利用機械人教導國小學童創意的發展與表現

利用機械人教導國小學童創意的發展與表現

施能木

國立台東大學美勞教育學系講師

壹、緒論

從建構理論的學習觀點而言，有意義的學習是包括操作具體的物品，同時藉 由個人的理解而產生新的概念（Piaget, 1964/1972；Papert, 1990/1993a）。同樣的， 有意義的學習是藉由先前知識體、新概念間認知結構的互動而形成的（All, Huycke, & Fisher, 2003）。在學習活動中操作具體的物品，其目的在於可表現出學習者在 問題的創意，以及建構他們對真實社會的洞察力。因此，學習者能夠讓問題更加 具體化，以及建構出他們自身對於問題的理解。一個良好的學習環境將提供有趣 的、具挑戰性的學習活動，以鼓勵學習者進行創意的探索、改善解決問題的技能， 以及引導他們發展不同的問題解決方案及歷程。 再者，教學者可選取一套良好的學習輔具，並且嚐試去協助學習者實現做中 學的各種練習活動，但是教學者必須完成的最重要工作即是：教學者如何將學習 理論的建構觀點與他所選的學習工具，實際對應到教學活動設計的內容。而 LEGO Mindstorms RIS 2.0 是套具備動力、可程式的機械人組件，它總共有 718 片的零組 件，其中包括兩個馬達、多個感測器（兩個觸控感應器、一個光感感應器）及連 接線、積木及齒輪，以及一個類似小型電腦的控制器稱作 RCX（Robotic Command Explorer）。田耐青（民 88）認為：LEGO Mindstorms 可讓學習者在課堂上中使用 到高層次認知技巧，例如：設計程式、創造模型、分析錯誤之所在、思考如何改、 評鑑自己與他人的成品、二度及三度空間的轉換（看圖示組合模型）等。換句話 說，學習者可藉由具體操作 LEGO Mindstorms 的積木組合建立模型，然後透過程 式設計賦與模型動作，經過不繼的修正與改進以尋求最佳方案，進而學習創造、 問題解決的能力。 在前述的討論內容中，可知在學習活動中操作具體物品，可反應出學習者對 問題的創意以及他對真實社會的洞察力，也就是學習者將可組織出對問題的知 識，並且在問題解決的過程中提出新的概念。再者，根據 Ayersman（1995）的說 法：在記憶中的結構化陳述性知識可促進個人重新思考、組織、及找出在創意、

創造性思考兩者間關係的表示式，這便稱為「後設認知（Metacognition）」。同時， Ayersman 認為學習者個人對於不同概念、創意間關係的認知理解，通常是促使在 問題解決學習歷程中持續精進的重要因素。利用圖形的表示方式來呈現概念間的 知識結構與關係，即是所謂的「概念圖（concept map）」（Jonassen，1993）。換言 之，概念圖是教學者、學習者用來檢視特定問題的圖像式工具，及組織出自己對 問題相關的先備知識與概念。因此，概念圖的使用有助於教學者、學習者兩方以 有意義的方式將資訊放在一起，並且獲得學習、指導過程中重要的洞察力（All, Huycke, & Fisher，2003）。

因此，筆者選用 LEGO 建構組件中的 Mindstorms RIS 2.0（天才小發明家 2.0） 套件為教學媒體與教材，同時以台東縣東海國小五、六年級二十七名學童為教學 對象，以三人為一組而分成九個組，並且以自行設計的教學活動，進行為期 20 週且每次授課時間為三小時的教學。 貳、理論基礎 LEGO Mindstorms 是經歷十五年的研發時間，而在 1998 年開始量產發售，它 是著名的丹麥樂高集團（玩具製造商）與美國麻省理工學院媒體實驗室（以學習 及認識論著稱的研究機構）合作的計畫成果。同時，Seymour Papert 是整個認識 論與學習研究群的領導者，有關 LEGO Mindstorms 的學習理論基礎主要根源於他 所提出的建造論（Construcionism）。我們將進一步說明建構論的理論基礎與實施： 一、建造論的意涵

