教學方式與引導策略對國小四年級學習者micro:bit程式設計學習成效及態度之影響
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(3) 教學方式與引導策略對國小四年級學習者 micro:bit 程式設計學習成效及態度之影響 郭家禎 摘要 本研究旨在探討程式設計教學方式及引導策略對於國小四年級學習者在微 型電腦 micro:bit 程式設計學習成效及學習態度的影響。學習者依循不同的學習方 式與學習單所提供之引導策略進行遊戲專題。研究對象為國小四年級學習者，採 因子設計之準實驗研究法，參與者為台北市某國小四年級 217 位學生，剔除未能 全程參與者 50 人，並依前測總分剔除各組極端值共 15 人，故有效樣本 152 人。 自變項包含教學方式及引導策略；教學方式依教學導引之差異區分為「情境導向 學習」與「功能導向學習」 ；引導策略則依提供之引導方式分為「問題引導」與「程 序引導」 。依變項包含程式設計之學習成效(知識理解、知識應用、實作表現)與學 習態度(動機、幫助度、滿意度)。 研究結果顯示：就學習成效而言，(1)在知識理解方面，功能導向學習組優於 情境導向學習組；(2)在知識應用方面，以功能導向為學習方式時，問題引導組的 學習表現優於程序引導組；而以問題引導為策略時，功能導向學習組的學習表現 優於情境導向學習組；(3)在實作表現方面，以情境導向為學習方式時，問題引導 組的學習表現優於程序引導組；而以程序引導為策略時，功能導向學習組優於情 境導向學習組。在學習態度方面，(4)各實驗組學習者對微型電腦 micro:bit 程式設 計學習活動皆抱持著正向的學習動機；(5)以程序引導為策略時，情境導向學習組 的學習者比功能導向學習組感受到較高的學習幫助度與滿意度。. 關鍵詞：教學方式、引導策略、體驗式學習、micro:bit. i.
(4) The Effects of Types of Teaching Strategy and Guidance on Elementary Student’s micro:bit Programming Performance and Attitude Kuo Jia Jhen Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of types of teaching strategy and guiding strategy on elementary students’ micro:bit programming performance and attitude. A quasi-experimental design was employed and a total of 152 fourth graders participated in the experimental activity. The independent variables included programming teaching strategy (situation-oriented vs. function-oriented), and guiding strategy (question-guidance vs. procedure-guidance). The dependent variables were students’ learning performance and attitude. The results revealed that: (a) for the comprehension performance, the functionoriented group outperformed the situation-oriented group; (b) as for the application performance, while receiving the function-oriented learning, the question-guidance group outperformed the procedure-guidance group, and the function-oriented group outperformed the situation-oriented group while receiving the question guidance; (c) for the programming project performance, while receiving the situation-oriented learning, the question-guidance group outperformed the procedure-guidance group, and the function-oriented group outperformed the situation-oriented group while receiving the procedure-guidance; (d) all participants showed positive motivation toward the implemented mico:bit programming learning; furthermore, (e) in the procedureguidance group, the situation-oriented group showed higher degree of attitude in aspects of helpfulness and satisfaction. Keywords: Teaching strategy, Guiding strategy, Experiential learning, micro:bit. ii.
(5) 誌謝 “Happiness is only real when shared.”—Christopher McCandless, Into the Wild. 歷經三加一年的奇幻漂流旅程，隨著最後這篇文字的句點抵達終點，把這份 喜悅連同感謝分享給這段歷程裡曾經現身的所有人。 「慎終如始」是我對作業報告、學術研究的堅持，也許仍有缺失與不足，但 不至於仰愧於天。感謝明溥教授像學識汪洋大海中的佇立在遠方、屹立高聳的燈 塔，在教學設計有如海象變化多端、詭譎難測之時，微弱的亮光仍規律地、強硬 地穿透濃霧、指引著我往正確的前方挺進。尤其每每看到老師面容堆滿著和霭愉 快的笑意，或聽聞 SIG 交流現場、研討會會後各種插曲時，都實至名歸地如同 Magic Power 一樣把研究生們的苦不堪言變成甘之如飴。感謝擔任口試委員的李 文瑜及陳浩然教授如領航員般的提問，使我的修訂後的碩士論文更臻完善。 依歸在同一座燈塔底下的 ILT Lab，我們是遵循著雁行理論的航海艦隊。無比 慶幸認識佳燕學姐，在資優與資訊教育之路中的提點與引薦，是我的良師典範； 謝謝彩鳳、曉瑀、怡文與政凱，從研究汪洋初航的同甘共苦到平淡生活的嬉笑怒 罵中，喜歡彩鳳時常迥於常人的反應和語出驚人的華語，喜歡曉瑀中肯評論的淡 定個性和餐盤留下的紅蘿蔔，喜歡怡文溫暖的文字關切與手作卡片，以及政凱從 實驗設計、教學現場的互相激勵，到口試前 demo 影片等義不容辭的協助，你們 是我在 ILT 最堅強的後盾。謝謝敏華、郁婷與英發，從討論 3C 產品到動漫扭蛋 皆十分舒壓，是一起畢業且經歷大小 meeting 的好戰友們，互相支援、分工合作 地完成實驗教學和論文口試。所辦的嘉玲姐與魏先生總是在行政事務上給予許多 暖心的提醒和協助；畢業將近，嘉心、羿云、宛萱與玉書，有你們的加入讓運動 日死灰復燃，還帶領我到瑜珈的新世界，並且開創了瑪莉歐車隊的前景。 帶職三餘的這些年，我特別感謝勤樸三樓的夥伴們，雪芳、益君與婉筠老師， 從初任就職一直到擔任召集人，於公以前輩之姿在教育現場一路提攜使我茁壯， 於私如同家人一般關心我身體健康與研究進度。感謝一弘、哲享與建煌老師在校 內電腦課給予指點與協助安排課務；還有畢氏發現園地的 14 位小天使與你們所 有的同儕們，除了在教學中的表現，你們偶爾貼心的舉動與純真的笑容，使我度 過許多不晴朗的日子。 最後感謝從大學至今一路看著我有所蛻變的牧羊人夥伴、我的人生導師們， 學雅、純瑞、巧芸、雅婷、容瑜，遇見你們之後我越來越容易覺得感動，因為每 次相聚與對談中知道有些善意和溫柔是如此得來不易。從前室友 F、紅色燕子、 窗檯邊的女孩到阮哥，使我明白我是如此幸運、有能量的人，也讓我知道人生在 某些階段就得開始理解，全心全意的努力也會有必須要接受和面對的遺憾。 所有的波折都是讓美好風景更理直氣壯地出現，雖然總是太恣意妄為地活著， 但感謝實驗教學的壓力促使我完成願望清單、考取 Open Water 水肺潛水證，為這 段漂流旅程中真切地留下許多難以往懷的湛藍回憶。 家禎 謹識 2020 年盛夏. iii.
(6) 目錄 附表目錄................................................................................................................ VI 附圖目錄............................................................................................................. VIII 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 程式設計教學方式 ......................................................................13 第三節 引導策略 ......................................................................................16 第四節 體驗式學習 ..................................................................................19. 第三章. 研究方法...............................................................................................23 第一節 研究對象 ......................................................................................23 第二節 研究設計 ......................................................................................24 第三節 實驗流程 ......................................................................................38 第四節 研究工具 ......................................................................................40 第五節 資料處理與分析 ..........................................................................45. 第四章. 研究結果與討論...................................................................................46 第一節 程式設計學習成效分析 ..............................................................46 第二節 程式設計學習態度分析 ..............................................................54. 第五章. 結論與建議...........................................................................................62 第一節 結論 ..............................................................................................62 第二節 建議 ..............................................................................................65 iv.
(7) 參考文獻 ................................................................................................................ 68 附錄一. 程式設計學習成效測驗卷 .................................................................. 74. 附錄二. 程式設計學習動機問卷 ...................................................................... 81. 附錄三. 情境導向學習 — 問題引導組學習單 .............................................. 83. 附錄四. 情境導向學習 — 程序引導組學習單 ............................................ 100. 附錄五. 功能導向學習 — 問題引導組學習單 ............................................ 117. 附錄六. 功能導向學習 — 程序引導組學習單 ............................................ 134. v.
