互動式歷史小故事融入電腦科學教學

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：吳正己博士. 互動式歷史小故事融入電腦科學教學 Integrating Interactive Historical Vignettes into Learning of Computer Science Concepts. 研究生：何育瑄撰. 中華民國一○六年一月.

(2) 摘要本研究旨在應用互動式歷史小故事教材於電腦科學概念的學習，並評估此學習活動對高中生學習科學本質，以及學習電腦科學的態度及成就之影響。本研究發展了三個互動式歷史小故事，包括：「編譯器的發明」、「高階語言─C 語言」，及「機器懂得思考嗎？」，分別讓學生學習編譯器、高階程式語言的發展、人工智慧等三個重要概念。教材的發展是將與欲學習電腦科學概念相關的歷史人物事蹟編成簡短故事，由教師使用投影片及影片說故事，並在故事進行中的關鍵點（概念發展突破處或人物衝突處）中斷故事，鼓勵學生提問與嘗試解決問題，讓學生從故事的發展及討論過程中認識科學概念及科學本質。學習活動的評估採準實驗設計，參與者為北部地區某高中四個班級學生，共計 136 人。學生以班級為單位分成實驗組和控制組，實驗時間共三週，每週一節課進行一個小故事之教學活動，實驗組使用互動式歷史小故事教材，控制組授課教師使用傳統未含歷史故事方式教學，教學實驗後，以自編科學本質問卷、學習概念評量表、及態度問卷施測。研究結果顯示，互動式歷史小故事學習活動對於學生學習態度有正向影響，學生更能了解電腦科學概念發展的整體脈絡，以及發展過程中所遇到的問題與解決方法；在科學本質方面，也較能以電腦科學家的觀點去闡明自己的想法。建議未來研究應延長教學實驗時間，以期讓歷史小故事有足夠時間產生效應，更深入觀察對學生科學本質的影響；在故事內容設計上，宜更進一步與學生生活經驗連結，並適度引入相關之歷史多媒體素材。. 關鍵字：電腦科學史、科學本質、互動式歷史小故事. i.

(3) Abstract Integrating Interactive Historical Vignettes into Learning of Computer Science Concepts By Yu-Hsuan Ho. This study developed three interactive historical vignettes (IHVs) to teach high school students computer science concepts. The three developed IHVs address the concepts of a compiler, high-level languages, and artificial intelligence respectively. The developed IHVs materials were delivered in a high school computer science course to evaluate its effects on students’ learning, in terms of. achievement, interest. in learning activities, as well as understanding the nature of science. The study reveals that by applying the IHVs approach, students learned the computer science concepts better than students who used the traditional approach. The IHVs group understood better the context of how a concept developed, and the problems encountered and how they were solved during the evolution of the concept. In addition, students showed positive attitudes toward IHVs activities and understood more about the nature of science. It is suggested that future studies should employ a longer period of experiment so that the effects might be more significant, connect IHVs with students’ life experience to interest students, and use more historical multimedia materials to maintain students’ attentions.. Keywords: Computer science history, Nature of science, Interactive historical vignettes. ii.

(4) 誌謝兩年半的碩士生涯如今即將到達終點，這段時間受到很多人的幫忙與鼓勵，首先最要感謝的是我的指導教授吳正己老師，讓我體驗到了充實的碩士生涯，我從來沒想過，在這短短的兩年半，竟然有出國增廣見聞的機會，謝謝老師鼓勵我到溫哥華 UBC 遊學，以及到曼谷參加 IEEE 國際研討會，這些經歷除了學術研究的交流之外，對於我的語言能力與社交技巧也有所幫助。在研究的過程中，老師總提出許多良善的建議與問題，幫助我釐清研究中不清楚的部分，使我能夠順利的完成研究及論文。對於老師的教誨與照顧，感激之情永存於我心中。感謝育慈老師總是能夠有條不紊的點出許多研究上的問題點，並且提出具體的修改建議，幫助我不斷的去反思研究的細節，使其得以更完善，而老師的邏輯能力與細心也一直是我學習的榜樣。感謝張凌倩老師，義不容辭的抽空擔任我的口試委員，用親切的問候緩解我緊張的情緒，並且提供我的論文指正與建議。感謝 CSE 學長姐們與各位夥伴們一直以來的相伴，美文學姐、志弘學長、秋帆學姐、治平、孝齊、威霖、翊廷、書寯、家豪、旻穎、品萱、朝丞、婉玥、薇燁、湘庭、君平、子婷、銘峰、顯亭、佑庭，與你們在實驗室的日子永遠歡笑不斷，也謝謝你們包容我的一切。感謝裕明學長與瀞尹學姐提供許多研究相關的參考資料，以及研究上的想法與建議。感謝威霖與翊廷在我想法已掏空時，適時的給我點子與安慰。謝謝 CSE 吃貨大軍滿足我以美食舒壓的願望，與你們在台北探索各種美食，成為了每週最期待的一件事。謝謝秋帆學姐在研究過程中與寫論文時，給我許多建議，並且辛苦的幫我指出與改正不足的地方。感謝嘉玲，總是不厭其煩的幫我解答各種問題，也提醒粗心大意的我需要留意的地方，並且即時的給予協助，最喜歡在走廊上與你說說笑笑的時光。感謝這段旅程最緊密的朋友─品萱，謝謝你願意與我互相分享喜怒哀樂，在研究上，謝謝你一直給我很多新的想法與建議；在生活中，謝謝你給我安心、歡笑的力量，我的研究所生涯絕對因為你的存在而歡樂加倍。感謝我的好朋友們，雖然各自在不同的地方奮鬥著，但是在我壓力大及低潮時，願意聽我抱怨、討拍，甚至是排除萬難立刻陪我出門宣洩一番，讓我得以繼續往前走，沒有就此放棄。感謝我的爸爸、媽媽、哥哥，總是全力支持我、照顧我，讓我沒有後顧之憂的專心完成學，且衣食無虞的在異地生活。謝謝其他親友一直以來的慰問與鼓勵，你們的關心是我完成論文與順利畢業的動力。致所有身伴我左右的人，最深切的感謝與祝福！育瑄 2017.02 iii.

(5) 目錄摘要. ..................................................................................................................... i. Abstract. ....................................................................................................................ii. 第一章. 緒論............................................................................................................ 1. 第一節. 研究背景與動機 ................................................................................................. 1. 第二節. 研究目的 ............................................................................................................. 3. 第二章. 文獻探討.................................................................................................... 4. 第一節. 科學史教學的意涵 ............................................................................................. 4. 第二節. 科學史教學的方法 ............................................................................................. 6. 第三節. 科學本質 ............................................................................................................. 9. 第四節. 互動式歷史小故事與科學史教學 ................................................................... 14. 第三章. 研究方法.................................................................................................. 18. 第一節. 研究設計 ........................................................................................................... 18. 第二節. 研究參與者 ....................................................................................................... 18. 第三節. 實驗流程 ........................................................................................................... 19. 第四節. 教材發展 ........................................................................................................... 20. 第五節. 研究工具 ........................................................................................................... 26. 第六節. 資料蒐集與分析 ............................................................................................... 27. 第四章. 結果與討論 ............................................................................................. 28. 第一節. 學習態度 ........................................................................................................... 28. 第二節. 學習成就 ........................................................................................................... 32. 第三節. 科學本質觀 ....................................................................................................... 37. 第五章. 結論與建議 ............................................................................................. 42. 第一節. 結論 ................................................................................................................... 42. 第二節. 建議 ................................................................................................................... 44. 第六章. 參考文獻.................................................................................................. 46. 附錄一. .................................................................................................................. 50. 附錄二. .................................................................................................................. 52. 附錄三. .................................................................................................................. 53. 附錄四. .................................................................................................................. 55. 附錄五. .................................................................................................................. 57. iv.

(6) 附表目錄表 2- 1 科學史教學方法 ............................................................................................... 6 表 2- 2 科學本質宗旨與子分類（Koehler, Bloom & Binns, 2013） ....................... 11 表 2- 3 學童科學本質的內涵（邱明富和高慧蓮，2006） ..................................... 13 表 3- 1 學習單元與科學本質對照表 ......................................................................... 23 表 3- 2 編譯器的發明教材畫面 ................................................................................. 24 表 4- 1 實驗組學習態度問卷填答統計：對學生學習影響（N=66） .................... 28 表 4- 2 實驗組學習態度問卷填答統計：對教材的看法（N=66） ........................ 29 表 4- 3 實驗組學習態度問卷填答統計：哪些故事印象深刻？（N=66） ............ 30 表 4- 4 學習概念評量表作答情形：編譯器發展成效 ............................................. 32 表 4- 5 學習概念評量表作答情形：高階語言優點 ................................................. 34 表 4- 6 學習概念評量表作答情形：人工智慧 ......................................................... 35 表 4- 7 科學本質問卷作答情形：電腦科學發展和人們價值觀 ............................. 37 表 4- 8 科學本質問卷作答情形：高階程式語言發展的關鍵因素 ......................... 39 表 4- 9 科學本質問卷作答情形：電腦科學發展是主觀還是客觀 ......................... 40. v.