建造論（Constructionism）是由 Papert 所提出的學習理論，它是 Papert 延續 修正皮亞傑的建構主義（constructivism）而提出的，此理論特別強調學習者必 須有意識的從事某項公開事務的建造。因此，建造論特別強調：1.學習是主動 的歷程，知識不是自然獲得的而是製造出來的，也就是學習者從經驗中主動建 構知識；2.當學習者熱衷於對個人具有意義的事物時，他對新知識的建構是特 別具有效率。其中，第一項觀點是建立於皮亞傑的建構理論之上，而 Paptert 加以擴充而成為建造論（Resnick，1996）。 建造論的基本理念是「從做中學」，強調學習者要從事創作外在的或可 與他人共享的作品。學習者所從事的活動並非都可算是學習的活動，最重要的 是此項活動必須具備豐富的學習內容（learning-richness）的本質。學習者在從

事建構活動之時，可以隨時參照其成果的進展而獲得靈感與引導，並可以更具 體地去操作此項實物。透過這項逐漸成形的作品，創作者可以指著某實質的一 部份回溯其過去的思考，並規劃出未來的活動。此外，在設計的過程中，學習 者除了規劃之外，更可藉實際動手做去測試其設計過程中的創意。在學習者的 作品發展過程中，他會不斷的修改，甚至推翻原有的想法，而非只是執行公式 化的程序（Roth，1998）。 再者，由於電腦科技高度的發展，Papert（1988）所提的建造論除強調「從 做中學」的觀念外，並且認為「形式運思」的思考風格不一定優於「具體運思」 的思考風格，因而提出認識多元論的主張，強調在具體的操作過程中，也可以 有相同的學習成效（吳志緯，民 91）。因此，Papert 所提出的建造論是建立於 兩個不同的建構（construction）觀念：一是學習是主動的建構新知識，而不是 被動的接受；二是透過對事物的操弄，並且進一步的呈現、發展，或與人分享 而達到個人有意義化的建構學習（Papert & Harel，1991）。McGrath（2000）認 為：Constructionism（Papert）＝Constructivism（Piaget）＋Construction（Lego Logo），也就是 Papert 的建造論是涵蓋皮亞傑的建構理論，再加上能夠讓學習 者主動操作的實物（如 Logo 程式，或 LEGO 積木）。 Papert 和 Harel（1991）指出建構論與建造論的差異在於：建構論認為知 識是由學習者建構，而非教師所提供；建造構認為精進的創意通常會發生在學 生者投入某些事物的建造、或與他人分享經驗時。建造論也支持建構論的觀 點：學習者是一個主動的知識建構者，然而也強調在外在作品的建造，因可讓 學習者彼此分享創意。雖然沒有外在作品的創作，學習者仍然可以建構且表達 知識，但有更多的證據顯示藉由外在作品的創作，學習者可以有更互動，以及 分享他們所瞭解的事物及想法。 二、建造論的落實 建造論（Constructionism）在教育上兼具有學習理論與學習策略的特性， 它建立於皮亞傑的建構論（Constructivist）。建造論認為知識不是簡單地由教師 傳達給學生們，而是學習者主動的心智建構，學習者不僅是獲取創意（ideas） 而且是開創出自己的創意（Papert，1993b）。因此，建造論主張：應該讓學習 者主動地參與一些外在作品的創作，同時讓他們有機會表達自己的看法，及與 他人分享想法，如此新的創意極有可能會被創造出來。

因此，在以建造論為基礎的學習環境中，教師所扮演的角色是協助者的身 分，來指引學習者依其學習途徑進行學習活動；而學習者必須完成指定的作業 以達教學目標，如此他們可以探究、產生、解決問題。所以，基於建造論所建 置的學習環境必須包含下列要素（Han & Bhattacharya，2001）：

