STEAM科際整合程式設計教學：以音樂創作學習程式設計

全文

(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：林育慈博士. STEAM 科際整合程式設計教學：以音樂創作學習程式設計 Design and Implementation of Interdisciplinary STEAM Instruction: Teaching Programming by Musical Composition. 研究生：葉亮吟撰中華民國 109 年 7 月.

(2) 摘要 STEM 教育強調科際整合，以培養動手實作與真實世界之問題解決能力，非但為全球教育趨勢，亦為我國 108 科技領域課綱之重要理念。STEAM (STEM + Arts)則強調創意與綜合思維在教學過程的角色，除了科際整合與問題解決，亦強調培養個人表達、創造力與美感等能力，進而增進學生在 STEM 相關領域的學習興趣與表現。本研究發展 STEAM 科際整合程式設計教學模式，使用 JythonMusic 作為程式設計工具，並探究此教學對程式設計學習成效、程式設計學習態度、程式創造力的影響，以及性別與音樂先備知識是否會影響程式設計的學習。而經研究結果發現：一、實驗組學生在歷經 STEAM 科際整合程式設計教學後，其程式設計能力表現，與控制組的學生相比，並未有差異。不過，本研究設計之藉由聆聽音樂結果，對應程式邏輯，以及利用程式音樂創作的 STEAM 程式學習活動歷程，有助於學生程式設計的學習與表現。二、實驗組學生在歷經 STEAM 科際整合程式設計教學後，於整體的程式創造力表現，及流暢力、變通力及敏覺力三個程式創造力向度的表現上，皆較控制組學生佳。也就是說，本研究設計的藉由聆聽音樂結果，對應程式邏輯，及在教學過程中，提供程式設計與音樂、生活情境的多種應用，能夠幫助學生程式創造力的表現。三、實驗組學生在歷經 STEAM 科際整合程式設計教學後，認為：程式設計與藝術結合具有可行性、未來發展性，且在撰寫程式的過程中，也需要創造力，此外，程式設計也可以幫助解決其他領域的問題。然而，在想要學習程式設計的動力，與對這學期課程的想法，有顯著的差異。四、在歷經 STEAM 科際整合程式設計教學後，於程式設計的學習表現，並未因性別的不同，而有差異。. I.

(3) 五、在歷經 STEAM 科際整合程式設計教學後，無論其的音樂先備知識程度為何，都不會影響其程式設計學習成就表現。本研究能提供未來欲從事 STEAM 科際整合教育與程式設計教學之教學者與研究者作為課程設計之參考。關鍵字：電腦程式教學、STEAM 科際整合教學、JythonMusic. II.

(4) Design and Implementation of Interdisciplinary STEAM Instruction: Teaching Programming by Musical Composition Ye, Liang-Yin Abstract Interdisciplinary STEM instruction can provide students with more opportunities to solve real-world problem and construct the related concepts. The STEAM instruction, which adds Arts into the STEM curriculum, highlights the role of creativity and comprehensive thinking in STEM. Creativity can increase the feasibility of produced solutions in solving STEM problems. However, few traditional STEM instruction emphasized the importance of creativity. This study is intended to add art and creativity to STEM by combining music composition and programming. Students can produce their own music by programming, which helped them map the music melody to the programming logic and then grasp more about the program constructs. More feasible programming solutions are expected to be developed by applying proper constructs accurately. An empirical study was conducted in a high school to explore the effectiveness of the proposed STEAM instruction, including programming ability, programming creativity, and learning attitude. JythonMusic was employed as a programming tool. The experiment results depict the research findings: 1. Although there was no significant difference in programming ability between the experimental group and the control group. students reflected that this STEAM instruction could help them map the music melody to the programming logic by listening to the music and mapping to the program instructions. 2. The experimental group had higher programming creativity because students in this group grasped the program constructs better and therefore could apply the constructs smoothly to solve new problems. 3. There was no difference in attitude toward computing between the experimental group and the control group. However, the experimental group made significant progress in programming self-efficacy, and agreed that the proposed STEAM instruction could help their programming learning and improve their basic knowledge of music. But because. III.

(5) the programming tasks were challenging to the students in the experimental group, they did not have strong motivation to study further about computing. 4. Gender difference was not found in this STEAM instruction. 5. Prior knowledge of music did not affect students learning performance in this STEAM instruction. Keyword:Computer programming, STEAM education, JythonMusic. IV.

(6) 誌謝時光荏苒，轉眼兩年便過去，褪去研究生的身分，即將啟程前往下一個人生階段，繼續未來的未知冒險，與追尋未完的夢。就讀研究所期間，無論是在研究方面，抑或是為人處世方面，皆給予我不少的學習與磨練機會，時而快樂、時而傷悲，五味雜陳的心情起伏，都象徵著每一次的成長與蛻變。而這本論文能夠順利完成，都要歸功於曾經照顧與幫助我的家人、老師、朋友與 TELiC 的所有夥伴，感謝這段期間，你們的支持與鼓勵，讓我能夠堅持完成難熬的研究。首先，我想感謝一直默默守護在旁的家人，謝謝你們的鼓勵，讓我有機會體驗研究生的生活與嚐嚐其中的酸甜苦辣，更謝謝你們的體諒與支持、鼓勵，讓每每萌生退意的我有動力繼續完成這件艱辛的任務。再來，我想感謝這段期間幫助過我的老師─育慈老師與凌倩老師。謝謝育慈老師給予我許多寶貴的研究技巧、建議，以及分享自身的經歷，藉此鼓勵因實驗停滯，感到焦慮不安的自己，甚至總是耐心聆聽我在生活上遇到的諸多不順心與煩惱。謝謝凌倩老師在實驗期間的包容與鼓勵。最後，我想謝謝所有幫助過我的朋友與 TELiC 的夥伴，謝謝你們這段時間的陪伴，陪我走過苦悶研究的日子。將論文獻給至高無上的造物主，謝謝祢美好的安排與成就！. 葉亮吟謹誌中華民國 109 年 7 月. V.

(7) 目錄. 研究背景與動機 ............................................................................................... 1 研究目的 .......................................................................................................... 4 名詞釋義 .......................................................................................................... 5 第二章. 文獻探討 .......................................................................................................... 8 STEAM 科際整合教學..................................................................................... 8 創造力 ............................................................................................................ 14. 第三章. 研究方法 ........................................................................................................ 19 預試實驗 ........................................................................................................ 19 正式實驗 ........................................................................................................ 30. 分析結果 ........................................................................................................ 44. 結論 ................................................................................................................ 80 建議 ................................................................................................................ 82. VI.

(8) 附錄五. 學習態度問卷............................................................................................... 119. VII.

(9) 表目錄表 1-1 科技創造力與程式創造力之定義 ....................................................................... 7 表 3-1 實驗組與控制組的三階段課程目標.................................................................. 24 表 3-2 實驗組的三階段課程內容/主題 ........................................................................ 25 表 3-3 控制組的三階段課程內容/主題 ........................................................................ 26 表 3-4 實驗組的 STEAM 程式學習活動歷程 .............................................................. 34 表 3-5 實驗組與控制組的兩階段課程目標.................................................................. 39 表 3-6 實驗組的兩階段課程內容/主題 ........................................................................ 40 表 3-7 控制組的兩階段課程內容/主題 ........................................................................ 41 表 4-1 兩組程式設計前後測驗之皮爾森相關分析摘要表 .......................................... 45 表 4-2 實驗組與控制組於程式設計能力前後測驗之描述統計 .................................... 46 表 4-3 組內迴歸係數同質性考驗摘要表(依變數：程式後測成績) ............................ 46 表 4-4 實驗組與控制組在後測成績之單因子共變數分析摘要表(依變數：程式後測成績) .................................................................................................................................. 46 表 4-5 實驗組與控制組於程式設計能力測驗之調整後的邊緣平均數 ........................ 46 表 4-6 實驗組程式學習活動歷程與程式設計後測之皮爾森相關分析摘要表 ............ 48 表 4-7 實驗組與控制組於程式創造力前後測驗之描述統計....................................... 49 表 4-8. 組內迴歸係數同質性考驗摘要表(依變數：程式創造力後測成績) ............... 49. 表 4-9 實驗組與控制組在程式創造力後測成績之單因子共變數分析摘要表(依變數：程式創造力後測成績) ................................................................................................... 49 表 4-10 實驗組與控制組於程式創造力測驗之調整後的邊緣平均數 ......................... 50 表 4-11 程式創造力各向度之共變數分析摘要表(依變數：程式創造力後測成績).... 51 表 4-12 實驗組與控制組之學習態度問卷前測內部一致性係數摘要表 ...................... 54 表 4-13 實驗組與控制組之學習態度問卷後測內部一致性係數摘要表 ...................... 54 表 4-14 學習態度問卷各向度之描述統計 .................................................................... 56 VIII.