(7) 附圖目錄圖 2- 1 互動式歷史小故事創作及應用流程圖 ......................................................... 17 圖 3- 1 實驗流程圖 ..................................................................................................... 19 圖 3- 2 教材設計流程圖 ............................................................................................. 20 圖 3- 3 教材教學實施流程圖 ..................................................................................... 25. vi.

(8) 第一章第一節. 緒論. 研究背景與動機. 科學史濃縮了科學家創造、發現新知識的社會背景，以及整個探究歷程，從科學史可以了解在當時社會結構下，科學及科技發展的需求與狀況。科學史在科學教育領域備受重視，而且在科學教育領域各學科的教材發展上，過去已有許多相關的實證研究，其結果皆顯示科學史對學生的學習有所幫助（林淑梤、劉聖忠、黃茂在、陳素芬、張文華，2008；陳淑媛、洪振方，1998；邱明富、高慧蓮，2004； Klopfe, 1969；Irwin, 2000；Lin, Cheng & Chang, 2010；Seker, 2004）。科學史融入教學能夠使課程活潑化，提高學生的學習態度，增加學生的學習成就。引導學生經歷科學家的思考與實驗過程，能幫助學生更了解科學的本質。藉由歷史的案例，引發學生思考新的問題，培養批判性思考與尋找解決問題方法的能力。任何教科學教學的過程，若是沒有探討科學概念間的關係，又不加入科學本質，這樣的教學是失敗的。科學史教學能夠有效的呈現科學本質的內涵，並且必面學生產生科學迷思概念。過去的研究顯示，科學史教學確實能夠透過真實科學情境的建立，促進學生對於科學概念、科學情境的理解，並有助於培養學生正確的科學本質觀，像是了解科學的暫時性、主觀性等（林陳涌、鄭榮輝、張永達， 2009；陳淑媛、洪振方，1998；Novak, 1988）。了解學科領域的發展歷史有助於了解學科的核心概念，因此電腦科學史也成為幫助學習資訊科技學生了解電腦科學核心概念，尤其是在了解現代資訊世界文化的整體脈絡上。電腦科學史是在電腦課程中是獨具特色的主題，因為它同時結合了科技和人文內涵（Berry, Sheard & Quartly, 2011; Nakano, Styles & Draper, 2013）。學過電腦科學史的學生，知道在電腦科學發展過程中已經嘗試過什麼，成功或失敗的理由，並能夠以不同的角度來解決問題，對電腦產業也有較多元的觀點，具備了對科技與歷史的理解（Nakano et al., 2013）。 1.

(9) 然而，即使人們普遍承認電腦科學史是重要的，但在電腦科學教育方面又往往被忽視（Draper, Kessler & Riesenfeld, 2009）。目前許多電腦科學課程常以技術及理論為導向，導致電腦科學史的重要性漸漸被遺忘。老師常會因為課程進度，選擇快速帶過或直接略過歷史相關的單元，對於電腦科學發展的重要事件、里程碑及代表人物少有介紹，這樣的教學方式並不妥當，學生只能靠自己意會相關的科學發展。而電腦科學課程中，其他的單元與主題經常較吸引學生的注意力，也造成了電腦科學史教學漸漸沒落（Nakano et al., 2013）。如果學生不熟悉電腦科學史，對於過去歷史發展過程中某些決定為什麼產生，並且導致了什麼樣的後果，他們並不清楚，可能會誤把這些成果視為理所當然。學生能夠從學習歷史的過程中，開拓領域的視野，引發學生主動學習的能力，對於歷史事件與人物的分析，思考從歷史中學到的經驗與教訓（Draper et al., 2009; Impagliazzo, Campbell-Kelly, Davies, Lee & Williams, 1999）。在眾多的科學史教學策略中，互動式歷史小故事（interactive historical vignettes）與歷史個案研究是過去一些科學教學者提出，最常被用來呈現科學本質的策略（林淑梤等人，2008）。大家都喜歡故事，因為故事是有趣的，而且對於小時候聽過的故事我們總是記憶猶新，我們也常為了看更多的故事去觀看電視及電影（陳淑媛、洪振方，1998；Roach & Wandersee, 1995）。在人們各式各樣的休閒娛樂中，故事可以被認為是觀眾消費程度最為突出的選項，講故事成為我們普遍的日常生活和文化的一部分；而在日常的教學及訓練中，故事的形式也能夠作為說明及引導的角色（Riedl & Sugandh, 2008）。教學應是提供學生有意義的學習，而不是單方面的灌輸學生知識；教學應以學習者的先備知識作為學習的基礎，配合學習者的能力與經驗，提供合適的教學策略，讓學習者自行連結新知識與既有的知識。在學習者先備知識適宜的狀況下，融會新知到既有的認知結構中，互動式歷史小故事能夠擔任認知橋樑，從科學史中建立脈絡關係，將學生的已知及應知觀念串連起來（Roach & Wandersee, 1995）。. 2.

(10) 本研究嘗試以互動歷史小故事融入電腦科學史教學，探討此種教學方式是否能夠引發學生學習電腦科學之正向態度，以及增進學生對於電腦科學重要概念的理解，並增進學生對電腦科學本質的瞭解。. 第二節. 研究目的. 1. 發展電腦科學史的互動式歷史小故事教材 2. 探討互動式歷史小故事教材對學生學習科學本質的影響 3. 探討互動式歷史小故事教材對學生學習成就的影響 4. 探討互動式歷史小故事教材對學生學習態度的影響. 3.

(11) 第二章第一節. 文獻探討科學史教學的意涵. 科學史教學將歷史素材加入科學教學中，以顯示出科學特殊性質，增進學生對科學的理解（溫錦隆，2007）。科學史在科學教學中的重要性備受學者的重視，多被認為是科學教育中不可或缺的成分。科學史可以培養學生對科學之正向態度（Solomon, 1991），增進學生之學習態度與動機，減少教科書中的教條主義及科學主義（Matthews, 1994），幫助學生從不同的角度看科學（傅麗玉，1996）。許良榮與李田英（1995）分析相關文獻，整理出科學史在科學教學中的角色，在描繪科學的發展歷程中，科學史提供人文層面的認識，扮演科學與人文之間的溝通橋梁，促使人們注意到科學─科技─社會的關係，了解科學也屬於文化的重要環節之一，與社會、人群、宗教、政治等發展密不可分。科學是經由事實、理論及原理不斷累加而成，新舊典範和概念的更迭過程中，影響了學習者建構科學知識的本質，而科學史具備知識建構的功能，可以透過科學史建立科學情境脈絡，判斷科學概念的學習順序，幫助學習者在有系統的學習架構下查覺自己的迷思概念；除了科學相關技能的操作與應用之外，學習者透過科學探究的學習過程建構科學理論的本質，對於探究學習過程的理解，科學史成為科學教學設計的要素。 Stinner（2008）總結並整合了眾多科學教育家主張科學史必須融入科學課程的原因如下：（1）歷史能夠更佳的了解科學理念和科學方法。（2）歷史能夠做為教育思想、實驗及有趣的個案研究的儲藏室。（3）歷史連結了個人想法發展與科學想法發展。（4）歷史展現了科學革命性的動態過程，而這些過程可以被作為人類思想的冒險旅程。（5）學生必須熟悉科學史重要的事件及文化。（6）想要了解科學本質，科學史是必備要素。（7）有研究表示發現過程和學習過程之間的關係是並行。（8）歷史能夠消彌科學主義和教條主義兩者間的衝突。（9）歷史告訴我們科學理論是暫時的，及顯示了如何以及為什麼在科學中批判性想法是如此難以. 4.

(12) 推翻。（10）歷史讓我們來比較科學理論在今天與過去的時候遇到了困難，這種比較可以幫助我們了解理論的限制，提供研究進一步的發展。（11）歷史可以作為科學主題和學科及其他學科連結。（12）歷史展示了科學、科技和社會是如何相互依存。（13）歷史使科學主題人性化。從上述文獻可見歷史融入課程的優點及必要性，但是如何將其付諸實現還是有潛在的困難，困難點在於科學史本身的複雜性和課程限制，而利用科學史去建構與發展不同脈絡的科學知識是必要的（Seker, 2012）。科學史能幫助學生學習科學概念，從觀察科學家的科學探究歷程，參與其解決問題之過程，激發學生批判思考的能力，建構更適宜的科學本質觀，將此內化為未來自我學習科學的能力（陳淑媛、洪振方，1998）。. 5.