1.陳述具有發展可能的題目（rubrics）。 2.解說作業的對談過程。 3.探究在完成作業過程中所用到的多樣化策略。 4.學習者彼此間的詢問、學習討論。 5.完成作品的展現。 6.讓創意得以修正與發展的專案（project）。 7.學習者間的合作（collaboration）。 8.學習者能與外面世界的技術專家一起做事。 9.學習者能從事真實世界的工作。 換言之，以建造論為主的學習環境，一開始就設定課程 單元目標與期望 是重要的，如此學習者會清楚瞭解他們試著要獲得的內容及表現的程度。而多 樣的策略就是允許學習者利用不同的方法，以解決他們所遭遇的問題；藉由展 現作品及學習的討論結果，學習者可獲得回饋而來修正他們的計畫或作品；與 真實世界有關的應用，可讓學習者真學到在有意義情境（meaningful context） 中所發生事物的處理程序。 在 教 室 的 教 學 情 境 中 ， 建 造 論 能 被 落 實 在 兩 種 教 學 模 式 （ Han & Bhattacharya，2001）：一、設計式學習模式（Learning by Design，簡稱 LBD）； 二、專案式學習模式（Project-Based Learning，簡稱 PBL）。因為同樣受到建造 論的理論與策略的導引，因此它們有著許多共同的特性，即兩種教學模式皆是 以學生為中心的學習環境，學習者被賦予更多的學習責任，同時學習者有更多 機會參與對他們有意義的真實世界中的工作。然而，此兩者不同之處在於參與 者被期望完成作業的類型。在 LBD 中，參與者被期待完成一個事先有選定觀 眾的作業，而這觀眾可能是同儕、老師、或家長，所以作品可能是一個人可完 成的創作，或者是必須小組共同合作的作品；而在 PBL 中，作業是一個需要 長期完成的專案，或者必須與其他人共同合作的作品，但它是不需要設計出一 個有預設觀眾的學習環境。

參、教學活動的內容與實施 一、教學活動的內容

根據 LEGO Mindstorms RIS 2.0 零組件的特性，再配合 PBL 教學模式來設 計一系列的專題主題，並且發展成教學單元活動以讓國小學童可藉由小組討 論、製作的方式，完成可解決教師指定問題的機械人專題。有關教學單元活動 內容如表一所示： 表一、教學單元活動內容 單元名稱 單元目的 1.伊甸園 1.了解機器人積木之基本構造，及各元件之基本功能。 2.能以現有之積木創造自行構想之機器人模型。 2.連接我的智慧 --創造另一個我 1.依據前一單元所學之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、直覺式之基礎機器 人程式設計。教師給定某固定長度之直線距離，學生能 製作可進行簡單之定長直線運動之機器人以解決教師 所提出之問題。 3.機器人競速 1.教師給定一固定距離之直線，學生能依前一單元所學之 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，進行機器人改量。 2.舉辦機器人競速比賽，學生以文字及圖片介紹其小組所 設計之機器人，並從各組所設計之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.學習各動力機械積木之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之運作模式及其控制 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

計之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，學生所設計之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，依次加深環境之複雜程度，以訓練學生 解決複雜問題。 2.學生必須應用之前所學習之概念、技術、以及相關之數 學，空間與障礙物之相關位置，設計機器人，判別障礙 物，以解決教師所提出之問題。 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 設計之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 的使用及程式控制，以及設計出機械人推骨牌的機械裝 置，以解決上述的問題。 8.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。 二、教學活動的實施 教學活動進行的初期，因學生們不具備有將概念圖對應到解決問題的先備 知識的能力。因此，為幫助學生獲取能將創意順利對應到先備知識、問題或專 題的能力，我們在課程的前三週時間內提供一些簡單問題或專題的範例，引導 學生如何利用概念圖去對應出已具備的知識、及在解決問題時應具備的概念， 如此學生們便可學會利用概念圖來瞭解問題的關鍵知識與技能，以及解決問題 的分析方法。圖 1 所呈現的是「雙馬達驅動的車子」範例專題的概念圖；圖 2 是其中一組學童們所創造出雙馬達驅動車子的過程及結果的圖片，它是符合概 念圖反應出來的專題範例。

