配對組採配對程式設計，個別組採個別程 式設計

第三章 研究方法

以下就本研究的研究設計、研究參與者、研究工具、教學規劃、實施步驟、

資料蒐集與分析等部分加以說明。

第一節 研究設計

本研究採準實驗研究法，研究的自變項為使用配對程式設計或個別程式設 計，依變項為學生的學習成就及態度。配對組採配對程式設計，個別組採個別程 式設計。課程規劃總共六單元，配對組與個別組的授課教師、授課時間、教材內 容及成就測驗試卷皆相同。教學時間總共進行七週共 14 小時，及一週的態度問 卷、成就測驗及焦點訪談，此外配對組在進行教學前，實施一小時配對程式設計 的介紹與訓練。實驗完畢後，配對組填寫配對程式設計與程式設計態度問卷，而 個別組僅填寫程式設計態度問卷。在教學過程中，配對組會進行對話錄音，以利 分析其配對過程中的真實行為。焦點訪談則針對配對組學生進行，目的在於瞭解 學生對配對程式設計的觀感。

第二節 研究參與者

本研究以台北市某高中一年級學生四班共145人作為研究對象，其中兩班學 生共76人為配對組，採隨機分派方式兩人一組進行配對程式設計，另外兩班學生 共69人為個別組，採個人單機方式進行程式設計。所有參與實驗的學生均正在修 習高中「計算機概論」課程。本實驗學校96學年度登記入學的最低錄取分數約為 234，入學後以常態的方式進行分班，因此假設實驗參與者的程式設計能力差異 不大。

第三節 教學環境

近年來機器人即被廣泛地運用在機械、電子、人工智慧、程式設計等的教學 活動 (Barnes, 2002; Klassner, 2002; Miglion, Lund, & Cardaci, 1999; Wong,

2001)，許多研究也顯示，使用機器人於程式設計教學，實體機器人有助於學生 想像程式執行，並且提高學生的學習興趣 (Fagin and Merkle, 2002 ； 劉洲, 2005 ； 黃世隆, 2005)。然而目前一套樂高機器人(LEGO Mindstorms RCX)由國內代理商 引進售價約新台幣一萬元，若要建置一間30台左右的Lego mindstorms教室，這對 大多數的中小學而言是一筆龐大的費用。而樂高機器人模擬軟體 (Lego

Mindstorms Simulator, 簡稱LMS)是德國Paderborn 大學針對模擬樂高機器人所 設計的模擬軟體，曾義智（2007）研究指出，學生使用樂高機器人與樂高機器人 模擬軟體進行學習，其學習成就並無差異，且都能得到不錯的分數。在LMS的擬 真環境中，使用者可以自行設定機器人功能、樣式與位置等，同時使用者可自由 產生不同的環境，如：設置障礙物、有色線條等，只要在個人電腦上加裝leJOS 韌 體與Java 3D API即可執行以Java語言撰寫的機器人程式，LMS 會以3D 畫面來模 擬LEGO Mindstorms 機器人的動作，使用者可以藉由LMS 觀察機器人的動作以 幫助學習程式設計，不僅如此，Paderborn 大學的發展團隊公布LMS 的原始碼，

並授予使用者等同GPL（General Public License）的權力，讓使用者可自行對軟體 進行修改與散佈，因此使用者無須花費太多預算即可擁有如同樂高機器人的學習 環境。

LMS 原始環境為英文介面，且部分功能對學習者而言並非必要，如

Simulaiton 鈕、RCX 鈕、Speed 鈕，這對非英語系地區的程式設計初學者而言，

LMS 原始介面是不甚理想的。本研究採用曾義智 (2007)將 LMS 介面中文化的版 本（如圖 3-1 所示），該版本考量初學者的認知負荷，僅保留學習程式設計必要 的功能，使得改良後的 LMS 更有利於華文地區程式設計初學者學習，此外在本 實驗中，LMS 所模擬的機器人外型為汽車，所以在課堂教學、成就測驗、問卷及

