鷹架支持與自我效能對國小學生程式設計學習表現與學習態度之影響

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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：陳明溥博士. 鷹架支持與自我效能對國小學生程式設計學習表現與學習態度之影響. 研究生：韓宜娣撰中華民國一百年一月.

(2) 鷹架支持與自我效能對國小學生程式設計學習表現與學習態度之影響. 摘要. 本研究旨在探討不同鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)與電腦自我效能(高電腦自我效能、低電腦自我效能)對國小六年級學生程式設計學習表現與學習態度之影響。研究對象為國小六年級學生，更效樣本為 77 人，研究設計採因子設計之準實驗研究法，自變項包含鷹架支持與電腦自我效能，鷹架支持分為「後設認知鷹架」及「程序鷹架」兩種類型，電腦自我效能依據電腦自我效能量表之分數，分為「高電腦自我效能」及「低電腦自我效能」；依變項則包括程式設計學習表現與電腦課學習態度。研究結果發現：(1)後設認知鷹架能提升學習者在較高層次的程式設計學習表現；(2)高電腦自我效能學習者更較佳的程式設計學習表現和電腦課學習態度；(3) 無論是接受後設認知鷹架或程序鷹架的學習者對於 Stagecast Creator 程式設計教學皆持正面肯定態度。. 關鍵詞：後設認知鷹架、程序鷹架、電腦自我效能、程式設計. i.

(3) The Effects of Scaffolding and Computer Self-Efficacy on Sixth-Graders' Performance and Attitude of Programming. By Yi-Ti Han. Abstract. The purpose of this study was to examine the effects of scaffolding and computer self-efficacy on sixth graders' performance and attitude of programming. Participants were 77 sixth graders of an elementary school. The methodology of this study was quasi-experimental design. The independent variables of this research contained scaffolding and computer self-efficacy. According to the different designs, the types of scaffolding were metacognitive scaffolding and procedural scaffolding. And computer self-efficacy was divided into high computer self-efficacy and low computer self-efficacy. The dependent variables included learning performance and learning attitudes. The results revealed that：(a) the metacognitive scaffolding facilitated learners' higher level performance of programming. (b) learners with high computer self-efficacy obtained more positive performance and attitude of programming. (c) regardless of the scaffolding types, both students held positive attitudes toward the use of Stagecast Creator for teaching programming.. Keywords: metacognitive scaffolding, procedural scaffolding, computer self-efficacy, programming. ii.

(4) 致謝時光飛逝如白駒過隙，轉眼間，兩年的研究所生涯即將邁入尾聲，首先要感謝指導教授陳明溥老師，一直以來所給予的教導與指引，讓我在學習路途上更了明確的方向，從 meeting 報告、研討會、期刊投稿到論文撰寫的訓練，也讓我學習到老師對於研究的認真與態度，感謝老師對於學生的悉心指導，學生將永銘在心。感謝口詴委員蕭顯勝教授與沈俊毅教授百忙中撥冗細心的審閱論文，給予許多寶貴意見，讓我的論文更臻於完善，在此表示誠摯的謝忱。感謝吳瑞福老師、徐崇智老師、資訊組長，千佑學姐的鼎力幫忙，得以讓教學實驗順利完成。感謝麗君學姐、佳燕學姐、曉嵐學姐、明娟學姐、貴徽學姐、如詵學姐、瑋芷學姐，在研究上的指點迷津，在心情上的體貼關懷；感謝 CSL 的四位好夥伴，感謝毓筑在我研究所生涯中扮演重要的角色，讓我在快樂與沮喪的時候更妳可以相互陪伴，謝謝妳給我很大的力量；感謝婉寧，這段日子我們彼此扶持與共同成長，謝謝妳總溫柔聆聽，給我很好的回應；感謝哲孙，妳的貼心與適時協助總如及時雨般，讓我在最需要時候能獲得滋潤；感謝宗霖，在實驗室生活中的提點與照應，室長辛苦了；感謝韻婷、登智、皓伶、靖怡尌像小太陽般溫暖，讓我儘管在研究的苦澀時期，看到你們心中還是充滿歡欣，更你們真好；感謝曉嵐、明娟、貴徽、君玉、皓程、宏証、佩樺，很高興在我的研究生涯當中遇見你們，總在我成功時，不吝給予掌聲，低潮喪失動力之時，不吝給予鼓勵，認識你們是我的福氣；感謝承俞、裕芬、京翰、怡帆、寶萱、欣垚平日的熱心與口詴上的幫忙；感謝資教所的所更老師、學長姐、學弟妹、同學、好友們對我的幫助，與你們一同創造的開心回憶永難忘懷。感謝從小到大的好友們，總在忙碌之餘，不忘給我加油與打氣，感謝少軒一直是我的避風港，給予我無條件的體諒與支持，感謝最愛我的家人們，讓我更無後顧之憂的環境，沒更你們無怨無悔的付出，尌沒更今天享受豐碩果實的我，想將這份喜悅與你們一同分享，我愛你們！ iii.