圖 1：一個建構雙馬達驅動汽車範例專題的概念圖 圖 2：一小組依據圖一的概念圖所建構的車子 就圖 1 所示，在教學活動中引導學童們說出他們真實生活中的相關經驗， 然後再將真實生活的經驗反應到問題解決的歷程，逐步地分析出概念圖中的各 個細項及彼此間的關係，如此建構出學童們自身可理解的概念圖，進而創造出 建構出一部雙馬達 驅動的汽車 我可以利用什麼零組件？ 日常生活中，汽車的一般特性？ 車體 四個車輪 引擎 或 馬達 二個前輪 二個後輪 後輪驅動 前輪驅動 連接引擎到 連接引擎到 外形？ 材質？ 馬達 四個車輪 如何安排馬達的位置？ 如何利用馬達來驅動車輪？ RCX 後輪驅動 或 前輪驅動？ 車體 車軸 樑柱 積木 平板 其他的零 組件？ 齒輪 連接器 真實生活的經驗 問題解決 反應到

如圖 2 的雙馬達驅動的車子。事實上，圖 1 所示的概念圖並不是非常完整的， 它只是研究者用於引發學童們去作深度思考的動機。在教學活動之中，學童們 是被鼓勵去利用、組合基本的組件以創造出小組的機械人；同時，教師們也利 用概念圖來幫助學童們建構出未來教學活動中所需的知識架構與基模。因此， 建構學童們有關機械人創造的必備概念，以及描繪出概念圖的教學內容則持續 了三週。在這三週的教學活動中，學童們會被鼓勵去修改所描繪出的概念圖， 教師們也會適時適切地給學童們修改的意見。所以，概念圖不僅是專題的製作 藍圖，對學生們而言也是認知工具，用於精進他們先前的概念及發展出的新概 念。總之，在這三週的教學活動之中，學童們學習到 1.會描繪概念圖的基本結 構；2.學會使用具有動力的 LEGO 積木組件；3.學會如何與他人合作；4.可創造 出具有動力車子的構造；5.學會如何利用動手做活動來落實創意。 在創造動力機械人時一些必備的基本概念，都會在這三週的教學活動中建 構出來，而這些概念即是學童們在未來教學活動中具備的基模。然後，更多可 反應出真實世界的具挑戰性專題，則是由教師們設計出來並且引導學童們實際 動手做來進行。換言之，在這三週之後的教學活動則是邁入一個全新的階段， 即是教師們會先敘述一個問題或專題，然後學童們針對問題、專題在教師們的 引導之下進行系統化的問題解決分析歷程，其進行步驟如后： 1.列出問題中所有可能的狀況； 2.與他人進行腦力激盪，找出可用於解決問題的構成要素； 3.將所列的狀況及其相關構成要素加以分類； 4.衍生有助於解決問題的新概念、次問題； 5.再依步驟 3 的方式將新概念、次問題加以分類。 上述的五個步驟是概念圖建構的準備工作，然後學童們會被要求發展出他 們自己的概念圖。同時，為建構出創造機械人時所需的概念圖，學童們被要求 要確認出「關鍵概念」，它們通常是問題所描述的狀況或已知概念，也是學童 在理解教師們所提出問題的意義時需要必備的概念。關鍵概念然後被標示出 來，並且由廣泛到特定的方式加以排序。然後，學童們被要求要將相關概念、 或含有相同意義的概念加以群組，並且以圖形說明概念間的關係。最後，在概 念圖中末端的概念（即無法再延伸出任何其他概念），它們是可利用 LEGO 組 件來完成概念的具體化過程。

