教材多元化:━以Robot City教育桌遊為例

國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系許庭嘉副教授ckhsu@ntnu.edu.tw

不插電運算思維桌遊

素養？能力？

3

都不簡單，但也沒有那麼難！

12年國教資訊科技教育=程式教育？OR 運算思維教育？

4

運算思維素養

此圖出處: 一品學堂

Practices

Concepts

Perspectives

運算思維素養

6

教材教法一體

內容?如何教？如何學？如何評量？

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美國Julie Dirksen在Design for How People Learn這本書中提及：「孩子好的學習體驗與所學內容未必相關，而是與教學方式相關。」

主題式學習

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生活情境連結

玩中學跨科整合專題

引導如何思考

9

學習如何解題

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不可背程式碼

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過程才是重點

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學習體驗就像經歷一段旅程

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若寫程式只是照本宣科，書上有什麼積木就跟著用什麼積木，不用思考，反正一步步跟著照做，最後一定能完成。

照著指示 做出一模一樣的成

品

Example

◆注意積木後面的邏輯：順序(Sequential)、條件(Selection)「如果...就...」、循環(Repeated)，這些概念。例如：至少需要加上一些自主性的練習，例如

改一改積木，換一換參數。 純粹照著只是一步步操作是無法學習到 CT 的精華的。

◆寫程式從來都不是重點，程式設計只是一種工具。重點：學生藉由練習程式設計，來解決問題、

發揮創意、交流學習、激發潛能。做出變化

Thinking

培養運算思維透過的教學媒介

排名 教學媒介

1 程式語言2 實驗3 電腦遊戲4 機器人5 桌遊6 影片7 電子書8 IRS(Clickers)9 Game Maker 16

使用那些程式語言學習CT排名 程式語言

1 Scratch2 LEGO2 Alice4 MATLAB4 Python

4 AgentCubes(making2D/3Dgames)

4 Scratch4SL(Scrach for second life)

4 C or C++9 LoGo9 R

排名 程式語言

9

TurtleArt(similar to Scratch)CHERPEtoysViMap(based on Logo)Scalable Game Designsimulation creation toolkit DITA(Darwin Information Typing Architecture)PartSimsCTSiMJavaCode.org(similar to Scratch)

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18

Ｗｈｙ ｗｅ ｎｅｅｄ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｌｅａｒｎｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ？

首先找回低成就學生的學習動機

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帶給每個孩子成功的經驗

教材設計的多元化用遊戲式教材作為補救教學管道之一

不只是提升動機而已

潛藏學習在遊戲中

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教育重在潛移默化桌遊如何潛移默化??？

角色的外觀組合

機器人的角色很療鬱之外，自然而然看到螢幕、滑鼠、USB、電線插頭。

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從角色身上也可以學習基本硬體

USB當天線插頭當手腳是滑鼠身體是鍵盤

機器人設計理念

可愛版地圖 擬真版地圖

自然而然隱藏主機板上的常見物件

範例

地圖用法

• CPU是執行機器人指令的開端

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CPU

設計要領: 1.明確的目標找到素材或資源來完成任務

教育桌遊

遊戲背景

•一群機器人正在地圖上收集建設原料，玩家們必須透過指令來控制機器人，使他們可以走向正確的方向並且完成收集素材的工作，收集對應的原料就可以蓋好特定建設囉！

Robot City分級設計以及保留擴充功能的創意卡給老師，符合不同年段需求

起始值設定• 遊戲規則: 機器人可以選定自己要啟始於哪一個CPU，選擇站立一個方向。跟在程式中設定起始值一樣，例如Scratch預設起始面向右。

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Goto的概念遊戲方法:可以讓機器人透過這個記憶卡進入，另一個記憶卡出來，但是不能改變機器人方向。

RUN角色起點(CPU下圖所示):自選某一個地圖上的CPU作起點位置。

資源有限:在地圖上放置相對應的原料元素小卡

任務導向學習啟動學生問題拆解的訓練任務卡

任務卡控制卡

• 角色的任務分配

• 評估最佳排程: 解法不是唯一

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循序結構

白色控制卡

自然而然看到長方形流程圖

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認知設計UI：在圖卡井字中央四字交點，是人們最常一眼看到的地方，必須置放圖文當中的圖，而且此圖最好是不識字的人，一眼就能理解意思。

日常生活中的循序邏輯

幼兒問題解決實例:•右轉=迴轉+左轉•左轉=迴轉+右轉•迴轉=左轉+左轉=右轉+右轉

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圖卡排程

• 由上而下

• 疊卡不佔空間

• 認知設計

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左轉

前進

前進

前進

前進

前進

前方一格是否有障礙?