(8) 附表目錄 表 2-1 五種新技術以教授與學習程式設計與運算思維 ........................................... 10 表 2-2 Resource-Based Learning Environments 引導方式 ......................................... 17 表 3-1 實驗教學分組與各組人數分配表 .................................................................. 23 表 3-2「比特猴接香蕉」課程知識架構表 ................................................................ 26 表 3-3「比特猴接香蕉」專題課程活動架構 ............................................................ 27 表 3-4 體驗式學習環融入各組學習階段之架構 ....................................................... 28 表 3-5 程式設計學習成效測驗卷之內容向度、題數分配及信度係數 .................. 40 表 3-6 程式設計學習實作表現評量表之內容向度及計分說明 .............................. 41 表 3-7 程式設計學習態度量表之量表內容向度、題數分配及信度係數 .............. 42 表 4-1 程式設計學習成效之平均數、標準差與人數 .............................................. 46 表 4-2 程式設計學習成效之多變量共變量矩陣等式 Box 檢定.............................. 48 表 4-3 程式設計學習成效之多變量共變數分析摘要 .............................................. 49 表 4-4 知識應用之教學方式*引導策略單純主效果分析摘要 ................................ 50 表 4-5 實作表現之教學方式*引導策略單純主效果分析摘要 ................................ 51 表 4-6 程式設計學習成效之結果摘要表 .................................................................. 51 表 4-7 程式設計學習動機價值成分之平均數、標準差與人數 .............................. 55 表 4-8 程式設計學習成效之多變量共變量矩陣等式 Box 檢定.............................. 56 表 4-9 程式設計學習態度之多變量共變數分析摘要 ............................................... 57 表 4-10 學習幫助度之教學方式*引導策略單純主效果分析摘要 .......................... 57 表 4-11 學習滿意度之教學方式*引導策略單純主效果分析摘要 .......................... 58 表 4-12 程式設計學習態度之結果摘要表 ................................................................ 59. vi.
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(10) 附圖目錄 圖 2-1 體驗式學習環歷程 .......................................................................................... 20 圖 3-1 研究設計架構圖 .............................................................................................. 24 圖 3-2 各組進行具體經驗階段之學習單操作指示與提問 ...................................... 29 圖 3-3「情境導向學習組」以遊戲情境中完整組合的程式積木為範例 ................ 30 圖 3-4「功能導向學習組」分析任務目標後再逐一以解構的程式積木為範例 .... 30 圖 3-5「情境導向學習-問題提示組」依任務情境條列積木指令的名稱與圖示 ... 31 圖 3-6「情境導向學習-程序提示組」依任務情境條列積木指令的名稱、圖示 與功能................................................................................................................... 31 圖 3-7「功能導向學習-問題提示組」依功能設定條列積木指令的名稱與圖示 ... 32 圖 3-8「功能導向學習-程序提示組」依功能設定條列積木指令的名稱、圖示 與功能................................................................................................................... 32 圖 3-9「問題提示組」提供之步驟中紀錄答案建立抽象概念 ................................ 32 圖 3-10「程序提示組」閱讀步驟以反覆驗證建立抽象概念 .................................. 33 圖 3-11「問題提示組」透過文字敘述輔以程式積木圖片提問積木功能 .............. 34 圖 3-12「程序提示組」以文字敘述提供詳細的基本執行步驟 .............................. 35 圖 3-13「比特猴接香蕉」數位學習環境 .................................................................. 36 圖 3-14 MakeCode 程式設計網站介面 ....................................................................... 37 圖 3-15 微型電腦 micro:bit......................................................................................... 37 圖 3-16「比特猴接香蕉」學習活動之教學實驗流程圖 .......................................... 38 圖 3-17 程式設計學習成效及學習態度資料分析流程 ............................................ 45 圖 4-1 教學方式*引導策略對程式設計學習成效知識應用之交互作用圖 ............ 50 圖 4-2 教學方式*引導策略對程式設計學習成效實作表現之交互作用圖 ............ 51 圖 4-3 教學方式*引導策略對程式設計學習幫助度之交互作用圖 ........................ 58 圖 4-4 教學方式*引導策略對程式設計學習滿意度之交互作用圖 ........................ 59. viii.
(11) 1.. 第一章. 緒論. 本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限 制及重要名詞釋義共四節，分別進行探討。. 第一節. 研究背景與動機. 運算思維(Computational thinking, CT) 是二十一世紀的未來新世代裡最值得 培養的技能，近年來這樣的信念在國際間廣泛認同且將運算思維納入其義務教育 的國家也急速攀升(Zhang & Nouri, 2019)。世界各地有許多政府正在將電腦程式設 計納入其國家的教育課程，近期在英國和其他歐洲國家皆從小學導入電腦科學教 學的決定，即反應出重視運算思維之趨勢(Román-González et al., 2017)。可見程式 設計教學的重要性與日俱增，教育部(2018)公布十二年國民基本教育課程綱要之 科技領域課程雖未規劃國小階段的學習時數，但在臺北市科技領域國小資訊科技 課程教學綱要(2018)中提到，為維持臺北市學生之基本科技素養與優勢，有必要 將國小資訊教育課程結合生活科技領域與時代潮流的科技議題，訂定相關之教學 綱要與學習內容。然而許多國家面臨的共同挑戰是如何快速培育教師，使教師掌 握相關知識與技能，並開發適合的教材(Carlborg, Tyren, Heath,& Eriksson, 2019)。 運算思維被視為一種能提出可由電腦執行之步驟或演算法為解決方案的思維過 程，而建立運算思維最有效率的方式即是學習電腦科學(Cuny, Snyder, & Wing, 2010; K-12 Computer Science Framework Steering Committee, 2016)。學習程式、寫程式能夠. 有效提升學生在問題解決、創意思考等高層次思考能力，且多數研究指出若在國 中小適當引入前導的程式課程概念，有助於提升學習程式的動機與學習成效。因 此，程式設計應該是人人具備的基本能力，程式設計的教學透過有系統、邏輯解 題方式，可以培養學生的邏輯及抽象思考能力，這些能力能不僅能應用在電腦科 學的學習上，甚至是日常生活裡的實際問題，幫助他們在不同的領域上解決問題， 皆能反覆思考與應用(Barzilai & Blau, 2014; Fessakis et al., 2013; Feng & Chen, 2014)。. 1.
(12) 體驗式學習的意涵為學習者經由學習活動中，反思其學習歷程之經驗，從學習中 獲得領悟(insight)，再將習得知識應用在日常生活之問題解決(王麗君, 2010)。而透 過製作遊戲，能為學習者提供精熟程式設計的機會(Hayes, 2008; Kafai, 2006)。本 研究以程式設計教學提升學習者運算思維能力，透過體驗式學習為學習活動架構， 並依據體驗式學習四個階段之具體經驗、反思觀察、抽象概念與主動驗證(Kolb, 1984)編製具結構化且詳盡的紙本教學教材，冀望能為目前國小資訊科技領域提供 具提升學習成效之教學課程。 程式語言的知識屬性為較抽象、不易理解，容易導致初學者學習困難且學習 興趣低落(Winslow, 1996)。Soloway (2010)指出初學者的程式語言環境，應具有簡 單及視覺化的特性。目前已有許多學習程式設計的工具軟體與活動，運用視覺化 與圖像式的程式語言能提供初學者一個容易學習的環境(Kelleher & Pausch, 2005; Isomöttönen, Lakanen, & Lappalainen, 2011)，包括 Alice(Cooper, Dann, Pausch, & Pausch, 2000)、Lego (Kim & Jeon, 2007)、Scratch (Maloney, Resnick, Rusk, Silverman, & Eastmond, 2010)、Kodu (MacLaurin, 2011)、Code.org (Kalelioğlu, 2015)、micro:bit (Sentance, Waite, Hodges, MacLeod, & Yeomans,2017)等。在程式設計教法上若能避. 免複雜的語法結構(Kehoe & Taylor, 2014)，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(Grover & Pea, 2013)。而微型電腦 micro:bit 利用圖形化介面用積木組合程式指令即可完 成專案，支援中文化使學童容易學習；且網路社群多有提供 micro:bit 學習主題 課程，不僅讓學生容易自學，教學者也能快速上手用於課堂教學(蘇晉輝、盧東 華,2019)。目前國內微型電腦或開發版之教學多於國高中階段，而國小階段主要以 Scratch 進行程式設計教學，在結合實體運算裝置的教學研究仍有可研議之處，因 此本研究以微型電腦 micro:bit 為教學實驗工具，推廣資訊領域教學應用，並透過 製作遊戲專題為學習任務，激發程式設計初學者思考與學習動機。 綜合上述，本研究旨在探討在微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題中教學方 式(情境導向學習、功能導向學習)與引導策略(問題引導、程序引導)對不同先備知 2.
(13) 識(高先備知識、低先備知識)之國小學習者程式設計學習的影響，並期望對國小 學習者在程式設計專題程式學習成效與學習態度有正向影響。. 3.
