第三節 教學規劃

第三章 研究方法

本研究的主要目的是運用電腦樂高改善高中生程式設計教學課程，希望能提 升學生對於程式設計的學習興趣與效果，同時了解學生使用電腦樂高時所遭遇的 問題，促成研究者的教學專業成長。以下就研究設計、研究參與人員、教學實施、

教學策略應用、研究工具等五部分進行說明。

第一節 研究設計

本研究係以行動研究法實施。研究初始，參考相關文獻中的教學經驗，與教 學諮詢小組討論後，選定電腦樂高與 JAVA 語言為主要的教學工具。並規劃教學 方式，其中單元教學流程詳見圖 3-1。

圖 3-1 單元教學流程 程式概念解說

電腦樂高實作 程式設計範例解說

程式設計練習

電腦樂高範例解說

教學內容則規劃為七個單元，依序為「程式設計簡介」、「循序結構、變數與 運算式」、「條件結構」、「函數與副程式」、「重覆迴圈（For）」、「重覆迴圈（While）」

與「專題實作」等。教學時程為九十三年九月至十二月，利用每週二節之計算機 概論課程實施。教學過程中由一位教師（研究者）進行教學、一至二位協同觀察 教師進行教學紀錄，並協助學生完成電腦樂高實作。每一單元結束後，授課教師 與協同教師進行教學討論，就教學狀況、學生學習反應、學生實作過程中遇到的 問題等項目交換意見，以作為修正下一單元教學模式與策略之依據。教學實施過 程皆進行教學日誌紀錄。單元四結束後進行第一次問卷，藉以收集學生意見，作 為單元五至七的教學調整依據。單元七教學結束後，進行第二次問卷，以了解學 生對於整體課程的學習觀感與心得。研究最後實施總結評量，並根據相關蒐集資 料分析結果，進行學生小組訪談，以其了解相關問題。研究實施詳見圖 3-2。

規劃教學內容與編製教材

程式設計概念教學

（單元一至六）

電腦樂高實作

（單元一至六）

圖 3-2 研究實施流程 進行教學檢討與省思

進行學生小組訪談

資料分析 問卷與成就測驗

進行教學調整

單元七專題實作

第二節 參與人員

本研究參與人員，包含參與學生、授課教師（即研究者）與諮詢小組等。以 下說明參與本次行動研究的人員背景。

壹、參與學生

以臺北市立大理高級中學兩班高一學生為對象，共計七十九位。學生來源主 要為臺北市各行政區，部份則來自臺北縣永和、板橋、中和、土城、鶯歌等地。

此兩班學生除了二位在國中時期曾有學習程式設計的經驗外，其餘皆為程式設計 初學者。沒有學生學過 JAVA 程式語言，也沒有使用電腦樂高的學習經驗。

貳、授課教師

研究者現職為臺北市立大理高中計算機概論科教師，有任教國、高中數學之 經驗。民國八十四年自國立臺灣師範大學資訊教育學系畢業後，即至該校任教，

至今任教電腦課程滿十年，除校內一般資訊課程外，擔任校內資訊融入教學研習 課程講師、社區網路學習課程講師等，也曾於本校國中部利用電腦樂高進行程式 設計教學。目前於國立臺灣師範大學資訊教育研究所攻讀暑期教學碩士學位。本 年度授課課程為高三資訊應用學程「程式設計」、「微算機作業系統」與高一「計 算機概論」等科目。

參、教學諮詢小組

本小組以國立臺灣師範大學資訊教育研究所電腦科學教育實驗室成員為 主，成員包括指導教授吳正己博士及數位研究生。小組中有成員具有高中電腦樂 高輔助程式設計學習的教學經驗，也有專精於程式設計教學領域者。小組除了對 教材規劃、教學實施給予建議外，並固定每週有一至二位成員擔任協同觀察教師

的工作。同時每週教學課程結束後，小組針對課程進行、學生學習反應、學生學 習狀況與問題、教室軟硬體設備、教學方式等，與研究者進行意見交流與建議，

以作為研究者調整下週教學之參考。由於研究者本身為該校唯一一位資訊教師，

長期以來缺乏同儕教學互助與支援機制，希望能藉由此次行動研究，達成自己的 教學專業成長。

第三節 教學規劃

本節介紹研究過程中教學規劃相關事宜，分為教學實施與教學內容二部分，

作一詳細的說明。

壹、教學實施

此次課程實施方式以專題製作為主，並於專題製作單元實施之前，將所需之 程式設計概念，安排於各單元中並逐步講授，同時透過各單元中樂高習題的實 作，驗證程式設計觀念與加深學生學習印象。