為完成一個能解決教師所指定問題的可行性機械人，學童們仍需要利用線 條來連接各個概念，同時在線條上標記出「敘述性動詞」用以定義出概念間的 關係。因此，敘述性動詞標記的連線可提供學童在程式設計的基本概念，而程 式即在於賦與機械人可作出一些適切的動作，以解決教師指定的問題。事實 上，LEGO Mindstorms 的程式設計同時也是基於概念圖方式來建構的，它是利 用區塊的方式來讓使用者設計程式，圖 3 即是 LEGO Mindstorms 的程式設計的 範例，它是由學童們設計出來的程式，用於賦與機械人避開障礙物的動作。同 時，從圖 3 可看出 LEGO Mindstorms 所提供的視覺化、色彩化的程式設計介面 正可反映出概念圖的特性。換言之，學童們在此般視覺化的程式設計環境中， 他們可以將他們的創意、問題解決的歷程可以描述得更具體及轉化成視覺的圖 像。 圖 3：LEGO Mindstorms 圖像式的程式設計介面 同樣的，概念圖可作為學童們創造機械人時的工作藍圖，及如何與他人分 工合作的輔助工具，還有可讓他們清楚知道如何利用 LEGO 組件，來創造出可 解決教師指定問題的機械人。學童們在機械人的創造過程中，概念圖的結構可 透過增添、刪除次概念而加以精進而完善，同時藉由選用更多的「描述性動詞」 來定義出可讓機械人活化的方法，如此概念圖就會更趨於完備。因此，本研究 中所使用的概念圖呈現出動態的狀態，即它可以在機械人完成過程中不斷地被 修改及更新。在這種動態方式之下，它將有助於學童們獲得問題解決中有意義 的洞察力，同時建構、組織出他們的知識體。再者，當學童們創造出可解決老

師指定問題的機械人時，教師們會藉由學童們所描述的概念圖、及學童們是如 何利用組件等方式，來檢視他們的概念是否有效？是否被理解？是否被誤 解？，然後再給學童們合適且整體性的建議。 肆、教學實例展示 一、推骨牌的機械人 教師們展示四種不同顏色的骨牌：藍、綠、黃、紅。這個專題的目標在於： 讓學童們設計一個機械人，它可在行進之中正確地推倒紅色、黃色等兩種骨牌 （如圖 4 所示） 圖 4：推骨牌機械人專題的真實情境 在教學活動的開始，教師們說明這個專題的目標，然後帶領學童們針對「推 骨牌的機械人可做出那些動作呢」的問題進行有目的性的深入思考，教師們將 學童們所提出的想法直接寫在黑板上，並且以概念圖的形式組織所列的想法， 以幫助學童們能有效地轉化他們先前知識、經驗成可解決當前問題的相關知識 與技能。此時，教師所扮演是協助者、引導者的角色，所以教師們僅是針對學 童們的問題提供新的問題或新的概念，而不給與他們解決的答案或方案。 之後，教師根據學童們討論的結果，繪製出推骨牌機械人的概念圖（如圖 5 所示），同時引導他們針對概念圖中所呈現的問題及概念加以深究，然後設 計出小組的推骨牌機械人及相關的程式內容。例如概念圖中「辨識骨牌的顏色」 是一個衍生出來的新概念，即要學童們如何選用合適的感測器。此時，教師們 會引導學生們去探究測光感測器的用途及使用方式，讓學童們建構出新的知識 與概念，以便解決本專題的次問題。然後，學童們會被鼓勵去修改這個先前的