(14) 第二節. 研究目的與待答問題. 本研究目的在探討程式設計遊戲專題的教學方式(情境導向學習、功能導向學 習)及引導策略(問題引導、程序引導)對於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題程式的學習成效與學習態度之影響，研究目的與待答問題分述 如下：. 壹、研究目的 本研究之研究目的如下： 一、探討教學方式(情境導向學習、功能導向學習)及引導策略(問題引導、程序引 導)對於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題程式學習 成效(知識理解、知識應用、實作評量)之影響。 二、探討教學方式(情境導向學習、功能導向學習)及引導策略(問題引導、程序引 導)對於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題程式學習 態度(學習動機、學習幫助度、學習滿意度)之影響。. 貳、待答問題 根據上述之研究目的所提出待答問題如下： 一、教學方式(情境導向學習、功能導向學習)及引導策略(問題引導、程序引導)對 於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題程式學習成效上 是否有差異？ 二、教學方式(情境導向學習、功能導向學習)及引導策略(問題引導、程序引導)對 於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題程式學習態度上 是否有差異？. 4.
(15) 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，在研究對象、學習內容、學習時間與 環境及評量方法有以下之研究範圍與限制：. 壹、研究對象 本研究以國小四年級學習者為對象，年齡介於 10 至 11 歲間，因時間與人力 之因素，研究樣本採取立意選取臺北市某一國小四年級之所有班級，該校採異質 性常態編班，其八個班級共 217 位學習者進行教學實驗。研究對象為程式設計初 學者，即具備資訊科技基本操作能力，但卻無程式語言概論課程學習經驗之學習 者；其自國小三年級開始學習電腦資訊課程，具備基本操作電腦工具與網際網路 的能力，但沒有程式語言概念課程之學習經驗，亦沒有以程式控制實體 micro:bit 之操作經驗，視為程式設計初學者。. 貳、學習內容 本研究之學習內容為微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題實作，教學範疇包 含程式設計七大概念中的序列、迴圈、平行、事件、條件、運算子、資料，以及 控制實體微型電腦 micro:bit 感測器，包含 A、B 鍵按鈕與 LED 指示燈之輸入與 輸出等相關程式概念。教學活動中以微型電腦 micro:bit 為學習工具，協助學習者 瞭解程式動態的執行過程，並透過運算實作中實驗與迭代、測試與除錯、重複使 用、抽象簡化等作法，讓學習者更理解運算思維與程式語言的抽象概念。. 參、學習時間與環境 本研究各組學習者皆有相同的學習時間，實驗教學活動為配合學校課程及教 學時間，以班級為單位，實驗教學為期 6 週，每週一節課，一節課 40 分鐘，總學 習時間為 4 小時。每位學習者皆在原班級所在之電腦教室進行教學實驗，皆配有. 5.
(16) 一部電腦操作程式設計軟體及一個獨立使用的微型電腦 micro:bit 進行學習，且教 師使用電腦、麥克風及廣播系統進行授課。. 肆、評量方法 本研究以成就測驗與自評量表等兩種為主要評量方法。成就測驗以「專題實 作表現評量表」由研究者本人與相關專業教師共同進行評量，受試者於每節課後 專題作品完成之狀況作為評分依據；及「程式設計學習成效測驗」於實驗教學結 束後以線上測驗方式於電腦教室進行作答，受限於線上填答格式，僅能以四選一 之選擇題方式進行測驗。自評量表為「程式設計學習態度問卷」 ，用以評量學習者 的程式設計學習態度，同樣採線上表單方式讓學生進行填答，未必能真正測量學 生的程式概念。. 6.
(17) 第四節. 重要名詞釋義. 本研究之重要名詞，分別說明如下：. 壹、程式設計教學方式 本研究之程式設計遊戲專題學習任務以兩種不同程式設計教學方式「情境導 向學習」與「功能導向學習」進行。情境導向學習是以遊戲情境中完整組合的程 式積木為範例，詳細說明每個積木的用途與功能進行教學，學習各段落程式之功 能及其在完整程式之作用；功能導向學習則是先透過分析任務目標，再逐一透過 以解構的程式積木為範例，並詳細說明每個積木的用途與功能。. 貳、引導策略 在學習者學習的過程中給予適當的提示與引導，以不同的引導策略激發學習 者學習，達到教學目標(Chen & Tsai, 2016)。本研究之教學實驗採用兩種引導策略 之程式設計學習活動，分別為「問題引導」與「程序引導」 。問題引導係在學習單 上條列各積木指令的名稱與圖示，並透過文字敘述輔以程式積木圖片的問題， 對學習者提問積木功能，並紀錄答案建立抽象概念；程序引導係在學習單上條列 各積木指令的名稱、圖示與功能，並以文字敘述提供詳細的基本執行步驟， 使學習者找尋對應積木圖示後，反覆驗證建立抽象概念。。. 參、體驗式學習 體驗式學習指個人透過生活體驗後建構知識，過程中提升自我價值與能力的 學習歷程。本研究教材設計根據 Kolb (1984)所提出之體驗式學習環(experience learning cycle)，以「具體經驗」、「反思觀察」、「抽象概念」、「主動驗證」四階段 的歷程，使學習者透過真實經驗，觀察反思並建構抽象概念，將其轉化為知識， 接著檢視與驗證所習得概念的正確性。. 7.
(18) 肆、微型電腦 micro:bit 由英國 BBC 所主導開發的 micro:bit 是袖珍型可進行程式設計的實體運算設 備。該設備有許多功能：它具有內置 25 個紅色 LED 燈可閃爍訊息，2 個按鈕， 透過程式設計可用於控制程式或遊戲，以及可檢測運動和方向的感應器，並且支 持藍牙低功耗無線通信。其可以透過桌上型電腦、筆記型電腦或平板在基於網頁 的環境中編寫程式(Kalelioglu & Sentance, 2019)。. 伍、程式設計學習成效 程式設計學習成效泛指學習者對程式設計之學習理解及應用。本研究之程式 設計學習成效係指學習者經由教學實驗後「程式設計學習成效測驗」與「程式設 計學習實作」之表現。各向度所得分數越高，代表學習者程式設計學習表現越好。. 8.
(19) 2.. 第二章. 文獻探討. 本研究旨在探討程式設計遊戲專題的程式教學方式(情境導向學習、功能導向 學習)及引導策略(問題引導、程序引導)對於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計學習成效與學習態度。本章首先剖析程式設計教學之現況、程 式設計初學者之學習困難，再探討體驗式學習環結合不同程式教學方式與不同引 導策略對微型電腦 micro:bit 程式設計學習成效及學習態度影響。以下分別就「程 式設計教學」、「體驗式學習」、「程式學習方式」及「引導策略」相關文獻進行歸 納與整理。. 第一節. 程式設計學習. 學習程式設計不僅讓學習者了解程式語言的基礎概念，更能有系統化問題解 決能力、邏輯思考培養學習者具備運算思維(Wing, 2006)，本節針對「程式設計學 習之重要性」 、 「程式設計初學者之學習困難」 、 「實體運算裝置微型電腦輔助程式 設計學習」分別進行探討。. 壹、程式設計學習之重要性 運算思維是二十一世紀兒童的關鍵技能。然而，目前仍不清楚運算思維如何 以最有效的方式在兒童上發展，目前用以培養運算思維，且備具可能性的其他方 式，例如教育機器人、講故事、不插電的活動、Scratch Jr 等(Pérez-Marín et al., 2018)。 有許多新的學習工具會被用來教電腦科學、機器人及程式設計等等。Moreno-León、 Román-González 與 Robles (2018)整理出五種新技術以教授與學習程式設計與運算 思維，如表 2-1。美國 K-12 Computer Science Framework Steering Committee (2016) 則提出而建立運算思維最有效率的方式即是學習電腦科學，豐富的電腦運算環境 像是文字式和圖像式程式設計語言，皆能允許學習者審視、自編指令與操作機器， 以支持學生發展運算思維能力。. 9.
(20) 表 2-1 五種新技術以教授與學習程式設計與運算思維 新技術. 內涵. 學習者參與包含邏輯遊戲、紙牌、拼圖或物理動作以連結電腦科 不插電活動 學概念，像是演算法、資料傳輸或數據表示。這些活動避免使用 數位裝置，因為他們專注於想法與概念，而非實作。 流程圖的視 學習者利用箭頭或圖標直觀地編寫一系列的命令，且這些指令非 覺環境 常直觀且易於使用。其被設計為即使不能閱讀的孩童也可以使用。 積木圖像式 學習者可以直觀地編寫一系列的命令，並可用積木圖像或段落程 環境 式對齊。 文字式程式 學習者必須輸入指令並注意不同程式語言的特定語法，例如 Java 設計語言 或 Python。 與現實世界 學習者透過程式設計來控制實體以影響物理環境。以此還可區分 相連 為可編程的玩具、教育機器人或開發板。. 在 CSTA K-12 Computer Science Standards 中，提出 K-12 學童需培養運算思 維能力、電腦基礎概念及簡單的程式編輯能力，Horizon Report K-12 (2017)強調撰 寫程式的素養(Coding as a Literacy)和學生為創作者(Students as Creators)為美國教 育科技發展的重要趨勢。可見程式設計教學的重要性與日俱增，學習程式設計是 為了培養學習者分析問題、邏輯思考及運用解題策略，再經由實作驗證程式執行 結果，並於過程中調整及除錯之問題解決的能力(Korkmaz, 2016; Soloway, 1986)。 而在臺灣 108 課綱實施後，程式設計的課程將納入資訊科技領域，但對於程式語 言的教學，如何教、教什麼程式語言、使用何種教學策略仍為備受關注的議題(呂 郁欣，2017)。. 貳、程式設計初學者之學習困難 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 挑戰是必須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(Kaya & Cagiltay, 2017)。程式設 計是一個複雜的問題解決歷程，學習的目的不是為了成為程式設計師，而是培養 10.
