兩組學生進行成就測驗的評量。 18.

(25) 第三節研究工具本節說明評估學生學習成效的工具，包括科學本質量表、態度問卷及成就測驗；設計電腦科學史教材影片的工具，包括 CrazyTalk、PowerDirector 等。. 壹、科學本質量表近期內評量學生科學本質的量表多採用林陳涌（1996）以高中學生為對象所發展的「了解科學本質量表」，故研究者依據「了解科學本質量表」，從中挑出與科學事業本質相關的題目，如「自然科學的研究不會對人文社會有影響」、「很多社會的改變是由於科學發展的結果」等，共 24 題，依此量表評量學生的科學事業的本質（參見附錄 A、B 的第一部份）。至於科學本質中的科學知識的本質與科學方法的本質的題目，則參考「了解科學本質量表」，以及邱明富和高慧蓮（2004）對科學本質的闡述，經本所兩位碩士研究生以及一位博士研究生修訂，評量科學知識的本質共三題，評量科學方法的本質一題，並增加一題科學事業的本質於問卷中。如表 3-2。（參見附錄 A、 B 的第二部份）. 表 3- 2 自編科學本質題目層面. 科學知識的本質. 項目. 題目. 題號. 累積性. 我覺得電腦科學的發展有跡可循。. 第8 題. 暫時性. 我相信電腦科學知識永遠是正確的，他是永遠. 第9 題. 不會改變的。公開性. 我覺得電腦科學知識是由許多電腦科學家協力發展出來的。. 第 10 題. 科學探究的本質. 科學方法的多元化. 我覺得電腦科學家對解決同一個問題可能會有不同的方法。. 第 11 題. 科學事業的本質. STS 交互影響. 電腦科學知識的發展會受到科學以外的因素影響，例如文化和社會。. 第 12 題. 19.

(26) 貳、自編問卷自編問卷主要在了解學生的學習態度、概念脈絡、對人類與社會和科技交互作用之看法，至於實驗組因使用電腦科學史教材教學，故增加一題對電腦科學史教材的看法。 1.. 學習的態度：題目的設計參考王正如（2010）及彭孟凱（2013），因此二人之研究亦為評估學生對於教材之興趣，問卷題目的內容涵蓋兩個項目：(1)對電腦網路的興趣、學習的成就感、教材是否能夠引起學習動機以及是否願意繼續學習電腦網路的知識。(2)對電腦網路發展史是否願意了解以及認識更多電腦科學人物，兩組的題目相同。（參見附錄 A、 B 的第二部份第 1-7 題）. 2.. 概念脈絡的理解：題目原先設計為讓學生選擇兩個主要的概念，並描述概念之間如何串連，然而，在預試時發現學生較無法理解題目的意思。本次實驗時修正為兩題，第一題為請學生描述單一概念，第二題則敘述此概念可能解決哪些問題。本題經電腦領域專家和研究者的修正之後施測兩組學生，並以質性方式觀察學生的回答，探討兩組學生在概念脈絡的理解上是否有差異。（參見附錄 A、B 的第三部份第 1、2 題）. 3.. 對人類與社會和科技的交互作用之看法：研究者設計兩題問題請兩組學生回答，第一題為是非題，詢問學生對於人類在社會的活動是否會和科技的發展相互影響；第二題為問答題，請學生回答第一題的原因。（參見附錄 A、B 的第三部份第 3、4 題）. 4.. 對電腦科學史教材的看法：本題為探究本研究設計的電腦科學史教材的內容是否適合高中生學習，故以教材中提到的歷史事件，讓實驗組的學生勾選哪些歷史事件所蘊含的電腦網路概念是重要的，藉以反思教材內容的取材是否合適。（參見附錄 A 的第五部份第 1 題）. 5.. 對於課程和教材的建議：本題為兩組學生依據課程內容和教材內容自由回答。（參見附錄 A、B 的第四部份第 1 題） 20.

