以自製機器人提升國小學生學習表現

113年09月10日

【本篇報導由科技應用與人力資源發展學系  蕭顯勝研究講座教授研究團隊提供】 　　這項研究使用基於機器人的實踐方法開發了一個融合了6E模型的教學活動。六年級學生學到了有關如何使用Arduino電子元件、微控制器和實際工具來製作「螃蟹機器人」的跨學科知識。此外，學生還學會了如何使用Scratch程式語言來控制機器人，完成「螃蟹機器人過馬路」的任務。該研究採用了準實驗設計，以檢驗使用6E模型學習機器人活動的學生是否比通過講座學習的學生獲得更好的學習動機、學習表現、運算思維能力和實作表現。研究採用立意抽樣方法從四個班級中選取了70名六年級學生，分爲實驗組（使用6E模型）和對照組（傳統教學）。實驗持續了18週（總共1,440分鐘）。從前測和後測的結果顯示，兩組學生都提高了他們的學習動機、學習表現、運算思維能力和實作表現；然而，實驗組的得分顯著更好。更重要的是，這項研究爲那些想教機電一體化課程和編程設計教育的教師提供了一份教學手册。   　　這項研究使用基於機器人的實踐來開發一項結合6E模型（即參與、探索、解釋、設計、豐富和評估）的活動，以提高六年級學生的學習效果。活動主題結合本地化的學習內容，融合了學生看螃蟹過馬路的真實體驗。學生們學習了如何使用Arduino電子元件，微控制器和動手工具來製作Crab機器人，以及如何使用Arduino知識的Scratch程式設計語言來設計機器人並完成Crab機器人過馬路任務。 　　使用基於機器人的實踐來開發活動有助於學生根據從實際任務中收集的數據從教學和技術角度評估智慧元件。學生可以通過基於機器人的機電一體化過程獲得跨學科知識，他們可以將學到的知識和技術應用於多個領域，例如電氣工程、機械、資訊和通信技術（ICT）、電子、能源、材料、微控制器和其他創新。更重要的是，在動手製作機器人的過程中，學生可以獲得使用動手工具的技術，提高動手能力（HA）。此外，要控制機器人完成現實世界的任務，學生必須先獲得程式設計的技能，這促進了他們的運算思維能力（CTA）。在基於機器人的活動中高度強調的計算思維能力和動手能力是12年基礎教育課程指南中重視的技術核心能力。 　　更重要的是，Arduino電子元件相容可視化的Scratch程式設計語言來控制硬體，允許學生通過互動式圖形介面進行程式設計，這對於程式設計初學者來說是一個很好的工具。使用Scratch程式設計語言創建一個電子學習環境，通過程式設計直觀地展示基於圖形的計算機科學任務的解決方案，有利於學生的學習效率和動機。 　　實驗程序為期18週，每週兩次，每次40分鐘（如圖1所示）。實驗組學生使用6E模型學習整合在機器人的活動，對照組學生採用傳統教學的講述式方式。這項研究整合了6E策略，進入適當的學習內容，以幫助學生以綜合方式獲取知識和設計技術。通過6E模型，學生們學會了如何有目的地解決問題，並通過討論、資訊收集和實踐活動，逐步構建了自己的知識。為了呼應本研究的理論框架「Learning by Doing」和建構主義學習理論，每個階段都完全貫穿了6E模型一到兩次。 　　這項研究顯示了使用基於機器人的實踐來開發一項包含6E模型的活動的有效性，以提高小學生的學習動機、學習表現、CTA和HA。更重要的是，這項研究為想要教授機電一體化程式和程式設計教育的教師提供了教學指南。此外，通過連接電子元件、微控制器和程式設計技能的概念知識，學生能夠以更高的理解水準掌握主題內容。通過6E模型，教師通過加強生活經驗、學習內容、學習特徵、跨學科知識和實踐任務之間的聯繫，促進了學生的動手實作過程。   圖1：實驗組學生螃蟹機器人製作情形    原文出處：Hsiao, H. S., Lin, Y. W., Lin, K. Y., Lin, C. Y., Chen, J. H., & Chen, J. C. (2022). Using robot-based practices to develop an activity that incorporated the 6E model to improve elementary school students’ learning performances. Interactive Learning Environments, 30(1), 85-99. https://doi.org/10.1080/10494820.2019.1636090