右轉 前進

是

否

結束

設計要領: 2.可控制性遊戲中什麼是可以控制的?

教育桌遊

操控角色—機器人

37

選擇結構

綠色控制卡

自然而然看到菱形流程圖

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認知設計UI: 符合使用者舊經驗。

教師可以彈性安排難易度

39

最大版: 55

人數 地圖建議數目 程度 控制卡 遊戲時間2-3 ４ 初級

(循序結構)白色 15分鐘

4or 6 9 中級(選擇結構)

白色+綠色 30-40分鐘

4or 6 9 中高級(重複結構)

白色+綠色+黃色

25-30分鐘

4or 6 9 高級(呼叫函數)

白色+綠色+黃色+紅色

25-30分鐘

設計要領: 3.易上手遊戲不可太複雜

教育桌遊

桌遊的元件不要過多，以免遊戲規則造成外在認知負荷

重覆結構

黃色控制卡

自然而然看到六邊形流程圖

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認知設計UI: 須與情境脈絡結合

函數或副程式的呼叫(CALL)

紅色控制卡

自然而然看到副程式流程圖

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認知設計UI: 與脈絡和習慣結合

設計具有引導或暗示性，例如:通行卡

• 小女孩手拿一張PCI擴充卡，一張PCI-E擴充卡，所以可以通過插槽的障礙物。

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回顧有哪些已自然而然在遊戲材料中出現?

• 主機板上的常見物件

• 循序結構中的處理動作在演算法的流程圖是長方形

• 選擇結構中的條件在演算法的流程圖是菱形

• 重覆結構在演算法的流程圖是六邊形

• 副程式在演算法的流程圖的形狀

• 任務: 問題解構(Problem decomposition)

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遊戲中的學習潛移默化

資訊科學

• 解決運算的問題

• 解決排程的問題、路徑的選擇

• 處理資源分配的問題

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有利於Bebra路徑選擇相關題目

設計要領: 4.教學策略自然融入遊戲符合教育心理學認知設計

教育桌遊

Robot City與哪一種學習策略連結?

•結隊編程•步驟化: 演算法設計

• Code Review: 檢查或討論

•選擇彼此最佳排程

•組內合作•內部積極互賴

• 討論與交換控制卡• 共同目標：共用任務卡

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•組間競爭•外部競爭：完成的任務總積分

同儕互動

49

最後達到的成效

原本的成效

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未必只能潛藏單一領域概念使用數目宜掌握得宜，以免失焦

實際學習可跨域整合

數學直角三角形

• 角色可以獲得特技一樣

模式識別

• 遊戲中發現兩邊長3和4形成的直角

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認知設計UI:增加資訊量、減少雜訊。

例如:數學座標、相對座標

把學生不喜歡的學習單元變有趣

• 找到學生有興趣的主題

• 連結不同領域學科內容

• 產出適當的主題式學習

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數學

繪圖

邏輯

一般桌遊設計原則

1. 合作2. 隨機3. 獎勵4. 競爭

一般的桌遊機制在你的教育桌遊中有嗎?

設計要領: 5.合作帶來同儕的互動如何分組是教師需要認真看待的

教育桌遊

合作• 一組兩人可以交換手上的控制牌，增加指令的靈活運用，以及組員對話。

• 促進同學間的討論

• 也可以更快收集元素

• 採用結隊編程

設計要領: 6.隨機性在遊戲中的重要性如何增加遊戲變化?

教育桌遊

如何讓每一次遊戲畫面不同、狀況不同?