(27) 參、成就測驗成就測驗的題目取材自每個單元後的隨堂練習（參見附錄 C），共有五題，包括分封交換與線路交換的比較、FTP 通訊協定的意義、FTP 通訊協定如何運作、 TCP 的原理以及 IP 的概念、HTML 的語法與 HTTP 通訊協定。其中，第一題以分封交換和線路交換的分析比較作為設計，以觀察學生在資料交換方式的概念脈絡是否有所差異。題目的設計經電腦領域專家和研究者討論之後，以了解學生深度思考能力為設計原則。. 肆、設計電腦科學史教材影片工具為提昇學生的學習興趣，以影片的方式呈現科學史內容是可行的方法（廖麗貞、林寶英和洪振方，2000；張容君、張慧博和鄭子善，2010），而陳怡芬（2013）以問卷調查的方式調查全國資訊科技概論教師，教師普遍認為建立中文影音資料庫能夠提供教師較佳的教學資源，也能吸引學生的學習興趣。因此，研究者在蒐集歷史個案之後，先就歷史事件的關係編寫腳本，並以讓歷史人物圖片能動起來，親口敘述自身的事件以及相關的科學概念為設計原則，製作無線網路部份的影音教材，其效果如圖 3-2。. 圖 3- 2 ALOHANet 的發起人 Norman Abramson. 21.

(28) 本研究使用兩種工具製作電腦科學史的影音教材，分述如下：一、CrazyTalk 教科書上常見歷史人物的圖片，但是這一些圖片對學生能夠引起的興趣不多 (陳秋燕, 2009)。歷史事件若能由歷史人物為中心講述其自身的故事，就能夠符合科學史教學中強調的角色扮演，讓學生能夠沉浸於科學史的學習環境。 CrazyTalk 是甲尚科技研發的軟體，其辨識技術，可將臉部照片製成動畫；輸入聲音資料時，自然語音能夠自動做聲紋分析，轉成嘴唇形狀資料，讓角色有說話的動作。CrazyTalk 目前的版本為 7.0，研究者使用的版本為 6.0 版，可以製作讓多重腳色互相對話的影片。二、PowerDirector 以歷史圖片陳述歷史事件時，搭配字幕與聲音的旁白，能夠組織成影片。 PowerDirector 提供字幕與旁白的配置，以及剪輯工具和多種影片特效，容易製作歷史影片。. 第四節資料蒐集與分析本研究蒐集科學本質量表、態度問卷以及成就測驗的成績，以獨立樣本 t 檢定的方式進行兩組的比較，採 α ＝.05 為顯著水準，並以概念脈絡的回答作為輔助分析結果的佐證。在科學本質量表方面，主要針對「科學事業的本質」、「科學知識的本質」、「科學探究的本質」進行統計學上的 t 檢定，並依照量表上所對應的項目分析比較，探究學生的對於科學本質是否有顯著的差異。在態度問卷方面，本研究採李克特式五點量表，填答的項目有非常同意、同意、普通、不同意、非常不同意，在分析排序時正向題目的非常同意給予 5 分，非常不同意給予 1 分；反向題目的非常不同意給予 5 分，非常同意給予 1 分，經 22.

(29) t 檢定後描述兩組學習的態度。實驗組所多出來有關電腦科學史教材的題目，經過加總並且排序，用來佐證電腦科學史的教材是否適合高中生學習。在成就測驗方面，依據參考解答給予評分，並蒐集控制組和實驗組的成績，進行統計學上的 t 檢定，探討電腦科學史教材對於學生的成就測驗是否有所影響。. 第五節預試本研究在正式實驗前，以編輯的教材設計成電腦科學史網站，並於台北某公立高中進行教學預試，教學實驗的方式採準實驗設計，參加的對象包含高中資訊科技概論教師 1 位，控制組和實驗組兩個班共 80 位學生，預試的進行時間為四週，實驗組的教學方式是以平板閱讀電腦科學史網站的資料，控制組的教學方式則採用傳統的教科書，兩組於第五週評測自編問卷，問卷內容包含科學本質和概念脈絡，資料分析的方式是以 t 檢定考驗兩組的差異性。預試的結果發現，初步設計的電腦科學史教材涵蓋八個單元，但其結構鬆散，只針對某一些概念的歷史故事加以闡述，並沒有呈現概念之間的關係性，故學生無法建立概念脈絡、科學本質也無顯著的差異，而在教師教學的過程中，亦發現學生在使用平板閱讀史料時較不易聚焦，影響上課的節奏。因此，未來在設計教材時，應呈現歷史脈絡，包含科學本質在教材之中，並以投影片的方式讓教師可以在課堂時講授使用。. 23.