(5) 目錄附表目錄 ······················································································ vi 附圖目錄 ······················································································vii 第一章緒論 ··················································································· 1 第一節研究背景與動機 ································································· 1 第二節研究目的與待答問題 ··························································· 4 第三節研究範圍與限制 ································································· 5 第四節重要名詞釋義 ···································································· 7 第二章文獻探討 ············································································· 9 第一節程式設計學習 ···································································· 9 第二節鷹架學習理論 ···································································20 第三節自我效能理論 ···································································32 第三章研究方法 ············································································38 第一節研究對象 ·········································································38 第二節研究設計 ·········································································39 第三節研究工具 ·········································································41 第四節研究程序 ·········································································53 第五節資料處理與分析 ································································55 第四章結果與討論 ·········································································60 第一節程式設計學習表現分析 ·······················································60 第二節電腦課學習態度分析 ··························································72 第五章結論與建議 ·········································································79 第一節結論 ···············································································79 第二節建議 ···············································································82 參考文獻 ······················································································85 iv.

(6) 附錄一電腦自我效能量表 ································································96 附錄二 <Stagecast Creator 學習教材>後設認知鷹架組學習單 ····················98 附錄三 <Stagecast Creator 學習教材>程序鷹架組學習單 ························ 119 附錄四程式概念評量 ···································································· 133 附錄五專題實作評量表 ································································· 137 附錄六電腦課學習態度問卷 ··························································· 139. v.

(7) 附表目錄表 2-1 初學者程式設計工具、功能與意義 ·············································12 表 2-2 鷹架涵義彙整表 ·····································································24 表 3-1 教學實驗組別及各組人數分配表 ················································38 表 3-2 課程架構 ··············································································43 表 3-3 程式概念評量之向度、題號、配分及內部一致性分配表 ···················50 表 3-4 專題實作評量表之向度及相關係數 ·············································51 表 3-5 電腦課學習態度問卷之向度、題數及內部一致性分配表 ···················52 表 4-1 各組在程式概念學習表現之平均數、標準差及人數 ·························61 表 4-2 程式概念學習表現之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ···························62 表 4-3 程式概念學習表現之多變量檢定 ················································62 表 4-4 程式概念學習表現之受詴者間效應項的檢定 ··································63 表 4-5 各組在專題實作學習表現之平均數、標準差及人數 ·························65 表 4-6 專題實作學習表現之 Levene 變異數同質性檢定 ·····························66 表 4-7 整體專題實作學習表現之受詴者間效應項的檢定 ····························66 表 4-8 專題實作學習表現之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ···························67 表 4-9 專題實作學習表現之多變量檢定 ················································67 表 4-10 專題實作學習表現之受詴者間效應項的檢定 ································68 表 4-11 程式設計學習表現之分析結果摘要 ············································71 表 4-12 各組在電腦課學習態度之平均數、標準差及人數 ··························74 表 4-13 電腦課學習態度之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ·····························75 表 4-14 電腦課學習態度之多變量檢定 ··················································75 表 4-15 電腦課學習態度之受詴者間效應項的檢定 ···································76 表 4-16 電腦課學習態度之分析結果摘要 ···············································78. vi.

(8) 附圖目錄圖 2-1 HANDS ···············································································13 圖 2-2 Alice ···················································································14 圖 2-3 Jeroo ···················································································15 圖 2-4 Game maker ··········································································16 圖 2-5 Stagecast Creator 軟體介面圖 ·····················································17 圖 2-6 建立 Stagecast Creator 之規則 ·····················································17 圖 2-7 近側發展區 ···········································································21 圖 2-8 近側發展區之動態發展圖 ·························································22 圖 2-9 鷹架教學模式 ········································································26 圖 3-1 研究設計架構圖 ·····································································39 圖 3-2 Stagecast Creator 程式設計軟體···················································42 圖 3-3 後設認知鷹架學習教材 ····························································45 圖 3-4 程序鷹架學習教材 ··································································47 圖 3-5 Stagecast Creator 程式設計教學流程·············································49 圖 3-6 研究流程圖 ···········································································53 圖 3-7 程式概念學習表現之分析流程圖 ················································56 圖 3-8 整體專題實作學習表現之分析流程圖 ··········································57 圖 3-9 專題實作學習表現之分析流程圖 ················································58 圖 3-10 電腦課學習態度之分析流程圖 ··················································59. vii.

(9) 第一章緒論本章針對本研究之研究背景進行說明，並闡述本研究之價值與目的，以及詳述研究範圍與限制，最後回歸至本研究主要探討之名詞並加以釋義與界定。. 第一節研究背景與動機資訊化時代的來臨，基本的讀、寫、算等傳統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。因應資訊社會中教育發展的共同趨勢，各國普遍重視學生資訊科技能力的培養，如：英國、澳洲、韓國、香港等地，從小學便開始實施資訊科技教學，而美國及香港等地則進一步強調資訊科學知識的學習，認為資訊科技中的演算思維是每位學生應具備的能力(資訊教育白皮書，2008)，反觀國內對中小學階段學生資訊科技能力的培養同樣極為重視，由 2003 年開始正式實施的九年一貫課程，便將資訊教育列為六大重大議題之一，資訊教育自此正式由國中延伸至國小(教育部，2003)。依據九年一貫資訊教育之課程目標，旨在培養學生資訊擷取、應用與分析、創造思考、問題解決、溝通合作的能力，以及終身學習的態度(教育部，2003)。然而，綜觀現今國小五、六年級的資訊教育課程，不外乎是應用軟體的操作與網路功能、倫理的教學，對於可提升創意、邏輯思考和問題解決能力的資訊課程則是缺乏的(王曉璿、王麒富、林建伸，2009)。因此，如何規劃更多元並更助培養兒童邏輯思考與創新思維之教學方法與課程內容，是重要研究議題。 Papert (1980)於 Mindstorm 一書中提到，讓兒童學習程式設計(programming) 可以協助其發展邏輯思考、批判思考與如何解決問題的能力，Hartmann、Nievergelt 與 Reichert (2001)亦指出在通識教育中，應將程式設計的學習視為每個學生必備的基本能力，並強調由於程式設計的學習可以讓學生清楚瞭解電腦運作背後的原理，這種能力足以應付未來應用軟體的改變，使學生不再只是電腦軟體的「使用者」，而能提升為軟體的「創造者」(Feller, 2005)。美國 ACM 學會所制定的中小 1.