(13) 第二節. 科學史教學的方法. 課程中加入設計過的科學史教材以增加學生對科學的了解，而科學史教學的方式非常多樣化，教師綜合課程學習目標、學生的學習程度與態度等因素去選擇出合適的方式，參考相關文獻（陳淑媛、洪振方，1997；傅麗玉，1996；廖花秀， 2004；盧曉慧，2005；賴淑婷，2007；Roach & Wandersee, 1995；Stinner,2008）提出目前普遍的教學方式，例如：歷史個案研究（historical case）、互動式歷史小故事（interactive historical vignettes）、歷史調查法（historical-investigative approach）、角色扮演等，其他教學方法與詳細施行方法整理如下表 2-1。. 表 2- 1 科學史教學方法科學史教學模式. 施行方法. 歷史個案研究. 針對某一段特定的歷史事件或結果，以心理學的. （historical case）. 角度去編寫教材，並透過發問的形式，幫助學生釐清及充分理解科學發展脈絡及影響。. 互動式歷史小故事. 「互動式歷史小故事」藉由討論與解釋短篇的歷. （interactive historical. 史故事中對立與衝突點的發展，連結科學概念與. vignettes）. 學生想法，短時間的施行就能夠讓學生對於科學本質有深刻的領悟。. 歷史調查法. 讓學生從蒐集各種史料（如文件資料、口頭記. （historical-investigative. 錄、文物史蹟等）的過程中，洞察史實與科學發. approach）. 展歷程，在調查的過程中，學生能更貼近歷史的真實面貌，對該段歷史的發展歷程有更深的體悟。. 角色扮演. 「角色扮演」有助於適應學生個別化差異，運用. （role playing）. 戲劇模式從不同的角度參與歷史事件的討論，深入觀察及研究科學家的背景、主張與成就。此為不少教師喜愛的教學方式。. 歷史對話. 利用「歷史對話」引導學生檢視自己的另有概. （historical dialogue）. 念，經反思後進一步建立新的科學概念；其教材 6.

(14) 的編寫必須從學生印象深刻的生活經驗舉例，否則當學生進入歷史對話現場時，辯護歷程將不易產生。探訪科學古蹟及博物館. 即帶領學生參觀科學史相關古蹟、博物館，或是科學家當時進行實驗的場所，對學生的科學態度有高成效，但古蹟及博物館皆與大部分的學校有不小的距離，空間問題導致此方式較不易實行。. 重複歷史上重要的實驗. 「重複歷史上重要的實驗」對學生的科學態度有負面的影響，學生按照科學家操作步驟的仿古實驗，已知實驗結果的情況下，學生容易忽略科學家應有的客觀、持懷疑等科學態度。. 小組討論. 「小組討論」為常用的融入教學方法，學生對於過去科學家可質疑的問題加以討論，但教師須注意學生的互動情形，製造機會讓所有的學生都能參與討論，避免有邊緣同學遭受排擠的狀況，而面對學生的被動學習，要適時的運用其他教學方法來引起學生的注意力。. 科學家傳記閱讀. 提供學生有關科學家的生平故事或傳記，內容可能會有科學家的生活背景、成長歷程、該位科學家做過的實驗內容，或是奇聞軼事，藉由相關資料提升學生的學習動機，與對科學家的了解。. 科學史寫作. 學生根據某一個科學史事件或科學家來進行寫作，表達對該事件或科學探究歷程中之具有爭議性之議題的看法，藉由科學史寫作提供學生表達想法的機會。. 近幾年在電腦科學史教學領域的相關研究，Impagliazzo 等人（2005）設計了一套電腦科學史教學工具，其教學內容包含讓學生在觀看完早期電腦相關的影片後寫下心得與結論，及探索虛擬的電腦歷史博物館。Draper 等人（2009）以教學者搭配投影片講述，並邀請客座講師演講，這些講師往往是專業的技術人員，能夠分享經驗，甚至是把舊設備帶到課堂上，以及建製模擬環境來呈現早期電腦 7.

(15) 的運作，如此混合式的課程受到學生熱烈的迴響。Aycock（2015）利用歷史性的電動遊戲，讓學生在不同的限制條件下開發程式碼，藉由一套應用現代觀念的工具，去體驗、了解早期的電腦科學史。Harms 與 Berque（2001）展示舊設備輔助電腦科學課程教學，許多範例的執行直接在舊設備上進行，少數不能呈現的部分以影片補充。綜合以上敘述，目前應用於電腦科學史教學之方式相當多元，有教師講述法、觀看影片、專業講師演講、參觀虛擬博物館、建製電腦模擬環境等。國外普遍的電腦科學史相關的課程能夠直接帶學生參觀電腦博物館，或是讓學生與機器、設備實體有最直接的接觸（Draper et al., 2009; Farr, Ainsworth, Avram,& Sheard, 2016; Schielke, 2014），而國內相關的資源相對偏少，加上目前仍少有利用互動式歷史小故事的方式應用於電腦科學領域的實證研究，本研究係採互動式歷史小故事之教學方式來進行電腦科學史教學。. 8.

(16) 第三節. 科學本質. 美國科學促進會報告中（American Association for the Advancement of Science[AAAS], 1994）提出了全美國公民科學素養目標，強調科學本質中的科學的世界觀、科學方法的探究、科學企業的本質與其他領域連結的重要性。加拿大測試全國學生學業水平的泛加拿大評估計劃（PCAP 2013 Report on the Pan-Canadian Assessment of Science, Reading, and Mathematics, 2013）將科學本質視為重要的評估項目之一。科學本質在 2000 年也被列為我國九年一貫課程「自然與生活科技」學習領域中的一項科學素養，這些課程改革均涵蓋科學本質，科學素養顯然被認為是未來公民所必備的能力，而具備科學素養是了解什麼是科學、如何形成科學知識、科學的限制、科學與社會的關係等等之必要條件（林淑梤等人，2008）。儘管如此注重相關課程和教學工作，研究一致將絕大多數的中學生的科學本質另有概念，歸因於教師以不適當的科學教學模式去呈現科學家調查到自然現象的故事（Abd-El-Khalick, 2013）。關於科學本質的內涵眾說紛紜，Roach（1993，引自 Roach＆Wandersee, 1995）提出科學本質的內涵包括： 1.. 科學知識是暫時的，且不斷修正的。. 2.. 在獲取知識的過程中，多以有證據的方法為主。. 3.. 科學是尋找知識；科技是應用科學知識去改變環境或人的狀況。. 4.. 人類的素質，如：想像力，好奇心和創造力對科學事業是必要的。. 5.. 科學涉及自然世界的研究。. 6.. 科學努力簡單明瞭的解釋事件，且經常使用數學在搜尋線索。. 謝州恩和劉湘瑤（2013）綜合各國相關文獻，整理出各國學者對科學本質的觀點與內容，歸納出歷史、科哲、社會、心理四大面向，各面向之定義如下： 1.. 歷史面向 1.1. 科學知識是暫時的，也是有長久性的、累積的部份。 9.

(17) 1.2 2.. 科學知識轉變有時是漸進的，有時是革命般的。. 科哲面向 2.1. 科學仍需要理性與實證的基礎，朝客觀與多元的方向前進。. 2.2. 科學是試圖解釋大自然現象並進行預測。. 2.3. 科學有其限制，無法解決所有事物，如：倫理道德的考量、人類感情等問題。. 3.. 社會面向 3.1. 科學是由個人與社會建構，也有共構的部份。. 3.2. 科學是人類文化的一部份，會受國家、社會等影響，但應不及科技對社會的影響。. 4.. 心理面向 4.1. 科學由科學家所建構，包含人類的創造想像力，無法完全避免主觀或偏見。. 高慧蓮與蘇明洲（2004）針對國小學童，界定出教學科學本質的範疇與內涵： 1.科學知識的本質 2.科學探究的本質 3.科學事業的本質。林陳涌（1996）發展一套可靠的評量工具「了解科學本質量表」，其中涵蓋的內涵為 1.科學方法的本質 2.科學知識的本質 3.科學事業的本質。Koehler, Bloom 及 Binns（2013）提出科學本質的宗旨為暫時的、實證的、創造的、主觀的、觀察與推論、社會與文化及理論與定律，並且利用紮根理論定義出子分類，進一步的描述此架構，內容如下表 2-2：. 10.