(30) 第四章電腦科學史教材發展本章描述本研究電腦科學史教材的發展，共分為四節，分別是教材發展步驟，單元教材規劃，教材的科學本質內涵以及教材的教案設計。. 第一節教材發展步驟因本研究預試時發現，初步設計的教材較為零散而缺脈絡關係，正式實驗時乃參考林陳涌等人（2009）及 Lin 等人（2010）提出的教材設計步驟，包括：選定主題，尋找涵蓋科學概念的歷史事件，繪製歷史事件的 HEM 圖，再依據其脈絡發展科學史教材，以此方法設計能讓教師在關鍵處提醒學生脈絡關係，詳細之步驟如圖 4-1。繪製 HEM 圖時，若發現脈絡不清楚，就回到上一步重新蒐集相關史料；製作講義和投影片時，若發現無法精確的敘述概念，也必須重新回到上一步觀察 HEM 圖的繪製是否有誤，以下分別說明教材發展的各個步驟：. 圖 4- 1 教材發展步驟. 24.

(31) 壹、選定主題及概念本研究選定的科學史主題為電腦網路，因為它是高中「資訊科技概論」課程綱要（教育部，2008）中的教學重點主題。該主題列出的概念，包括：資料交換的方式、IP address、domain name、port、E-mail、FTP、WWW、搜尋引擎、實作網頁等。資料交換的方式包含分封交換（packet switching）以及線路交換（circuit switching）；E-mail、FTP 包含檔案如何交換的概念；IP address、domain name 以及 port 涵蓋在 TCP/IP 的運作機制內；WWW、搜尋引擎、網頁實作則涵蓋在網路的應用服務內。本研究教材之研發由科學史小組會議討論（成員包含本論文指導教授，高中資訊科技概論教師兩位，本所研究生四位），包括電腦網路應包含哪些重要主題及概念，蒐集的史料是否足夠等。電腦網路包含之單元主題及概念如表 4-1 所示。. 表 4- 1 電腦網路包含之單元主題和概念單元主題. 重要概念. 1. Connect（電腦之間如分享電腦資源、數據機、資料交換的方式、路由器、何連結在一起） Telnet 通訊協定 2. Communication（電腦 FTP 通訊協定、通訊埠、E-mail 如何幫助人們溝通） 3. Internet（現今的電腦無線網路、TCP/IP、全球資訊網(World Wide Web)、網路如何形成） HTTP 通訊協定、HTML 4. Social Networking（社部落格、即時通、wiki 線上百科、Facebook 等社群群網路）網站、Google、YouTube 影片分享網站. 貳、蒐集史料史料的蒐集主要來自國外網路上的電腦科學博物館（Computer History Museum）的資源，Ted（technology, entertainment, design）上有關網路發展的重. 25.

(32) 要人物及言論，並以 RFC（Request For Comments，IETF）上有關網際網路發展的相關資訊，不足之處再從電腦領域期刊如 IEEE 等尋找。內容包含事件的背景、概念的描述、人物及其構想的源頭等，每個歷史事件務求精確，確保資料來源的真實性。. 參、繪製 HEM 圖繪製 HEM 圖必須根據時間以及歷史事件之交互影響著手，並以概念脈絡之間的聯繫關係為依據，再以圖像化的方式呈現電腦網路概念的脈絡情況。本研究針對電腦網路單元，一共蒐集二十多則歷史事件，並以藍色「矩形」表示歷史的事件，藍色和橘色「箭頭」表示各個事件之間的脈絡，藍色「箭頭」表示的是在教材中提及的主要脈絡，橘色「箭頭」則表示雖有脈絡關係，但並非主要的影響，故在教材中未提及。歷史事件的旁邊附有一塊白色「矩形」，簡短的描述事件發生之背景以及事件發生之影響。此外，本 HEM 圖的右側附有時間軸，以對應各個事件發生的時間，如圖 4-2。. 圖 4- 2 HEM 圖的範例截圖. 26.