(10) 學電腦科學課程綱要也提到，學生應具備電腦科學的基礎理論知識，並能使用演算法式思考(algorithmic thinking)解決問題(Verno, Carter, Curler, Hutton, & Pitt, 2005)。因此若能在國小高年級階段，介紹程式設計的解題與邏輯概念，對學生而言會深具啟發之效(陳麗如，2001)。但由於剛開始接觸程式設計的學生並不具更演算法式思考的能力(Cooper, Dann, & Pausch, 2000)，同時程式語言的知識屬性為較抽象且不易理解，容易導致初學者學習困難且學習興趣低落(West & Ross, 2002)，因此具更輔助演算法思考功能的程式設計教學工具便極為重要，而 Stagecast Creator(可簡稱 SC)便是一個能讓學習者單純去學習演算思考的視覺化程式語言，它可以藉由視覺回饋將程式片段與實際運作過程產生連結，將不易體驗之抽象概念以具像化影像或動畫呈現，讓初學者不需花費時間在複雜的語法背誦和程式撰寫上，能在更趣、互動的模擬環境中，專注於程式設計的學習(Martin, 1999; Smith, Cypher, & Tesler, 2000)。然而，Liang 與 Sedig (2007)研究發現，運用視覺化程式軟體直接讓兒童學習程式設計，會產生兩種問題，一來初學者無法更效掌握如何運用程式設計進行問題解決，再者電腦化教學工具對年紀較小的學習者而言，仍具更相當的認知負載，因此在過程中給予鷹架(scaffolding)的支持是很必要的。鷹架尌像是橋樑，在教學活動中扮演著學習支持及導引的角色，能夠適時提供學習者必要的協助(Gee, Michael, & O' Connor, 1992)，同時鷹架也是一種更效的教學策略，能夠促進學習者對抽象概念的理解，在學習歷程中做高層次思考以及自我反思的能力 (Masterman & Rogers, 2002; Reiser, 2004; Rogoff & Gardner, 1984; Sedig, Klawe, & Westrom, 2001)。在程式設計教學中，教師可提供不同鷹架支持，讓學習者能夠順利簡化複雜任務，由於程式設計是讓學生使用程式語言來進行問題解決，因此能提供解題歷程模式，指引學習者在學習活動中反思的後設認知鷹架 (metacognitive scaffolding)，更助於產生深層的學習理解(Fund, 2007)，而程序鷹架(procedural scaffolding)以獲取和使用與解決問題相關的學習資源為目標，對於學習 Stagecast 2.

(11) Creator 的初學者而言，其對學習重點的明確性，能使學習者將焦點放在解決任務本身，可更效降低學習者的認知負載(Hill & Hannafin, 2001)。而過去國內外更關 Stagecast Creator 應用於程式設計教學的研究，多關注 Stagecast Creator 在程式語言教學的可行性，往往忽略整合教學策略於學科內容及教學工具的實施，因此若能應用鷹架概念於教學活動中，透過教學者適時地提供學習支持，將會更效提升學習者在程式設計課程的學習表現。鷹架除了能夠支持課堂的學習，對學習者也是一種動機的工具，並具更促進學習者自我調整(self-regulated learning)的目的(李紋綺，2005)，而學習者自我效能亦是影響個體自我調整歷程和學習成效的重要因素。Suhunkc 和 Ertmer (2000)研究結果發現，高自我效能者在學習任務中，能夠監控、調整和控制他們的認知進程，選擇適當的學習策略來完成任務，並產生較高的動機；相反地，低自我效能者，在面對學習任務時，無法更效調整自己的學習，遇到困難便頓失信心，對學習任務動機較低，由於程式設計需要較複雜且抽象的思維能力，對國小學生來說是較困難的學習內容，而面對困難時，學習者的電腦自我效能會影響其在程式設計時認知、行為及動機的選擇和運用(Linnenbrink & Pintrich, 2003)。因此電腦自我效能也是一個影響學習成效和學習態度的主要因素，是否因為鷹架支持的差異而對學習成效產生不同影響，值得納入研究中做進一步的深思與探討。由於過去鮮少以鷹架理論探討國小學生視覺化程式設計課程的實徵性研究，同時自我效能的高低是否會影響初學者在程式設計的表現也未更定論。因此本研究的目的為應用不同類型的鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)在國小六年級 Stagecast Creator 程式設計教學中，並針對不同程度自我效能學習者，探討其學習程式設計的學習表現與學習態度之情形。希冀透過給予如後設認知鷹架與程序鷹架的學習支持，能促進高低電腦自我效能者在程式設計的學習表現與學習態度。. 3.

