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資訊科學主題探索課程之介紹���與實施經驗談

李忠謀 教授兼系主任

國立臺灣師範大學 資訊工程系(所)

101年1月10日

資訊科學主題探索實施感想

「沒想到在國中階段可以教導學生學習電腦基本原理，而且是以簡單有趣的方式進行。」 -- 桃園縣青溪國中辛佩倚老師

「使用『網路路由定位系統 』學生對於路由的結果感到很驚訝！比起用文字敘述，有感覺多了！」 --台北市和平高中邵森蘭老師

「有這麼完整的教案、工具、學習單可供參考，不多加利用實在可惜。」

-- 台北市景美女中孫晉忻老師

「原本以為二進位的課程是比較枯燥無味的，但是「密碼傳情」比賽結束後大家都意猶味盡，許多人還說要再玩一次。」

-- 彰化縣二林高中國中部洪秋萍老師

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大綱

資訊科學教學現況

資訊科學探索計畫簡介

資訊科學教學單元介紹

主題探索教學成效分析

結論

動機與背景

·• 資訊科學與資訊科學教育的重要性與日俱增– 教育部統計處重要教育統計資訊：���大學院校學生人數排名，資訊相關科系名列前茅。

– 美國csedweek.org：���未來10個人才需求最快速成長的工作中，���有5個是資訊相關的職務。

·• 我國中學資訊教育始終偏向應用層面，教學著重在如何使用電腦軟體而非探究｢資訊科學｣ 。– 專門為學習資訊科學所設計的教案、教材寥寥可數。

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高中99課綱

·• 必修： 資訊科技概論 2學分– 電腦軟體、硬體、網路、問題解決、電腦科技與人類社會

– 資訊科學？資訊工程？

·• 選修： 資訊科學– 基礎程式設計 1~2 學分– 進階程式設計 2 學分 （ IOI ）– 資訊科學與應用專題 1~4 學分 （科展）

資訊科學與應用專題

1.  教學應以「做中學」為重點, 鼓勵自主性、探索式的學習

2.  教學活動之設計宜強調分組合作解決問題

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「資訊科學與應用專題」 可能嗎？

·• 主題– 資訊科學相關？延展性？挑戰性？趣味性？

·• 先備知識與技能–  and char ***my3Darrary;– 教師>>>學生 or 學生>>>教師

·• 教材、工具、評量– Google 講義、Google 軟體、學習單、測驗卷？

f (x) = f̂ (ξ )e2π ixξ dξ−∞

∞

∫

http://csexp.csie.ntnu.edu.tw

資訊科學探索專題

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資訊科學探索專題 源起

·• 國科會 數位典藏與數位學習國家型計畫– 卓越數位學習科學研究中心 (台灣師大)

·• 智慧型多媒體研究室– 跨校教授、研究人員– 資訊工程、資訊科學教育人員

·• 資訊科學技術成果– 電腦視覺、語音分析、網路協定、多媒體資料檢索、影音處理、基因演算、…

目的與方法

·• 提供國、高中生親身體驗真實資訊科學的機會，以提升學習資訊科學的興趣。

協助學生進入大學實驗室進行進階研究

全國性推廣資訊科學主題式探索教學

國、高中資訊教師實施主題式探索活動教學實驗

發展資訊科學主題式探索活動

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架構與分工

總���計畫

·• 評估教學與學習成效 ·• 推廣資訊科學探索活動

子一(國中)

·• 發展、實施國中探索活動專題 ·• 協助國中生進行進階主題研究

子二(高中)

·• 發展、實施高中探索活動專題 ·• 協助高中生進行進階主題研究

探索活動開發與實施流程

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單位與人員

·• 國家型科技計畫 智慧型多媒體實驗室– 總計畫：李忠謀教授、陳伶志教授– 子計畫一：柯佳伶教授、林育慈教授、蔣宗哲教授– 子計畫二：陳柏琳教授、陳伶志教授、葉梅珍教授、���

李忠謀教授

·• 種子學校及教師：國中 高中

台北市立仁愛國中鄭連絲老師 國立台灣師大附中林麗玉老師

台北市立萬華國中吳敏存老師 國立基隆高級中學柯建華老師

台北市立東湖國中翁禎苑老師 台北市立中正高中賴和隆老師

台北市立新興國中安寶楹老師 台北市立大直高中魏仲良老師

活動與成果

99/6 ·• 資訊教師與專家學者研討會

99/7-99/11 ·• 資訊科學探索活動發展

99/12-100/1 ·• 資訊科學探索活動教學實驗

100/1-100/2 ·• 資訊科學探索活動成效評估

100/1以後 ·• 資訊科學探索活動推廣

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資訊教師與專家學者研討會

活動名稱 時間 對象 內容 人數

國高中資訊科學暨創新思考教育座談會

99���6/19

中學資訊教師 資訊科學專家

§ 國高中課綱與我國資訊科學教育現況

§ 創新思考教育簡介、設計方法與實例分享

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國高中資訊科學探索教學策略座談會

99���6/26

中學資訊教師 資訊科學專家

§ 實驗式學習（LBL）設計方法與實例分享

§ 專題式學習（PBL）設計方法與實例分享

§ 資訊科學探索活動主題討論

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資訊科學探索活動發展 - 國中

小叮噹如何數數兒？二進位表示法

心想事成：有效率的資料搜尋法

利用編碼與解碼的遊戲和操作活動工具「小叮噹的0與1」，讓學生瞭解二進位的應用，學習其與其他數字系統的轉換，進而認識電腦的資料表示法。

以小遊戲「名畫神偷」、「神秘猜數字」引入主題，搭配活動工具「打鬼遊戲」，讓學生從遊戲中發現資料搜尋的策略，再導入資料庫的概念，讓學生親身體驗電腦是如何搜尋資料。

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資訊科學探索活動發展 - 國中

海盜尋寶記：有限狀態機簡介

熊貓走迷宮：路線搜尋

介紹電腦基本邏輯運作—有限狀態機的基本概念，讓學生瞭解計算機理論的有限狀態和觸發事件，並使用Scratch工具製作邏輯控制流程專題，實作自己的小程式。

讓學生藉由操作「熊貓找竹子」活動工具，瞭解常見的路線搜尋演算法：廣度優先搜尋、深度優先搜尋以及A星搜尋法；讓學生建構在不同情況所採用的搜尋方法及理由。

資訊科學探索活動發展 - 高中

圖片搜得妙

網路駭客追緝令

以線上圖片搜尋為例，讓學生瞭解電腦如何表示及處理圖片。透過實際操作活動工具，學生能體驗不同條件對搜尋結果的影響，最後腦力激盪規劃出實用的圖片搜尋工具。

學生經由動手操作「網路設定模擬系統」與「網路路由定位系統」工具，以圖像化的方式學習網際網路階層架構語錄由的概念；並在地圖中標示路由路徑，學以致用。

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資訊科學探索活動發展 - 高中

你猜我在寫什麼？手寫數字辨識

聽音識人：語者辨識

透過「手寫數字辨識系統」與循序漸進的實驗活動，讓學生學習數位影像基礎知識，以及圖型辨識的概念與策略。並利用所學知識自行架構獨一無二的手寫數字辨識系統。

利用電腦語音處理軟體觀察語音訊號的特性與人類感覺的關連，再透過轉換訊號的呈現歸納出簡單的特徵辨別規則。幫助學生建立自己的聲音模型，產出簡單的語者辨識系統。

探索活動範例 – 手寫數字辨識

·• 目標： 透過手寫數字辨識應用，認識影像處理基本技術（特徵與分類樹）

·• 上課模式：– 10~15分鐘  講述– 30~40分鐘 動手做實驗

·• 競賽– 學生利用所學，建立自己的手寫數字辨識系統

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手寫數字辨識 – 教學投影片

影像處理流程

特徵

由特徵建立分類樹

手寫數字辨識 – 學習單

引導 回答問題

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手寫數字辨識 – 學習工具

實際動手操作驗證所學

學生發展之手寫數字辨識器

學生依據所學決定特徵與參數，透過學習工具建構出自己的手寫數字辨識器。

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資訊科學探索活動教材

探索活動名稱 教學���節數

已開發教材

教案

投影片

學習單

講義

測驗卷

活動工具 其他

小叮噹如何數數兒���二進位表示法

3節 1 1 1   1 小叮噹的0與1  

心想事成���有效率的資料搜尋法

4節 1 1 2   1 打鬼遊戲  

海盜尋寶記���有限狀態機簡介

3節 1   2 1 1 海盜尋寶記 教學動畫 工具操作手冊

熊貓走迷宮���路線搜尋

5節 1 4 4 1 熊貓找竹子 工具操作手冊

圖片搜得妙 5節 1 5   圖片搜尋模擬工具 工具操作手冊

網路駭客追緝令 5節 1 4 4   1 網路設定模擬系統 網路路由定位系統

 