(10) 表 4-15 學習態度之組內迴歸係數同質性考驗摘要表(依變數：問卷後測結果) ........ 56 表 4-16 實驗組與控制組的學習態度之單因子共變數分析摘要表(依變數：問卷後測結果) .............................................................................................................................. 57 表 4-17 實驗組與控制組的學習態度之調整後的邊緣平均數 ..................................... 57 表 4-18 實驗組於學習態度四個向度之相依樣本 t 檢定(N=31) .................................. 58 表 4-19 控制組於學習態度四個向度之相依樣本 t 檢定(N=31) .................................. 59 表 4-20 實驗組對這學期的程式音樂創作課程的感受之相依樣本 t 檢定(N=30) ....... 59 表 4-21 實驗組在程式音樂創作向度之相同題目的態度相依樣本 t 檢定(N=30) ....... 60 表 4-22 實驗組在程式設計學習動機向度上之相依樣本 t 檢定 .................................. 61 表 4-23 實驗組程式設計學習動機與程式音樂創作課程之皮爾森相關分析摘要表 .. 62 表 4-24 實驗組男、女生於程式設計能力前後測驗之描述統計 ................................. 62 表 4-25 不同性別於程式設計能力之組內迴歸係數同質性考驗摘要表(依變數：程式後測成績) ...................................................................................................................... 63 表 4-26 性別在程式設計能力後測成績之單因子共變數分析摘要表(依變數：程式後測成績) .......................................................................................................................... 63 表 4-27 實驗組之性別差異的調整後邊緣平均數 ........................................................ 63 表 4-28 高低音樂先備能力組於程式設計能力前後測驗之描述統計 ......................... 64 表 4-29 高低音樂先備能力組之組內迴歸係數同質性考驗摘要表(依變數：程式後測成績) .............................................................................................................................. 65 表 4-30 高低音樂先備能力組別在程式設計能力後測成績之單因子共變數分析摘要表(依變數：程式後測成績) .......................................................................................... 65 表 4-31 高低音樂先備能力組之調整後的邊緣平均數 ................................................ 65. IX.

(11) 圖目錄圖 2-1 Earsketch 音樂程式設計網站圖示...................................................................... 12 圖 2-2 JythonMusic 音樂程式設計軟體圖示 ................................................................. 13 圖 3-1 預試實驗研究架構 ............................................................................................ 20 圖 3-2 預試實驗研究流程 ............................................................................................ 22 圖 3-3 正式實驗研究架構 ............................................................................................ 31 圖 3-4 正式實驗研究流程 ............................................................................................ 33 圖 3-5 實驗組學生於程式創造力測驗之第一個情境的第一小題作答情況................ 36 圖 3-6 實驗組學生於程式創造力測驗之第一個情境的第二小題作答情況................ 36 圖 3-7 實驗組學生於程式創造力測驗之第一個情境的第五小題作答情況................ 37 圖 3-8 實驗組學生於程式創造力測驗之第一個情境的第五小題作答情況................ 37 圖 3-9 實驗組學生於程式創造力測驗之第一個情境的第四小題作答情況................ 38 圖 4-1 流暢力之詹─森內曼分析結果(縱軸：流暢力後測總分、橫軸：流暢力前測總分) .................................................................................................................................. 52 圖 4-2 變通力之詹─森內曼分析結果(縱軸：變通力後測總分、橫軸：變通力前測總分) .................................................................................................................................. 53 圖 5-1 JythonMusic 介面執行結果 ................................................................................ 83 圖附-1 音樂曲式找尋教學簡報 .................................................................................. 127 圖附-2 音樂曲式探尋學習單...................................................................................... 127 圖附-3 程式體驗與音樂聆聽學習單 .......................................................................... 128 圖附-4 程式音樂創作教學簡報 .................................................................................. 129 圖附-5 程式音樂創作學習單...................................................................................... 130. X.

(12) 緒論本章會先闡述本研究的研究背景與動機，再據此訂定研究目的。本章共分兩節：第一節乃研究背景與動機，第二節為研究目的。. 研究背景與動機電腦程式能力的重要性與日俱增，不僅有助於培養學生的運算思維能力，亦可增加學生未來就業的競爭力(Armoni et al., 2015)。然而，現在的程式設計教學皆較難引起學生的學習興趣與動機(Freeman et al., 2014)，以致衍生學習成就低落、學習遷移較差、投入該領域的性別不均(Engelman et al., 2017)等問題。為了解決這些問題，學者致力於研究該以何種教學方法，方可改善問題，進而幫助學習者學習。運算思維可以幫助數學、科學領域的學習，且在學習此兩個領域的過程中，又能累積運算思維能力(English, 2017)。因此，學者便嘗試以電腦程式結合其他領域，進行 STEM 科際整合教學，讓學習者在跨領域整合教學法中，一面汲取電腦程式知識，一面學習其他領域。目前，已有成功以電腦科學結合其他領域之 STEM 科際整合教學的教學實例，例如：Corlu et al. (2014)設計系統化的步驟，將電腦科學與數學做一跨領域教學，進而幫助學習者電腦科學、數學的學習。然而，雖然 STEM 科際整合教學強調以跨領域、真實情境教學，以提升學生的學習成就與興趣(Henriksen, 2017)，但是，卻仍因教學方法，例如：讓學子盲目地跟著自己的教學步驟，學習撰寫程式，或者僅教導該如何完成教學者給定的任務或問題等，學生沒有額外花時間理解與消化，及認為課堂所學與生活無關，以至於學習成效不彰，學業成績低落、興趣缺缺等問題仍舊存在，甚至於產生投入該領域的學子不增反減的現象(Land, 2013)，可是社會上對於 STEM 相關職業的需求與日俱增，尤其是電腦科學、科技領域(Watson &Watson, 2013)。電腦科學常被學生視為不酷炫，且教學方法無法引起其興趣的無聊科目(Engelman et al., 2017)，為了增加學子在 STEM 領域的學習興趣與未來就職率，於是便有學者. 1.

(13) 建議將藝術(Art)加入 STEM 領域，藉由藝術的發散性，協助培養該領域的技術， STEAM 因而誕生(Platz, 2007; Land, 2013)。此外，Romeike (2007)亦指出電腦科學是一門需要創造力的學科，而創造力既同時為電腦科學問題解決的關鍵，也是最能促進學習動機。藝術在 STEAM 科際整合教學中，除了扮演各領域的溝通平臺，並提供學習者一個表達自身想法與促進人際關係的機會，亦有助於培養創造性思考力，因此，無論未來是否要從事 STEM 領域的相關職業，學校都應將其視為必修(Watson &Watson, 2013)。而藝術在 STEM 領域帶來的益處可從幾篇研究循著，像是 Guyotte et al. (2014)指出：科學家認為藝術與想像力有助於發現與找出科學知識，且其深信這些與科學無直接關聯的創意性活動，都是支持科學想像的後盾；Land(2013)更闡述社會的進步單靠科技是無法前進的，還必須透過藝術將科技與創造性思考結合方可達成。 Platz(2007)則更具體地指出在藝術領域中，音樂是最能夠幫助培養創造性思考力的科目，且其與自然科學、數學等領域皆有強大的關聯，像是在學習音樂的同時可以增進其時空推理技巧(spatial temporal-reasoning skills)，並將其應用在數學學習，又或者可以將在藝術學習過程中，所練習的觀察技巧應用於科學領域，進而幫助學習。由此可見，在學習音樂或藝術的同時，也能將其學習成果遷移至 STEM 領域，進而培養該領域的專業知識與技能，而在電腦科學中更是如此。目前已有多位學者將電腦科學與音樂領域結合，特別是在程式設計學習方面，以 STEAM 科際整合教學，藉由電腦程式創作音樂，學習程式設計之概念，之所以將這兩個領域予以跨領域整合的原因有三：一、音樂是藝術領域中，最廣為普羅大眾所接受與頻繁接觸的科目；二、音樂成品的製作，多仰賴電腦科學領域的重要概念；三、不論在初始設計、產出過程或是成品結果呈現，音樂作曲和程式設計上都有極大的相似之處；四、利用電腦進行音樂創作，能夠激發學子學習電腦科學的意願，進而增加日後在這兩個科目中繼續深造(邱明慶, 2008; McCoid et al., 2013; Freeman et al., 2014)。. 2.