(33) 以下針對本 HEM 圖（參見附錄 D）的脈絡主軸所要呈現的內容作簡單的陳述。電腦網路的發展，始於 1940 年代開始，由於電腦的製作技術逐漸成熟，每台電腦都有專門的處理事項，但各電腦之間尚未能夠分享彼此的資源，因此， MIT 的心理學教授 Licklider 便提出將所有電腦連結在一起的構想。後來，因技術的成熟如分封交換、數據機和 Telnet 通訊協定的建立，才讓這個構想得以實現（參見附錄 F：單元主題一，紅色框線部份）。有了初步的電腦網路，人類便想要利用網路溝通和交流，因此有了 FTP 傳輸檔案以及建構在 FTP 技術上的電子郵件（參見附錄 F：單元主題二，綠色框線部份）。但由於全世界的網路在當時仍然是各自獨立，TCP/IP 通訊協定的建立打破了不同網路之間的隔閡，連結起全球的網路（參見附錄 F：單元主題三，黃色框線部份），而透過 WWW 全球資訊網，人類可以方便的在網路上交流和分享自己的生活，此時，社群網路便如開枝散葉般，迅速地影響人類的社會活動（參見附錄 F：單元主題四，藍色框線部份）。本 HEM 圖以四個單元主題完整呈現電腦的連結、電腦如何幫助人類溝通、全球網路形成以及網際網路的應用服務的發展，除了能夠呈現網路概念的脈絡之外，更能強調人類社會和科技之間的互動，進而影響學生的科學事業的本質。. 肆、製作講義及投影片以電腦網路的 HEM 圖做為發展教材之基礎，並依據資訊科技概論課程綱要（教育部，2008）以及電腦網路單元的概念，先著手設計講義的內文，編寫時力求清楚呈現各個概念之內涵，並以符合學生能夠理解的前提下，避免使用過多的專業名詞。部份概念除了以文字描述之外，研究者也自行繪製清晰的圖片，輔以講解概念之相關技術。接著，再依據講義的內容設計教師使用的投影片，以下分述講義以及投影片的製作：一、講義參考現行審定版的資訊科技概論教科書（全華、旗立、松崗，2013），以了 27.

(34) 解各版本教科書對於電腦網路概念描述的難度。也參考 Lin 等人（2010）發展的生物科學史講義之呈現方式，先描述當時的背景，再以概念作為描述的重點，概念之間則以歷史事件串連，呈現概念發展的過程以及結果，相關的歷史人物、圖片附加在文字敘述旁，閱讀時可供參考。本講義的結構可分成前言和待答問題、內文、學習活動、想一想、小試身手、教學資源和延伸學習以及參考資料。前言和待答問題為描述時代背景，電腦科學家所遇到的問題；內文的部份則講述概念的出現，以及如何解決電腦科學家所遇到的問題；學習活動則是根據各單元中提到的概念，重現當時的科技背景，讓學生像科學家一樣，親自動手操作相關概念所延伸的活動，並從中體會概念所帶來的影響，如以命令提示字元讓學生體會 Telnet、FTP 等的操作，再介紹現今如何使用 FTP 軟體達到檔案傳輸的目的；想一想的題目能讓學生反思單元中提到的概念與現今的哪些技術有關，如 FTP 與雲端硬碟同樣具有從遠端存取資源的想法，然而雲端硬碟卻比 FTP 多了同步的概念；小試身手則是依據課堂所提到的概念設計題目，讓學生可以思考和練習概念所延伸出來的相關技術；教學資源和延伸學習則提供教師作為課堂上的補充資源，因此在設計方向著重於對未來技術的展望，如 IPv6 的介紹或提供相關補充概念的影片和網路的資源等；參考資料則是設計單元時所取材的資料來源，如影片、文字和圖片等。二、投影片為吸引學生的興趣和專注力，研究者從電腦科學博物館、Ted 演說和 YouTube 尋找相關的媒體資源，不足之處則製作相關的影片（如無線網路的介紹），並剪輯成適合課堂使用之素材，呈現於投影片當中。此外，為強化學習的效果和避免概念的混淆，各張投影片的標題為單一概念之講述重點，以期能達到教學之成效。. 28.