教學方式則參考相關文獻內容，並參酌研究者的實際教學時數給予改良，將 每一單元分為兩階段進行，其中第一階段進行該單元課程的觀念解說，之後進行 程式設計練習。進行的步驟為：

1.概念講解，

2.程式設計例題示範，

3.程式設計習題實作。

本階段研究者選用 JAVA 語言進行教學。選用 JAVA 語言進行教學的目的，

除了 JAVA 語言能與電腦樂高所用的 LeJOS 軟體內容配合外，也希望能為學生日 後能學習藉由 JAVA 語言的學習得到更多程式設計進階的觀念。但是考量學生程 度與教學時數的限制，本研究教學實施以基本程式設計概念與結構為主，至於 JAVA 語言衍生的物件導向觀念與較深入的系統呼叫架構，由於不是本次研究的 教學重點，研究者僅會在課堂上簡單提及。

以往研究者進行程式設計教學時，為使學生落實程式碼的閱讀與理解，會要 求學生做筆記、謄抄程式內容，之後再將程式碼輸入電腦並執行。此類經驗發現 學生容易因程式碼謄寫錯誤，導致學生輸入過程即使正確，仍發生程式編譯錯誤 的問題，而這樣的學習過程不僅抄錄耗時，也會因為抄錄錯誤造成學生不必要之

學習困擾。因此之故，本研究教學過程中，教師提供學生操作範例程式碼，希望 在教學過程中，減少學生打字時間與不必要的打字謬誤，使學生能專注於程式設 計與概念的學習。並希望藉由直接測試範例程式、修改範例與執行的過程，使學 生能儘快進入狀況。此階段的程式設計例題，教師於課程講解完畢後，將提供範 例程式碼供學生練習，之後透過思考解題方法，及修改範例程式碼的方式，使學 生完成個人習題。

第二階段接續第一階段的內容，將各單元所授觀念與電腦樂高的操作相結 合。進行的步驟為：

1. 概念複習，

2. 電腦樂高例題示範，

3. 電腦樂高習題實作。

由於課表已於學期初排定，每週兩節的計概課無法合併實施，因此本階段進 行時，一開始會先複習前一節課所教授的單元觀念。電腦樂高習題實作的部份，

則因設備有限，故採分組方式實施之。將學生以每三至四人分為一組，每組選出 負責之學生擔任小組長，負責上課前領取每一組的設備（樂高機器車）與紀錄表。

學生們在觀摩教師實作示範後，首先編譯與執行教師提供之範例程式碼，觀察機 器車的運轉情形，熟悉本節教學重點與程式內容，之後進行程式習題之撰寫、除 錯，確認程式無語法錯誤後，將程式內容傳輸至機器車，並使其運轉執行，觀察 確認執行結果是否達成教師習題之要求。小組長詳細紀錄學生專題實作完成情 形，於單元課程結束後一併將紀錄表與機器車繳回。由於相關文獻中提及，不必 要的傳輸動作會耗去學生思考程式的時間，因此研究者會特別提醒同學，程式須 在正確編譯且確定符合習題內容後，再進行程式傳輸的程序。

以上兩階段分別於兩節課實施，學生須在課堂上完成習題。研究者將視實際 教學狀況與學生反應，若有必要則延長該單元授課時數一至二節，以提供學生更 多實作機會。

貳、教學內容

本研究教學內容以學生完成電腦樂高專題－如何使機器車走迷宮－為教學 主軸，學生以分組方式完成作業。教師並於各單元的教學過程中，逐步加入程式 設計概念與指令，使學生循序漸進學習程式設計，並由各單元的練習題中驗證所 學。最後以完成單元七的實作專題為目標，藉以提升學生的學習興趣。教學內容 詳見表 3-1。