地圖排列是隨機的

控制卡抽牌是隨機的

任務卡取得是隨機的

角色起點每一次不同

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要避免隨機影響公平性，因此遊戲順序最好每一回合由積分最低的玩家決定順序，然後以S形從陣營右邊玩家玩完一圈，左邊玩家再逆向繞回來。

設計要領:7. 獎勵在遊戲中的正增強效果如何讓學生有成就感

教育桌遊

獎勵• 收集素材完畢可以完成任務卡的建築，並獲取積分

• 從收集素材並完成任務的過程中，增加學生的成就感

• 高成就學生擔任桌長

設計要領: 8.競爭在遊戲中的刺激效果比賽總是緊張刺激的

教育桌遊

競爭• 各組之間各有所需要收集的元素

• 必須趕在其他機器人之前先取得自己所需要的元素

• 若元素被別人先拿走也必須盡快尋找下一個目標

• 可用沙漏計時

時間不夠如何提早結束?注意事項

提早結束遊戲的方法

• 如果時間剩下不多，可以增加結束機制•最早達到10、15、20分的人贏(老師視情況而定)

•路過都可以拿，不限只有最後停下位置的材料可以拿。

• 不可草草結束，最後一定要留時間分享、討論、反思。

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教師提問

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最後達到的成效

原本的成效

有意義的教育桌遊學習

• 老師的陪伴

• 家長的陪伴

• 同儕的陪伴

• 不是孤獨自學

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除了卡牌帶來的一些concepts 記憶、從CT Practices增加理解、應用、分析、評估、創意。

老師們認真的課程融入，是有看到不同變化的。如同同一本教科書，到了不同老師的手上，教學卻不一樣。

如果老師覺得Robot City只有帶來一點concepts，您的學生只會到記憶的思考層級，最多結合流程圖章節增加理解就好像很好了。

如果老師有發現學生在練習分析，表示透過多次的CT Practices, 學生的思考層級提升了。

Robot City從不插電到插電邏輯可以用不同程式語言實作出來

每個人的寫法可以不同

循序結構Scratch

循序結構

Private Sub Form_Activate()

‘Rotate ‘迴轉的虛擬碼

print “迴轉”

‘Forward ‘前進1格的虛擬碼

print “前進”

‘TurnLeft ‘左轉的虛擬碼

print “左轉”

‘Forward ‘前進1格的虛擬碼

print “前進”

End Sub

VB

循序結構

#uturn #迴轉的虛擬碼

print(‘迴轉')

#straight #前進一格的虛擬碼

print(‘前進')

#turn_left #左轉的虛擬碼

print(‘左轉')

#straight #前進一格的虛擬碼

print(‘前進')

Python

循序結構#include<stdio.h>

int main()

{//uturn ; //迴轉的虛擬碼

printf(“原地180度迴轉1次”);

//go_straight ; //直走的虛擬碼

printf(“前進1次”);

//turnleft; //左轉的虛擬碼

printf(“原地左轉1次”);

//go_straight ; //直走的虛擬碼

printf(“前進1次”);

return 0;

C

選擇結構Scratch

選擇結構

Private Sub Form_Activate()

x=InputBox("請輸入前方一格是否有障礙物(Y/N)?")

If x=“Y” then

‘TurnRight ‘右轉的虛擬碼

print “右轉”

else

‘ Forward ‘前進1格的虛擬碼

print “前進”

End If

End Sub

VB

選擇結構Python

if input('請輸入前方一格是否有障礙物(Y/N)?').upper()=='Y':turn_right #右轉的虛擬碼print(‘右轉')

else:go_straight #前進1格的虛礙碼print(‘前進1步')

選擇結構C

#include <stdio.h>

int main(){char x;

printf("請輸入前方一格是否有障礙物(Y/N)?");scanf("%s",&x);

if(x == 'Y'){//turn_right; //右轉的虛擬碼printf(“右轉");

}else{

go_straight; //前進一格的虛擬碼printf(“前進");

}return 0;

}

Scratch重覆結構

VB

Private Sub Form_Activate()For i= 1 To 3

‘turnright ‘機器人右轉的虛擬碼print “右轉”

Next‘右轉三次

End Sub

重覆結構

Python

def robot.turn_right():#turnright #機器人執行右轉的虛擬碼print(‘右轉')

for i in xrange(3):robot.turn_right()