概念圖，藉由增添、刪除概念的方式改善整個概念圖，最後根據他們的概念圖 發展出可讓機械人做出正確動作（活化）的程式（如圖 6 所示）。至於「什麼 是推骨牌機械人應具備的基本結構呢？」的問題留給學童們繼續完成所需的衍 生問題及概念。 圖 5：利用概念圖引導學童思考推骨牌機械人專題的問題 圖 6：推骨牌機械人之類似概念圖的程式設計介面 推骨牌機械人 什麼是推骨牌機械人應 具備的基本結構呢？ 推骨牌機械人可做出那 些動作呢？ 能夠移動一段距離 推倒骨牌 能辨識出骨牌的顏色 需要多少時間？ 它需要使用什麼樣機械 的裝置？ 要使用那些 感測器？ 使用的感測器 是如何辨識出 顏色呢？ 新概念 如何控制機械人的 移動速度？

二、創意畫圖機械人 此教學實例所展示的是：最後一個教學階段中學童可自行設計、與製作所 選定的機械人專題內容。其中有一組學童要製作「創意畫圖機械人」，圖 7 所 示內容即該小組學童所選定的主題，以及所製作機械人的特色、功能及圖樣。 學童們從選定主題、設計、製作機械人皆由小組成員互動討論，以及克服相關 的問題，以達成他們自訂的目標。圖 8 是製作創意畫圖機械人小組成果發表時 的實況圖片，由圖片可知他們的機械人有達成預訂的目標。 圖 7：創意畫圖機械人的設計構想草圖 圖 8：創意畫圖機械人發表現況

伍、結語 本文展現如何應用概念圖來幫助學童具備有效的轉化知識的技能，以及引導 他們利用概念圖來進行創造性、目的性的思考。同時，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及數學的技能。就我們的經驗而言，在課 程的教學活動進行期間，對學童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。因為在本研究中所提供的 每個活動中沒有最佳答案或設計方案，因此學童們能自行解決問題就創造性思考 而言是非常重要的。同時，我們也學到加強學童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，每件由學童們建造出來的機械人 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。 參考資料 吳志緯（民 91）。國小學生以電腦樂高進行科學學習之個案研究。台北市：台北 市立師範學院科學教育研究所碩士論文。 田耐青(民 88)。由「電腦樂高」談新世紀的學習：一個「科技支援之建構學習環 境」實例。教學科技與媒體，44，24-35。

All, A. C., Huycke, L. I., and Fisher, M. J. (2003). Instructional tools for nursing education: concept maps. Nursing Education perspectives, 24 (6).

Ayersman, D. J. (1995). Effects of knowledge representation format and hypermedia instruction on metacognition accuracy. Computers in Human Behaviors, 11(3), 533-556.

Han, S. & Bhattacharya, K. (2001). Constructionism, Learning by design, and project based learning. In M. Orey (Ed.), Emerging perspectives on learning, teaching, and

technology. Available Website: http://itstudio.coe.uga.edu/ebook/LearningbyDesign.htm

Jonassen, D. H. (1993, April). Effects of semantic network versus production rule representation on structural knowledge. Paper presented at the annual conference of the American Educational Research Association, Atlanta, GA.

McGrath, D.(2000). Prosem B-III Theory. Http://www2.educ,ksu.edu/faculty/McGrathD/Spring00/Mindstorms.html

Papert, S.(1988). The conservation of Piaget : The computer as grist to the constructivist mill. In G. Forman & P. B. Pufall (Eds.), Constructivism in the computer age(pp. 3-13). Hillsdale, NJ : Lawrence Erlbaum Assocaites.

Papert, S. (1990). Introduction: Constructionist Learning. Cambridge, MA: MIT Media Laboratory.

Papert, S. (1993). The Children’s Machine. New York: Basic Books.

Papert, S.(1993b). The Children’s machine :rethinking school in the age of the computer. New York : Basic Books.

Papert, S. & Harel, I. (1991). Constructionism. NY : Ablex.

Piaget, J. (1964/1972). Development and learning. In R. E. R. & V. N. Rockcastle (ED.), Piaget rediscovered: A report of the conference on cognitive studies and curriculum development, Ithaca, NY.

Resnick, M.(1996). Distributed Constructionism. Proceedings of the International Conference on the Learning Sciences Association for the Advancement of Computing in Education. Northwestern University.