(14) 雖然以 STEAM 科際整合教學方式，進行音樂輔助電腦程式設計之學習有其成效，包含：能夠順利提升學生的學習興趣，與增加女性長期投入電腦科學領域之意願 (Engelman et al., 2017)、與男性相較之下，在此學習環境中，更能成功激勵女性創作 (Freeman et al., 2014)等優點。但是，仍有問題有待解決，例如：一、部分以程式創作音樂的研究，聲稱學生無須任何音樂背景即可快速上手，但是有文獻指出：並非全然如此，倘若提供的音樂資源過多，反而會干擾學習(Engelman et al., 2017; McKlin et al., 2018; Im et al., 2017)；二、雖然在過去的 STEAM 科際整合教學中，有將創造力列為探究的目的之一，但是該研究是以李克特五點量表，讓受試者針對期間的課程予以評估學習的習性、傾向與感受，較無針對作品予以評估學生之創造力的狀況；三、R. Romeike (2007)指出，創造力是能夠讓學生投入電腦程式的關鍵因素，但由於課堂中缺乏創造力，因此導致女性沒有動力學習電腦科學相關的知識，間接造成投入該領域之性別比例仍舊不均(Romeike, 2007; Engelman et al., 2017)；四、Engelman et al. (2017) 指出採用 STEAM 科際整合教學方式，檢測學生的程式設計成就表現，須注意評量的方式與難度。雖然其的研究結果顯示：學生的程式設計成就表現有顯著進步，但是，細究學生的答題狀況與正確率，發現：學生在多選題的答對率較高，在開放實作題的答對率偏低，且前、後測的答對率從 14%到 34%，仍舊偏低。如此，難以瞭解學生在程式設計的知識程度究竟為何。鑑於此，本研究將致力於設計與發展 STEAM 科際整合教材，將電腦科學與音樂領域結合，進行跨領域學習，並以程式音樂創作進行程式設計教學，藉此探究此教材是否能夠幫助學生的程式設計學習、提升學生程式設計學習態度、增進學生的程式創造力，以及探究性別與音樂先備知識是否會間接影響學生之程式設計學習成效。。. 3.

(15) 研究目的本研究擬設計與發展 STEAM 科際整合程式設計教材，並探討 STEAM 科際整合程式設計教學是否能幫助學生程式設計學習、提升學生學習態度、增進學生的程式創造力，以及探究性別與音樂先備知識是否會間接影響學生之程式設計學習成效。以下為本研究的研究目的：一、設計與開發 STEAM 科際整合程式設計教材二、探討透過程式音樂創作的 STEAM 科際整合教學，對學生程式設計能力的影響。三、探討透過程式音樂創作的 STEAM 科際整合教學，對學生的程式創造力影響。四、探討透過程式音樂創作的 STEAM 科際整合教學，對學生學習態度的影響。五、探討透過程式音樂創作的 STEAM 科際整合教學中，性別與音樂先備知識是否影響程式設計學習。. 4.

(16) 名詞釋義本節將針對研究提及之重要名詞予以釋義，以使本研究的內容更為明確具體。一、STEAM 科際整合教學 STEAM 科際整合教學是一種將藝術融入 STEM 領域，透過藝術的注入，用以提升學習者對該學習領域興趣的教學方法(English, 2017)。而在此教學方法中，藝術不僅扮演各領域的溝通平臺，亦提供學習者一個表達自身想法與促進人際關係的機會 (Land, 2013)。根據 English(2017)所述：STEM 整合教學可從教學的內容與情境而定之目標類分為三種型式：一、同一領域之教學內容，設計含有多個 STEM 學習目標的教學活動；二、整合主要教學內容與次要教學內容，亦即在 STEM 領域中挑選兩個領域作為主要教學內容與次要教學內容，次要教學內容的設計是以輔助主要內容的學習；三、情境整合，亦即選擇一個領域之情境，用以其他領域的學習。爰以 English 對 STEM 整合教育的詮釋予以延伸，本研究設計之 STEAM 科際整合教學將採第二型式，即：以電腦科學作為主要教學內容、以音樂藝術作為次要教學內容，從而設計教學內容與活動。據此，本研究所提及之 STEAM 科際整合教學乃是於電腦科學教學中，融合音樂藝術領域，以程式設計進行音樂創作，藉此提升學生的學習興趣與創造力等的教學方法(Freeman et al., 2014)。二、程式創造力根據 Romeike (2007)整理的文獻顯示，電腦科學教育中所提及之創造力，至今雖無一個較為統一的定義，但可從兩個面向著手，並予以解釋：一、創造力是一個問題解決的歷程，包含發現問題、提出問題與定義問題；二、創造力是將個體置於能夠鼓勵其創作、實作，乃至於探究之環境下，以讓其展現創意的過程，包含讓個體找尋感興趣的問題並制定解決歷程、將程式作為表達個人創意的方式，以及用不同的方式呈. 5.

(17) 現程式等。無論是哪一個面向的詮釋，創造力在電腦科學領域中皆是重要，其不僅可以幫助學習，亦是激勵個體內在動機之關鍵。而科技(例如電腦)有助於實踐創造力，在電腦科學領域中，常以創作的成品或是歷程，予以觀察與量測學習者的創造力，此外，若要充分地激發學生的創造力，不僅須營造適合創作的環境、具備明確的教學歷程、設計易讓學習者瞭解學習內容的課堂活動等，尚須培養學生對該科知識的抽象化能力 (Romeike, 2006; Romeike, 2007; Lewandowski et al., 2005)。科技創造力是指在科技活動的過程中，個體所展現出來的創造力，包含提出的想法、製造成品之過程，以及最終呈現的成品，可以流暢力、變通力、獨創力、敏覺力與精進力作為檢測的向度(李大偉 et al., 2000)。綜合 Romeike (2007)與李大偉 et al. (2000)分別對電腦科學與科學創造力之解釋，本研究所指之程式創造力，乃是指將學習者置於能夠鼓勵其創作、實作，乃至於探究之環境下，其於程式創作的過程中所展現出來的創意力，並以流暢力、變通力、獨創力、敏覺力與精進力作為檢測的五個向度予以檢視學生之創造力，茲將各向度之定義彙整於下：. 6.

(18) 表 1-1 科技創造力與程式創造力之定義. 科技創造力定義創造力向度. 程式創造力定義 (李大偉 et al., 2000) 知識運用的流暢程度，並能在規在有限的時間或是有條件的. 流暢力. 定的時間內，針對問題想出多種情況下，針對程式情境，提出可能解決答案的能力. 多種可能解決答案的能力. 可以用創新、獨特等方式呈現相可以將相同的程式指令或結變通力. 同概念的能力. 構套用在與原先程式情境或課堂提供之範例相似的地方. 針對問題，提出有別於往的見解使用不同於課堂所學的程式獨創力. 或解釋的能力. 指令或結構，並將其應用在程式情境當中. 能夠洞悉、覺察問題所在之處的能夠找出與說明程式情境所敏覺力. 能力. 出現的問題，並提出解決方法. 將現有的知識、概念或架構作為修改課堂所學的程式指令或精進力. 基礎，並予以完善或更具內涵的結構，並將其應用在程式情能力. 境當中. 7.

(19) 第二章文獻探討 STEAM 科際整合教學一、程式設計教學的現況電腦科學對於這個世代的孩童而言，是為顯學(Mironova et al., 2017)。根據美國勞動局所公告的調查報告顯示：截至 2015 年 5 月，已有高達 8.6 億的工作與 STEM 領域相關，電腦科學領域的職業占其中的 45%，其中又以程式設計能力最為重要(Land, 2013)。儘管程式設計能力日漸受到各國之重視，但是卻仍因教學內容無法與孩童的生活經驗產生連結與共鳴、教學方法偏向機械式操作等問題，致使學習成就低落、學習遷移困難、缺乏學習興趣與內在動機，及投入之性別嚴重不均等現象出現(Romeike, 2007; Freeman et al., 2014; Engelman et al., 2017)。為了解決這些問題，教育學者不斷地探究與修正先前的教學方法，希冀能從中找到可以幫助孩童學習程式設計的策略。 2008 年，為了重振科學與科技於國際上的地位，美國總統歐巴馬(Obama)開始大力倡導 STEM(Science, Technology, Engineering, Math)科際整合教學，希冀透過此教學方法，培養國人的運算思維、問題解決等多項能力(Land, 2013)。不過，在推行一段時間後，研究學者發現以 STEM 科際整合教材，進行程式設計教學，學生的學習成效並不如想像中的順利，而經調查發現，造成此現象的原因有二：一、STEM 領域的學習內容或知識具嚴謹、強調邏輯的特性(Land, 2013)；二、課程設計或教學活動無法成功引起學子的學習興趣(Freeman et al., 2014)。然而，在電腦科學教育中，除了學習興趣，另一項挑戰是長期以來，女性投入該領域的比例仍舊偏低，經學者深入的探究，發現：由於課堂中缺乏創造力元素，因而影響女性的程式設計學習內在動機，及未來想要繼續朝該領域發展的意願(Romeike, 2007; Freeman et al., 2014)。. 8.