(21) 學 習者運用程式的語 法和技巧來解決日常 周遭的各種問題能力 (Filsecker & Hickey, 2014; McCall, 2016)。 程式設計初學者對於解決問題上，常不知從何下手，無法將所學的知識運用 出來，導致無法進入解題的脈絡之中(Lye & Koh, 2014)。當學習者在設計程式時， 需要將問題的描述轉為程式邏輯。將程式運作上的邏輯架構再轉為程式碼的過程 是困難的。程式設計學習是要讓學習者根據程式語言的語法、語言結構與設計技 巧來解決問題(Spohrer & Soloway, 1986)，也就是學習者必須要能夠以程式語言邏 輯的思考方式來解決問題。同時，程式語言的知識屬性為較抽象、不易理解，容 易導致初學者學習困難且學習動機低落(Winslow, 1996)儘管學習程式設計能夠培 養學習者問題解決的能力，但對於先備知識不足的初學者來說，常常不理解程式 背後的抽象概念。既使透過教師講述，但卻不知道程式概念所執行的結果，仍舊 導致對概念的不理解。 參、實體運算裝置輔助程式設計學習 使用程式設計硬體可創造性地設計有形的交互式對象或系統的最終過程就 是現在所稱的實體運算。特別是在 K-12 電腦科學的教育環境中，為使用者提供 了一種跨越硬體和軟體的實體運算體驗為其優勢(Sentance et al., 2017)。現在有許 多支持程式設計和數位學習的物理設備可供使用，他們讓兒童與青少年感到有趣， 且容易獲得或展現創造力(Kalelioglu & Sentance, 2019)。 由英國 BBC 所主導開發的 micro:bit 是袖珍型可進行程式設計的實體運算設 備。該設備有許多功能：它具有內置 25 個紅色 LED 燈可閃爍訊息，2 個按鈕， 透過程式設計可用於控制程式或遊戲，以及可檢測運動和方向的感應器，並且支 持藍牙低功耗無線通信。其可以透過桌上型電腦、筆記型電腦或平板在基於網頁 的環境中編寫程式。在英國微型電腦 micro:bit 已於 2016 年廣泛推廣給七年級學 習者，目前向所有年齡層的學習者，改善他們的科技與工程學習(Kalelioglu & Sentance, 2019)。. 11.
(22) 綜合上述，透過學習程式設計培養運算思維，不僅能應用在電腦科學，也能 應用到其他相關科目中，甚至是日常生活裡，是學生需培養終身學習所需的重要 能力之一。因此，本研究以實體運算裝置微型電腦 micro:bit 及體驗式學習環引導 學習程式設計，搭配視覺化程式語言網站 MakeCode，期望透過專題式學習任務 培養高層次的思考及增加學習成效與學習動機。. 12.
(23) 第二節. 程式設計教學方式. 程式設計是一種解題活動，程式設計的學習可以透過解題技巧的遷移而達成； 運算思維的過程中，就是將問題拆解至許多個小問題解決，透過描述問題、解釋 數據、發展演算法來解決問題(Barr & Stephenson, 2011; Mayer, 1992)。本節針對 「程式設計教學之策略」、「程式設計教學方式之應用」分別進行探討。. 壹、程式設計教學之策略 運算思維的基本要素包含了問題解決、系統設計及理解人類行為(Wing, 2006)。 學習者學習程式設計，先從問題整體性觀念出發，而後進行工具學習，最後統整 工具於實際問題解決之中；要具備能夠撰寫程式以操控電腦的能力，需整合數種 型態的知識，如程式設計的語法知識、語意知識、以及問題解決(Chen & Tsai, 2016)。 Shneiderman (1980)將程式設計技能定義成四項：(1)程式的理解：瞭解一個寫好的 程式執行程序的能力；(2)程式的組成：分析問題並且知道如何解決問題的能力； (3)程式的除錯：分析錯誤、找出錯誤及改正錯誤的能力；(4)程式的修改：以正確 的程式為基礎，能修改程式以完成另一個目標的能力。 Robins、Rountree 與 Rountree (2003)在程式設計教育領域文獻回顧中分析程 式設計專家與新手在學習程式設計之差別，並提出以系統化分析可由上至下或由 下至上之策略解構程序性任務工作，且指出教學者應該設法引起學生學習動機， 可以運用視覺化的程式設計環境。而視覺化程式設計環境採用多樣的視覺化元素， 幫助初學者建構程式並瞭解程式執行過程 (Kelleher & Pausch, 2005; NavarroPrieto & Canas, 2001)。另外，教師在程式教學的過程中，應預留時間引導學生進 行思考，並強調程式的思考邏輯與其運作方式。教學者除了要引導學習者理解問 題、分析問題並構思解決方法進而撰寫出程式外，更重要的是當學習者在發現程 式錯誤時，能引導觀察程式錯誤的原因、學習修正錯誤的技巧，幫助學習者發展. 13.
(24) 其解決問題的能力，進而使其獲得成就感，並提升其學習興趣(Lykke, Coto, Jantzen, Mora & Vandel, 2015)。. 貳、程式設計教學之應用 Barnes、Fincher 與 Thompson (1997)根據 Polya 問題解題策略(1957)提出程式 設計的四個步驟，(1)理解問題情境：瞭解問題或任務情境，並鼓勵學習者提問釐 清任務範圍；(2)擬定解題計畫：根據舊經驗或現有課程教材中範例設計為參考， 將問題拆解以擬定解題計畫；(3)進行程式設計：按照計畫依序完成階段程式，並 逐步進行檢測；(4)回顧解題歷程：針對已完成的程式進行檢討與反思，累積經驗 鞏固所學。其四個步驟內涵亦能呼應體驗式學習環之四個階段意義，因此本研究 以 Barnes 等人所提出之程式設計四個步驟中的理解問題情境分為「情境導向學 習」及「功能導向學習」兩種教學方式，以下分別就「情境導向學習」及「功能 導向學習」進行探討。. 一、情境導向學習 情境導向學習係指透過遊戲情境為任務導向學習方式，以完整程式為範 例，逐一就特定功能之程式段落進行教學，幫助學習者透過解構程式組成的 方式，學習主要功能段落程式。其任務情境若能引發學生興趣或聯繫至未來 實踐，且與教師教學目標一致，則可建立有效的任務導向學習情境(Wood, 2003)。任務導向學習方式能提高知識、技能等全方位能力(Race, 2000)，黃樹 群(2018)研究發現以任務導向策略學習程式設計課程的確對所有類型學習者 都有效。而情境學習能有效幫助學習者的進行學習遷移並形成心智模型 (Burbaite, Bespalova, Damasevicius & Stuikys, 2014)。. 二、功能導向學習. 14.
(25) 功能導向學習係指以學習功能為目標導向學習方式，其將任務目標進行拆解， 並逐一以特定功能之程式段落為範例進行教學，幫助學習者透過程式段落之拼圖 方式組成完整程式，學習各段落程式之功能及其在完整程式之作用。Code.org 之 網站設計即透過完成每個關卡的目標，於初學者腦中逐漸形成程式設計的基本結 構、概念與功能 (Kalelioğlu, 2015)。 綜合以上所述，本研究將程式學習方式融入體驗式學習環階段，建立基本概 念，並熟悉及運用程式碼及相關規則。其分為「情境導向學習」 ，以遊戲情境中完 整組合的程式積木為範例，詳細說明每個積木的用途與功能進行教學，學習各段 落程式之功能及其在完整程式之作用；以及「功能導向學習」先透過分析任務目 標，再逐一透過以解構的程式積木為範例，並詳細說明每個積木的用途與功能。. 15.