(35) 第二節單元教材規劃本研究各單元教材之規劃包括學習目標及歷史脈絡兩個部份，教材分為四個單元，包含電腦最初如何連結、電腦如何幫助人類交流訊息、全球資訊網路如何形成、及現今的社群網路，各單元規劃分述如下：. 壹、電腦之間如何連結本單元要探討的主題是網路發展之初所遭遇的問題，學習目標有四，取自高中「資訊科技概論」課程綱要（教育部，2008）中的「網路運作原理」、「網際網路架構」，分別為認識資料的交換方式、認識數位訊號和類比訊號、了解路由器的功能以及認識 Telnet 通訊協定。學習目標與概念脈絡如表 4-2 所示，學習目標的串接是從 HEM 圖的歷史事件，Licklider 提出共享資源的想法，其所須克服的三個問題，分別是如何利用既有的電話線路傳遞訊號、如何解決遠距離傳輸的問題以及如何讓不同系統的電腦溝通。此三個問題分別由數據機的發明、分封交換的出現和 Telnet 通訊協定的建立解決。數據機的發明可導入數位訊號和類比訊號的介紹，分封交換與線路交換屬於資料交換的方式，並經路由器的作用來說明分封交換的運作機制，至於 Telnet 通訊協定的建立則導入通訊協定的概念。本單元採用的歷史事件共六則，列舉如表 4-3。. 表 4- 2「電腦連結」單元學習目標與概念脈絡學習目標 1.. 認識資料的交換方電腦連結的構想起因於分享電腦的資源，電話線路遍布式. 2.. 3.. 概念脈絡. 美國國內，透過數據機可以將轉換數位訊號和類比訊. 認識數位訊號和類號。電話線路原本是以線路交換的方式交換資料，只能比訊號. 一對一的傳送，若遭受攻擊資料就會損毀，分封交換則. 了解路由器的作用. 解決了這個問題，因其概念中是以儲存設備來中繼資料. 29.

(36) 4.. 認識 Telnet 通訊協定的傳輸，也解決了遠距離傳送的困難。電腦之間因系統結構不同，透過制定共同的通訊協定就能夠溝通。. 表 4- 3「電腦連結」單元的歷史事件時間. 人物組織. 事件摘要. 產出結果. 發生地點. 1949. MIT Lincoin Lab. 發明轉換數位、類比的裝置－數據機. 透過數據機，電話線路可傳送訊號. 美國. 1962. J.C.R Licklider. 提出分享電腦資源的概念. 美國政府成立 ARPANET 計畫. 美國. 1964. Paul Baran. 改善傳統線路交換的缺點，提出分封交換的概念. ARPANET 計畫的資料交換方式採用分封交換。. 美國. 1969. BBN 公司. 依據分封交換的概念，設計最早. Interface Message. 美國. 的路由器。. Processor. 1969. C. Stephen Carr. 因應不同系統電腦之間的溝通問題，設計一種共同認可的方式. Telnet 通訊協定的建立. 1969. Charley Kline 和. 從兩所學校的不同電腦傳送登入訊息. ARPANET 的誕生. Bill Duval. 美國. 美國. 貳、電腦如何幫助人類溝通本單元要探討的主題是電腦如何幫助人類溝通，舉凡如檔案交換、訊息交流等。學習目標有三，取自高中「資訊科技概論」課程綱要（教育部，2008）中的「網際網路服務」、「網際網路架構」，分別為認識 FTP、認識通訊埠以及了解電子郵件的運作。學習目標與概念脈絡如表 4-4 所示，學習目標的串接從 ARPANET 網路建立之後，人類透過網路交流資訊談起。檔案在 ARPANET 上透過 FTP 傳. 30.

(37) 輸，解決檔案的傳輸問題之後，E-mail 則是 Ray Tomlinson 參考 FTP 的檔案處理技術之後靈機一動的想法，不僅讓人類可以在網路上傳遞個人訊息，更是讓網路開始發光發熱的重要關鍵。本單元採用的歷史事件共三則，列舉如表 4-5。. 表 4- 4「電腦如何幫助人類溝通」單元學習目標與概念脈絡學習目標. 概念脈絡. 1.. 認識 FTP. FTP 通訊協定在 ARPANET 網路建立之後，成為檔案傳. 2.. 認識通訊埠. 輸的通訊協定，FTP 的概念也影響了電子郵件的發明。. 3.. 了解電子郵件的原電子郵件的發明是劃時代的象徵，代表人類能夠在網路理. 上自由的交流訊息，也加速網路發展。. 表 4- 5「電腦如何幫助人類溝通」單元的歷史事件時間 1971. 人物組織 A. Bhushan. 事件摘要. 產出結果. 發生地點. 為解決檔案在不. FTP 通訊協定. 美國. 同系統規格的電腦中傳輸，訂立 FTP 通訊協定。 1971. Richard W. Watson. 為實現在不同電腦間收發訊息的想法，定義了「Mail Box Protocol」. 影響 E-mail 的發展. 美國. 1971. Ray Tomlinson. 利用 FTP 通訊協定來傳遞. 第一封電子信件的誕生，加. 美國. SNDMSG 所寫成速網路的發展的文字檔案. 31.