(20) 二、STEAM 科際整合教學雖然 STEM 人才是幫助振興國家經濟、提升國防力與國際競爭力，甚至提高我們生活品質的重要推手，但是，倘若沒有運用創造思考力，以創新的方式解決問題，光靠 STEM 領域培養的技能是無法達成上述列舉的所有目標的(K. W.Guyotte et al., 2014)。也就是說，未來若要解決問題，則學子不僅需具備 STEM 領域養成的技能，也需運用創造性思考力，學習發散思考，並從不同的角度思索各種可能的解決方法，最後再從中找出最佳的應對措施，不過，創造性思考力並非 STEM 科際整合教學培育人才的目標之一(John Maeda, 2012)。為此，便有學者提倡將藝術與 STEM 整合，希冀透過藝術的包裝，能夠讓學習者願意投入 STEM 領域的學習，STEAM(Science, Technology, Engineering, Arts, Math)科際整合教學因而蔚為風潮，學者隨即相繼投入，致力於研究如何以藝術為 STEM 領域的學習者創造更多的學習機會，並提高學生的學習動機，讓其更願意投入該領域之學習(Guyotte et al., 2015)。 STEAM 科際整合教學是一種透過培養個人表達、創造思考力(即創造力)與美感，藉此提升學習者對 STEM 領域產生學習興趣的教學方法(English, 2017; Engelman et al., 2017)；而在此教學法中又以創造思考力的培育最為重要。Taylor (2016)指出：創造思考力是讓 STEM 領域的教學者擁抱藝術的關鍵，因為藝術可以協助學習者在使用各樣的科技媒體下，從中培養創造設計的能力。由此可知，藝術可以幫助培養創造思考力。此外，由於藝術領域對於人類與世界的互動關係、情感意識等面向有高度的關注，因此，其能夠帶來的益處還不僅止於此，除了創造思考力的培養之外，它也可以幫助認知技巧(例如：聆聽、思考、問題解決、決策等)的發展、自我表達、觀察以及合作溝通等能力(Platz, 2007; Taylor, 2016)。由此可見，教育學者之所以會提倡將藝術融入 STEM 領域，不僅是因為它可以幫助學習，進而累積知識與培養技能，也是希冀能夠. 9.

(21) 透過藝術，為 STEM 領域搭起橋樑，使得各領域間不再孤立，降低學習內容的邏輯、嚴謹程度，讓學習者更願意投入該領域的學習(Guyotte et al., 2014)。而在電腦科學領域，已有成功採 STEAM 科際整合教學教導電腦科學相關領域知識的事例，不過，課程多半偏向於互動媒體、科技藝術，例如：Eglash’s Culturally Situated Design Tools，該課程是以不同文化的作品作為切入點，引導學生思考藝術與數學的關係，再以數位模擬的方式進行藝術創作、e-Textiles，該課程則是讓學習者利用程式操作電路板，並發揮創意，試著將其與布料作結合，進而完成科技衣服，以及使用 Alice、Scratch 等適合創作的環境學習程式設計概念(Freeman et al., 2014; Im et al., 2017)。儘管當學習者的學習環境同時具備電腦科技與藝術兩個元素時，STEAM 科際整合教學乃最適合的教學方法，然而，Freeman et al. (2014)指出：教學者或研究者仍須注意並思考設計的課程或是教學活動是否符合四個條件：一、學習內容是否能夠與學習者的個人經驗產生意義連結；二、學習內容是否能夠反映社會現象(外部系統關聯性)；三、學習內容是否能夠鼓勵學生投入，並進行深度地思考，以及評量能夠反映學生之學習歷程。不過，在目前成功的事例中，並沒有清楚地說明，該如何設計課程與學習內容，才能符合上述的條件，進而幫助學生學習。三、程式音樂教學對於普羅大眾而言，在藝術領域中，音樂是最為熟悉且接觸最頻繁的領域，對於學生來說更是，根據研究顯示：一天之中，學生花了近大半的時間在聆聽音樂，及分享喜歡的音樂給同儕(Freeman et al., 2014; Douglas Edwards et al., 2018)。此外，音樂也是培養創造思考力的重要科目，且學習者可以將從該科目中學習到的技巧遷移於 STEM 領域，進而幫助學習，尤其是在電腦程式的學習(Platz, 2007)。Henriksen (2014) 更指出：在科學或是數學領域有傑出想法的專家，對於音樂或是藝術等相關領域，不僅有著濃厚的興趣，對其亦有相當程度的瞭解與具備一定程度的專業知識。. 10.

(22) 近十年來，將電腦音樂(包含數位音訊處理、音樂程式設計)與藝術予以跨領域整合的研究更是如雨後春筍般的出現，且其開設的課程也從原先的電腦音樂，到電腦科技，再到電腦科學基礎課程，造成此發展的原因有三：一、讓音樂系或是讓本身熱衷於音樂創作的學生，學習使用專業音樂編曲、錄製與創作的軟體，嘗試增加其實務應用的經驗(邱明慶, 2008)；二、拓展諸如演算法編曲設計與音樂訊息檢索等電腦音樂領域的課程，藉此激勵學生學習電腦科學的學習動機(Freeman et al., 2014)；三、電腦程式與音樂之間有許多共同相似之處，像是兩個領域都與數學有關、都是依照簡單的規則，並以邏輯性的符號紀錄，進而產出作品等，又無論是在編曲，或者是創作歷程，音樂的製作多半需要運用電腦程式的重要概念(邱明慶,2008; Douglas Edwards et al., 2018)。目前，以 STEAM 科際整合教學教導電腦程式，已有成功的試驗性研究案例可予以佐證，例如：Sound Thinking，該課程是讓學生利用程式設計，製作一個線上的音樂樂器(Freeman et al., 2014)。不僅於此，也有專為女性設計的程式設計課程，像是 The MediaComp course，該課程是讓參與者試著將媒體轉換為不一樣的形式(圖像、音訊等)，藉此學習程式設計概念。此外，根據 Im et al. (2017)，與 Magerko et al.(2016) 的研究結果指出：以 STEAM 科際整合教學方法，結合電腦程式與音樂領域，以程式進行音樂創作，藉此教導程式設計，女性的程式設計能力成就表現不僅會優於男性，也能讓其有意願投入相關領域的學習。不過，雖然現今有許多電腦音樂軟體或工具，例如：Max/MSP、Processing、 EarSketch 與 JythonMusic 等，可以藉由電腦的輔助進行音樂創作，但是，由於註冊付費運作、使用非通用程式語言(general-purpose programming)、操作不適用於初階入門課程等軟體設計的差異，因此並非每一個軟體的設計都適合拿來當作課堂的學習工具，並順利應用在電腦科學等相關課程上協助學習。 EarSketch(http://earsketch.gatech.edu/landing/，圖 2-1)是一個利用 JavaScript 或 Python 程式語言創作音樂的網站，該網站不僅可以讓學習者透過數位音訊工作 11.

(23) (Digital Audio Workstation ,DAW)介面瞭解程式執行結果，尚有豐富多元的音樂範例庫與龐大的函式庫，以及提供線上教學課程，讓即使不是音樂系或是讓本身熱衷於音樂創作，但不熟諳於音樂專業用語的愛好者，可以快速地上手，創作出屬於自己的音樂(McKlin et al., 2018)。. 圖 2-1 Earsketch 音樂程式設計網站圖示由於 EarSketch 的設計環境能夠鼓勵學習者自由創作，符合 STEAM 科際整合教學「打造一個適合學習者創作的環境，以此激發其創造思考力培養」的學習環境，因此，便有國外學者嘗試以此網站作為學習工具，設計 STEAM 科際整合程式設計教學進行研究，而經研究結果報告顯示：以 EarSketch 音樂輔助程式設計教學，不僅能順利引起學習者的學習動機，特別是學習成就低落與女性的學習者，也可以增加其課堂的專注與投入程度，甚至成功打破學生願意深入電腦科學領域學習之戒心與障礙 (Freeman et al., 2019)。不過，Im et al. (2017)與 Engelman, S.et al.(2017)卻指出：以 EarSketch 音樂輔助程式設計教學，雖然能夠成功吸引學生的學習興趣，以及增加課堂的專注度等優點，但是卻發現：一、學生雖然瞭解該用哪個程式概念進行解題，但是在創作音樂時卻飽受挫折，間接影響後續課程的參與意願；二、無法根據設計的評量方式，確切瞭解學生程式設計知識的吸取程度。 12.

(24) JythonMusic(圖 2-2)也是一個利用 Python 程式設計創作音樂的工具，不過，它並非網站，而是該軟體，且其的功能卻遠比 Earsketch 更為強大，除了可以利用電腦程式進行音樂編曲與後製處理以外，也可以進行影像製作、建立圖像使用者介面(GUI) 等功能，甚至可以與其進行音樂互動，補足現有與音樂藝術相關的軟體(例如 PuraData、 Max/MSP 等)。目前，雖然國外學者有以 JythonMusic 為教學工具發展的專案課程，像是 A Laptop Orchestra(2010)，在此專案中，學生不僅將電腦作為樂器，亦將其當作一個創作的環境，在此練習音樂，包含演算法作曲、開發簡單的電腦樂器，以及根據電聲音樂與極簡主義的風格規則作編曲練習，又或者是 Monterey Mirror(2011)，由一個藝術家(人類演奏者)和一台電腦(電腦為鏡子)互相彈奏、聆聽樂曲，藉此交換彼此的音樂想法的音樂互動裝置等，但是就目前蒐集的文獻中，尚未發現有學者，已 JythonMusic 作為學習輔助工具，並針對學生之程式設計能力成就表現，設計相關教材，進行程式設計教學的研究(Manaris et al., 2018)。. 圖 2-2 JythonMusic 音樂程式設計軟體圖示 13.