(18) 表 2- 2 科學本質宗旨與子分類（Koehler, Bloom & Binns, 2013）宗旨. 子分類 . 科學的知識會改變且是可靠的。. . 科學知識不斷累積。. . 先前的知識會被修改。. 實證的. . 所有的科學知識都以經驗和證據為基礎。. 主觀的. . 科學家解釋資料使用理論的觀點。. . 一樣的資料會因為來自不一樣知識背景及專業內容的科. 暫時的. 學家，而產生不同的解釋。創造的. 觀察與推論. 社會與文化. . 科學家使用創造力和想像力去發展研究問題。. . 科學家使用創造力和想像力設計實驗。. . 科學家使用創造力和想像力制定觀察解釋。. . 觀測可直接選取到讀出或通過儀器延伸感官。. . 在所有的知識中，部分可觀察和推理。. . 推論是由科學家的觀察解釋所創造出來的。. . 有些科學知識是推理的，缺乏直接觀察的證據。. . 預測：推論可預測的（推論可能在未來得到證實）。. . 逆推：推論可逆推的（推斷過去發生什麼）。. . 社會和文化價值觀影響科學家所提出的問題. . 社會和文化價值觀影響科學家進行研究，以促進科學知識的方式。. . 社會和文化價值可以促進或阻礙科學進步。. . 科學與信仰的交集：（1）科學的目的在於發現「事實」。（2）信仰和知識往往是衝突的。（3）科學家可持有科學和信仰雙重概念。. . 科學政治：（1）科學家們爭奪優先發現的認定。（2）科學經費支出往往決定於國家的優先事項。. 理論與定律. . 科學倫理：連接危險與資料收集。. . 推測自然現象的解釋性說明是理論。. . 對自然現象的一般描述是定律。. . 理論和定律都建立在充分證據的基礎上。. . 理論和定律都可以被新的證據或修改過的證據所改變。. . 理論和定律之間沒有等級之分。. 11.

(19) 邱明富和高慧蓮（2006）為其研究遍尋相關文獻，設計出一份適合學童的科學本質模式，將科學知識的本質、科學探究的本質、科學事業的本質三個面向，並將其內涵加以清楚界定，如下頁表 2-3。本研究綜合整理上述相關文獻，欲將文獻內容中所探討的科學本質之內涵，包含科學的暫時性、實證性、創造性、主觀性、觀察與推論、社會與文化及理論與定律等作為研究設計的依據與參考，並進一步的設計為問卷作為本研究評估之工具。. 12.

(20) 表 2- 3 學童科學本質的內涵（邱明富和高慧蓮，2006）層面科學知識的本質. 項目. 細目敘述. 累積性（tentative）科學的知識經由時間累積而來的。暫時性. 科學知識是可能改變的。. （provisional）可重複性. 科學知識可以一再重複的被驗證。. （replicable）創造性（creative）科學的知識是人類智力的創造，它如同很多創造性的想像力如同一位藝術家、一位詩人或是一位作曲家的工作。公開性（public）. 科學家必須正確地發表他們所觀察到的科學現象，科學知識必須公開的發表。. 科學探究的本質. 實證性（empirical）科學知識的產生需要經過試驗的階段。觀察是理論蘊涵的. 不可能有「絕對客觀、毫無成見的觀. （theory-laden）. 察」不同的觀察者即使在相同地點、觀察相同的現象，所得結果可能會不同，因為感官所察覺到的訊息決定權在觀察者已有的知識、信念和理論。. 科學方法的多元化. 科學的方法與過程非獨特性，只要是可以解決研究問題的科學方法就是好的科學方法，並沒有所謂一成不變的科學方法。. 科學事業的本質. 倫理與道德原則. 從事科學研究必須考慮到倫理與道德原則。. 科學家的身份. 科學家兼具有科學專業及公民的身份，科學利用科學思考的特性來解決公眾事務。. 科學社群的重要性 STS. 科學研究受到科學社群的影響。科學、技學與社會具有交互影響的關係。. 13.

(21) 第四節. 互動式歷史小故事與科學史教學. 由科學與科技的傳記編撰而成的互動式歷史小故事，能促進學生對科學與科技領域的了解，認識專有名詞從何而來，提供科學內容建立較持久的記憶，提升學習成效（Wandersee & Roach, 1998）。互動式歷史小故事中對立的雙方（binary opposite）引發衝突的環節，能夠產生問題以誘導學生解釋與解決問題，增進學生概念的理解（洪振方，1998）。故事是組織事件和事實，使他們有意義的基本形式之一。我們在事件中加入了故事形式，並在此形式內置入欲傳達的含義，經過中間錯綜複雜的情節發展，最後結束於通過整個事件清楚的建立所有構成此事件的故事意義。故事具備生活與歷史中缺乏的關鍵性特點，故事是有始有終的，因此修復事件完整的含義(Egan, 1985)。故事主要由「建立」故事背景與基本介紹、「對抗」需要改變的問題、「決議」如何面對且克服問題，三個部分組織而成（Gaeta, Gaeta, Guarino & Miranda, 2015）。Gaeta, Loia, Mangione, Orciuoli, Ritrovato & Salerno（2014）發展出一個設計講故事的模型，故事開始要從生活中普通的事轉移到新的經驗，期間會遇到問題、機會、目標、挑戰的事件，這些事件會與故事主角產生衝突或是因此有所成長；反思活動能幫助學習者反思教訓及概念，並鞏固所學到的知識。互動式歷史小故事（interactive historical vignettes，簡稱 IHVs）是由 Wandersee 基於其多年的教學與研究經驗所發展的教學法於 1990 年首先提出，在學生建立科學本質觀上能夠提供很大的幫助。取材自科學史，故事內容包含衝突的對立雙方，以中斷故事提問的形式，製造事件的懸疑感來引發學生的好奇心，老師引導學生對故事自發的提問與解釋，且鼓勵學生解決故事中的問題點，進而讓學生從討論中認識科學的本質與學習科學的態度（Roach & Wandersee, 1993, 1995）。互動式歷史小故事教學設計是教學者把故事分段，每講完一段故事就提出問題讓學生討論，也就是以中斷故事提問的形式來呈現教學內容（陳意升，2004）。互動式歷史小故事（IHVs）約十到十五分鐘，是經過設計且合乎科學史實 14.

(22) 的歷史小故事，根據科學史的發展來闡述主要概念，但是人物對話與故事細節教師可以自行虛構；故事內容取自科學家生命歷程中的某個重要事件或片段，且與課程內容密切相關，這些歷史事件或人物軼聞經過教師改編成淺顯易懂的簡短故事，配合課程進度在課堂上進行，主要是利用簡短、有趣的特點，來吸引學生重新檢視及修正自己的科學本質觀，學生可以透過 IHVs 深入了解相關的科學概念與歷史背景，同時也能夠突顯科學本質，教師只需利用少許的上課時間，將科學史與科學本質的概念融入於日常教學傳達給學生。IHVs 設計概念注重於能夠以口語表達呈現故事，事件引導及與聽眾之間的互動（Roach & Wandersee, 1998）。在進行 IHVs 教學時，仿效電視連續劇剪輯的概念，藉由故意在故事發展到最緊張高潮，對立雙方僵持不下的地方暫停，請學生自由推測故事的發展，然後教師再揭曉其歷史結局（戰克勝，2006）。 Roach 與 Wandersee（1993, 1995）提到互動式歷史小故事主要的故事型態模式如下： 1.. 選擇一個對學生而言是重要的、有趣的而且與教學單元相關的主題故事以學生課程內容為主要選擇依據，與現下所學課程內容有所聯結，. 減少學習負擔，提升學習動機。本研究設計的三則故事中的主要角色，皆為電腦科學史上的重要科學家，亦為高中資訊教師認為學生應該知道的電腦科學史重要人物（陳怡芬，2013）。電腦科學家的生平與重要事蹟眾多、豐富，而互動式歷史小故事的長度受到限制，過長的故事可能無法維持學生的專注力，所以故事僅能擷取科學家的部分經歷，聚焦於某一段發展歷程。 2.. 為了引發衝突，設計對立的雙方（binary opposites）故事的設計並非平淡無奇，鼓勵學生思考科學家在發展電腦科學的過程. 中所遇到的衝突或困難點，使學生認知到古今面對困難與處理問題的相異之處，也能體認到文化與社會氛圍影響科學的發展。. 15.

(23) 3.. 組織成扣人心弦的故事故事的背後包含電腦科學知識、電腦科學史脈絡、科學本質觀，編寫時. 如何面面俱到實屬一大挑戰。藉由電腦科學家看似異想天開的思想，使學生了解科學創新的重要性，也理解電腦科學的發展並非一蹴可幾，而是透過科學家力求突破、不斷進化，造就今日科技蓬勃的發展。 4.. 確定化解由故事而引起的衝突教學者適時的中斷故事，鼓勵學生思考科學家在發展電腦科學的過程中. 所遇到的衝突或困難點，嘗試設身處地的解決問題，接續的故事內容揭開實際的故事發展，使學生認知到古今面對困難與處理問題的相異之處，也能體認到文化與社會氛圍影響科學的發展。 5.. 最後評量學生對該單元的相關主題及科學本質的了解結束完整的教學流程後，為了瞭解學生是否因使用互動式歷史小故事教. 材而在學習情形上有所差異，本研究施以科學本質問卷、態度問卷、學習概念評量進行評測，了解學生的學習情形。. 16.