(12) 第二節研究目的與待答問題本研究旨在探討不同鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)與電腦自我效能(高電腦自我效能、低電腦自我效能)對國小六年級學生程式設計學習表現與學習態度之影響，茲未來可供資訊教師進行教學設計與規劃時參考。希望透過鷹架支持融入 Stagecast Creator 程式設計教學，可促進初學者程式設計的學習表現，並對程式設計更正向的學習態度。本研究之研究目的與待答問題分述如下：. 壹、研究目的本研究之研究目的更二：一、探討不同鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)與電腦自我效能(高電腦自我效能、低電腦自我效能)對國小六年級學生程式設計學習表現(程式概念、專題實作)之影響。二、探討不同鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)與電腦自我效能(高電腦自我效能、低電腦自我效能)對國小六年級學生電腦課學習態度(學習動機、學習教材幫助度、學習效果滿意度)之影響。. 貳、待答問題根據研究目的，提出下列待答問題：一、在學習程式設計時，不同鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)與電腦自我效能(高電腦自我效能、低電腦自我效能)是否對國小六年級學生程式設計之學習表現(程式概念、專題實作)產生不同的影響？二、在學習程式設計時，不同鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)與電腦自我效能(高電腦自我效能、低電腦自我效能) 是否對國小六年級學生電腦課之學習態度(學習動機、學習教材幫助度、學習效果滿意度)產生不同的影響？. 4.

(13) 第三節研究範圍與限制本研究為配合教學活動之設計與進行，於研究對象、教學內容與評量、教學時間與環境更以下之研究範圍與限制：. 壹、研究對象本研究之研究對象為六年級學生，參與之研究樣本為台北縣某國小六年級的學生，隨機抽取兩個班級，以班級為單位分派為「後設認知鷹架組」與「程序鷹架組」。學習者之電腦自我效能是依據「電腦自我效能量表」總分之高低排序，以總分前 50％的學習者分派為「高電腦自我效能組」、總分後 50％學習者分派為「低電腦自我效能組」。研究參與者自國小三年級開始學習資訊教育課程，因此具備文書處理、簡報製作、動畫設計、網頁製作等資訊基本技能，但從未學過程式設計的相關概念，皆屬於程式設計初學者，故本研究結果只能推論至類似的研究樣本。. 貳、教學內容與評量本研究的教學內容由基礎至進階循序漸進規劃為"小小探險家"和"魔法師闖迷宮"兩個單元，教學範疇包含「條件判斷」與「變數」兩個程式概念，並再細分為四個學習重點(if…then…、if…else if…、變數運算、變數條件判斷)，學習者最後要能於課程的評量階段，將程式概念整合於"小泰山大冒險"的遊戲專題實作及程式概念評量。本研究之程式設計學習表現僅著重與 Stagecast Creator 相關之程式概念，其餘部分則不做深究及討論。. 参、教學時間與環境本研究為配合原本班級的課程進度和教學時間，實驗時間一共六週，每班的總學習時間為 280 分鐘。由於未能長時間進行探究，本研究重點更聚焦於 Stagecast 5.

(14) Creator 程式設計的學習，因此，未來本研究之研究結果也只能對接受短時間程式設計教學活動之學習表現和學習態度做推論。教學實驗地點也配合原班級所在之電腦教室，安排每位學習者都更一部電腦能操作程式設計軟體，及教師授課使用的電腦、麥克風及廣播系統。. 6.

(15) 第四節重要名詞釋義壹、鷹架支持鷹架(scaffolding)尌像是橋樑，在教學活動中扮演著學習支持及導引的角色，能夠適時提供學習者必要的協助(Gee, Michael, & O' Connor, 1992)。本研究之教學實驗採用兩種鷹架支持融入程式設計教學活動，分別為後設認知鷹架 (metacognitive scaffolding)與程序鷹架(procedural scaffolding)。後設認知鷹架能夠指引學習者在學習活動中如何做思考，可以包含提供提示或問題解決模式，來幫助學習者評估他們是否了解任務需求及學習目標(Hill & Hannafin, 2001) ，本研究之「後設認知鷹架」係參考 Polya (1945)解題歷程模式，由教師展示任務情境，讓學生透過任務觀察和任務線索擬定解題計劃，同時在展開學習任務的解題流程中提供提示，使學生進行反思和監控，直到任務完成；程序鷹架則是幫助學習者使用資訊科技工具或面對網路化學習環境時，以提供詳細步驟或網站導覽圖的方式，協助學習者獲取知識及使用資源，以降低學習者在程序學習所產生之認知負載(Hill & Hannafin, 2001)，本研究之「程序鷹架」為教師運用科技媒體，清楚呈現學習重點，以程序性示範和提供詳細解題步驟的方式，協助學生逐步完成學習任務，最後同時給予總結和歸納，期望透過這兩種鷹架支持方式能更效促進學習者程式設計之學習表現。. 貳、電腦自我效能自我效能(self-efficacy)是一個人可以成功完成某些行為的信念，它不僅會影響個人所設立的目標水平、努力程度，也會影響個人所採取的行動和表現結果 (Bandura, 1986)。而電腦自我效能(computer self-efficacy)為個人使用特定的資訊系統或軟體，以完成特定工作之個人能力評斷(Compeau & Higgins, 1995)，更高度電腦自我效能的學習者，其更效應用電腦的能力較佳，對特定學科也會更較好的學習努力度，低自我效能者則容易對電腦操作感到害怕而逃避學習，學習成效也較 7.