(38) 參、現今的電腦網路如何形成本單元要探討的主題是現今的電腦網路如何形成，學習目標有五，取自高中「資訊科技概論」課程綱要（教育部，2008）中的「網際網路服務」、「網際網路架構」、「網路功能」以及「網站建置與維護」，分別為了解 TCP 的運作原理、認識 IP 的格式與意義、了解無線網路的由來、認識 WWW 以及製作 HTML 網頁。學習目標與概念脈絡如表 4-6 所示，學習目標的串接是從 HEM 圖取材，當 1969 年 ARPANET 建立之後，其他各國也紛紛建立起自己的獨立網路，除了有線網路的建構之外，無線網路在夏威夷大學也開始發展。如此多的獨立網路都各自有屬於自己的通訊協定，TCP/IP 的出現是為了解決不同網路通訊協定的問題。當 TCP/IP 建構完成之後，全球資訊網(WWW)的誕生讓全世界更加貼近。本單元採用的歷史事件如表 4-7 所示。. 表 4- 6「現今的電腦網路如何形成」單元學習目標與概念脈絡學習目標. 概念脈絡. 1.. 了解 TCP 的運作原理當時有許多獨立的網路，英國的 NPL 網路、法國的. 2.. 認識 IP 的格式與意義 CYCLADES 網路、無線網路 ALOHANET 等，彼此之. 3.. 了解無線網路的由來. 間因所採用的通訊協定不同，尚未能夠連結。TCP/IP. 4.. 認識 WWW. 是以分層式架構設計的通訊協定，能夠統一各種通訊. 5.. 製作 HTML 網頁. 協定。全球資訊網(WWW)的崛起帶動人類、社會與科技的交互影響，其所包含的 HTTP 通訊協定、HTML 語法亦為電腦網路重要的概念。. 32.

(39) 表 4- 7「現今的電腦網路如何形成」單元的歷史事件時間. 人物組織. 事件摘要. 產出結果. 發生地點. 1971. Norman Abramson. 以無線電波做為傳輸媒介，建構校園的無線網路. ALOHANet. 美國. 1973. Vinton Cerf 和. 為解決不同網路間通訊協定的差異，提供一個公用的網路協定，隱藏不同通訊協. TCP/IP. 美國. 提出全球資訊網. 提出了四個概. 美國. 的概念，整合不同使用者介面系統之間交換文字、影像和聲音的問題，讓資源的取得更加容. 念，包括 (1)Hypertext(超文字連結) (2)HTML(網頁標籤語言). Robert Kahn. 定之間的細節部份。 1990. Tim Berners-Lee. (3)HTTP(4)URL. 易。. 肆、社群媒體與社群網路本單元要探討的主題是社群媒體與社群網路，學習目標有三，取自高中「資訊科技概論」課程綱要（教育部，2008）中的「網際網路服務」、「資訊科技與生活的關係」以及「資訊科技的優點與限制」，分別為認識常用的網路服務、了解資訊科技與生活的關係以及了解資訊科技的優點和限制。學習目標與概念脈絡如表 4-8 所示，學習目標的串接是從 HEM 圖取材。當全球資訊網（WWW）建立了以後，越來越多網路應用服務如雨後春筍般發展，社群網路服務如部落格、 Facebook、Twitter、Google+等；即時通訊服務如即時通、Line、AOL Instant Messenger 等；資源的搜尋服務如 Google、Yahoo、百度等；線上百科全書如 Wiki 等；分享照片、影片的應用服務如 Flickr、YouTube 等；雲端硬碟如 Dropbox、 Google Drive、SkyDrive 等。這些網路的應用服務與人類社會的活動息息相關， 33.

(40) 也是呈現科學本質中科學、社會與人類交互作用的良好題材。本單元採用的歷史事件如表 4-9 所示。. 表 4- 8「社群媒體與社群網路」單元學習目標與概念脈絡學習目標. 概念脈絡. 1.. 認識常用的網路服務. 2.. 了解資訊科技與生活多活動，如人際關係的拓展、資源的蒐集、生活的分的關係。. 3.. 瀏覽器就像是世界之窗，人類透過瀏覽器可以進行許. 享以及通訊的需求，但隨著人類習慣的改變，有些應. 了解資訊科技的優點用服務漸漸的退出市場，如部落格，取而代之的是微和限制. 網誌；MSN 即時通訊的沒落，取而代之的是 Line 和 Whatsapp。也有些新興的應用誕生，如網格計算、雲端硬碟等。. 34.