#三次右轉

重覆結構

C#include<stdio.h>

int main(){ //主程式

int i; for (i=0; i < 3; i++){

//TurnRight; //機器人右轉的虛擬碼printf(“機器人向右轉第%d次\n”, i +1);

} //執行三次右轉return 0;

}

重覆結構

Scratch呼叫副程式

VB

Private Sub Form_Activate()Call swap()

End Sub

Sub swap(ByRef x As Integer, ByRef y As Integer) Dim temp = x; x = y; y = temp;

End Sub

呼叫副程式

Python

#交換的副程式def swap(x, y):

x, y = y, x

swap(x, y) # 呼叫交換的副程式print('交換後x 的值為: {}'.format(x))print('交換後y 的值為: {}'.format(y))

呼叫副程式

C#include<stdio.h>#include <string.h>

void swap();char x[10];char y[10];

int main(){printf("想交換出去的資源為何: ");scanf("%s",x);printf("想獲得的資源為何: ");scanf("%s",y);

swap(); //呼叫副程式printf("交換後自己資源為：%s\n",x);printf("交換後對方資源為：%s\n",y);return 0;

}

//二字串交換的副程式void swap ( ){

char temp[20];

strcpy(temp,x);strcpy(x,y);strcpy(y,temp);

}

呼叫副程式

教育桌遊設計有別於一般遊戲之處端正品格宜無所不在

注意事項

雖然這些元素在一般遊戲中很好玩，你要用在教育嗎?

• 掠奪• 例如改為「交換」或以物易物，而不是直接盜取。(雖然交換也有一點強迫性)

• 侵佔• 例如改為中獎：從大海中撈到，而不用佔別人的

• 殺人• 例如改為扣點數

• 負面角色：恐攻、殺手、強盜、壞人…..• 盡量避免恐怖、陰險

• 潛藏宗教歧視或性別歧視

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可擴充性:老師也可以自己設計教學內容到桌遊中?慎用創意卡，避免干擾遊戲平衡，但又可達到學習旨趣。

二進位轉換練習• 偷插電╳Robot City

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將創意卡設計成一張新的功能卡

二進位蓋牌: 0開牌: 1

二進位蓋牌: 0開牌: 1

二進位蓋牌: 0開牌: 1

二進位蓋牌: 0開牌: 1

開牌可有8個行動

開蓋牌控制卡本卡不放入抽牌只有抽中二進位功能卡時一起用

開牌可有4個行動

開蓋牌控制卡本卡不放入抽牌只有抽中二進位功能卡時一起用

開牌可有2個行動

開蓋牌控制卡本卡不放入抽牌只有抽中二進位功能卡時一起用

開牌可有1個行動

開蓋牌控制卡本卡不放入抽牌只有抽中二進位功能卡時一起用

抽到此張控制卡，就可以組合未放入抽牌的開蓋牌控制卡。

二 十進位功能卡創意卡: 讓老師擴充學習內容

開始製作自己的教育桌遊自己的教材自己玩遊戲式學習教材創意但不抄襲不可破壞遊戲平衡符合教育心理學認知設計

歡迎加入運算思維教材擴充與教案設計的種子教師行列，讓初學者自然而然的學習。

http://www.k12tech.ntnu.edu.tw

進階教材章節機器人教材

課程規劃：18節課(1學分)

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CH1 飛行機器人飛行器→飛行機器人

CH2 機電基本原理ROBOT FLY教具介紹

CH3 飛行機器人組裝ROBOT FLY組裝說明

CH4 飛行原理飛行動力來源及狀態CH5 飛控程式運算思維以積木程式控制飛控板

CH6 飛行調校實驗飛行任務及實證科學原理

CH7 飛行準備與安全零件增添與替換CH8 多元應用零件增添與替換CH9 創意設計機體結構創意發想

10節課 4節課4節課

Robot Fly-教材示例

社會貢獻

平民化需求的原因

• e.g. 一般飛行器：2000-20000元

非食譜式教材的必要性

• 外觀一模一樣

• 背程式碼

CS+X

• 跨領域

• 提供非專生學習樂趣

• 1學分=18節課

不要科技領域教育貴族化

不要遏殺學生的創意

綜合不同學科知識來問題解決

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數位製造(3D列印、雷切)傳參數給積木看測試效果

含教材降更低售價

We all make it!

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