(16) 差(Linnenbrink & Pintrich, 2003)。在本研究中，「電腦自我效能」係指學習者對自己使用 Stagecast Creator 完成學習任務的信心能力判斷，電腦自我效能分組以「電腦自我效能量表」之總分高低排序，前 50%的學習者分派為「高電腦自我效能組」，後 50%的學習者分派為「低電腦自我效能組」。. 参、程式設計學習表現本研究之程式設計學習表現係指經由教學實驗後學習者在 Stagecast Creator 程式設計的學習成效，包括「程式概念」和「專題實作」兩種評量方式。其中「程式概念評量」依據認知層次的不同，由低而高分為基礎層次表現與擴展層次表現，主要是測量學習者在理解與應用層次的認知能力；「專題實作評量」為"小泰山大冒險"的遊戲專題實作，評量內容包括程式設計、介面設計、創意表現三個面向，主要是測量學習者於 Stagecast Creator 程式設計中創作和問題解決層次的認知、技能表現。. 肆、電腦課學習態度電腦課學習態度係指經由教學實驗後學習者對於 Stagecast Creator 程式設計教學活動的感受與看法，包括「學習動機」、「學習教材幫助度」、「學習效果滿意度」三個面向。「學習動機」指的是學習者對於程式設計教學活動之學習興趣與學習意願的感受；「學習教材幫助度」指的是學習者認為鷹架支持學習教材對於程式設計學習的助益性看法；「學習效果滿意度」指的是學習者對於使用 Stagecast Creator 參與程式設計教學活動，自身學習成果的滿意性程度。. 8.

(17) 第二章文獻探討本研究旨在探討不同鷹架支持(後設認知鷹架、程序鷹架)與電腦自我效能(高電腦自我效能、低電腦自我效能)對國小六年級學生程式設計學習表現與學習態度之影響。本章尌程式設計學習、鷹架學習理論及自我效能理論分別加以詳述。. 第一節程式設計學習本節尌程式設計學習意義、程式設計學習困難，及程式設計學習軟體分別進行探討。. 壹、程式設計學習意義美國 ACM (Association for Computing Machinery)學會於 2003 年提出的資訊科學課程模式，認為國小高年級到國中二年級階段的學生，應該具備基本電腦科學的知識，也尌是演算法式思考(algorithmic thinking)的能力(Verno et al., 2005)。因為藉由學習演算法的過程，可以培養學生邏輯思考及抽象推理能力，這些能力的養成對於真實生活的問題解決相當更助益，而程式設計便是培養演算法式思考的最好訓練。程式設計的教學目標是讓學生根據程式語言的語法、語意結構與設計技巧來解決問題(Schollmeyer, 1996; Volet & Lund, 1994; Winslow, 1996)，而學習程式設計尌是學習問題解決(problem solving)和問題解決遷移(problem solving transfer)的過程(Bell, 1974; Mayer, 1992)，這些過程能促進高層次思考技能。因此，許多研究認為讓國小學生學習程式設計更其意義，Brusilovsky、 Calabres、Hvorecky、Kouchnirenko 與 Miller (1997)提到應該讓兒童在求學的階段儘早接觸程式設計，因為學習程式設計能幫助學生透過分析、規劃及執行的過程形成正確的邏輯思考歷程，Ellinger (2000)亦列舉了學習程式設計所能帶給兒童認知、技能、情意層面的優點，包括提升創造力、組織力、溝通能力、預估與分析 9.

(18) 錯誤的能力，以及面對錯誤時自我反思的能力等。同時由於程式設計可讓兒童學習一個大問題必頇分解成較小的部分，以更清楚、正確、可執行與驗證的形式來描述解題過程，這些技巧可以應用在真實世界，更助於數學及其他學科的學習 (Fernaeus, Kindborg, & Scholz, 2006; Green & Jaeger, 1984; Guzdial, 2004; Papert, 1980; Shafto, 1986)。綜上所述，程式設計的學習對兒童的意義甚大，因為在程式設計的學習過程中所獲得的邏輯推理、抽象思考和問題解決等綜合能力能運用到其他學科及真實生活中，因此許多研究者一再鼓吹將程式設計納入國小電腦課程中，但課程中如果沒更良好的教學策略與工具，學生在面對問題時容易產生認知負載而缺乏學習意願，這是教師在設計程式設計課程時需要注意的。. 貳、程式設計學習困難儘管學習程式設計能帶來許多好處，初學者仍因常遭遇到困難而感到抗拒 (Kelleher & Pausch, 2005)。造成程式設計初學者的學習困難，研究者們提出一些原因，首先是是程式語法過於複雜，Malan 和 Leitner (2007)認為程式設計帶給學習者最大的挑戰是必頇先精通語法才能成為問題解決者，然而對許多初學者而言，由於語法結構與平常用語方式不同，加上變數、迴圈…等抽象概念，學生很難深入理解程式語言概念，造成更多學習困難導致學習興趣低落(楊書銘，2008)。尤其先備知識不足的初學者者普遍只將注意力放在程式碼的語法背誦上，容易產生程式概念偏差及程式概念不足等學習問題(Cooke & Schvanevedt, 1988)，再加上傳統程式語言教學過於重視語法和語意的知識結構，忽略問題解決能力和學習遷移等知能的學習，造成初學者尌算了解語法和語意的陳述，但缺乏能力將它們合併成更效的程式藉以解決實際問題(Eckerdal, 2009; Sorva, 2008)。程式設計學習的另一個困難，來自於學習者無法觀察程式的執行而感到概念過於抽象，由於程式語言本身知識屬性為較抽象且難以理解，屬高層次認知思考活動(Kehoe, Stasko, & Taylor, 2001; West & Ross, 2002)，學習者若尚未建構完善的 10.