(41) 表 4- 9「社群媒體與社群網路」單元的歷史事件時間. 人物組織. 事件摘要. 產出結果. 發生地點. 1988. Jarkko Oikarinen. 取代傳統的 Internet Relay BBS，營造適合交 Chat (IRC) 談的圖形化介面. 芬蘭. 1997. Jorn Barger. 將傳統用來紀錄電腦事件的”Web log”改為紀錄個人生活的”We. 開啟網路書寫風潮. 美國. 無名小站. 台灣. MSN Messenger Service. 美國. 以資料探勘作為基礎，編寫出卓越的搜尋引擎. Google 搜尋引擎. 美國. 他們開創讓所有人都能共同編輯的百科全書，並由志願者維護網站的運行和資料的正確性。. Wikipedia. 美國. blog” 1999. 交通大學資工系學生. 成立台灣第一個網誌服務，帶動網路文學和部落客的旋風. 1999. 微軟. 推出即時通訊服務，與當時另一個即時通訊服務 AOL 即時通訊相互競爭，後來併入 Skype. 1996. Larry Page 和 Sergey Brin. 2001. Jimmy Donal 和 Larry Sanger. 2004. Mark Zuckerberg. 開拓人際關係的應用服務. Facebook. 美國. 2005. 陳士駿、Chad. 分享生活的影片。. YouTube. 美國. Hurley. 35.

(42) 第三節教材的科學本質內涵科學本質三個向度包括科學知識、科學方法和科學事業，本節依此三向度說明教材中所呈現的科學本質內涵。. 壹、科學知識本質科學知識的本質依據蘇明州和高慧蓮（2006）的分析，可以分成累積性、暫時性、可重複性、創造性、公開性及可預測性。本研究發展的教材所涵蓋的科學知識本質，列舉數個例子如表 4-10 所示。. 表 4- 10 科學知識本質教材示例科學知識本質. 教材舉例. 累積性. Licklider 遇到三個問題，電話線路在那時已非常普及，可否使用它們作為電腦之間的傳輸媒介？…第一個問題在 1949 年時就已經有人提出構想了。MIT Lincoln Lab 發明了將類比的訊號轉換為數位訊號的工具…. 暫時性. 因最初是以電話專線建立連結，任何資料在傳送前都必須先建立專線，這種方式稱為線路交換(Circuit Switching) ，Paul Baran 設計一個永遠不會被摧毀的通訊系統，將欲傳送的資料分割成許多片段，資料片段在抵達目的地時再重新組合起來…. 創造性. 正當 FTP 逐漸成型之際，一位參與 FTP 計畫的工程師湯林森(Ray Tomlinson)開始萌發一個讓訊息可以透過 ARPANET 在不同電腦間傳送，以達到訊息個人化的念頭…. 公開性. Tim Berners-Lee 除了提出全球資訊網的概念，並以 HTML 語法寫出第一個瀏覽器，自此，人類透過瀏覽器就能夠瞭解全世界的脈動，也可以分享全球的資源，與網際網路相關服務也如雨後春筍般紛紛崛起，人類的生活也因此而更加的便利。. 可預測性. 1967 年哈佛大學的心理學教授斯坦利·米爾格拉姆根據「六度分隔理論」做過一次連鎖信實驗，嘗試證明平均只需要 5 個中間人就可以聯繫任何兩個互不相識的美國人。. 36.