(24) 關於互動式歷史小故事創作及應用流程，Roach 和 Wandersee（1995）提出教學設計概念圖，如下圖（圖 2-1）：. 精心設計的科學小故事編寫時使用. 述說時用. 懸疑對立事件. 包含衝突. 以引發. 學生自發的解釋. 取材於. 科學史. 於故事高潮處中斷的方式. 配合科學課程目標. 來鼓勵. 內容針對. 隨後接曉懸疑對立事件的結局. 接著討論. 故事的寓意與啟示. 圖 2- 1 互動式歷史小故事創作及應用流程圖（引自戰克勝，2006）. 本研究採互動式歷史小故事之教學方法來進行電腦科學史的教學，以期能夠透過短篇故事來提升學生的學習態度，誘導學生討論的過程中，吸引學生重新檢視及修正自己的電腦科學本質觀，讓學生可以透過 IHVs 了解相關的電腦科學概念與歷史背景，同時也能夠突顯電腦科學本質。幫助學生建立過去與現在知識的連結，將電腦科學史的科學概念與科學本質傳達給學生。. 17.

(25) 第三章. 研究方法. 本研究旨在發展互動式歷史小故事教材，了解學生利用此教材對學習電腦科學史之學習態度、學習成就與科學本質觀是否有影響。本章共分成六節，研究設計、研究參與者、實驗流程、教材發展、研究工具、及資料蒐集與分析。各節內容詳述如下。. 第一節. 研究設計. 本研究以互動式科學小故事融入高一電腦科學史課程，本教學實驗採準實驗研究設計，歷時四週，每週一節課的授課時間，前三週進行學習活動，第四週發放問卷與學習概念評量表予學生進行填答。實施對象為北部地區某高級中學的高一學生，分為實驗組與控制組，兩組皆由原授課老師進行教學，授課老師相同，且教授相同的電腦科學史概念。實驗組接受現行課程結合「互動式科學小故事」的教學活動；控制組則實施傳統未含歷史故事的教學方式。. 第二節. 研究參與者. 本研究之參與者為北部地區某高級中學的高中一年級四個班級共 136 人，此校採常態分班，參與者皆修習計算機概論課程，授課老師、課程進度與學習內容皆相同。其中兩班為實驗組，人數為 66 人，利用互動式科學小故事之教材進行教學活動；另外兩班為控制組，人數為 70 人，授課教師以傳統講述式進行教學。. 18.

(26) 第三節. 實驗流程. 本研究參考相關文獻歸擬出實驗流程圖（圖 3-1），實驗時程之第一週到第三週進行學習內容教學，每週一節課五十分鐘，共計三節課。兩組授課老師相同，且老師在實驗開始前皆給予兩組同學相同的影片或時事新聞引起學生學習動機，接著實驗組開始進行互動式科學小故事教學，控制組則由老師進行講述式教學法，提供給老師與本研究教材內容相同的小故事文本，兩組使用之教學方案皆相同，老師在講述故事中途亦會帶領同學討論問題；第四週實驗組學生施行學習態度問卷、科學本質問卷及學習概念評量表；控制組學生施行科學本質問卷及學習概念評量表。實驗實施控制組. 實驗組. 實施互動式歷史小故事融入電腦科學史課程(2.5 小時). 實施一般傳統電腦科學史課程 (2.5 小時). 問卷與評量表填寫 (共計 1 小時). 資料分析. 圖 3- 1 實驗流程圖. 19.

(27) 第四節. 教材發展. 本研究之教材採「互動式歷史小故事」之形式來進行設計，故事取材自科學史，包含衝突的對立雙方，以中斷故事提問的形式，引導學生對故事自發的提問與解釋，鼓勵學生解決故事中的問題點，進而讓學生從討論中認識科學的本質與學習科學的態度（Roach & Wandersee, 1993, 1995）。壹、教材設計流程本研究之教材設計流程圖修改自 Roach 與 Wandersee 於 1995 提出的教學設計概念，進行教材設計，如下圖 3-2。. 文獻探討. 資料蒐集. 編寫電腦科學史小故事. 文獻探討. 專家審查. 相關史料. 教材修訂. 教材完成圖 3- 2 教材設計流程圖. 貳、故事主題與內容發展本研究所選擇的故事皆配合高中一年級下學期之計算機概論課程進度，欲以互動式歷史小故事教材與原課程達到相輔相成之效，故主題選定高中一年級下學期的「程式語言」相關單元為主，包含「編譯器的發明」、「高階語言─C 語言」、及「機器懂得思考嗎？」。故事內容選自電腦科學發展歷史中具代表性之歷史人物或發明物事件，互動式歷史小故事非以傳記、個案等大篇幅形式呈現，而是利用小品文的方式表現最 20.

(28) 精華的部分，由於時間限制，欲在十到十五分鐘內進行故事內容，所以不以歷史人物完整的人生歷程為故事題材，而是將針對單一事件的發生進行探究。每一則事件依據科學家真實人生際遇改編而成，呈現 IHV 事件時採戲劇化的敘述形式，吸引學生的注意力（Roach & Wandersee, 1998）。本研究故事設計參考 Roach 和 Wandersee（1995）提出互動式歷史小故事創作及應用流程（圖 2-1），自教科書內容中選擇三則歷史小故事加以編撰為三個學習單元，進行融入電腦科學史教學，分述如下：（1）編譯器的發明故事描述主角葛麗絲‧霍普（Grace Hopper）生平事蹟，做為一個女性，努力克服在當時性別不平等的工作環境下所遇到的困難，且霍普在工作期間觀察到當時使用的低階程式語言帶來的不便與不足之處，為此發展出了第一個編譯器，使人能夠利用自然語言編寫程式，而後機器甚至可以開始進行商業資料的處理，不再只是做數值計算的工具。（2）高階語言─C 語言以至今仍被廣泛應用的 C 語言發展故事為例，來呈現高階程式語言的特色。故事以丹尼斯‧里奇（Dennis Ritchie）肯‧湯普遜（Ken Thompson）決定承接公司已放棄的作業系統專案做為開端，在發展新的作業系統 Unix 的過程中漸漸意識到原先使用組合語言編寫系統的不利之處，他們認為必須自己開發一個適合的程式語言，在不斷的修改、進化下，C 語言誕生了。C 語言易讀、易修改的特性，使得 Unix 系統得以迅速普及，C 語言同時也聲名遠播。（3）機器懂得思考嗎？故事以艾倫‧圖靈（Alan Turing）為主軸，圖靈對於電腦科學界的諸多貢獻，被後人尊稱為「電腦科學之父」。故事從圖靈參與二戰後的人生開始說起，因為接觸到了有關機器行為的文獻，「機器是否有思考能力？」的疑問油然而生。隨後，他發表了一篇論文，並提出「圖靈測試」以測試電腦與人類的區別，. 21.

(29) 為後續許多人工智慧研究打下一個深厚的基礎。. 參、科學本質的融入本研究之故事設計將科學本質編入故事中，彙整相關文獻所提出的科學本質內涵，加以定義為適合發展本教材之科學本質內涵，內容如下： 1.. 暫時性：科學的知識會改變且是可靠的；科學知識不斷累積；先前的知識會被修改。. 2.. 創造性：科學家使用創造力和想像力去發展研究問題；科學家使用創造力和想像力制定觀察解釋。. 3.. 實證性：所有的科學知識都以經驗和證據為基礎。. 4.. 主觀性：科學家解釋資料使用理論的觀點；一樣的資料會因為來自不一樣知識背景及專業內容的科學家，而產生不同的解釋。. 5.. 觀察與推論：推論是由科學家的觀察解釋所創造出來的；有些科學知識是推理的，缺乏直接觀察的證據。. 6.. 社會與文化：科學受到當時社會和歷史的情境影響。. 7.. 理論與定律：理論和定律都建立在充分證據的基礎上；理論和定律都可以被新的證據或修改過的證據所改變。. 本研究將上述之科學本質觀綜合融入到故事中，每則故事強調不同的科學本質，見表 3-1，期望學生透過故事強化對科學本質的理解。. 22.

(30) 表 3- 1 學習單元與科學本質對照表學習單元（1）. 學習目標 1.. 編譯器的發明. 2.. 了解編譯器. 重要學習概念 1.. 科學本質. 人如何更好的與機器溝社會與文化. 發展的歷史. 通：（1）使用接近自然語主觀性. 了解編譯器. 言編寫程式（2）編譯器具創造性. 在程式設計. 備翻譯功能。. 中的角色與. 2.. 編譯器的影響電腦功能：數值計算（加減乘除…）. 功能. 到商業管理（統計、人事）。（2）. 1. 了解 C 語言的. 高階語言. 1.. 歷史. ─C 語言. 性。 2.. 主觀性. C 語言程式碼簡潔緊湊、實證性易移植、易讀、易修改。. 2. 了解高階語言具備編譯器. 高階語言 C 語言具可攜暫時性. 3.. C 語言影響發展出多種其他語言。. （3）. 了解艾倫‧圖 1.. 「模仿遊戲」為電腦模仿. 暫時性. 機器懂得. 靈（Alan. 人類的思考方式。. 創造性. 思考嗎？. Turing）提供. 機器學習或許讓機器透過. 實證性. 機器思考的. 經驗自然發展出一套判斷. 觀察與推論. 簡單定義. 方式，有能力創造新的思. 理論與定律. 1.. 2.. 維。 2.. 了解圖靈測試的內容. 3.. 模仿遊戲的概念應用在現代盛行的聊天機器人上面。. 23.