(26) 第三節. 引導策略. 學習者在建構知識的過程中，教師透過學習目標及規劃任務情境將知識傳遞 給學習者，透過不同的教學方法幫助學習者學習，以引導策略激發學習者學習， 達到教學目標(張春興, 1996)。本研究將引導策略融入體驗式學習環階段，本節就 「引導策略之意義」與「引導策略之應用及學習影響」分別進行探討。. 壹、引導策略之意義 學習是一種認知歷程，將外在環境中的刺激轉化為一個資訊處理階段，從中 獲得新知識和能力(Gagne, 1985)。在學習條件論中的九大教學事件：(1)引起注意、 (2)告知學習目標、(3)刺激回憶先前的學習、(4)呈現學習內容、(5)提供學習引導、 (6)引起表現、(7)提供回饋、(8)評量表現、(9)保留和遷移；其中第五個教學事件為 提供學習引導，意指可以利用各種方式(如模擬、遊戲、教導或練習)等幫助學習者 將所接收到的資訊，編碼至長期記憶，提供學習者額外的引導。引導式教學注重 引導學習者自主學習，在學習過程中動手操作、反思觀察、討論分享，體驗學習 並培養自主探究(Clark, 2009)。. 貳、引導策略之應用及學習影響 引導(guidance)在教學中，是指提供學習者精確和完整的資訊及相關陳述性知 識，讓學習者在問題解決的過程中學習如何完成任務及解決問題並達成目標 (Clark, 2009)。而在知識遷移時，需要引導學習者練習，在進行任務時需要給予回 饋，讓學習者立即性的修正並應用於其他任務情境(Hill & Hannafin, 2001; Lazonder & Harmsen, 2016; Matlen & Klahr, 2013)。透過教材設計引導學習者學習是可以幫 助學習者，降低認知過程中的認知負荷，適當的引導與提示能夠建構抽象概念並 與具體知識連結。有部分研究者認為高度引導的方式以步驟程序讓學習者學習知 識概念，可以快速地將知識暫存於短期記憶，但卻無法遷移至長期記憶中且應用. 16.
(27) 於新的情境；低度引導能促使學習者主動學習，並反思問題進而建構知識，達到 有意義的學習(Clark, 2009; Hill & Hannafin, 2001)。 學習引導依照不同程度的提示，區分為高度引導與低度引導(Lazonder & Harmsen, 2016; Matlen & Klahr, 2013)。高度引導會提供詳盡且明確的提示，像是 步驟性演示範例，引導學習者建構知識完成學習活動；低度引導以探索、開放式 的教學方法進行引導，像是問題導向學習(problem-based learning)、探索式學習 (inquiry learning)、體驗式學習(experiential learning)(Ruggiero & Green, 2017)。Hill 與 Hannafin (2001)提出四種學習引導方式：概念引導、問題引導、程序引導及策 略引導，如表 2-2。本研究以「問題引導」及「程序引導」兩種引導策略引導學習 者學習程式設計，以下分別就「問題引導」及「程序引導」進行探討。 表 2-2 Resource-Based Learning Environments 引導方式 學習引導. 意義. 概念引導. 提供與學習內容相關概念性資訊引導學習者連結學習主題. 問題引導. 提出問題引導學習者思考、主動檢視、測試並修正既有的概念. 程序引導. 逐步指引學習者思考、完成任務並建構知識達到更深層的認知發展. 策略引導. 提供專業的策略、方法或提出建議引導學習者達成任務. 資料來源：“Teaching and learning in digital environments: The resurgence of resourcebased learning” by J. R. Hill & M. J. Hannafin, 2001, Educational Technology Research and Development, 49(3), 45.. 一、問題引導 以問題導向引導讓學習者透過問題解決的過程中，適當地進行問題的反思與 探究，根據問題的情境尋找解題關鍵，讓學習者從中釐清問題所在並建構知識儲 存至長期記憶中，系統性的建立、培養問題解決的能力(Dean & Kuhn, 2007; Lazonder & Harmsen, 2016)。張曉瑀(2018)研究指出在國中八年級學習者以智慧眼 鏡輔助 mbot 機器人進行程式設計教學中，以問題引導策略之學習者在知識應用 上比程序引導策略之學習者，有較佳的學習表現。. 17.
(28) 二、程序引導 程序引導在學習過程中提供學習者完整解釋和程序的資訊，幫助學習者掌握 學習流程，提供學習者直接引導的方式，讓學習者專注於學習活動任務上，不會 因為複雜的學習內容而影響學習(Clark, 2009)。Teo 與 Chai (2009)在影片製作課程 中以程序引導提出四階段批判思考：(1)確認學習目標、對象；(2)評估優勢及提出 改善的建議；(3)評估缺點並提出改善的意見；(4)總結重點。透過四階段的模式， 提供詳細的程序引導讓學習者在過程中有效地進行思考。呂郁欣(2017)研究指出 以程序引導學習方式在國小五年級學習者進行 Scratch 與機器人課程中，能提升 程式設計知識理解的學習表現。. 綜合上述引導策略之意義及應用可知，提供學習引導對學習者是有幫助的， 當設計教材時，適當加入的引導策略能夠促使學習者學習的認知過程中，探索、 建構知識並反思，幫助學習者將抽象概念與具體知識連結。本研究將以問題引導 及程序引導作為程式設計引導策略，分別提出概念問題幫助反思及提供詳盡程序 的步驟，探討兩種引導策略是否能有效提升學習成效與學習動機。. 18.
(29) 第四節. 體驗式學習. 學習者透過具體經驗以動手操作體驗真實程式之執行成果，使其獲得學習概 念並達到有意義的學習，故本研究在程式設計遊戲專題的學習活動中融入體驗式 學習環進行教學實驗。本節就「體驗式學習之意義」及「體驗式學習於教育之應 用」分別進行探討。 壹、體驗式學習之意義 體驗式學習係指一個人透過日常活動中直接體驗以獲取的知識及技能的學 習歷程。Dewey (1938)的「做中學」以學習者為中心，主張在現有的經驗裡進行 教育，讓學習者能從中學習解決問題並深入處理，最後轉化成為有意義的知識經 驗，因此學習需要基於先前的經驗且不斷的重複學習。Kolb (1984)認為經驗是建 構知識與經驗轉換的過程，學習則是個人內在與外在環境互動所產生衝突後的經 驗結果，亦是一種適應世界的整體歷程。透過真實具體經驗觀察、反思之行動， 將抽象概念轉化且類化概念後，主動去驗證所形成的概念並且應用到新的情境問 題，不斷循環此學習歷程建構學習者知識。 體驗式學習環強調教育是參與者透過親身體驗的過程，進行對真實生活與環 境的反思，從中學習知識累積及問題解決能力(Joshi, 2005; Lin, Chen & Chen, 2013)。 體驗式學習之核心意義與價值就是「經驗轉化」與「意義建構」 ，也就是學習者在 經驗中的行為與反思，促使個體與環境之間形成互動，將其學習歷程的經驗意義 化(Jarvis, Holford & Griffin, 2003)。體驗式學習為一個循環的學習歷程，從具體經 驗(Concrete Experience)為始，透過真實生活中的實際經驗融入學習情境，讓學習 者可在操作的經驗之下主動建構知識；反思觀察(Reflective Observation) 傳遞不同 的訊息與資料使學習者觀察比較，並藉由省思與檢視過去的經驗，連結舊經驗及 可行的解決方法；抽象概念(Abstract Conceptualization) 將體驗中所形成之意義與 其它相關經驗作連結整理，建立並形成概念，作為問題解決的最終辦法 ，最後主動. 驗證(Active Experimentation) 學習者將獲得的學習經驗與成效，整合概念並延伸運. 19.
(30) 用到其他的問題情境中，此四階段的歷程促進多元學習經驗的養成，提升學習成效. (如圖 2-1)。. 具體經驗 Concrete Experience. 主動驗證 Active Experimentation. 反思觀察 Reflective Observation. 抽象概念 Abstract Conceptualization. 圖 2-1 體驗式學習環歷程. 貳、體驗式學習於教育之應用 目前已有許多教學設計融入體驗式學習的研究，藉由體驗式學習環「具體經 驗」 、 「反思觀察」、 「抽象概念」 、 「主動驗證」四個學習階段使學習者透過實際經 驗將其轉換且建構、學習知識內容。體驗式學習融入於教學課程中使學習者體驗 任務目標，反思觀察任務內容並建構知識，再適當的將知識應用於各項挑戰 (Girvan, Conneely & Tangney, 2016)。李彩 鳳 (2018)融入體驗式學習環於國中 mBlock 程式設計教學，讓學習者先操作 mBot 機器人建立具體經驗，應用智慧眼 鏡以擴增實境之影片和圖像引導學習者反思觀察，並提供程式積木功能表以建立 抽象概念，最後讓學習者操作 mBot 機器人驗證程式，結果顯示有效幫助學習者 提升設計程式概念與學習動機。呂郁欣(2017)於國小 Scratch 程式設計教學融入體. 20.
(31) 驗式學習環，讓學習者透過試玩機器人操作、遊戲範例體驗程式語言抽象概念， 透過不同引導策略進行反思觀察，最後動手實作機器人程式遊戲驗證程式概念， 其結果顯示能夠有效幫助學習者理解程式概念，在學習動機與學習滿意度皆持正 面肯定態度。 因此，本研究融入體驗式學習環於程式設計專題，經「具體經驗」、 「反思觀 察」、「抽象概念」 、「主動驗證」四個學習階段，使學習者在學習過程中，實際動 手操作微型電腦 micro:bit，反思觀察微型電腦 micro:bit 與模擬器的執行結果，及 透過學習單引導學習程式抽象概念，並主動驗證程式的歷程以達到有效學習。. 21.