(25) 創造力一、創造力的定義創造力一詞，至今以來，都沒有一個較為統一的說法，不同的領域、不同的人賦予其的定義各不相同，茲整理幾位學者對於創造力的定義與解釋： 1.. 創造力可以從兩個面向予以解釋，一種是歷史性的創造力(Historical creativity) ，另一種為心理性的創造力(Psychologically creativity)，前者是指某樣從古至今，未曾有過的、新穎的物品或想法，而後者則是指對於個體而言，某物或是某個想法是新穎的、獨特的，一般來說，教育現場所採用的創造力多半是取後者，亦即心理性的創造力(Psychologically creativity) (Boden, 2009)。. 2.. 個體在面對某一問題情境時，能夠跳脫原有的經驗與習慣的限制，進而產生新的觀念或想法的歷程(張世彗, 2011). 3.. 創造力乃個體的內在心智歷程(例如動機、人格特質等)與外在系統(例如環境與社會等)互動後，所產生之獨創性與有用性的想法，用以問題解決的能力(張世彗, 2011) 本研究乃綜合 Boden(2009)與張世彗(2011)對於創造力的看法，將創造力定義為課. 程中的每個環節，對於學習者而言，具獨特新穎性，且在此學習的過程中，能夠激發其之想像力，或跳脫舊有的思考習慣，產生獨創性的想法，進而日後的問題解決或找出規則，並洞悉問題之所在的能力。二、創造力的教學因應社會變遷與為了改善現有的教育現象，讓下一代的學子更具競爭力，國家的教育方針與培育人才的目標亦隨之更動，而隨著創造力的價值日益被看見，使得其的重要性亦水漲船高，尤其在面對瞬息萬變的社會、錯綜複雜的問題更是，倘若學子不懂得應用所學、跳脫既有的框架思考，恐怕沒有辦法應對，乃至於解決問題。因此，對於二十一世紀的孩童而言，除了需要具備問題解決、數位技能與高效合作等能力以外，也需要學習如何才能讓思想變得聰明又有創意，尤其是從事電腦科學、電腦科技 14.

(26) 領域的學子，這是因為創造力可以幫助融合各學科的內容知識，打破既有的框架、跳脫思考，進而解決問題(Henriksen, 2014; Taylor, 2016)。由此可知，創造力無論是對個體而言，又或者是對社會而言，都是極為重要的領域，它不僅可以幫助我們理解學科內容知識、跳脫既有的思維習慣或限制，激發獨創性的想法，進而幫助我們適應瞬息萬變的社會、解決生活中的各類問題，也能夠幫助提升國家的經濟力與國際競爭力 (崔夢萍, 1999; 張世彗, 2011; Romeike, 2006)。不過，雖然創造力一直以來，都有被列入各國的教育目標之一，但是，卻鮮少受到重視，又或者教學活動僅流於表面，並未真正培育到此能力，甚至，還有一些教學者認為，教導不具備創造能力的學習者較易於掌握(Peppler, 2013)。然而，隨著創造力日益受到各國政府、企業的重視，創造力的人才供不應求，如何提升創造力儼然重新成為各國關注之課題(崔夢萍, 1999; 張世彗, 2011)。自二十世紀中葉以來，學者除了關心如何以基爾福(Guilford)、陶倫斯(Torrance)等學者發展出來的工具，來評測學生的創造力之外，其更關心該運用哪種創造力理論、教學策略、輔助工具等促進個體的創造力(Lin, 2011)。此外，Fasko(2001)指出：一個充滿創造力的教室，有助於學習者學習，從而激起學習興趣、警覺、好奇心、專注力，以至於提升學習成就表現。Lin (2011)亦認為：當學習者置身在適合創作的環境中，有助於引發其內在動機，進而幫助學習。1996 年，Sternberg 與 Lubart 提出創意投資理論(The Investment Theory of Creativity)，並表示：創造力的培養需要心智技能(intellectual skills)、知識(knowledge)、思維方式 (thinking styles)、人格特質(personality)、動機(motivation)與環境(environment)六個獨立又彼此相關的因素。由此可知，學習者置身的學習環境，及其本身的內在因素，都會間接影響創造力的學習成效。目前的創造力教學活動，除了將創造力思考技法應用於學科知識內容學習，透過外在方法、工具的輔助，進行發散思考，例如，以六頂思考帽子法與腦力激盪，培育程式設計師的創造力以外(張世彗, 2011; Lin, 2011)，尚有學者採用藝術整合教學(Arts15.

(27) integrated teaching)，例如，COOPER JENNIFER (2016)表示可以整合音樂、戲劇、舞蹈，藉由歌唱、跳舞、想像連結身體與心智，教導閱讀寫作、數學與科學等核心科目，不僅可以幫助學習者進行深層學習與意義學習，透過肢體感官的輔助也可以引發學習者與生俱來渴望學習的欲望。三、電腦科學與創造力電腦科學是一門需要創造力的學科，而創造力既同時為電腦科學問題解決的關鍵，也是最能促進學習動機，並讓學生長期投入電腦科學領域的重要因素。科技有助於實踐創造力，電腦被視為是能激發創造力的有力工具，不過，令人驚訝的是，在現今的電腦科學教育領域研究中，仍舊只有少數提及創造力或將其運用於課堂的教學事例( Romeike, 2007)。然而，隨著科技日新月異的發展，無論是企業界，抑或是學術界，皆亟需電腦科學領域的人才，以協助其運用嶄新的方式使用現有的科技產品，或運用電腦科學知識創造新的科技產品(Lewandowski et al., 2005)。也因此，在近期的電腦科學教育，流行利用新的工具或素材等外在材料，與科技媒體互動，學習者可以在此互動下，或是工具間轉換的過程中，一面學習電腦科學的知識，一面培養其創造力，例如，讓學習者在 Alice 這個 3D 環境中，學習以物件導向程式設計創作故事(Im et al., 2017)，又或者是讓學習者利用程式設計，製作一件屬於自己的數位衣服(Peppler, 2013)等，皆是讓學習者在動手實作的過程當中，同時學習與培養電腦科學知識及創造力的成功教學事例。而在電腦科學領域中，研究者多採用創造力的 4P─個人(person)、過程(process)、環境(place)與產品(product)，或是創造力調查工具(The Creativity Support Index，CSI) 等，設計與發展評測創造力的李克特五點量表，例如，Engelman et al. (2017)參考創造力調查工具(The Creativity Support Index，CSI)，配合自己的研究目標，發展適合的創造力量表，讓學習者根據自身的學習情況與感受作答。. 16.

(28) 教學者除了會以創造力的 4P、創造力調查工具等作為評測的工具之外，也有以學習者如何針對問題，或是某個情境，提出一套解決的歷程/步驟，教學者再以學習者呈現的紀錄予以評分，例如，Knobelsdorf & Romeike (2008)讓學習者建立屬於自己的電腦傳記(computer biographies)，研究者可以從其的論述中，瞭解學生的學科內容知識，及創造力的學習狀況。不過，Romeike (2006)認為：創造力的評測不應僅是請學習者針對問題，提出一系列的解決方法或是歷程而已，而是應設計更深一層的教學活動，例如成品創作，讓學習者詳實地計畫可能實踐的細節，並積極地執行，以驗證其計畫或想法的可行性，如此不僅有助於激發其內在動機，亦能讓其更深入地瞭解電腦科學領域的知識。再者，成品創作是電腦科學教育中，培養與檢測創造力表現的重要關鍵(Romeike, 2006)。由此可見，創造力的培養不僅是要能夠針對社會議題或問題提出可能解決的方法，與設計解決的歷程，還應讓學習者計畫可以實踐的作法與想法，並製作成品，以驗證其之可行性(Romeike, 2007) 雖然在電腦科學教育中，讓學習者製作成品，是培養與檢測創造力的重要關鍵 (Romeike, 2006)，但是在進行成品創作的課程時，仍應注意兩點：一、應將思考重點放在該採用甚麼樣的教學策略，才能夠激發學習者的創意與自行探索電腦科學知識的意願，而非一昧的想如何提升創造力；二、教學者應設計有意義的活動，且在開始讓學習者製作成品前，必須讓其充分地瞭解活動的過程與意義，而非只是讓學習者精熟課堂教導的抽象知識與概念，導致無法遷移至成品或是缺乏應用技巧的情形發生。否則學習者製作出來的成品會落入無法展現深度的電腦科學知識的問題 (Lewandowski et al. , 2005)。四、程式設計與創造力隨著電腦逐漸被藝術家、音樂家、作家，以及科學家視為是能夠幫助產出創意作品的一個重要工具，也因此，越來越多的研究者，想要去瞭解，究竟是甚麼「關鍵」可以幫助培養電腦創造力。Clements(1995)曾指出：影響電腦創造力培養的原因並非想 17.