你猜我在寫什麼���手寫數字辨識

6節 1  6 10

手寫圖檔資料前置處理系統

手寫數字辨識練習系統

系統操作手冊 教師授課手冊

競賽規則與評分標準

聽音識人 語者辨識

6節 1 4 5 1 師大錄一號 Ninja 您講

測試聲音檔

探索活動教學與推廣

20所學校曾參與教學

高中 國中

國立基隆高中 台北市仁愛國中

國立師大附中 台北市萬華國中

台北市大直高中 台北市東湖國中

台北市中正高中 台北市新興國中

台北市景美女中 桃園縣經國國中

台北市和平高中 桃園縣大坡國中

台北市大理高中 桃園縣青溪國中

新北市新店高中 台中市光明國中

彰化縣二林高中 彰化縣草湖國中

宜蘭縣蘭陽女中 彰化縣大城國中

2011.11.30

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探索活動教學與推廣

探索活動名稱 班級數 學生���總人數

小叮噹如何數數兒？二進位表示法 23 813

心想事成：有效率的資料搜尋法 29 876

海盜尋寶記：有限狀態機簡介 8 191

熊貓走迷宮：路線搜尋 2 56

圖片搜得妙 14 509

網路駭客追緝令 15 567

你猜我在寫什麼？手寫數字辨識 10 280 聽音識人：語者辨識 4 148

共計 105 3440

統計至 2011.11.30

探索活動成效評估：方法

研究問題 探索活動是否能有效提升國、高中生的資訊科學學習態度

研究方法

「中學生資訊科學學習量表」：l  認知分量表：自我知覺運用電腦學習的重要性l  喜好分量表：對於電腦課程的喜好程度l  興趣分量表：主動探索電腦相關知識的意願程度

研究設計

準實驗 前測、後測設計

主要統計���分析方法

l  成對樣本 t 考驗l  獨立樣本 t 考驗l  共變數分析

Group Pretest Treatment Posttest 實驗組 (EG)

O1 X

O2 控制組 (CG) Note: O1: 前測；O2: 後測；X : 科學探索活動

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成效評估範例 – 手寫數字辨識

研究樣本·• 台北市中正高中一年級學生

– 有效樣本人數：實驗組88人，控制組33人。

– 活動以分組方式·• 進行參與實驗的學生

– 正在修習高一的資訊科技概論課程

– 大部分學生未接觸過手寫數字辨識的相關課程

·• 任課老師– 具有多年高中電腦科課程教學

經驗

統計結果

"   組間效果的考驗達顯著水準（F(1, 118) = 7.788，p < .05），效果量η2 = .062，顯示實驗組的資訊科學學習態度後測表現高於控制組答且達顯著效果。

·• 教師訪談結果– 整個課程實施下來，透過小組合作，氣氛很活潑、討論很熱烈– 利用本專題活動，老師不用額外太多花時間備課– 和以往的上課方式相比，動手做實驗的上課方式可行度很高– 活動內容有助於學生認識資訊科學的內涵

·• 學生最大收穫方面– 學到辨識相關的概念，並了解該怎麼辨識數字– 增加對學習電腦科學的興趣 – 知道討論、思考的重要性，並能增加同學之間的互動

成效評估範例 – 手寫數字辨識

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探索活動綜合成效評估結果 (2011.02)

子計畫一探索活動 (國中)

有效率的資料搜尋法

有限狀態機簡介 路線搜尋

雖然各個科學探索活動的單元設計及內涵皆不同，但相較於一般課程，科學探索活動對於國、高中生的資訊科學學習態度皆具有較為正向的影響。

子計畫二探索活動 (高中)

圖片搜得妙

網路駭客追緝令 聽音識人

探索活動推廣

·• 100/01/24 國高中資訊科學探索活動研習課程 (師大)·• 100/03/04 科學探索教材及教學資源分享研討會 (成大)·• 100/10/21 科學探索建國百年科教展 (台大)

教師研習

科教展 成果展

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意見與結論

·• 本計畫直接邀請學校資訊教師參與探索活動的開發及實施。發現由學校教師參與設計的探索活動具有下列優勢：

– 困難點：對某些主題教師需花費課後時間學習

·• 現有的研究成果顯示，本計畫開發之資訊科學探索活動有達成原預期能提升學生學習探究資訊科學興趣之目標。

活動設計符合學生的程度，易引起學生的學習興趣。

探索活動實施過程可即時掌握學生的學習狀況。

探索活動符合以學生為中心之教學策略，且易於多班同步實施。

WHAT’S NEXT?

What’s Next?

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資訊科學探索計畫 (2)

1.  電腦的一天 （電腦關鍵元件相互關係）2.  電腦的顏色世界 （像素觀念介紹）

3.  你是籃球明星的料嗎？（二維分類器原理與應用）

4.  數位保密大作戰（數位浮水印原理與應用）5.  情緒變變變 （語音識別與應用）

資訊科學高瞻計畫 (2011~2014)

·• 面臨12年國教，各高中職期望發展特色課程·• 新興科技的快速發展與科技人才的需求·• 配合高瞻計畫，發展適合高中資訊選修科目的創新科技課程。

提升高中資訊教育品質���並培育新興科技人才

多元評量

創新課程

教師專業

專題研究���課程

·• 智慧電動車車載系統為主題

·• 提供真實學習情境

·• 延伸應用研究題目

程式設計���課程

·• 利用雲端科技進行合作學習

·• 模組化學習架構

·• 應用導向例題

課程評鑑

·• 課程發展評鑑

·• 學習成效評估

·• 教育研究

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攜手許K-12資訊科學教育���光明的未來！