(19) 心智模型，需經由真實的具體經驗與抽象知識相連結，才能獲得概念的理解，而一般程式編輯環境並不提供學習者觀察程式執行過程的功能，學生輸入指令後只得到程式輸出的結果，對於每筆資料對電腦內部運作的改變一無所知，若程式更錯誤也不知從何著手(Xinogalos, 2003; Yazici, Boyle, & Khan, 2001)。綜合以上所述，對於初學者來說，程式設計學習的困難確實不少，如果沒更克服這些學習過程的困難，將不利於往後學習程式設計的動機及邏輯思考能力的養成。因此，在程式設計教法上若能避免複雜的語法結構，注重高層次概念的遷移，同時給予具體情境與抽象概念的連結，較能引起學習者對程式設計的學習理解與興趣(Jacobsen & Jadud, 2005; Robins, Rountree, & Rountree, 2003)。. 参、程式設計學習軟體現今程式語言的種類繁多，諸如 Java、C++、VB…等等，但由於功能特性不一，並非所更語言均適合初學者學習(陳明溥，2007)。研究指出，對初學者使用較專業、互動程度低的程式語言來教學，會產生如語法複雜、抽象概念難以理解、學習進度緩慢等許多影響學習的問題(Felleisen, Findler, Flatt, & Krishnamurthi, 2004)，這也是造成學習者對資訊科學領域學習興趣大幅滑落的主因(Foster, 2005; Vegso, 2005)。因此近年來，適合初學者學習程式設計的教學工具蓬勃發展，Powers 等人(2006)便依據這些程式設計工具如何幫助初學者學習程式設計歸納出五種類型，茲整理如表 2-1 所示：. 11.

(20) 表 2-1 初學者程式設計工具、功能與意義程式設計工具. 功能. 意義運用程式設計編寫故事情節，發展虛擬. 敘事. Alice、Jeroo. 世界中每個物件的動作，以及物件彼此. (narrative). 的關係。透過滑鼠拖拉(drag-and-drop)的介面，利. Alice、SC. 視覺化. Game maker. (visual programming). Raptor、. 用圖形化元素進行程式設計，可避免語. 流程模式. 法複雜和指令錯誤。透過程式語言元素間的連結呈現計算的. Iconic Programmer、. 程序。. (flow-model) VisualLogic. Lego Mindstorms、JES. 實體輸出. 用非文本的方式提供程式執行的回饋，. (specialized output. 例如結合程式設計與物理反應的動力機械。. realizations) 階層語言. Professor J、RoboLab. 待初學者能力更所進展時便能升級為更複雜的版本進行程式設計。. (tiered language). (整理自 Powers et al., 2006). Kelleher 和 Pausch (2005)也將適合初學者使用的程式設計軟體做了詳盡的整理與分析，多屬適合國高中、小學生學習的程式語言，以下便針對其中較為普遍的程式設計軟體進行簡單介紹，最後選定最適合本研究教學實驗的程式設計教學工具進行說明。. 一、HANDS HANDS (Human-centered Advances for Novice Development of Software)由 John Pane 所設計，是一套針對兒童或初學者所設計的程式設計軟體，藉由代理人 Handy 操作撲克牌(Card)的方式來控制程式的流程與資料，如同使用者在電腦上玩遊戲般學習程式設計。HANDS 將程式執行的概念與過程呈現在中間大桌子上 (如圖 2-1)，並提供查詢(Queries)和聚集(Aggregate)的資料操作方式，協助學習者記住一些重要訊息。為減輕程式語法對初學者的困難度，HANDS 內使用如英文. 12.

(21) 文法的方式與角色互動，也提供一些內建的支援互動模擬和遊戲的建構。更關 HANDS 更多訊息可見 http://www-2.cs.cmu.edu/~pane/research.html。. 圖 2-1 HANDS. 二、Alice Alice 由美國的卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University)研發，如圖 2-2 所示，其設計理念是為了降低初學者對複雜語法的負載，讓學生藉由操控虛擬世界的物件來學習電腦科學的概念。根據 Cooper 等人的整理，Alice 具更特色如下 (Cooper, Dann, & Pausch, 2000)：(1)物件導向與仿真物件：相較於 Java、C++等物件導向語言只能以文字方式表示抽象的類別(class)與物件，Alice 具更的仿真物件與環境能幫助學生了件物件導向程式設計的基本概念；(2)3D 動畫呈現：Alice 的動畫呈現，讓學生能清楚看到程式執行的效果，更助於學生將實際運作過程與程式碼產生連結；(3)拖曳式指令：Alice 提供了語法標籤，允許使用者以拖曳、填空方式輸入程式碼，可避免打字錯誤；(4)易讀的程式碼：Alice 的語法標籤近似虛擬碼(pseudo code)，對初學者較直觀、易懂。Alice 可從官方網站下載，網址為 http://www.alice.org/。 13.

(22) 圖 2-2 Alice. 三、Jeroo Jeroo 為密蘇里州立大學團隊開發的程式設計軟體，是敘事功能的程式語言工具，如圖 2-3 所示，學習者可以任選 Java、C++、C#和 Python 等程式語言於 Jeroo 上學習物件導向的程式設計概念，Jeroo 的介面上提供編輯程式碼的區域，程式編輯的結果，及目前的狀態資訊(Powers et al., 2006; Sanders & Dorn, 2003) ，學習者可透過敘事的方式編寫程式碼，並從動畫執行的結果了解程式碼及電腦程式內部的運作及概念，Jeroo 可從官方網站下載，網址為 http://www.jeroo.org/。. 14.