(29) 像中的簡單、單純，除了科技可以幫助鑽研、探究初始的想法，或是支持創造性產品的產出，電腦工具的使用(例如：Logo)，也可以幫助培養電腦創造力。再者，環境的營造也是相當重要的。然而，無論所選用的工具、營造的環境為何，最重要的還是要讓學習者具備足夠的知識，並引導其應用在適當的情境上，方能成功培養電腦創造力(Sternberg, R. J., 2006)。目前，在電腦教育領域中，已有成功培養電腦創造力的教學案例，例如，Cavaş &Kesercioğlu (2012)讓學習者設計一個問題情境，並嘗試透過程式操作機器人，用以測試其提出的解決方案，在此教學過程中，學習者不僅可以透過機器人的執行結果，瞭解程式是否正確，藉此累積電腦科學的知識，也可以透過設計問題情境，及提出解決方法的歷程，培養創造力。Mladenović et al. (2016)讓學習者利用 Scratch 學習程式設計，進而建立屬於自己的專案，在學習的期間，學習者可以透過 Scratch 立即性的程式執行結果，瞭解程式設計的流程，進而加深其在程式的邏輯。. 18.

(30) 第三章研究方法本研究旨在設計與開發程式音樂創作的 STEAM 科際整合教學教材，並透過比較使用 STEAM 科際整合程式設計教學之實驗組，與使用傳統講述式程式教學之控制組的差異，藉此瞭解 STEAM 科際整合教學如何影響學生之程式設計學習、學習態度與程式創造力的表現，以及探究性別與音樂先備知識對於程式設計學習的影響。由於本研究共進行了兩次實驗，因此本章將分成兩節敘述：第一節乃預試實驗、第二節乃正式實驗，而各節又在分述五小節：第一小節為研究對象、第二小節為研究架構與流程、第三小節為研究工具、第四小節為教學設計、第五小節為資料蒐集與分析，進一步地闡述與說明研究設計與實施步驟。. 預試實驗一、研究對象本研究的對象為新北市立某高中二年級修習資訊科技課程的理組生(平均年齡為 17 歲)，且多數無程式設計概念，參與研究的班級共計三班(理組兩班，音樂組一班)，一班為控制組 43 人(男：22 人，女：21 人)，兩班實驗組─理組班 41 人(男：19 人，女：22 人)、音樂班 27 人(男：7 人，女：20 人)，總計 111 人。而教學者則為此三班的資訊科技老師。. 二、研究架構與流程本研究採準實驗研究法，實驗組採 STEAM 科際整合程式設計教學，控制組採傳統講述式教學。研究時程為一學期，共十八週，配合高中原先的教學時數安排，理組班一周兩節課(一節課為 50 分鐘)、音樂班一周為一節課。實驗組與控制組共同控制變項為學習內容，實驗前後分別施以程式設計能力前、後測。. 19.

(31) (一) 研究架構. 自變項依變項. 教學策略 1. STEAM 科際整合程式設計教學. 程式設計能力. 2. 傳統講述式程式設計教學. 圖 3-1 預試實驗研究架構本研究旨在探討透過 STEAM 科際整合程式設計教學，如何影響學生之程式設計學習成就表現，研究架構大致如下： 1.. 實驗組別. (1) 實驗組：在預試實驗中，總共有兩個實驗組，一為理組班，另一為音樂班，兩班所使用的教學策略皆為 STEAM 科際整合程式設計教學，差別僅在於使用的研究工具與是否製作專題。然而，無論所使用的研究工具為何，課程期間，教學者都會先播放音樂，讓學習者在聆聽音樂的過程中，找出旋律的規則，再藉此講解所對應的 Python 程式設計概念，以及示範如何以程式進行音樂創作，最後再讓學習者練習習題，熟悉程式概念。此外，於專題製作期間，教學者從學習者平常的休閒娛樂─觀看戲劇(包含電視劇與電視)中著手，藉由戲劇與音樂的關係，引導學習者思考，從而構思專題之畫面設計與程式音樂創作。 (2) 控制組：控制組所使用的教學策略為傳統講述式程式設計教學，教學者會先講解所要教導的 Python 程式設計概念與語法的使用規則，再示範如何以程式解決問題，最後再讓學習者練習習題，熟悉程式概念。而於專題製作期間，教學者亦是從學習者的生活. 20.

(32) 中取材，例如點餐、職涯規劃、新聞時事等作為講解例子，提供學習者構思與製作專題。 2.. 控制變項於預試實驗中，學習內容為控制變項，包含：認識電腦的五大單元、函式的呼叫. 與製作、for 迴圈、if…elif…else 條件判斷、資料型別(數值/字串)等。 (二) 研究流程由於實驗組前後使用了兩個研究工具的關係，又每個研究工具都會進行六周的 STEAM 科際整合程式設計教學，因此於預試實驗中，實驗組與控制組前後會個別歷經兩次設計之教學策略。然而，兩組的學習內容皆相同。在實驗開始前，為了瞭解研究對象的程式設計能力狀況，以及排除一開始的差異，便施以程式設計能力前測。而在進行了六周的課程後，為了瞭解研究對象的程式設計能力學習情況，便在第七周施以中測，爾後兩組又個別進行六周的 STEAM 科際整合程式設計教學與傳統講述式程式設計教學，並於第十五周開始，進行為期三周的專題製作。最後再於第十八周施以程式設計能力後測，以此探究實驗組與控制組，在分別進行 STEAM 科際整合程式設計教學與傳統講述式程式設計教學後，其對程式設計能力的影響，茲將研究流程呈現於下：. 21.

(33) 程式設計能力前測. STEAM 科際整合程式設計教學/傳統講述式程式設計教學. 程式設計能力中測. STEAM 科際整合程式設計教學/傳統講述式程式設計教學. 專題製作. 程式設計能力後測圖 3-2 預試實驗研究流程三、研究工具 (一) STEAM 科際整合程式設計教學教材學習內容相同，惟根據研究工具之不同，分別設計與調整符應工具之教學內容，並將 STEAM 科際整合程式設計教學教材分作兩個部分，依序是 EarSketch 、 JythonMusic 課程教材，分別說明如下： 1.. EarSketch 課程教材：參考 EarSketch 網站(https://earsketch.gatech.edu/earsketch2/#)提供的教材資源，以. 及 Freeman et al. (2014)針對 Python 程式設計概念教學設計的課程架構，並根據研究教學重點與配合十二年國教(108 課綱)資訊科技課綱，重新編排教材內容，將其製作 22.

(34) 成一系列的授課簡報，以及相搭配的學習單，讓學生在系統化的教材中，循序漸進習得基礎 Python 程式概念。 2.. JythonMusic 課程教材：參考 Manaris and Brown (2014) 針對 JythonMusic 所出版的書籍，以及對應. EarSketch 教授的程式概念，編排教材內容，將其製作成授課簡報與學習單，讓學生在系統化的教材中，對於前六週所習得的程式概念更為熟悉。 (二) 程式設計能力測驗 1.. 前測：考量研究對象多數無程式設計之概念，因此測驗題目(共有十題)乃參考以演算法. 設計與程式邏輯為設計主軸之 Bebras 國際運算思維測驗歷年考古題，藉此瞭解研究對象的程式設計概念和狀況。 2.. 中測：進行了六周的課程後，針對兩組的學習內容設計試卷題目(共有十題)，進行紙筆. 測驗，藉此觀看學生的學習成果。另，考量兩組使用的教學策略不同，因而在題目敘述上有稍作修改，但是測驗的程式設計概念皆相同，並不會因語意表達的方式不同而有所差異。 3.. 後測：課程結束後，針對兩組的課程教授內容設計試卷，進行紙筆測驗(共有五題)，藉. 此觀看學生這學期的學習成果。同上，考量兩組使用的教學策略不同，因而在題目敘述上有稍作修改，但是測驗的程式設計概念皆相同，並不會因語意表達的方式不同而有所差異。四、教學設計於預試實驗中，實驗組採 STEAM 科際整合程式設計教學，控制組則採傳統講述式程式設計教學，藉此探究兩組在歷經不同的教學策略下，對於程式設計能力的影響。茲彙整表格將實驗期間的課程目標與內容呈現於下： 23.