(31) 肆、教材設計與製作本研究之教學內容的呈現並非為平鋪直敘的講述方式，而是採用有聲投影片，為了吸引學生的注意力以及維持專助度，將事先錄製好的故事內容，搭配研究者從網路資源中尋找相關的圖片資源，加上關鍵字做為重點提示，製作成圖文並茂的投影片。由於實驗組為兩個班級，為確保兩班所接收的故事陳述質量一制性，研究者事先將故事內容錄製於投影片中。藉由聽覺與視覺並行的傳達資訊，減少學生外在的認知負荷，幫助學生快速的掌握學習概念，提高學習動機，授課老師在教學過程中適度的提供學生思考與學習的線索及提示，使學生更能身歷其境。下面表 3-2 以編譯器的發明故事為例：. 表 3- 2 編譯器的發明教材畫面投影片影像. 旁白因為戰爭的關係造成美國人力大規模的耗損，因此政府就決定要開放大量在這之前專門為男性所設置的行業，所以就為女性創造了前所未有的事業機遇。. 24.

(32) 當 Hopper 提出這個構想的時候，大家都說：「不可能吧。」「怎麼可能…」「因為電腦就只能做計算，只能加減乘除，只能處理數字，電腦是看不懂英文的。」「看不懂啦。」「對呀！對呀！」. 伍、教材教學實施流程講述故事. 中斷故事提問整個故事結束. 揭曉實際歷史片段. 圖 3- 3 教材教學實施流程圖. 25. 討論故事寓意.

(33) 第五節. 研究工具. 本研究使用三項評估工具，電腦科學史學習概念評量表、自編科學本質問卷及自編學習態度問卷，詳細學習概念評量表及問卷內容請參考附錄一、附錄二。壹、學習概念評量表概念評量用以了解學生電腦科學史的學習狀況。目的在了解學生是否掌握到課程中所要傳達的重要科學概念與知識。問卷內容以兩組皆學習過的課程內容去編製，兩組題目相同，共計 3 題，包括編譯器發展成效、高階語言優點、人工智慧。貳、科學本質問卷科學本質問卷，參考林陳涌（1996）所發展的工具，用於瞭解學生對於科學本質之理解，將本研究所發展之教材所融入之科學本質整合於題目，包含科學的暫時性、實證性、創造性、主觀性、觀察與推論、社會與文化及理論與定律，自編 3 題，實驗組與控制組題目皆相同。參、學習態度問卷學習態度問卷，題目設計參考王正如（2010），用以了解實驗組學生對電腦科學史的學習態度，以及對於互動式歷史小故事教材的看法，本問卷為混合型問題，封閉式題目採李克特式（Likert Scale）五點量表，計 12 題；半開放式題目 1 題；開放式題目 1 題；共計 14 題。. 26.

(34) 第六節. 資料蒐集與分析. 本研究透過科學本質問卷、學習態度問卷、學習概念評量表等研究工具做為主要資料來源，並以問卷中開放式填答區塊與課堂觀察記錄為分析輔助資料，了解學生的學習成就、科學本質觀、學習態度是否因為實施互動式歷史小故事與否而有所差異。藉由實驗組學生的學習態度問卷填答蒐集量化資料；並從科學本質問卷及學習概念評量表之開放式問題蒐集質性資料。將蒐集到的資料加以處理，方法如下：量化資料的部份為實驗組填答之態度問卷，問卷採李克特式（Likert Scale）五點量表，非常同意計分 5 分、同意計分 4 分、普通計分 3 分、不同意計分 2 分、非常不同意計分 1 分；問卷皆以正向敘述詢問，採正向記分。問卷質性分析的部分為學習成就與科學本質觀，資料採歸納分析法，將學生之回答內容，透過關鍵字以及敘述脈絡加以歸納分析，並採用百分比的方式呈現，以理出學生的思考模式。. 27.

(35) 第四章. 結果與討論. 本章以電腦科學史教學問卷之學生填答內容，進行內容分析結果與討論。其中實驗組學生之學習態度情形以自編態度問卷進行量測，以學習概念評量表了解實驗組與控制組學生之學習成就，而科學本質觀則以自編科學本質問卷之形式進行資料的蒐集。本章共分成三節，學習態度、學習成就、科學本質觀。各節內容詳述如下：. 第一節. 學習態度. 本節探討對於互動式歷史小故事教材融入電腦科學教學，透過填答結果探討實驗組學生學習電腦科學史之態度，並了解學生對於此教材的想法，見下表 4-1 及表 4-2。表 4- 1 實驗組學習態度問卷填答統計：對學生學習影響（N=66）題目. 5. 4. 3. 2. 1. 21%. 62%. 17%. 0%. 0%. 27%. 55%. 18%. 0%. 0%. 3. 歷史小故事讓我了解當時科學家所面臨的困難。. 21%. 64%. 12%. 3%. 0%. 4. 歷史小故事讓我想瞭解更多電腦科學發展歷史。. 14%. 44%. 30%. 10%. 1%. 5. 歷史小故事對學習電腦科學史有幫助。. 15%. 52%. 33%. 0%. 0%. 6. 歷史小故事能減輕我強記、背誦歷史背景的負擔。. 12%. 32%. 52%. 2%. 2%. 1. 歷史小故事讓我更了解促成電腦科學發展的背景。 2. 歷史小故事讓我增加很多課外知識。. 註：1-非常不同意 2-不同意 3-普通 4-同意 5-非常同意. 互動式歷史小故事影響學生學習電腦科學史之態度結果如表 4-1 所示。大多數的學生認為透過歷史小故事能夠讓他們知道電腦科學的發展脈絡，甚至讓他們想要進一步的了解其他更多的電腦科學發展歷史。學生認為透過歷史小故事幫助 28.

(36) 他們學習歷史、加強記憶，緩解了背誦歷史內容的壓力之外，歷史小故事確實補充了許多教科書上沒有的知識內容，同時並不會增加學生們額外的學習負擔。其中第三題「歷史小故事讓我了解當時科學家所面臨的困難。」有百分之八十五（非常同意 21%，同意 64%）的學生可以體會電腦科學家在發展科學的歷程所遭遇到的困難，其原因在於互動式歷史小故事教材的特點為在故事中的衝突與困難點中斷故事，停下來讓學生討論，在當下給予學生思考問題的時間，以及互相分享的空間。表 4- 2 實驗組學習態度問卷填答統計：對教材的看法（N=66）題目. 5. 4. 3. 2. 1. 7.. 我希望聽更多的電腦科學歷史小故事。. 17%. 23%. 55%. 6%. 0%. 8.. 聽故事時，我常會想接下來故事的發展脈絡。. 11%. 15%. 58%. 14%. 3%. 9.. 故事中的互動討論，能讓我重新思考當時電腦科學發展的困境。. 6%. 50%. 36%. 8%. 0%. 10. 故事中的互動討論，能讓我嘗試思考改善當時電腦科學面臨的困境。. 6%. 42%. 44%. 6%. 0%. 11. 我覺得在故事中適當的停下來討論某個主題，對我學習是有幫助的。. 11%. 52%. 38%. 0%. 0%. 12. 我喜歡在聽故事時，有與同學分享自己想法的機會。. 6%. 30%. 50%. 11%. 3%. 1-非常不同意 2-不同意 3-普通 4-同意 5-非常同意. 表 4-2 主要呈現學生對於互動式歷史小故事之教材的想法。學生對此教材的故事內容感到滿意，並且希望可以聽到其他更多的歷史小故事。在故事內容的進行過程中，僅有百分之二十六（非常同意 11%，同意 15%）的學生願意嘗試思考故事接下來的發展；然而，在互動討論的環節，學生對於重新設身處地的思考當時電腦科學領域發展，以及電腦科學家所面臨的困境，多持正向的回應，顯示出學生在聽故事時偏向被動式的接受資訊，但在互動式歷史小故事的互動環節， 29.