(43) 貳、科學方法本質科學方法的本質依據蘇明州和高慧蓮（2006）的分析，可以分成科學方法的多元化、經驗性、質疑性等。本研究發展的教材所涵蓋的科學方法本質，列舉數個範例如表 4-11 所示。. 表 4- 11 科學方法本質教材示例科學方法本質. 教材舉例. 科學方法的多元性. Paul Baran 所提出的構想，我們稱之為「分封交換」，而在此之前的需建立專線的資料傳輸方式，我們稱為「線路交換」。. 經驗性. FTP 通訊協定可以處理和操作檔案在不同電腦間傳遞的問題。於是，在 1971 年時，湯林森(Ray Tomlinson)參考「Mailbox Protocol」的協定，並以 SNDMSG 為雛型，利用 FTP 來傳遞 SNDMSG 所寫成的文字檔案…. 質疑性. 1973 年，Vinton Cerf 和 Robert Kahn 為解決不同網路間通訊協定的差異，他們提供一個公用的網路協定，隱藏不同通訊協定之間的細節部份…. 參、科學事業本質科學事業的本質依據蘇明州和高慧蓮（2006）的分析，可以分成科學社群的重要性、科學科技和社會等。本教材在設計時，特別著重電腦網路的發展是來自於人類的需求，亦即人類社會的活動帶起科技的發展，而科技的發展也逐漸的改變人類的生活型態。本研究發展的教材所涵蓋的科學事業本質，列舉數個範例如表 4-12 所示。. 37.

(44) 表 4- 12 科學事業本質教材示例科學事業本質. 教材舉例. 科學社群的重要性. ARPANET 在 1983 年改採用 TCP/IP 通訊協定，世界各國如 NPL 網路、CYCLDES 網路、其他各國的網路隨後加入，自此，各個獨立的網路連結在一起，也就成為今日所見的「Internet」了。蒂姆·伯納斯-李是全球資訊網協會（W3C）的領導人，這個組織的作用是使電腦能夠在全球資訊網上讓不同形式的訊息更有效的儲存和通訊…. 科學、科技和社會全球的網路透過 TCP/IP 通訊協定連結起來以後，同時，世的交互作用界各國為提供人類更方便的操作介面，開始打造不同的使用者介面系統，如法國的 MINITEL 系統、美國的 Compuserve 系統等，然而，這些系統彼此各自獨立而且封閉，人類無法容易地與使用其他系統的人共享資源… YouTube 創辦的原意是方便朋友間分享錄影片段，後來逐漸成為網友作品發佈場所。微網誌的興起，改變人們網路書寫的習慣…. 第四節教案設計本研究發展之教材包括文本講義和投影片。文本講義包含前言、待答問題、學習活動、想一想、小試身手、教學資源、延伸學習以及參考資料；投影片則依據文本講義改編而成，包括前言、待答問題、學習活動、想一想、小試身手及參考解答。本教材設計的投影片是以電腦網路發展史作為連貫概念脈絡所設計，因融入較多的歷史部份，為提供教師在時間內能講授教材的內容，本研究提供「電腦如何幫助人類溝通」單元教案如表 4-13 所示（其他單元的教案參見附錄 E），主要內容包括教學領域、教學單元、實施理念、教學資源、學習方式以及教學活動，以提供教師作為教學時的參考。. 38.

(45) 表 4- 13「電腦如何幫助人類溝通」單元教學領域高中資訊科技概論. 教學單元電腦如何幫助人類溝通. 教學對象高二忠. 教材來源自編電腦科學史教材. 教學時間 50 分鐘. 預定 102 年 12 月 24 日演示時間. 實施理念. 以電腦科學史為脈絡融入電腦網路概念之教學，並使學生能體會人類活動、科技之間的交互作用。. 教學資源投影片、電腦學習方式課堂講述法、問答法、分組討論教. 學. 活. 動時. 1. 講述「前言」並帶入時代的知識背景，並以「待兩分鐘答問題」引起學生的學習動機。 2. 講解 FTP 的設計理念以及相關技術。. 十分鐘. 3. 以「學習活動」讓學生利用命令提示字元傳輸八分鐘檔案以及觀察通訊埠。 4. 講述 Ray Tomlinson 從 FTP 技術獲得的想法，五分鐘以及如何完成第一封電子信件的傳遞。 5. 以問答法的方式，請學生列出電子郵件的用. 兩分鐘. 途。 6. 講解現今的 E-mail 技術，並讓學生利用 G-mail 五分鐘寄信給老師。 7. 以「想一想」的問題，請學生分組討論「到遠八分鐘端電腦下載和上傳檔案，這個想法與現在流行的哪種想法很相近呢？」和「舉出幾個與人類溝通有關的應用發展」。. 8. 以「小試身手」的題目，讓學生觀察通訊埠、十分鐘解讀 FTP 訊息和填寫正確的電子郵件格式，作為課程的總回顧。. 39. 間教學資源電腦投影片.