(32) 22.
(33) 3.. 第三章. 研究方法. 本研究以體驗式學習環為學習架構，搭配微型電腦 micro:bit 進行程式設計 遊戲專題課程。研究目的旨在探討程式設計教學方式(情境導向學習、功能導向學 習)及引導策略(問題提示、程序引導)對於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計學習成效與學習態度。本章共分為五小節，以下分別就研究對象、研究 設計、實驗流程、研究工具及資料處理與分析進行說明。. 第一節. 研究對象. 本研究之研究對象為國小程式設計初學者，研究樣本為臺北市某國小四年級 之學習者。參與樣本之學習者其自國小三年級開始學習電腦資訊課程，具備基本 操作電腦工具與網際網路的能力，並於實驗教學課程進行前，所有學習者皆透過 相關學習活動使用過微型電腦 micro:bit 為期一週，僅瞭解為微型電腦 micro:bit 所設計之網站 MakeCode 程式撰寫介面的基本介面操作，但沒有程式語言概念課 程之學習經驗，也沒有以程式控制實體 micro:bit 之操作經驗，視為程式設計初 學者。為配合校方課程進度之安排，以班級為單位，在四年級中立意選取所有八 個班級共 217 人為研究樣本，男生 97 人、女生 120 人，年齡介於 10 至 11 歲間。 本研究為考量分析之準確性，剔除未全程參與的學習者 50 人，並且依據自編 的「程式概念測驗卷」前測總分，剔除各組極端值共 15 人，故有效樣本為 152 人， 男生 73 人(48%)、女生 79 人(52%)。有效樣本以班級為單位，將八個班級平均隨 機分派為「情境導向學習—問題提示」 、 「功能導向學習—問題引導」 、 「情境導向 學習—程序引導」 、 「功能導向學習—程序引導」 ，實驗教學分組與各組人數分配如 表 3-1 所示。 表 3-1 實驗教學分組與各組人數分配表 教學方式 引導策略 問題提示 程序引導 合計. 情境導向學習 38 38 76. 功能導向學習 38 38 76. 23. 合計 76 76 152.
(34) 第二節. 研究設計. 本研究採用二因子設計(factorial design)之準實驗研究法，旨在探討程式設計 教學方式及引導策略對於國小四年級學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計學習 成效與學習態度之影響，研究設計架構圖如圖 3-1 所示。. 壹、研究設計架構 自變項 一、程式教學方式. 共變項. 依變項. 先備知識. 一、程式設計學習成效. 1. 情境導向學習. 1. 知識理解. 2. 功能導向學習. 2. 知識應用. 二、引導策略. 3. 實作表現. 1. 問題引導. 二、程式設計學習態度. 2. 程序引導. 1. 學習動機. 2. 學習幫助度 3. 學習滿意度. 圖 3-1 研究設計架構圖. 本研究的自變項有二，分別為「教學方式」及「引導策略」。「教學方式」將 程式設計學習方式分為「情境導向學習」及「功能導向學習」 ，並在體驗式學習環 中進行「具體經驗」之階段後，融入於「反思觀察」等後續階段中；而「引導策 略」將引導提示策略分為「問題引導」及「程序引導」 ，並接著於體驗式學習環中 「抽象概念」、「主動驗證」兩個階段進行教學。 「教學方式」將程式設計教學方式分為「情境導向學習」及「功能導向學習」 ， 在體驗式學習環中「反思觀察」階段中，情境導向學習組在學習單上以遊戲情境 中完整組合的程式積木為範例，詳細說明每個積木的用途與功能進行教學，學習 各段落程式之功能及其在完整程式之作用；功能導向學習組在學習單上先透過分 24.
(35) 析任務目標，再逐一透過以解構的程式積木為範例，並詳細說明每個積木的用途 與功能。 「引導策略」依階段任務中給予學生的引導方式分為「問題引導」與「程序 引導」 ，在體驗式學習環之「抽象概念」階段中，問題引導組在學習單上條列各積 木指令的名稱與圖示，並透過文字敘述輔以程式積木圖片的問題，對學習者提問 積木功能，並紀錄答案建立抽象概念；程序引導組學習單上條列各積木指令的名 稱、圖示與功能，並以文字敘述提供詳細的基本執行步驟，使學習者找尋對應積 木圖示後，反覆驗證建立抽象概念。而在體驗式學習環之「主動驗證」階段中， 問題引導組根據學習單提供目標提示內容與學習者想要挑戰的創作，完成組合程 式積木、實際在 micro:bit 測試試玩，並理解程式需多次測試與調整；程序引導組 則根據學習單提供程序提示內容與學習者想要挑戰的創作，完成組合程式積木、 實際在 micro:bit 測試試玩，並理解程式需多次測試與調整。 本研究之依變項有二，分別為「程式設計學習成效」與「程式設計學習態度」 。 「程式設計學習成效」在教學實驗後，學習者在微型電腦 micro:bit 程式設計的學 習成效，分為「知識理解」、「知識應用」、「實作表現」三個向度，其中「知識理 解」指學習者能夠理解程式積木的涵義，並能判斷不同積木指令組合後的結果； 「知識應用」指學習者能夠依據不同的積木組合完成指令，或是從積木指令中選 出適當的組合達成目標； 「實作表現」依據學習者課堂學習活動之專題實作成果進 行評估，評量內容包括 micro:bit 程式設計、創意表現兩個面向。「程式設計學習 態度」是指在實驗教學後，學習者對於程式設計學習態度的看法，其中包括(1)學 習動機：學習者對於課程的興趣、學習意願、及喜好程度，與(2)學習幫助度：學 習者認為學習方式和工具對學習上的幫助程度，及(3)學習滿意度：學習者對於學 習方式和工具的滿意程度。 本研究以班級為單位，為配合參與者原班級之課程安排，教學實驗皆於原班 級電腦教室及原時段課程上實施。為期六週實驗時間，每週一節課共 240 分鐘。 教學者為研究者本人。 25.
(36) 貳、微型電腦 micro:bit 程式設計遊戲專題「比特猴接香蕉」教學活動設計 本研究透過讓學習者從製作微型電腦 micro:bit 遊戲專題引發學習者興趣，並 透過 MakeCode 設計程式控制微型電腦 micro:bit 完成活動中的關卡。從中學習操 作微型電腦 micro:bit 之應用，其學習內容與學習目標，學習活動設計規劃分別敘 述如下：. 一、學習內容與學習目標 本研究之「比特猴接香蕉」程式設計遊戲專題學習內容有四個任務。在開始 前，學習者透過學習單了解情境並確認每一個任務目標，且提供該任務中會使用 到的積木式程式之列表，並在 Makecode 網站上設計 micro:bit 程式。 學習者需設計程式完成任務一「奔跑吧！比特猴」認識 micro:bit 上 5X5 的座 標值與變數，並創建角色比特猴於起始位置，且能使用 A、B 鍵控制比特猴左右 移動；任務二「香蕉香蕉落不停」讓香蕉能隨機往下掉落，且每次香蕉掉落一次 就紀錄一次；任務三「比特猴接香蕉」要讓每次香蕉掉落就紀錄一次，且接到香 蕉得 1 分，並能利用比特猴接到的香蕉數量，控制香蕉掉下來的速度；任務四「馴 獸師來計分」當比特猴漏接香蕉就累積 1 次失誤，失誤滿 5 次遊戲結束，且如果 接到 10 根香蕉，刪除所有角色，讓 LED 螢幕顯示文字或圖樣。以上學習內容搭 配學習單進行教學，詳細知識架構表如表 3-2 所示。每個關卡學習活動任務內容 與目標如表 3-3 所示。 表 3-2「比特猴接香蕉」課程知識架構表 任務項目 任務一 奔跑吧！比特猴. 任務二 香蕉香蕉落不停. 學習重點與任務目標 教學重點 實作任務 教學重點 實作任務. 1. 認識 5X5 的座標值 2. 設定變數、創建比特猴. 運算思維概念 序列、事件、 資料. 3. 利用 A、B 鍵讓比特猴移 動 1. 讓香蕉隨機出現 2. 讓香蕉持續掉落 3. 讓香蕉能慢慢往下掉落 26. 序列、迴圈、 運算子、資料.