(37) 會更願意嘗試思考如何解決故事中發生的問題。學生大多同意互動式歷史小故事中斷故事討論的模式，能夠透過與同學的討論，因為能夠即時的幫助學生釐清一些影片中不太理解的概念。並且部分的學生也喜歡能有與同學分享和發言的機會；不過仍有一半的學生持中立態度，這部分的學生認為雖然喜歡有同學分享想法的機會，但只想靜靜的聽其他同學的分享。. 表 4- 3 實驗組學習態度問卷填答統計：哪些故事印象深刻？（N=66）故事. 百分比. 學生編號 102-3 102-26. （1）編譯器的發明. 36% 103-10 103-25. （2）高階語言 ─C 語言. （3）機器懂得思考嗎？. 103-24 20% 103-12 102-21 103-2 77%. 103-28 103-34. 原因（摘自學生回答內容）因為一位被看不起的女性最後卻讓大家很尊重。在我每次打程式的時候，一直無法成功，這時只要按下編譯器，就會幫我找出錯誤，因此我覺得編譯器很重要，也印象深刻，對葛麗思霍普女士感到佩服。故事主角是一位女性，透過努力令不看好他的人改變想法。編譯器的發明大大影響現在正在學習的我們，無法想像編程式時還需要記一大串的字。要不是有前人發明像編譯器、C 語言，現在也許就沒有那麼進步的電腦了。 C 語言被廣泛用於電腦軟體的開發。探討機器是否有智能牽涉到很多因素包括道德、法律..因素，很有趣。圖靈測試還蠻有趣的，機器可能故意有小錯誤，而且機器會不斷進化。未來的人工智慧也許能取代人類，甚至是超越人類讓我有些擔心。因為有看過有關圖靈的電影，原本不懂，但透過 PPT 我更加了解了。. 由表 4-3 得知，第一個故事「編譯器的發明」，學生深刻的感受到故事中主角葛麗絲‧霍普（Grace Hopper）身為女性科學家，在當時的工作環境中因為性別而遇到不平等的待遇與挫折。在眾人不看好她的情況下，還能堅持意念，最後成功的發明出編譯器，使學生滿感到相當佩服。學生也了解到是葛麗絲‧霍普 30.

(38) （Grace Hopper）為編寫程式帶來相當大的轉變，因此深深受惠了目前正在學習編寫程式的學生們。而第三個故事「機器懂得思考嗎？」最讓學生感到印象深刻及喜愛，原因在於學生認為此篇故事中所提到的人工智慧議題為現在科技流行趨勢，與他們所接觸的生活習習相關，從新聞資料到經典電影，人工智慧相關的資訊俯拾即是，因此學生感到最有興趣。現在正蓬勃發展的人工智慧背後涉及的人權、道德、法律等各個不同面向中，目前還有許多懸而未解的問題，促使學生願意主動思考相關的議題。綜合上述問卷填答結果，互動式歷史小故事確實增強了學生在學習電腦科學史的正向態度。在課堂觀察中，學生願意參與回答討論，與同學分享想法，其中尤以「機器懂得思考嗎？」此單元的互動與反應最為熱絡，由學生分享的內容可以推論，此單元的故事內容與學生生活最為相關，尤其是故事後半段談到的人工智慧下棋 AlphaGo，以及目前流行的 SIRI、LINE 等聊天機器人。大部分的學生不排斥利用互動式歷史小故事來學習電腦科學史，認為可以透過此方式來補充教科書上未詳細介紹的內容，使學生更能了解到整個電腦科學發展的脈絡，以及在不同時空背景下，電腦科學發展所遇到的問題與解決之道。. 31.

(39) 第二節. 學習成就. 本節探討對於互動式歷史小故事教材融入電腦科學教學，透過填答結果了解控制組與實驗組學生學習電腦科學史概念之學習成就，學生填答結果採歸納分析法，透過關鍵字以及敘述脈絡加以歸納分析，將該組頻繁出現之概念、關鍵字以百分比的方式呈現，以理出學生的思考模式，若組內未達五人論及之概念與關鍵字則不列入統計，將資料整理為表格，如下表 4-3、表 4-4 及表 4-5。. 表 4- 4 學習概念評量表作答情形：編譯器發展成效學生回答正確概念. 控制組. 實驗組. 1. 翻譯*. 14.8%. 未達 5 人. 2. 接近人類語言（0101→英文）*. 18.5%. 10.4%. 未達 5 人. 12.5%. 4. 易懂、門檻低. 22.2%. 4.2%. 5. 容易偵錯. 11.1%. 18.8%. 6. 不需再打洞. 7.4%. 未達 5 人. 7. 做到以前無法做到的事. 22.2%. 未達 5 人. 8. 編輯快速（效率提升）. 29.6%. 未達 5 人. 9. 語言轉換成電腦懂得. 未達 5 人. 14.6%. 10. 系統（平台）間的資料轉移. 未達 5 人. 14.6%. 11. 簡化、簡潔、不需要背. 未達 5 人. 25.0%. 3. 人與電腦溝通更容易*. *重要學習概念. 本題主要評量學生是否了解編譯器主要為機器語言與高階語言之間翻譯的橋梁，人在編寫程式時也可以使用接近人類使用的自然語言進行編寫，因此人和機器的溝通變得更容易了。由表 4-3 可以發現實驗組學生的答案「接近人類語言（英文）」、「簡化、簡潔、不需要背」、「人與電腦溝通更容易」皆論及編譯器降低人與電腦溝通的難度，擷取實驗組學生回答如下：「不只是專業人員，一般人也能寫程式（讓本來複雜的程式變簡單）。」（學生編號 103-10） 32.

(40) 「原本的語言非常複雜，因此需要很多訓練，花很多時間才能了解，現在有了編譯器，不需要背那麼多符號，學生也可接觸學習。」（學生編號 103-16）「透過編譯器，我們可以用我們比較熟悉的語言去命令電腦做事。」（學生編號 103-20）原因可能是在第一篇故事─編譯器的發明中，多次提到葛麗絲‧霍普（Grace Hopper）在編寫程式時遇到低階語言過於複雜的困難，以及描述程式人員都必須經過相當專業的訓練，得以勝任程式編寫的工作，因此實驗組的學生體認當時的程式設計人員的專業和編寫程式的侷限，才會在此部分加以表述。而控制組學生回答，擷取部分回答內容如下：「他可以將程式語言轉換成電腦看得懂的。」（學生編號 106-3）「克服了速度還有準確度問題，使我們做起事來更快、更有效率。」（學生編號 107-29）「本來十分難記的程式語言，透過編譯器變得簡單。」（學生編號 107-12）「有了編譯器後，便可翻譯程式語言，這樣對於使用者而言，更加得輕鬆，也克服了一些以前不懂的程式語言，且高階語言加上編譯器帶來了許多方便。」（學生編號 107-17）部分的控制組學生能夠直接指出編譯器具備「翻譯」的功能，原因可能在於在傳統教科書中內容寫明「編譯器讓使用者不管用什麼程式語言撰寫程式，都可以翻譯成可在電腦上執行的機器語言」，在課堂上老師有在此處特別強調。. 33.

(41) 表 4- 5 學習概念評量表作答情形：高階語言優點學生回答出的正確概念. 控制組. 實驗組. 1.. 語言多樣多元*. 12.0%. 10.9%. 2.. 簡潔、輸入、修改容易*. 14.0%. 19.6%. 3.. 共通（不同平台之間）*. 未達 5 人. 6.5%. 4.. 簡單、易上手、易懂（學習門檻低）. 44.0%. 39.1%. 5.. 方便. 32.0%. 41.3%. 6.. 功能變多、能做的事變多. 32.0%. 15.2%. 7.. 快速（編寫完成）. 28.0%. 未達 5 人. *重要學習概念. 在本題探討學生是否能提出高階語言的優點，了解高階語言具備可攜性，能夠透過編譯的動作把程式碼編譯成該機器使用的機器碼，而程式碼相對於低階語言來說也更簡潔、易讀、易修改，以及高階語言的多樣性。不管在控制組或實驗組，學生皆能了解到因為功能需求的不同，進而衍生更多高階語言的發展，至今有許多不同的語言可供人們選擇使用。下方擷取控制組學生回答內容：「比較看得懂，打字起來速度較快，還有語言變較多。」（學生編號 106-34）「使用上更方便，也比較多元。」（學生編號 106-37）下方內容擷取自實驗組學生回答：「有更多項選擇、更方便。」（學生編號 103-22）「比起低階語言，它更容易學習，而且比較有邏輯。」（學生編號 102-33）實驗組學生的答案還能夠提及其他優勢，例如：高階語言「輸入、修改容易」，以及關於語言在不同平台之間使用的共通性（可攜性），擷取實驗組學生回答內容如下：「人可以看得懂，也好輸入、更改。」（學生編號 103-5）「1.輸入更加方便 2.能讓電腦做更多更複雜的事」（學生編號 103-19）此部分可以推測是因為在高階語言─C 語言故事中，主角在發展作業系統的過程中遇到更換機器問題，透過主角發展 C 語言，使程式碼可以變得簡單容易 34.