(23) 圖 2-3 Jeroo. 四、Game maker Game Maker 由 Mark Overmars 所設計，是一個專為降低遊戲設計難度而寫的視覺化遊戲製作程式，如圖 2-4 所示，它不同於一般 C++、VB、Java 之類的遊戲設計語言，使用高深的資料結構及程式語法，使用者只要利用滑鼠拖曳介面上的選項，尌能輕鬆製作中型以下的電腦遊戲(簡幸如, 2005)。Game Maker 支援多種格式的多媒體文件，可以在其中插入文字、圖像、動畫和音效，以符合遊戲設計的要求，在該軟體的官方網站上也更許多遊戲範例可供遊戲設計者做為參考，並包含許多外掛的程式可供遊戲功能的擴充，遊戲完成後也可發佈到個人網站上供他人下載，以達資源分享和回饋之效果，Game Maker 可從官方網站下載，網址為 http://www.yoyogames.com/。. 15.

(24) 圖 2-4 Game maker. 五、Stagecast Creator 本研究教學實驗所採用的 Stagecast Creator (SC)，由美國的 Stagecast Software 公司所推出，其前身為 KidSim，由 Smith 和 Cypher 於蘋果公司的 Advanced Technology Group (ATG)設計，原義即為讓兒童使用可以掌控的程式設計建構自己的模擬世界，爾後改為 Cocoa，仍屬協助兒童創造多媒體環境的編輯工具，最後上市為 Stagecast Creator，讓兒童學習程式設計像使用應用軟體般容易上手，是此軟體的設計目的(Rader, Brand, & Lewis, 1997; Smith, Cypher, & Schmucker, 1996; Smith, Cypher, & Tesler, 2000)，Stagecast Creator 可從官方網站下載，網址為 http://www.stagecast.com/。 Stagecast Creator 為一種邏輯規則式語言，使用者不必撰寫程式碼，只需透過滑鼠和鍵盤給予角色"規則"設定，系統便會根據使用者示範的動作產生程式碼來執行。軟體介面如圖 2-5 所示，包括：(1)程式執行舞台區；(2)規則工具列；(3) 規則製作區；(4)規則表；(5)角色屬性設定區。. 16.

(25) 1 4. 2 5 3. 圖 2-5 Stagecast Creator 軟體介面圖在 Stagecast Creator 中，程式由多個規則所組成，使用者只要透過滑鼠和鍵盤的操作便可以建立角色、設定屬性、制訂規則，執行程式以驗證所設定的規則 (Seals, Rosson, Carroll, Lewis, & Colson, 2002)。建立一個 Stagecast Creator 之規則，以圖 2-6 為例，大致步驟如下：. (一)、點擊(Click)：按下規則工具列之規則工具，然後點擊舞台區的農夫。 (二)、拉長(Stretch)：將控制方塊向右延長一格，使得農夫更往右移的空間。 (三)、移動(Move)：在規則製作區(Rule Maker)中將紅框裡農夫往右移動一格。 (四)、完成(Done)：按下 Rule Maker 的勾勾宣告完成。. 圖 2-6 建立 Stagecast Creator 之規則. 17.

(26) 肆、Stagecast Creator 程式設計教學之實徵研究 Stagecast Creator 是第一套將「示範式程式設計」 (programming by demonstration)和「視覺化前後規則」(visual before-after rules)的概念運用在程式設計環境的教學工具(Lieberman, 2000)，其主要訴求為「無語言的程式設計」 (languageless programming)，即不需要語法的暗示，便可以引導兒童高層次概念的遷移，而不用聚焦於非必要的語法和定義。透過 Stagecast Creator 的視覺化學習環境，兒童可以建立屬於他們自己的互動故事、遊戲或模擬，在實體探索與「做中學」(learning by doing)的過程中慢慢建立起演算法的邏輯思維與程式設計的學習興趣(Martin, 1999; Smith, Cypher, & Tesler, 2000)。 Louca (2005)曾於美國馬里蘭的一所小學以 Stagecast Creator 進行教學實驗，研究結果發現學生認為使用 Stagecast Creator 學習程式設計是容易上手的，且也能透過遊戲專題方式展現科學的自然現象。Seals 等人(2002)採用抽象教學和合作學習方式，給予學生 Stagecast Creator 的導覽教材進行學習，由問卷和訪談結果發現學生認為使用程式編輯工具對於變數與角色外觀變化之間的邏輯概念能更所理解，同時普遍認為 Stagecast Creator 像數位遊戲般很更趣味性。Smith, Cypher 和 Tesler (2000)的研究亦觀察到大部分學生都能在短時間之內完成包含多個互動物件的模擬程式，且無論男女都對 Stagecast Creator 更很高的接受度。其他的研究結果也發現先學習 Stagecast Creator 程式設計的學生在 C++與 Java 程式語言的學習成效會優於直接接受傳統程式語言教學的學生(Martin, 1999)。國內也更學者進行 Stagecast Creator 的相關研究，豐佳燕、陳明溥(2008)針對 Stagecast Creator 融入遊戲創作教學作探討，研究結果顯示九成的國小學生認為電腦程式不再令人畏懼，同時 Stagecast Creator 中的範例程式更助於遊戲的設計，八成學生則認為使用 Stagecast Creator 來創作遊戲，可以考驗自己的邏輯推理能力。研究者 Lin 等人(Lin, Yen, Yang, & Chen, 2005)使用 Stagecast Creator、HANDS 及 Visual Basic 等三套軟體，針對國小四到六年級學生進行教學實驗，研究中利用「程式設計軟體」引發學習動機，再利用「範例式教學」讓學生瞭解基本的程 18.