焦點訪談中均以「機器車」稱呼之。

圖 3-1 LMS模擬軟體畫面

第四節 研究工具

本研究使用之工具包括：配對程式設計訓練影片及學習單、程式設計教學講 義、成就測驗、態度問卷及課堂觀察表。

壹、配對程式設計訓練影片及學習單

本研究的配對程式設計訓練影片改編自 Werner 及 Denner 製作的 Pair- Programming Video (http://www.soe.ucsc.edu/~charlie/projects/pairprogramming/)。

在實施配對程式設計之前，必須使學生熟悉配對程式設計的精神，因此首先安排 學生觀賞兩段配對程式設計的教學影片，第一段影片為符合配對程式設計的案例

（如圖 3-2 所示），而第二段影片則為反例。

圖 3-2 配對程式設計教學影片片段

學生觀賞完影片之後發予學習單（參見附錄一），教師配合學習單上的問題 針對此兩則案例讓學生進行省思。在案例一的問題中，學生需回答影片中擔任觀 察者與操作者的人物及其行為特色，教師可藉此例說明操作者與觀察者各自的任 務，給予明確的定義；在案例二的問題中，學生先回答影片中擔任觀察者與操作 者的人物及其行為特色，再提出影片中不符合配對程式設計精神的行為，最後假 設影片中所進行的任務失敗，針對責任歸屬與解決之道請學生提出看法。而教師 在檢討學習單時，可根據學生的回應適時引導，使學生對於配對程式設計的角色 及精神有更具體的認識。

貳、程式設計教學講義

本研究講義依環境簡介、循序與變數、選擇判斷、重複結構、綜合練習、專 題等六單元，每單元以觀念介紹為主，並以模擬情境為輔設計練習題，著重使學 生專注在問題解決的思考過程。配對組講義預留空白區域，以方便學生記錄角色 輪替情形及相關工作紀錄，其餘內容皆與個別組相同。詳細內容將於本章第四節

描述。

參、成就測驗

本研究的成就測驗以筆試的方式進行，內容包含變數、選擇及重複等重要觀 念，題目的敘述方式則與講義相似，皆是以機器人模擬軟體所構成的環境為主。

全部題目共有五題，總分為 26 分，其目的在於瞭解學生對教學內容的成效，並 作為實驗比較之用。試卷依測驗內容「理解程式」與「設計程式」兩部分（參見 附錄二），其內容簡述如下：