(35) (一) 課程目標搭配 STEAM 科際整合程式設計教材之學習內容編排，課程目標共分成三個階段，課堂目標依序為：鞏固 Python 程式設計基礎概念、熟練 Python 程式設計並進行解題，以及綜合應用，詳細的敘述請見下表：表 3-1 實驗組與控制組的三階段課程目標第一階段. 第二階段. (2-6 周). (8-14 周) 相異. ➢. 實驗組：. ➢. 實驗組：. 使用 STEAM 科際整合程式設計教使用 STEAM 科際整合程式設計教材，並以研究工具一(Earsketch)，進材，並以研究工具二(JythonMusic)，行音樂輔助學習 Python 程式設計基進行程式音樂創作，此階段主要是要礎概念，此階段的課程主要是透過音讓學生更熟練第一階段所學到的樂的結構與特性，以及 Earsketch 讓 Python 程式設計基礎概念，並能利用課程目標. 學生瞭解程式設計的運作，進而鞏固所學進行解題。其概念。 ➢. ➢. 控制組：. 控制組：. 使用傳統講述式程式設計教材教導. 使用傳統講述式程式設計教材教導 Python 程式設計概念基礎，此階段的 Python 程式設計基礎概念，此階段的課程在於使學生更熟練第一階段所課程在於鞏固學生的基礎程式設計學的 Python 程式設計基礎概念，並概念。. 能利用所學進行解題。相同第三階段 (15-17 周). 24.

(36) 使用專題計畫書，逐步引導學生構思專題的內容，並透過小組合作討論，製作專題。此階段的課程在於讓學生綜合應用十四周所學習到的 Python 程式設計基礎概念與解題技巧，並從 108 課綱 17 項重大議題(扣除資訊、科技) 挑選一個議題作為專題主題，再發揮創造力，以程式的方式呈現專題。 (二) 課程內容搭配課程目標，課程內容也分成三個階段，茲分別將實驗組與控制組的課程內容，以表格的方式呈現於下： 1.. 實驗組表 3-2 實驗組的三階段課程內容/主題課程內容/主題領域. 電腦科學. 音樂. 電腦程式的基本術語，例如. 音樂的基本術語，例如數位. 腳本(script)、函式庫(script). 音訊工作站(DAW)、音軌. 等. (tracks)等. 程式語言簡介與特性. 節奏、拍速、音高簡介. 電腦程式音樂簡介. 效果器、封波簡介. 資料型別─數值、字串. 音樂架構(A-B-A 型式). 第一階段內建函式與函式 (2-6 周) for 迴圈電腦五大單元變數布林值、算術運算子、比較運算子、邏輯運算子 if…elif…else 條件判斷. 25.

(37) JythonMusic 內建函式操作. 譜號、音階、音符、拍值計. 物件導向程式設計淺談. 算等簡介. 第二階段資料型別─串列(list) (8-14 周) for 迴圈 if…elif…else 條件判斷. 2.. 第三階段. 撰寫應用於專題情境的音樂. 畫面設計. (15-17 周). 程式. 音樂配置. 控制組表 3-3 控制組的三階段課程內容/主題課程內容/主題程式語言簡介與特性資料型別─數值、字串內建函式與函式第一階段 (2-6 周). for 迴圈電腦五大單元變數布林值、算術運算子、比較運算子、邏輯運算子 if…elif…else 條件判斷資料型別─串列(list). 第二階段 for 迴圈 (8-14 周) if…elif…else 條件判斷第三階段. 撰寫應用於專題的程式. (15-17 周). 26.

(38) 五、資料蒐集與分析本研究為探討 STEAM 科際整合程式設計教學與傳統講述式程式設計教學對學生程式設計能力學習成效的影響，同時蒐集量化與質性資料，而資料分析是以量化為主、質性為輔，量化資料採 SPSS 進行數據統計與分析，質性資料則是以教室觀察紀錄、課堂學習單、半結構式訪談資料加以整理。茲將本研究蒐集的資料，以及資料分析的結果說明於下： (一) 量化資料分析為驗證實驗組與控制組的程式設計學習成就表現的交互作用情形及其影響，分別施以程式設計能力測驗之前、後測，並進行共變量分析比較兩組(三班)學習上的差異。結果顯示：三組在於程式設計能力有顯著的差異，且控制組的表現較實驗組好。推估造成此結果的原因有三，茲分點說明於下： 1.. 兩組課程進度落差：原定中測後，兩組將進行第二階段(六周)的課程，藉以熟悉第一階段(六周)的學習. 內容，然而，控制組提前兩周結束，又為了配合實驗組的進度，並於第十五周進入專題課程，控制組的受試者多了兩周的練習時間。 2.. 研究工具熟悉度差異：控制組在第二階段的課程中，並不需要再重新學習新的研究工具，實驗組則不然。. 實驗組在第二階段的課程中，必須學習新的研究工具，藉此熟悉第一階段(六周)的課程，而在研究工具的轉換之間，間接導致學生在撰寫程式的時候受到影響。 3.. 課堂練習程式習題的狀況有別：為了讓學生能夠有自行練習程式撰寫的機會，教學者每次教完一個程式設計概念，. 便會預留十分鐘，讓同學試著解程式習題，並巡堂觀察同學的作答情形，最後再彙整同學的迷思與講解習題的解法。而於觀課的時候發現，兩班同學在解題時的情況有所不同，若遇到不會解的程式習題，控制組的學生會透過同儕討論試著找出問題的癥. 27.

(39) 結，僅少數採用投機的方式，實驗組則不然。實驗組的同學會透過手機拍照教學者的解答，並將其逐行輸入，僅少數是採同儕討論的方式解題。 (二) 質性資料蒐集為了瞭解學生於預試實驗中的學習感受與想法，針對諸如課程接受度、教學活動體認、學習的協助程度、創意想法激盪等面向，設計問題並進行訪談，而將蒐集的資料加以整理後發現： 1. 實驗組大體而言，實驗組的學生對於課程內容、教學活動等都有正面的感受與回饋，兩班的學生都認為：在解決程式問題的時候，音樂可以幫助瞭解程式運作的情形，且由於使用的研究工具亦會用顏色標註，在不熟悉程式概念時，可以輔助並進行程式除錯。不過，在深入瞭解兩個研究工具的使用感想後，發現： (1) 研究工具：實驗組(理班)的同學普遍認為，雖然研究工具一(EarSketch)提供豐富且不同音樂類型的音訊，但是，因為數量過多，再加上部分音訊聽起來非常相似，在進行程式音樂創作時，反而是一種阻礙，再者，雖然研究工具一(EarSketch)可以自行上傳想要使用的音訊，但是卻不能從無到有，根據自己的想法創作，因此，同學較偏向使用研究工具二(JythonMusic)進行音樂創作。 (2) 課堂學習單：為了瞭解同學每堂課的程式課堂練習狀況，每節課都有設計學習單，以輔助學習。不過，卻有同學指出：因為部分同學學習態度消極，每次都以社群軟體詢問解答，並將解答複製貼上，如此對於認真作答的同學有失公允。而在專題製作課程方面，同學的接受度相當高，甚至表示此活動是最能吸引其創作的環節，深入探究此原因發現：因為能夠根據自己的想法，並與同儕合力製作專題，因此喜愛這部分的課程活動。不過，同學也有表示在製作專題的過程中，雖然專題規劃書可以引導思考，但是要填寫的表格過多，致使花了大半的時間在記錄。 28.

(40) 2. 控制組控制組的學生普遍認為教學者利用 code.org 遊戲讓其體驗程式設計的教學活動既有趣，亦是最吸引學習的教學環節，並表示在進行專題製作的課程時，特別是主題的選取與設計感到困難，例如不知道要如何將 108 課綱議題融入，並以程式的方式表達與呈現。彙整預試實驗蒐集而來的量化與質性資料，並加以分析整理後，發現：雖然實驗組在程式設計能力的表現沒有控制組佳，但是，從同學的訪談中得到正面的回饋，同學認為透過音樂的輔助，可以瞭解程式設計的運作流程與概念，以及，能夠利用電腦程式進行音樂創作很有趣，惟可以能夠從無至有的自行創作會更佳。此外，在觀課的時候發現四個問題：一、課堂學習單每周設計的題目偏多，推估此可能間接導致同學不想寫學習單；二、實驗組的習題敘述都是與音樂情境的程式問題，較少生活情境的程式問題，推估此可能間接影響學生的作答狀況；三、實驗組的同學分別於第一、二階段熟悉不同的研究工具，雖然兩個研究工具都是以 Python 撰寫程式，但是兩者在於音樂語法上仍舊是有所差別，推估此可能間接導致學生的作答情況不佳的原因。綜合上述問題，我們在正式實驗中，針對 STEAM 科際整合教材內容、研究工具做了以下的調整： 1.. STEAM 科際整合教材內容學習內容的範例，除了音樂情境以外，新增生活情境題，讓同學能夠熟悉不同情境. 的敘述，降低因敘述問題而導致不知如何作答的情況出現。此外，減少學習單的數量與題數，並新增四個 STEAM 程式學習活動歷程，以協助學習者在步驟與敘述提示上，更加瞭解教學者的學習活動與程式設計的概念。再者，簡化專題規劃書的步驟與內容，減少同學紀錄的時間。 2.. 研究工具鑒於實驗組同學的訪談回饋、課堂觀察學生之學習狀況，以及以利未來的職涯銜. 接，最後決定將研究工具改成 JythonMusic，並刪除 Earsketch。 29.