表 3-1 本研究教學內容一覽表

程式設計概念授課 電腦樂高實作

一、程式設計簡介

1.程式編輯介紹 2.程式執行介紹 3.程式基本架構

1.介紹機器車結構與使用 2.如何使機器車前進、停止 3.如何改變機器車運轉時間

二、循序結構、變數與 運算式

1.循序結構介紹 2.何謂變數 3.運算式的介紹

1.如何使機器車轉彎、後退

2.如何在程式中設定變數（以機器車運轉 時間為例）

三、條件判斷（If）

1.以生活例子解說條件判斷 2.程式對於不同條件的處理 3.講解條件判斷結構

1.介紹觸控感應器（touch sensor）與數據 讀取之機制

2.利用觸控感應結合 If 結構，改變機器車 運轉方向

四、副程式與函數

1.如何簡化重複程式碼 2.講解函數與副程式觀念 3.補充類別觀念

1.利用函數呼叫結構，建立前進函數與轉 彎函數，縮減重複程式碼

五、重覆結構（For）

1.如何執行重複性工作 2.講解 for 結構

3.for 結構的應用

1.利用 for 結構於馬力加速函數中，使機器 車產生運轉加（減）速

六、重覆結構（While）

1.如何執行重複工作 2.講解 while 結構 3.while 與 for 的不同

1.利用 while 結構，加入無限迴圈與布林代 數，使機器車能重複執行方向變換動作

七、專題實作

1.觀念回顧 2.專題實作

1.結合本學期所學觀念

2.進行專題作業－機器車走迷宮

第四節 研究工具

本研究所使用的研究工具包括程式設計學習講義、電腦樂高積木與傳輸器、

程式課程軟體、分組實作紀錄表、課程問卷、程式成就測驗、小組晤談紀錄與教 學日誌等，分別說明如下：

壹、程式設計學習講義

本講義共分七個單元，分別為「程式設計簡介」、「循序結構 變數與運算式」、

「條件判斷（If）結構」、「副程式與函數」、「重複（For）結構」、「重複（While）

結構」與「專題實作」等。每一單元規劃「觀念介紹」、「操作範例」與「實作習 題」部分，其中「操作範例」以 JAVA 語言進行程式設計教學，講解重點在於基 本概念與程式敘述為主，「實作習題」以講解電腦樂高範例與實作為主。教師並 設計相關習題，學生須於課堂時間練習並完成。

貳、「電腦樂高」積木與傳輸器

本研究採用電腦樂高產品中的硬體部分，包含紅外線傳輸器、可程式化控制 積木、輸出入裝置，與相關零組件等，逐項介紹如下。

一、紅外線程式傳輸器（IR Transceiver）

本傳輸器主要的功能為擔任程式傳輸的媒介（見圖 3-3）。本傳輸器連結於電 腦的 USB 介面埠，驅動後以紅外線無線傳輸的方式，將編輯於 ROBOLAB 的程 式，傳送至以 RCX 為主體、組合其他積木配件而成的物理模型（見圖 3-4）。無 線傳輸的優點，在於程式傳送的過程，不因主題物件之形狀差異造成干擾，依舊 能將程式傳入 RCX 中。

圖 3-3 USB 介面紅外線程式傳輸器

圖 3-4 傳輸器傳輸資料到機器車

二、可程式化控制積木（programmable RCX, Robotics Command eXplorer）

可程式化控制積木（簡稱 RCX），為本產品的核心組件（見圖 3-5）。為一可 接受程式、執行程式、控制其他積木運作的長方體電腦積木，內部建有一 16MHZ 的中央處理器 Hitachi H8，及 32KB 的記憶體，可用來處理與儲存傳入的程式。

整體的輸出入介面有一紅外線接收端、三組訊息輸入端、三組訊息輸出端、一面 液晶螢幕、及四個基本控制按鈕。使用者可結合觸控感應器、馬達、齒輪或相關 組件等，配合程式撰寫與傳輸，觀察此模型的運轉情形。

除了第二章第一節所介紹的 ROBOLAB 外，RCX 也可在輸入合宜的韌體後，

接受其他不同的程式語言。

三、輸出入裝置

輸出入裝置的功能，在於使由電腦樂高組成的模型，能接收外界的訊息與環 境變化，並以此作出與之搭配的動作，或是依使用者程式設定，固定執行相關運 轉工作。輸入設備包含光源感應器、觸控感應器等；輸出設備則包括馬達與燈泡，

以上設備均能和 RCX 的輸出入介面直接串接（見圖 3-5），可再搭配其他零組件 以完成指定工作。

圖 3-5 可程式化控制積木 RCX（資料來源：http://www.erabot.com.tw）

四、其他零組件

為組成主題物件所需，與以上設備搭配的其他樂高積木，如不同形狀之小塊 立體積木、齒輪、皮帶、輪胎等。

參、程式課程學習軟體

教學過程共規劃三種軟體進行教學，分別為編譯 JAVA程式的JAVA^TM 2 SDK、視窗環境編輯軟體JCreator，和電腦樂高專用的JAVA程式環境韌體LeJOS。

一、JAVA^TM 2 SDK, Standard Edition,Version 1.3.1

本軟體為一免費之JAVA程式開發軟體，可編譯與執行JAVA程式。使用者可 於昇陽公司網站 http://Java.sun.com/ 下載，解壓縮後可使用。

二、JCreator LE Release V2.50

本小組進行教學討論與規劃時，發覺若學生使用記事本編輯程式，當程式編 輯完成將進行編譯與執行工作時，學生須切換作業模式外，尚需輸入編譯、執行 指令與格式，與執行的檔案名稱，不僅程序繁瑣，且學生會發生打字錯誤的情形。