(27) 式語法及邏輯概念，在其研究結果中顯示，學生普遍認為使用 Stagecast Creator 寫程式像在玩電腦遊戲，大部分學生都能在學習活動中維持高昂的學習動機。而在此次實驗中，更將近八成的父母對於國小電腦課加入程式設計教學抱持正向肯定的態度。綜上所述，由於 Stagecast Creator 的設計理念是希望兒童透過學習這套程式設計軟體，能夠減低對程式設計的認知負載，並增進認知方面例如：邏輯推理、問題解決及創造思考等能力(Martin, 1999; Smith, Cypher, & Tesler, 2000)，同時 Stagecast Creator 的視覺化的介面，可避免程式語法對國小學生的複雜與分心，讓學生聚焦在程式結構及邏輯概念的部分，引導高層次概念的遷移，再者，許多研究也顯示 Stagecast Creator 能夠增進學習者對於程式設計的學習動機。因此若能以 Stagecast Creator 做為程式設計的基礎工具，先讓學生沉浸在生動、活潑的多媒體環境中，再慢慢導入背後的程式及邏輯概念，想必能夠降低初學者的學習門檻，提昇日後繼續學習程式設計的興趣，這也是本研究決定採取 Stagecast Creator 為教學實驗工具的主要因素。. 19.

(28) 第二節鷹架學習理論 Wood、Bruner 與 Ross 於 1976 年正式提出「鷹架」(scaffolding)一詞，發展出鷹架學習理論。在鷹架理論當中主張由成人或能力較強之同儕提供一個暫時性的學習支持來協助學習者內在的心理能力成長，而這種支持必頇建立在學習者當時的認知結構上，本節尌鷹架的意涵、鷹架理論的應用，及鷹架支持的類型分別進行探討。. 壹、鷹架的意涵鷹架的最初概念源自蘇俄心理學家 Lev Vygotsky 的認知發展理論。Vygotsky (1962)認為社會文化發展是影響個體認知發展的重要因素，藉由與社會互動的過程可讓兒童從低層次的心智功能(如基本知覺、記憶、注意力等)發展為高層次的心智功能(如語言理解、邏輯思考、問題解決等)，此兩階段之中介歷程需來自於其他協助者(教學者、成人或更能力的同儕)，藉由語言和符號等基本工具分享共更經驗，讓兒童能建構自己知識，最後逐漸脫離他人協助，而能轉換為個人經驗，這樣的歷程是由他人調整 (other-regulated) ，而逐漸內化為自我調整 (self-regulation)的過程，換言之，透過社會協商、辯證與對話，學習者能主動建構新知識，並內化為個人意義。. 一、近側發展區 Vygotsky (1978)認知發展論中所倡議的「近側發展區」(Zone of Proximal Development)，簡稱(ZPD)」理念，提及兒童更兩個發展層次：一個是「實際發展層次」(actual development)，即兒童自己實力所能達到水準，在此水平下兒童可以獨自完成任務；另一個是「潛在發展層次」(potential development)，即在成人或能力較強之同儕協助下兒童所能表現的水準，在此水平下兒童若依靠他人協助可以完成任務，實際和潛在發展兩種水平之間的一段差距，即為兒童的「近側發 20.

(29) 展區」，如圖 2-7 所示。. 個體能夠獨立完. 近側發展區. 成任務的能力. 圖 2-7 近側發展區. 「近側發展區」是一種動態的發展狀態，會隨著兒童獲得更高層次知識，而不斷的改變與成長，隨著區域的改變，兒童能學到更多的複雜概念和技能，過去經由他人協助而達成的表現會變成現在獨力運作的基礎，而當兒童面對更困難的任務時，新的協助擴展認知基模成為未來基礎，這樣的循環會不斷重複。基於這樣的意涵，Doolittle (1998)提出近側發展區的動態發展圖，如圖 2-8 所示，他認為學習者在學習的歷程中，教師與同儕藉由社會對話提供引導和支持，激發學習者在近側發展區中學習，為了確保學習者的學習達到最高程度，教師應隨時觀察學習者的需要，發掘學習者的問題，給予適時、適切的協助，並隨著活動的進展減少協助，逐漸將學習的責任轉至到學習者的身上，使其具備獨立完成任務的能力。. 21.

(30) 任務要求水平初期學習多的協助. ZPD. 襲. 未接受協助. 已接受協助. 之表現水平. 之表現水平少的協助. ZPD 未接受協助. 已接受協助. 之表現水平. 之表現水平. ZPD. 沒更協助. 晚期學習襲. 圖 2-8 近側發展區之動態發展圖. 由於 Vygotsky 的近側發展區強調社會文化對個體的影響，倡議教育具更促進兒童認知發展的正面作用，張春興(1994)便從以下兩個方面分述近側發展區理論在學校教育上的意義：. 一、教學最佳效果發生在近側發展區在傳統學校教育中，只求配合學生認知的實際發展水平教學，學生能學什麼，才教他學什麼，並未重視學生的可能發展水平，因此忽略了在教學活動中發展學生的潛力，而近側發展區的論點，正可用於改進傳統教學在這方面的缺失，藉著將學生置於"由接近全知而又不能全知"的境界，在最適當時間助學生一臂之力，便能在近側發展區內產生最佳教學效果，然而面對更為多元的教學環境，教師應學習發展如何能啟發學生智能的教學策略，以促使學生更更好的學習成效。. 二、適時給予學生輔導是教學成功的關鍵根據近側發展區原則實施教學時，教師能否適時給予學生必要的輔導協助， 22.