(37) 任務項目. 學習重點與任務目標 1. 能記錄香蕉掉下數量. 任務三 比特猴接香蕉. 教學重點. 實作任務. 任務四 訓獸師來計分. 教學重點. 2. 如果比特猴接到香蕉那麼 就得 1 分. 序列、迴圈、 平行、條件、 運算子、資料. 3. 利用分數來控制香蕉掉下 來的速度 1. 當漏接 5 次香蕉，遊戲結 束 2. 刪除遊戲角色. 實作任務. 運算思維概念. 3. 當遊戲得 10 分，出現閃爍 的笑臉. 序列、迴圈、 平行、事件、 條件、運算子、 資料. 表 3-3「比特猴接香蕉」專題課程活動架構 任務 任務目標 任務情境 學習目標 認識 5X5 的座標值， 要 請 訓 獸 師 來 訓 1. 認識 5X5 的座標值 並設定一個變數，讓 練一隻能左、右奔 2. 設定變數、創建比 任務一 特猴 奔跑吧！ 宣告比特猴的起始位 跑、透過 A、B 鍵 置。能使用 A、B 鍵， 控制的比特猴。 3. 利用 A、B 鍵讓比 比特猴 控制比特猴移動。 特猴移動. 任務二 香蕉香蕉 落不停. 複習變數的設定與宣 設 計 關 卡 讓 香 蕉 1. 讓香蕉隨機出現 告香蕉的起始位置。 能 隨 機 持 續 掉 落 2. 讓香蕉持續掉落 讓香蕉可以隨機出現 下來。 3. 讓香蕉能慢慢往下 在不同的 X 軸上往下 掉落 掉落，且能認識毫秒 單位轉換，控制掉落 的時間快慢。. 任務三 比特猴接 香蕉. 接到香蕉得 1 分，且 每次香蕉掉落一次就 紀錄一次，如果比特 猴接到的香蕉數量越 多，香蕉掉下來的速 度就會變更快。. 當 比 特 猴 接 到 香 1. 能記錄香蕉掉下數 蕉時就能得到分 量 數，同時增加訓練 2. 如果比特猴接到香 的難度，要讓香蕉 蕉那麼就得 1 分 掉 下 來 的 速 度 變 3. 利用分數來控制香 快！ 蕉掉下來的速度. 任務四 訓獸師來 計分. 當比特猴沒接到香蕉 累積 1 次失誤，失誤 滿 5 次就遊戲結束； 如果收集到 10 根香 蕉，LED 面板出現一個 閃爍的笑臉，並清空 遊戲畫面。. 當 比 特 猴 順 利 完 1. 當漏接 5 次香蕉， 成遊戲任務之後， 遊戲結束 將 訓 獸 師 你 的 笑 2. 刪除遊戲角色 臉 送 給 比 特 猴 3. 當遊戲得 10 分， 吧！別忘了訓練 出現閃爍的笑臉 結束後要將場地 清理乾淨喔。. 27.
(38) 二、「比特猴接香蕉」學習活動之學習模式 本研究之「比特猴接香蕉」程式設計以體驗式學習環作為學習活動之架構，學 習者在經歷「具體經驗」、「反思觀察」、「抽象概念」、「主動驗證」四個階段學 習環，在過程中有效地學會並建立程式設計。將程式學習方式(情境導向學習、 功能導向學習)與引導策略(問題引導、程序引導)融入體驗式學習環，分為「情 境導向學習—問題引導」、「情境導向學習—程序引導」、「功能導向學習—問題 引導」、「功能導向學習—程序引導」，各組之學習階段說明如 表 3-4。 表 3-4 體驗式學習環融入各組學習階段之架構 體驗式 學習環 具體經驗. 反思觀察. 抽象概念. 主動驗證. 教學活動 學習者操作微型電腦 micro:bit，透過試玩「比特猴接香蕉」之範例遊 戲，引發學習動機後透過學習單提問內容確認學習目標 情境導向學習 功能導向學習 以遊戲情境中完整組合的程式積 先透過分析任務目標，再逐一透 木為範例，詳細說明每個積木的 過以解構的程式積木為範例，並 用途與功能進行教學，學習各段 詳細說明每個積木的用途與功 落程式之功能及其在完整程式之 能，學習各段落程式中該功能作 作用 用對應之程式積木 問題引導 程序引導 問題引導 程序引導 在學習單中依 在學習單中依 在學習單中依 在學習單中依 任務情境之角 任務情境之角 任務情境之角 任務情境之角 色名稱等，條列 色名稱等，條列 色名稱等，條列 色名稱等，條列 積木指令的名 積木指令的名 積木指令的名 積木指令的名 稱與圖示，並紀 稱 、 圖 示 與 功 稱與圖示，並紀 稱 、 圖 示 與 功 錄 答 案 建 立 抽 能，並閱讀步驟 錄 答 案 建 立 抽 能，並閱讀步驟 象概念 建立抽象概念 象概念 建立抽象概念 根據任務與學 習者目標，透過 文字敘述輔以 程式積木圖片 的問題，提問積 木功能，並紀錄 答案確認概念。 能理解程式需 多次測試與調 整，最後完成程 式並實際測試. 根據任務與學 習者目標，以文 字敘述提供詳 細的基本執行 步驟，對應積木 圖示後，並閱讀 步驟確認概念。 能理解程式需 多次測試與調 整，最後完成程 式並實際測試. 28. 根據任務與學 習者目標，透過 文字敘述輔以 程式積木圖片 的問題，提問積 木功能，並紀錄 答案確認概念。 能理解程式需 多次測試與調 整，最後完成程 式並實際測試. 根據任務與學 習者目標，以文 字敘述提供詳 細的基本執行 步驟，對應積木 圖示後，並閱讀 步驟確認概念。 能理解程式需 多次測試與調 整，最後完成程 式並實際測試.
(39) 以下就體驗式學習環中「具體經驗」 、 「反思觀察」 、 「抽象概念」 、 「主動驗證」 四個階段學習環，分別說明「情境導向學習」 、 「功能導向學習」 、 「問題引導」 、 「程 序引導」各組之間異同。. (一) 具體經驗 在具體經驗階段，學習者先從學習單上獲得操作指示後，實際自行操作微型 電腦 micro:bit 之實體裝置，透過試玩「比特猴接香蕉」之範例遊戲，引發學習動 機後，並透過學習單提問內容確認學習目標(如圖 3-2)。. 圖 3-2 各組進行具體經驗階段之學習單操作指示與提問 (二) 反思觀察 在反思觀察階段，以學習單引導學習者透過程式積木的範例來思考程式抽象 概念。 「情境導向學習組」以遊戲情境中完整組合的程式積木為範例，詳細說明每 個積木的用途與功能進行教學，學習各段落程式之功能及其在完整程式之作用(如 圖 3-3)； 「功能導向學習組」先分析任務目標，再逐一透過以解構的程式積木為範 例，並詳細說明每個積木的用途與功能，學習各段落程式中該功能作用對應之程 式積木(如圖 3-4)。. 29.
(40) 圖 3-3「情境導向學習組」以遊戲情境中完整組合的程式積木為範例. 圖 3-4「功能導向學習組」分析任務目標後再逐一以解構的程式積木為範例. (三) 抽象概念. 30.
(41) 在抽象概念階段，透過學習單中的積木選單與組合積木之程序進行反思觀察， 建立程式積木的抽象概念。 「情境導向學習－問題提示組」在學習單依任務情境之 角色名稱等，條列各積木指令的名稱與圖示(如圖 3-5)，並在學習單提供之步驟中 紀錄答案建立抽象概念(如圖 3-9)；「情境導向學習－程序提示組」在學習單依任 務情境之角色名稱等，條列各積木指令的名稱、圖示與功能(如圖 3-6)，並在學習 單上閱讀步驟以反覆驗證建立抽象概念(如圖 3-10)； 「功能導向學習－問題提示組」 在學習單依原先設定之名稱數值等，條列各積木指令的名稱與圖示(如圖 3-7)，並 在學習單提供之步驟中紀錄答案建立抽象概念(如圖 3-9)；「功能導向學習－程序 提示組」在學習單依原先設定之名稱數值等，條列各積木指令的名稱、圖示與功 能(如圖 3-8)，並在學習單上閱讀步驟以反覆驗證建立抽象概念(如圖 3-10)。. 圖 3-5「情境導向學習－問題提示組」依任務情境條列積木指令的名稱與圖示. 圖 3-6「情境導向學習－程序提示組」依任務情境條列積木指令的名稱、圖示與功能 31.
(42) 圖 3-7「功能導向學習－問題提示組」依功能設定條列積木指令的名稱與圖示. 圖 3-8「功能導向學習－程序提示組」依功能設定條列積木指令的名稱、圖示與功能. 圖 3-9「問題提示組」提供之步驟中紀錄答案建立抽象概念. 32.
(43) 圖 3-10「程序提示組」閱讀步驟以反覆驗證建立抽象概念. (四) 主動驗證 在主動驗證階段，根據任務目標與學習者想要挑戰的創作，讓學習者動手組 合程式積木，並在學習單上紀錄答案確認概念。最後完成組合程式積木、實際在 micro:bit 測試及試玩，並理解程式需多次測試與調整。 「問題提示組」透過文字敘 述輔以程式積木圖片的問題，對學習者提問積木功能(如圖 3-11)；「程序提示組」 以文字敘述提供詳細的基本執行步驟，使學習者找尋對應積木圖示(如圖 3-12)。. 33.