一、理解程式

理解程式題共有三題，總分為 12 分。學生依據題目所給的程式碼，將機器 車所行走的路線畫出來，藉此測驗學生對於程式的理解程度。

第一題：測驗學生對於循序的觀念及變數的應用，全對得 5 分。

第二題：測驗學生選擇判斷與重複結構的瞭解，全對得 4 分。

第三題：測驗學生變數與重複結構的瞭解，全對得 3 分。

二、設計程式

設計程式共兩題，總分為 14 分。測驗內容為講義中各個重要觀念的統整，

學生依據題目敘述及迷宮地圖撰寫程式，使得機器車可以順利走出迷宮，藉此瞭 解學生演算法設計及將演算法轉換為程式碼的能力。

第四題：本題為選擇判斷及重複結構的應用，學生可以依據題目所敘述的機 器車行為及迷宮地圖撰寫程式。全對得 7 分。

第五題：本題為全部課程的綜合應用，測驗內容包含變數、選擇判斷、重複 結構等，學生依據迷宮地圖撰寫程式，使得機器車能順利走出迷 宮。全對得 7 分。

肆、態度問卷

本研究的態度問卷分為程式設計態度問卷及配對程式設計態度問卷兩份。配 對組學生兩份問卷皆須作答，而個別組學生只需完成程式設計態度問卷。

一、「程式設計」態度問卷

本問卷內容為瞭解配對組與個別組學生對於程式設計的看法。題目共有9 題，以李克特五點式量表方式填答，問卷詳細內容參見附錄三，其內容簡述如下：

第1、2題：此二題為瞭解學生對於指令與程式碼的理解情形。

第3～5題：此題組為瞭解學生對於除錯以及設計程式碼的看法。

第6～9題：此題組為瞭解學生對於程式設計課程的看法。

二、「配對程式設計」態度問卷

本問卷內容為瞭解配對組學生對於配對程式設計的看法。共有17個題目，以 李克特五點式量表方式填答，問卷詳細內容參見附錄四，其內容簡述如下：

第1～7題：此題組為瞭解學生對於配對程式設計所產生七種有利學習的行為 的看法。

第10～14題：此題組為瞭解學生對於配對角色的看法及配對情形。

第15～17題：此題組為瞭解學生對於配對程式設計的整體看法。

伍、課堂觀察表

課堂觀察表作為課堂觀察記錄之用，由研究者在進行配對程式設計時從旁觀 察，並於下課後填寫完畢，其內容包含：配對實施情形、學生學習情形、學生常 問的問題及改進建議等四項，完整表格請參見附錄五。配對實施情形包含角色輪 替、互動情形等紀錄，研究者將觀察到的各種優、缺點詳細描述之，並記錄配對 情形較佳與較差的組別，作為往後觀察的參考；學生學習情形包含觀念理解、上

課氣氛、工具操作等三部分，研究者藉此瞭解學生對於教材、與他人的互動及教 學工具的看法；學生常問的問題是研究者將每次上課時學生所問的問題記錄下 來，以瞭解學生在學習時容易犯錯的部分；改進建議是綜合以上的紀錄，研究者 提出改善的建議，以利往後課程的實施。

第五節 教學規劃

本研究課程內容涵蓋循序、變數、選擇判斷與重複結構等程式基本觀念。教 材的單元一為編譯環境介紹及機器車指令簡介；單元二為變數及循序結構；單元 三則使用觸碰感應器，並搭配條件判斷及重複結構；單元四為使用光感應器，並 搭配條件判斷及重複結構；單元五是光感應器的進階應用，並整合觸碰感應器、

變數、條件判斷及重複結構等觀念；單元六為觀念回顧及綜合練習。各單元主要 內容如表 3-1 所示。

表3-1教學內容一覽表

單元 時數 主要概念 教學活動

一 2

1.Eclipse 編譯環境說明 2.模擬軟體操作及校正

1.熟悉程式的操作環境及傳輸方法 2.熟悉機器車基本指令

二 2

1.循序結構 2.變數的觀念 3.運算子

1.依據程式碼理解機器車的動作 2.使用變數控制機器車

三 4

1.重複結構（while (true)）

2.選擇判斷（if–else）

3.while 迴圈進階應用

1.利用觸碰感應器，判斷是否遇到障 礙物

2.利用變數、重複結構及選擇判斷，

使機器車走出迷宮

四 2

1.重複結構（while (true)）

2.選擇判斷（if–else）

1.使用光感應器，判斷路面亮度 2.結合觸碰感應器與光感應器，判斷

障礙物及路面亮度

五 2

1.多重選擇判斷的 if-else 2.變數、條件判斷、重複結構

的綜合應用

1.利用光感應器行走漸層線 2.變數、觸碰感應器及光感應器綜合

應用 六 2 1.程式觀念回顧

2.綜合練習

1.程式觀念的統整應用

教材呈現方式以瞭解觀念為主，並不強調語法的背誦，在每單元之初會詳細 敘述欲教授的觀念，並製作表格幫助學生統整相關概念，以及列舉簡單的例子來 幫助學生理解，緊接著以一題範例題作為教師講解之用，其內容包含各單元的主 要觀念，並搭配兩題與範例題相似的題目讓學生自行練習，當學生完成兩題練習 題後，則可選擇是否繼續嘗試一題挑戰題，此題雖為自由選答，但授課教師仍可 視學生學習情況適時講解。

以單元二「變數」為例，其內容簡述如下：教材首先會敘述「變數」的基本定義：

「顧名思義，變數在程式執行過程中會產生變化，我們進一步以『儲存程式執行 資料與運算結果的位置』來定義變數則更為貼切」；此外還會將各種不同的變數 型態繪製成表格，如圖3-3所示；最後呈現變數宣告的範例語法，如圖3-4所示。

當變數觀念敘述完畢後，教材會提供教師一題範例題，除了文字敘述之外，並附 上圖解以幫助教師說明，如圖3-5所示。範例題目之後會附上問題解析，內容包含 解題提示、演算法、以及其他應注意事項等，如圖3-6所示。根據問題解析的說明，