(42) 輸入及修改，並且不用再重複編寫，直接帶到不同的機器上執行，提高了系統開發的效率，讓學生體會到發展高階語言的必要性，因而留下印象。另外高階語言的主要優勢「易懂、簡單、易上手」都在學生的回答內容中佔多數；然而在控制組學生的回答中，「方便」、「功能變多、能做的事變多」，這些答案也佔不低的比例。. 表 4- 6 學習概念評量表作答情形：人工智慧學生回答出的正確概念. 控制組. 實驗組. 未達 5 人. 26.5%. 30.0%. 18.4%. 未達 5 人. 24.5%. 4. 程式. 40.0%. 6.1%. 5. 資料庫. 10.0%. 20.4%. 6. 預設情況. 18.0%. 14.3%. 7. 自己搜尋答案. 22.0%. 未達 5 人. 8. 自我分析. 8.0%. 未達 5 人. 9. 道德問題. 未達 5 人. 4.1%. 1. 學習；經驗* 2. 人性化* 3. 著重在如何不被發現是電腦*. *重要學習概念. 期望透過此題了解學生是否能夠掌握人工智慧的運作除了以龐大的資料庫及程式設計支持之外，背後主要為機器學習的概念，藉由經驗去建立及不斷的修正機器的思維；且電腦的反應必須模仿人類的思維與行為，以成功的仿造人的身份與人類互動。由表 4-5 可以發現，實驗組的學生有 26.5%答案提到電腦透過學習與經驗而去顯得有智慧能與人類互動，例如：「加入人性化因素『學習裝置』，使電腦不斷吸收資料同時透過既有資料可以不斷得更新、改進缺點、增強優點。像孩子長大的過程般，最後甚至做到與人互動的程度。」（學生編號 102-21）「讓電腦吸取經驗，不斷修正、進化。」（學生編號 103-2） 35.

(43) 「讓電腦跟人從小到大一樣，慢慢的從中學習經驗。」（學生編號 102-27）並且有 24.5%的學生的答案著重在敘述人工智慧如何不被發現是電腦的設計概念，像是多一些人類的情緒回答，延長回答時間，故意答錯等，例如：「多一點感情，一些語助詞，禮貌，不要馬上答出來，故意出錯。」（學生編號 103-4）「1.加入表情符號，表達心情 2.用人性化的口吻 3.有主觀想法的回答。」（學生編號 103-17）由此可推測，故事「機器懂得思考嗎？」中提到用來判斷機器是否有智能的圖靈測試（Turing Test），讓實驗組學生留下深刻的印象。另外有部分實驗組學生的答案，延伸論及關於人工智慧道德倫理的問題，例如：人類是否會被機器取代，人工智慧的反撲等，甚至有學生能夠想法與自己過去生活經驗結合加以陳述。擷取學生回答內容如下：「運用科學家的智慧、想像力，以及科技的進步，有朝一日 AI 能更貼近人類，但科學家也需思考所謂的『道德問題』。」（學生編號 103-34）「可以有限度的調整，輔助人，像賈維斯，可是不能讓電腦過度進化的思考，像奧創。」（學生編號 103-19）相較來看，控制組多數的學生答案（40.0%）僅能指出背後為程式設計所為，以及 30%的答案為「人性化」，但對於人工智慧機器透過不斷學習、更新資料庫的概念較少學生提到，擷取控制組學生答案如下：「我覺得科學家們在電腦中加了『人性化』的選擇，像一般人類活動、思考的模式。」（學生編號 106-3）「科技的發展始於人性，透過輸入各式各樣的程式與數據，使得電腦內部儲存多樣化的資料，便能如人類一般的溝通。」（學生編號 106-15）「在設計程式的時候，加入一些能夠和人互動的程式碼，當我們人回答的時候，電腦就可經過我們設計的程式語言中找到答案，並且回覆我們，所以是透過程式語言來讓電腦思考。」（學生編號 107-21） 36.

(44) 第三節. 科學本質觀. 本節探討對於互動式歷史小故事教材融入電腦科學教學，透過填答結果了解控制組與實驗組學生對科學本質理解的狀況，包含科學的暫時性、實證性、創造性、主觀性、觀察與推論、社會與文化及理論與定律，學生填答結果亦採歸納分析法，透過關鍵字以及敘述脈絡加以歸納分析，將該組頻繁出現之概念、關鍵字以百分比的方式呈現，以理出學生的思考模式，若組內未達五人論及之概念與關鍵字則不列入統計，利用此形式整理為表格，見下表 4-6、表 4-7 及表 4-8。. 表 4- 7 科學本質問卷作答情形：電腦科學發展和人們價值觀學生回答. 控制組. 實驗組. 1. 為使生活更便利. 55.2%. 35.6%. 2. 科學發展影響人的價值觀. 20.7%. 17.8%. 3. 生活習慣促使改變. 15.5%. 未達 5 人. 4. 人的想法不斷在改變. 31.0%. 未達 5 人. 5. 生活價值觀影響科學發展. 39.7%. 未達 5 人. 6. 人的需求. 未達 5 人. 15.6%. 7. 想法影響創造與創新的方向. 未達 5 人. 35.6%. 本題主要是探討學生對科學本質中的「社會與文化」內涵的理解程度，學生的答案最主要分為「科學、科技發展影響人的價值觀」、「人的價值觀及想法會影響科學發展的方向」兩個層面，學生皆能了解到科學的發展與當時社會中人的需求有關，有不同的需求及生活習慣會影響科學不斷的改變。關於「科學、科技發展影響人的價值觀」的想法，擷取學生的回答如下：「我覺得有，因為隨著電腦科技的進步，人們的想法也會跟著改變。」（實驗組學生編號 103-20）「有，因為人們常因網路上的價值觀而影響，而演變出流行的語言、影片、服裝等…。價值觀改變，世上的氛圍也會隨之更動。」（實驗組學生編號 102-10） 37.

(45) 「有，因為電腦帶給人們許多資訊，不管對或錯都會影響人們的價值觀或想法。」（控制組學生編號 106-34）關於「人的價值觀及想法會影響科學發展的方向」的想法，擷取學生的回答如下：「有，科技始終來自於人性，電腦科學也不例外，因為人類有需要，且需求越來越高，才讓電腦科學能持續發展。」（實驗組學生編號 102-25）「有，因為電腦科學的發展都是源自於人們的價值觀，在不同時代背景下所發展出的東西都反映那時人們的生活、想法。」（控制組學生編號 106-13）控制組學生認為電腦科學的發展與「人的想法不斷在改變」有關，然而實驗組的學生有近 35%能夠進一步的提出是人的「想法影響創造與創新的方向」，其原因在於學生能夠從故事中理解到是電腦科學家突如其來的創新理念，或是遇到需要解決的問題所產生的想法，而去影響電腦科學改變的方向。擷取實驗組學生之回答如下：「有阿。如果發明電腦的人想得不一樣的話，電腦的功能可能就不同了。」（學生編號 103-13）「當然有，電腦科學之所以會進步，都是因為人類不斷地思考、發明而來的。」（學生編號 102-6）「有，因為那些電子產品都是人類所設計出來的，會隨著人類思考模式的改變有所進步。」（學生編號 102-31）實驗組與控制組學生亦對電腦科學發展至今，帶給人們生活的便利性有極大的感觸，所以兩組學生答案論述的方向較偏向為因為追求更便利的生活才會影響科學不斷的改變。. 38.

(46) 表 4- 8 科學本質問卷作答情形：高階程式語言發展的關鍵因素學生回答. 控制組. 實驗組. 1. 科技的進步. 28.9%. 27.5%. 2. 更方便使用. 37.8%. 37.5%. 3. 不斷創新. 20.0%. 20.0%. 4. 低階語言無法滿足人類. 26.7%. 未達 5 人. 5. 低階語言過於複雜、簡單化. 24.4%. 22.5%. 6. 更多元. 未達 5 人. 10.0%. 7. 方便與電腦溝通. 未達 5 人. 7.5%. 此題設計著重在了解學生對於科學本質中「暫時性」與「創造性」的理解情形，根據上表4-7看出，不管是控制組或實驗組的學生皆指出人類為了追求更便利的環境，會不斷的進步，改進從前無法滿足的部分。並且兩組學生也表示，電腦科學要有不斷創新才得以發展。「人類會不停的進步，進化改變，去得到一個更方便自身的機制，這是必然的，創新就會有更多思考，更多思考就會競爭再來就是不斷的發展。」（控制組學生編號 107-24）「人們對於程式語言的依賴，進而持續幫助它進化，使它更於方便。」（實驗組學生編號 102-29）「創新與改良造就今日的成就，經由不同角度思考和不斷反覆實驗證明而產生現在我們能懂的程式語言。」（實驗組學生編號 102-17）關於暫時性，學生了解電腦科學知識是不停累積、改進才有現在的程式語言。而在課堂觀察中，實驗組學生樂於分享想法，如下：「如果沒有發明這個compiler就沒有現在的，她當時參考的資料也不多。」「霍普很厲害，如果沒有發明這個的話，我們寫不會這麼方便，之後不會發展出那麼多有名的出來。」. 39.