為避免不必要的作業程序，所以選用 JCreator 這一套圖形介面（請見圖 3-6）的 免費程式編輯軟體，方便學生使用。JCreator 的優點除了圖形化使用介面外，它 還能依使用者需求，切換不同的 JAVA 程式編譯環境。它也提供專案（Project）

儲存與一般程式儲存等不同型態的檔案管理方式

圖 3-6 JCreator 操作環境 三、LeJOS

因一般 JAVA 程式無法直接載入 RCX 中使用，所以必須尋找一介面軟體，可 編譯適用於 RCX 上的 JAVA 程式，並提供驅動 RCX 的韌體。LeJOS 為目前可編 譯 JAVA 語言，同時又能驅動電腦樂高的軟體中，使用最廣泛的一個（Flower &

Gossett, 2002）。Klassner（2002）也認為 LeJOS 此一軟體，可取代原本只能執行 ROBOLAB 的環境，並能有效解決副程式呼叫的問題。該軟體專門用於處理 RCX 上的 JAVA 程式，兼具編譯程式與作業系統的功能。本研究也採用此一軟體，於 個人電腦安裝完畢後，使用時先將 LeJOS 中所提供之韌體檔案 lejosfirmdl 傳入 RCX 中，此時 RCX 便能接受符合 LeJOS 格式的 JAVA 檔案。要注意的是：由於 LeJOS 設定不接受單一檔案，此時須以專案方式儲存並傳輸。

肆、分組實作紀錄表

本紀錄之用途，在於了解每一組學生，在每一單元的習題完成率，及紀錄學 生未能完成實作的原因，及在那一階段發生問題。為有效紀錄學生學習狀況，與 習題完成情形，故此分組實作紀錄表之紀錄格式，將學生的實作過程區分為程式 是否完成、傳輸是否成功、運轉是否正確等步驟。教師於課前遴選負責任之學生，

擔任小組長的工作，同時講解記錄原則與方法，希望能藉由小組長之確實紀錄，

詳細記錄學生的學習狀況、學生在每一步驟的實施情形，以及反映學生實作時的 問題點。為強調學生參與課程情形，因此此紀錄所反應之情形與成績無關，且教 師不以完成作品與否，作為成績之依據，僅供教師參考學生學習狀況之用。

伍、課程問卷

本研究過程中共實施兩次問卷。研究者在與諮詢小組討論及設計研究工具 時，認為於課程實施中段，進行一次簡單的學習問卷，會比課堂觀察可蒐集到的 學生反應與意見更為系統化，研究者亦能以此結果作為後半段課程實施的參考。

但是為避免問卷填答時間太長，影響課程進度，因此第一次的問卷內容較為簡 略，僅針對教學上的問題請同學填答，實施時間在第四單元完畢後進行，收集之 意見作為改進後半段教學之參考；第二次問卷於全部課程實施完畢後進行，收集

之意見有：

1.電腦樂高對於程式設計學習的幫助。

2.學習電腦樂高的學習心得與感想。

3.對於電腦樂高實作過程的心得。

4.整體課程實施的建議等。

第二次問卷實施所收集之結果，將作為整體教學過程的檢討依據，同時也列為訂 定訪談問題的參考。

陸、程式設計成就測驗

成就測驗實施的目的在於解學生學習情形外，並找出學生的學習盲點，以作 為教學改進調整的參考依據。本測驗於全部課程實施完畢後進行，測驗內容由研 究者根據教學狀況與以往教學經驗設計之，並與諮詢小組商討後修訂。測驗內容 包括：

1.了解學生能否理解程式設計基本概念與架構的學習內容。

2.了解學生能否理解程式設計中循序結構與變數的學習內容。

3.了解學生能否理解函數功能與應用。

4.了解學生是否應用選擇結構與重覆結構。

柒、學生小組訪談記錄

教師根據教學日誌的記載，與學生問卷的內容，設計一系列的問題，進行學 生小組訪談，其目的在釐清實作紀錄、問卷與成就測驗中的特別狀況，和學生對 於課程與學習過程中進一步的觀點，藉以獲得更深入、更具參考價值的訊息。

捌、教學日誌

本日誌為研究者紀錄七個單元的電腦樂高教學過程與重要事項。日誌中記載 的項目包括課程實施概要、教師課堂觀察、師生討論紀要、教學遭遇問題，及教 學調整方式與教學省思等。本日誌內容作為研究者教學自省與教學調整改進之 用。