(41) 正式實驗一、研究對象本研究的對象為新北市立某高中二年級修習資訊科技課程的文組學生(平均年齡 17 歲)，且多數無程式設計的概念，參與課程的班級為兩班，一班為控制組 34 人(男： 14 女：20 人)，一班實驗組 34 人(男：14 人，女：20 人)，共 68 人。教學者既是這兩班的資訊科技老師，也是預試實驗的教學者。二、研究架構與流程本研究採準實驗研究法，實驗組採 STEAM 科際整合程式設計教學，控制組採傳統講述式程式設計教學，實驗時長為十三週，且一周兩節課(一節課為 50 分鐘)。實驗組與控制組共同控制變項為學習內容、學習時間，實驗前後分別施以程式設計能力、程式設計學習態度、程式創造力測驗、音樂知識測驗前、後測。 (一) 研究架構本研究旨在探討透過 STEAM 科際整合程式設計教學，如何影響學生之程式設計學習、學習態度與程式創造力的表現，以及探究性別與音樂先備知識是否影響程式設計學習，研究架構大致如下：. 30.

(42) 調節變項 1. 性別 2. 音樂先備知識. 自變項. 依變項. 教學策略. 1. 程式設計能力. 1. STEAM 科際整合程式設計教. 2. 程式創造力. 學. 3. 程式設計學習態度. 2. 傳統講述式程式設計教學圖 3-3 正式實驗研究架構 1.. 實驗組別. (1) 實驗組：在正式實驗中，實驗組所使用的教學策略為 STEAM 科際整合程式設計教學，在授課以前，教學者會先讓學生試玩 code.org 闖關遊戲，藉此體驗程式設計的撰寫形式。而在開始使用 STEAM 科際整合程式設計教學策略後，教學者會在教導「函式」、「for/while 迴圈」與「if…elif…else 條件判斷」時，帶入設計的四個 STEAM 程式學習活動歷程─音樂賞析與尋找規則、程式概念理解、程式體驗與音樂聆聽與音樂程式創作，並提供學習單，讓學生一面在學習活動中瞭解程式設計的流程與概念，也能透過學習單將結果紀錄下來。體驗完學習歷程後，教學者便會示範如何以程式進行音樂創作，再讓學習者練習習題，熟悉程式。此外，於專題製作期間，教學者從學習者平常的休閒娛樂─觀看戲劇(包含電視劇與電視)中著手，藉由戲劇與音樂的關係，引導學習者思考，從而構思專題之畫面設計與程式音樂創作。. 31.

(43) (2) 控制組：控制組所採用的教學策略乃傳統講述式程式設計教學，授課前教學者也會先讓學生試玩 code.org 闖關遊戲，藉此體驗程式設計的撰寫形式。之後才開始進行傳統講述式程式設計教學，課程期間，教學者會先講解要教導的 Python 基礎程式概念與語法的使用規則，再示範如何以程式解決問題，最後再讓學習者練習習題，熟悉程式概念。而於專題製作期間，教學者亦是從學習者的生活中取材，例如點餐、職涯規劃、新聞時事等作為講解例子，提供學習者構思與製作專題。控制變項. 2.. 於正式實驗中，學習內容、學習時間為控制變項，茲分點說明於下： (1) 學習內容：實驗組與控制組的學習內容，包含教導的 Python 基礎程式概念，以及生活情境練習題皆相同的。 (2) 學習時間：實驗組與控制組的學習時間都是一周兩節課，每堂課 50 分鐘，進行十三週的課程。 (二) 研究流程實驗開始前，為了瞭解研究對象的程式設計能力狀況，以及排除一開始的差異，便施以程式設計能力、音樂知識、程式設計態度問卷、程式創造力前測。第二周至第八周，實驗組與控制組分別進行 STEAM 科際整合教學與傳統講述式程式設計教學，並於第九周施以程式設計能力中測，藉此瞭解研究對象的程式設計學習狀況。於第十周開始進行為期三周的專題製作。最後再於第十三周施以程式設計能力、音樂知識、程式設計態度問卷、程式創造力後測，藉此探究實驗組與控制組，在個別進行 STEAM 科際整合程式設計教學與傳統講述式程式設計教學後，其對程式設計能力的影響，茲將研究流程呈現於下：. 32.

(44) 1. 程式設計能力前測. 2. 音樂知識前測 3. 學習態度問卷前測 4. 程式創造力前測. STEAM 科際整合程式設計教學/傳統講述式程式設計教學. 程式設計能力中測. 專題製作. 1. 程式設計能力後測 2. 音樂知識後測 3. 學習態度問卷後測 4. 程式創造力後測圖 3-4 正式實驗研究流程三、研究工具 (一) 教學教材內容設計 1.. STEAM 科際整合程式設計教學教材參 Manaris et al. (2018)針對 JythonMusic 所出版的書籍，與陳怡芬 et al.(2018)運算. 思維導向程式設計教學模式，設計四個 STEAM 程式學習活動歷程、編排適合的教材內容，並將其製成授課簡報與學習單，讓學生在系統化的教材，以及 STEAM 程式學 33.

(45) 習活動歷程(詳見表 3-4)中，學習 Python 程式語言概念。此外，不同於預試實驗，這次練習的程式情境題類型不僅止於音樂，還新增了生活情境題，讓同學在學習的過程中，避免因不熟悉情境描述，進而影響考試作答的情形發生。表 3-4 實驗組的 STEAM 程式學習活動歷程 STEAM 程式學習活動歷程. 內容說明. 電腦程式概念. 在開始撰寫程式之前，先讓學生聆聽樂曲，模式辨識音樂賞析與尋找規則. 透過熟悉樂曲的旋律與脈絡，從中觀察與紀資料表示錄規則. 程式概念理解程式體驗與音樂聆聽. 教學者講解教導的程式概念聆聽音樂對照程式邏輯演算法思維. 音樂程式創作 2.. 透過音樂創作，體驗演算法設計. 傳統講述式程式設計教學教材兩組的教材編排內容，大致相同，惟傳統組並無任何音樂相關的學習內容與情境，. 以及沒有學習單輔助學習。 (二) 程式設計能力測驗 1.. 前測：考量多數的研究對象沒有程式設計概念，因此題目設計來源為 Bebras 國際運算思. 維歷年考古題。此外，為了能更準確的驗證 STEAM 科際整合教學之程式設計能力的成效，因此特別從中選取與音樂概念相對應之三個主題，分別為：演算法、資料表示與模式辨識，做為前測測驗題目，藉此觀看與瞭解受試者的程式概念狀況。詳細題目列於附錄一，共十題，滿分一百。 2.. 中測：為了檢測兩組學生在歷經五周的 Pyhton 程式設計基礎概念課程中的學習狀況，. 於是根據兩組相同之學習內容設計中測測驗卷，共五題測驗題，包含三題選擇題，兩題實作題。 34.

(46) 3.. 後測：課程結束後，針對兩組的課程教授內容設計試卷，進行上機測驗，共三題，藉此觀. 看學生這學期的學習成果。考量兩組使用的教學策略不同，因而在題目敘述上有稍作修改，但是測驗的程式設計概念皆相同，並不會因語意表達的方式不同而有所差異。詳細題目列於附錄二。 (三) 音樂知識測驗音樂知識測驗題目的設計，乃參考英國皇家樂理檢定第一級的考古題 (https://gb.abrsm.org/zh_tw/theory2018/free-practice-materials/)，與配合課程將運用到的音樂知識，包含拍值計算、譜號、力度符號、音高、音階設計而成，共五題，並施以前、後測，以驗證兩組研究對象在音樂知識學習成效是否有所差異。詳細題目列於附錄六。 (四) 程式創造力測驗程式創造力測驗題目是參考 Bebras 國際運算思維考古題，並根據程式創造力測驗之流暢力、變通力、獨創力、敏覺力與精進力五個評分向度發展與設計而成，測驗題目共分為兩個情境，每個情境下有五題，合計十題，各向度佔有兩題，以驗證兩組研究對象之程式創造力是否有所差異。詳細題目列於附錄三。茲將各向度之評分方式呈現於下： 1.. 流暢力此向度在測驗學生知識運用的流暢程度。學生若能在規定的時間內或是在有條件. 的情況下，針對程式情境與問題寫出多種可能解決的答案，且所寫之答案正確或合理，則將根據所設立的標準予以給分，最後加總即為學生該向度所得之總分。設立的標準： (3) 使用的程式指令或結構的類型個數如附錄二第一個情境中的第一小題，學生回答可以使用輸入指令、條件指令兩種不同的程式指令，則該題得分為 4 分(圖 3-5)。 35.