(44) 圖 3-11「問題提示組」透過文字敘述輔以程式積木圖片提問積木功能. 34.
(45) 圖 3-12「程序提示組」以文字敘述提供詳細的基本執行步驟. 三、「比特猴接香蕉」數位學習環境 本研究所使用之數位學習工具包含(如圖 3-13)：(1)個人電腦、(2)微型電腦 micro:bit(3)學習單。以學習單引導學習者進行學習，將學習內容紀錄於學習單並 35.
(46) 動手操作微型電腦 micro:bit，學習者透過學習單上的程式積木資訊及任務目標， 並引導學習者學習程式設計，完成程式設計遊戲專題之撰寫。. ① 個人電腦. ③ 學習單 ② micro:bit 圖 3-13「比特猴接香蕉」數位學習環境. 四、「比特猴接香蕉」數位學習工具 (一) MakeCode 程式設計網站 MakeCode 是以 micro:bit 為基礎所發展出來的圖形化程式軟體，學習者透過 拖拉、組合各種「功能積木」 ，能編輯程式控制微型電腦 micro:bit，在操作上直覺、 簡單，使用方便，不需要額外的輔助程序，可以快速完成微型電腦 micro:bit 的程 式撰寫。是一套適合對程式設計有不同經驗的學習者簡易上手的編輯軟體。如圖 3-14 所示。. 36.
(47) 圖 3-14 MakeCode 程式設計網站介面 (二) 微型電腦 micro:bit micro:bit 係由英國 BBC 開發的微型電腦，能使用積木(blocks)、JavaScript 等 程式語言進行編寫。電路板大小為 4cm×5cm，擁有 1 個 ARM Cortex-M0 處理器， 加速度傳感器和磁力傳感器，藍牙通訊和 USB 連接編程能力，由 25 個 LED 組成 的顯示器，2 個可程式化按鈕。如圖 3-14 所示。. 圖 3-15 微型電腦 micro:bit. 37.
(48) 第三節. 實驗流程. 本研究之實驗流程，如圖 3-16 學習活動之實驗教學流程所示，主要包含前測、 準備活動、學習活動與後測，實驗時間共 200 分鐘。 前測(30 分鐘)：程式設計先備知識測驗、學習態度問卷 準備活動(10 分鐘)：專題說明、注意事項、操作說明 Micro:bit 程式設計遊戲專題學習活動(125 分鐘) 具體經驗 學習者試玩範例遊戲，引發學習動機後透過學習單提問內容確認學習目標. 反思觀察. 反思觀察. 以情境導向學習方式之程式為範 例，學習主要功能段落程式. 以功能導向學習方式之程式為範 例，學習各段落程式功能及其在 完整程式之作用. 抽象概念. 抽象概念. 問題引導. 程序引導. 問題引導. 程序引導. 條列各積木指 令的名稱與圖 示，並透過問 題提問積木功 能，反思程式 概念. 條列各積木指 令的名稱、圖 示與功能，並 提供執行步驟 引導，反思程 式概念. 條列各積木指 令的名稱與圖 示，並透過問 題提問積木功 能，反思程式 概念. 條列各積木指 令的名稱、圖 示與功能，並 提供執行步驟 引導，反思程 式概念. 主動驗證 學生根據學習 單提供目標提 示內容組合積 木測試並執行 驗證程式輸出 至 micro:bit. 主動驗證. 學生根據學習 單提供程序提 示內容組合積 木測試並執行 驗證程式輸出 至 micro:bit. 學生根據學習 單提供目標提 示內容組合積 木測試並執行 驗證程式輸出 至 micro:bit. 學生根據學習 單提供程序提 示內容組合積 木測試並執行 驗證程式輸出 至 micro:bit. 後測(30 分鐘)：程式設計學習成效測驗、學習態度量表 圖 3-16「比特猴接香蕉」學習活動之教學實驗流程圖 38.
(49) 實驗過程總計 200 分鐘，學習活動前實施前測，內容為程式設計先備知識測 驗及學習態度問卷，測驗時間為 30 分鐘。接著說明專題活動內容、微型電腦 micro:bit 操作方式及相關注意事項，約 10 分鐘。說明結束後學習活動 125 分鐘， 每位學習者皆有一台電腦、微型電腦 micro:bit 及學習單。首先，讓學習者試玩微 型電腦 micro:bit 中的範例遊戲後，透過學習單提問內容確認學習目標；在「情境 導向學習組」學習單中以情境導向與主要功能段落程式為範例；在「功能導向學 習組」學習單中以功能導向與各段落功能程式為範例；在「問題引導組」的學習 單上條列各積木指令的名稱與圖示，並透過問題提問積木功能反思程式概念；在 「程序引導組」條列各積木指令的名稱、圖示與功能，並提供執行步驟引導反思 程式概念。最後自行組合程式積木，測試並將執行結果輸出至微型電腦 micro:bit。 學習活動結束後進行後測，內容為程式設計學習成效測驗與學習動機測驗，測驗 時間為 30 分鐘。. 39.
(50) 第四節. 研究工具. 本實驗之研究工具為程式設計學習成效測驗卷及程式設計學習動機問卷，以 下分別就實驗工具實施之前後順序進行說明：. 壹、程式設計學習成效測驗卷 程式設計學習成效測驗卷主要目的在於檢視學習者對程式設計概念理解，依 據程式設計課程教學目標設計題目，並由研究者編撰後經由資訊學科老師修訂完 成。試題內容包含程式語言概念及基本技能，測驗向度依據認知層次的不同，分 為知識理解 6 題、知識應用 6 題，二個向度共計 12 題，皆以選擇題題型呈現，測 驗卷試題如附錄一。測驗分數越高，代表學習者對於程式設計的理解越好，本測 驗整體信度為 Cronbach's α= .72(知識理解 Cronbach's α= .51、知識應用 Cronbach's α= .55)，各項度之題數分配及信度如 表 3-5 所示。 表 3-5 程式設計學習成效測驗卷之內容向度、題數分配及信度係數 向度 題目編號 題數 Cronbach's α 知識理解 7、8、9、10、11、12 6 .51 知識應用 13、14、15、16、17、18 6 .55 整體 12 .72. 貳、程式設計學習實作表現評量表 本研究依據程式設計軟體 MakeCode 與微型電腦 micro:bit 之特性、功能及課 程學習目標，與資訊學科教師討論修訂後，發展出「程式設計專題實作評量表」 ， 目的在評量學習者對程式語言的概念理解及應用。以學習者每堂課完成之專案成 果或程式截圖作為評量依據，共四個學習任務分為三個學習階段進行評分，三個 階段評分後加總作為實作表現評量成績，各階段皆為 12 分，共 36 分。 在每個階段的評量項目皆分為程式正確度與程式完整度，程式正確度共有五 個評分項目，若該項內容之程式積木與參數有任何不一致之處則扣一分，扣到該 40.
(51) 項為零分，滿分為十分；若該階段獲得滿分則視為程式完整度高再加兩分，唯獨 在最後的第三階段中，學習者若未能整合前兩個任務的程式內容則會被倒扣一或 兩分，量表內容詳見表 3-6。評量效度採專家效度，由研究者本人與資訊學科教師 共同進行評分，各任務階段分數越高者表示學習者能夠將理解的程式概念應用在 實作上的學習表現越佳。. 表 3-6 程式設計學習實作表現評量表之內容向度及計分說明 評分階段. 計分說明 1.程式正確度：最高 10 分 (1)設定變數、創建比特猴於正確座標上：0、1、2 分 (2)A 鍵讓比特猴往左移動、B 鍵往右移動：0、1、2 分. 第一階段： 任務一至 任務二. (3)設定香蕉在最上排 0~4 的位置能隨機取數：0、1、2 分 (4)設定香蕉重覆執行 4 次才掉落到最後一行：0、1、2 分 (5)香蕉掉落到最後一行後能重新設定初始值：0、1、2 分 2.程式完整性：最高 2 分 (1)該階段未能獲得滿分：0 分 (2)該階段能獲得滿分：2 分. 第二階段： 任務三. 1.程式正確度：最高 10 分 (1)設置所有變數的初始值：0、1、2 分 (2)當香蕉掉落到最後一行時能記錄掉下數量值：0、1、2 分 (3)條件判斷比特猴和香蕉兩個角色是否有碰到：0、1、2 分 (4)條件判斷符合時得 1 分，且香蕉設定初始值：0、1、2 分 (5)利用目前遊戲得分來控制香蕉掉下來的速度：0、1、2 分 2.程式完整性 (1)該階段未能獲得滿分：0 分 (2)該階段能獲得滿分：2 分. 41.
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