講義會提供範例題的參考答案，並在每一行程式後加上註解以加強學生對程式碼 的理解，如圖3-7所示。在變數觀念及範例題之後，教材會附上兩題相似題，學生 必須利用本單元的觀念進行解題，如圖3-8所示。在相似題後會附上一題挑戰題，

以加強學生的觀念，如圖3-9所示。完整之單元二內容請參見附錄六。

圖 3-3 各種不同型態的變數

圖 3-4 變數宣告範例

圖 3-5 單元二範例題

圖 3-6 單元二範例題問題解析

圖 3-7 範例題參考答案

圖 3-8 單元二練習題

圖 3-9 單元二挑戰題

第六節 實施步驟

本研究進行為期七週共 14 小時的教學，配對組則在教學前實施 1 小時的配 對程式設計訓練，實施步驟如圖 3-9 所示。各步驟內容描述於下。

圖 3-9 實驗實施流程圖 壹、配對程式設計訓練

在進行實驗活動前，配對組進行 1 小時的配對程式設計訓練，其目的在使學 生瞭解配對程式設計的實施規則、操作者與觀察者的角色分配及配對過程中可能 出現的狀況，並提供相關案例供學生討論。實施方式以兩段約 5 分鐘的案例影片 作為正、反兩面的案例，並配合學習單引導學生討論，學生藉此熟悉配對程式設 計的精神與規則。

貳、配對程式設計

配對小組以隨機的方式形成，而配對角色則由教師指派，當每完成一題練習 題，操作者與觀察者的角色互換一次，目的在使每一位小組成員都有充分練習的 機會。實施時間共七週 14 小時。

參、個別程式設計

個別組進行教學時，採用個人單機的授課模式，學生所使用的教材與配對組 相同，且單獨完成所有練習題。

肆、成就測驗、問卷

所有課程結束後，實施成就測驗及問卷。兩組的成就測驗均以筆試的方式進 行，且題目皆相同，測驗時間為一節課 50 分鐘。在問卷方面，配對組填寫配對 程式設計與程式設計態度問卷，個別組僅填寫程式設計態度問卷，兩組填寫時間 皆為一節課 50 分鐘。

伍、焦點訪談

焦點訪談實施時間為成就測驗與問卷完成後，實施對象為配對組學生，訪談 內容則與配對角色、角色輪替及學生學習態度相關，以更深入瞭解學生對於配對 程式設計的看法。

陸、對話錄音與課堂觀察

配對組於學習活動時，研究者隨機選取十組進行對話錄音，並將全班實施配 對程式設計的情形記錄於課堂觀察表中。

第七節 資料蒐集與分析

資料分析包含:(1)成就測驗;(2)配對程式設計態度問卷與程式設計態度問 卷(3)課堂觀察表;(4)對話錄音;(5)焦點訪談等五項。

壹、成就測驗

成就測驗分析使用t考驗，分析時以理解程式、設計程式、總分三部分進行 配對組與個別組的比較，檢定時以α＝.05 為顯著水準。

貳、配對程式設計態度問卷與程式設計態度問卷

此兩份問卷皆為李克特五點式量表的封閉性問題，學生可勾選的項目共有五 項分別由「非常同意」到「非常不同意」等五項，分析時從非常同意到非常不同 意依序給予5、4、3、2、1 分。配對程式設計態度問卷統計各題的百分比；程式 設計態度問卷則先統計出各題的平均分數，並採用t考驗來比較配對組與個別組 的平均分數，檢定時以α＝.05 為顯著水準。

參、課堂觀察表

課堂觀察表中包含：配對實施情形、學生學習情形、學生常問的問題及改進 建議等四項，研究者將配對組的活動情形詳細記錄之，以探討學生在配對過程中 的相關行為。

肆、對話錄音

配對組在上課前以隨機方式抽出十組進行對話錄音，並於課後轉譯成逐字 稿，其目的在於分析學生配對程式設計時的情形，以及作為解釋成就測驗與態度 問卷結果的佐證。

伍、焦點訪談

焦點訪談於成就測驗與態度問卷完成後進行，訪問對象為配對組學生，訪談 全程皆進行錄音並於事後轉譯成逐字稿，其分析目的在進一步瞭解學生實施配對 過程的真實情況，藉此補強成就測驗及態度問卷所產生的結果。