學位論文
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Item 基於認知神經科學之運算思維導向程式設計視覺化輔助學習平台設計(2022) 賴思妤; Lai, Si-Yu近來程式設計教育備受重視，且著重運算思維的培養，但學習程式設計對於初學者來說並非易事。過去研究發現若工作記憶能力(包含：視覺空間畫版、語音迴路、中央執行功能)不足，學習者無法透過工作記憶的心像記憶與處理、語音複誦、資源統籌管理等進行演算法規劃與樣式辨識等運算思維，進一步影響程式設計的表現。為了彌補工作記憶能力的不足，本研究擬設計與發展一個視覺化程式設計輔助學習平台，輔助學生工作記憶的運作，藉以進行程式設計所需的演算法思維與樣式辨識之運算思維，進而提升程式設計表現。本研究所設計的視覺化輔助學習平台有三種主要功能：(1) 流程視覺化-透過視覺化的流程與架構標示，幫助學生產生程式流程的視覺心像，並統整程式執行的各項資料，以掌握演算法邏輯與流程樣式。(2) 模擬執行-透過程式模擬執行讓學生可透過修改輸入並觀察輸出的變化統整程式執行資訊，以了解程式的流程，並歸納演算規則。 (3) 程式解釋-透過程式解釋幫助學生進行程式碼內容的隱內複誦，以進一步了解程式的演算法流程。本研究透過準實驗研究法驗證所發展的視覺化輔助學習平台的效益，實驗對象為新北市某高中修習資訊科技概論課程的二年級文組生，實驗組31人使用視覺化輔助平台學習，控制組32人則授以傳統式講述式教學。研究資料蒐集自程式設計學習成就測驗、學習態度問卷、工作記憶測驗、運算思維能力測驗、訪談等資料，並進行分析。研究結果發現：在學習程式設計時，學習者對於程式理解時需記憶其中的變數變化、整合程式資訊，以及想像程式流程之視覺心像（視覺空間畫版）皆感到困難。在進行程式設計教學之後，採用運算思維導向程式設計視覺化輔助學習平台設計的實驗組學生在程式設計的能力上表現優於採用傳統講述式教學的控制組學生，亦即，藉由視覺化平台的輔助，可以提升程式設計能力。此外，從平台各功能使用率與程式設計進步幅度相關性、平台有效性比例以及訪談結果來看，「流程視覺化」與「模擬執行」能顯著輔助學生的視覺空間畫版以及中央執行功能，進而提升其程式設計能力。而從學生訪談結果可發現，透過「流程視覺化」中「變數記憶區」視覺化圖解能輔助學生視覺空間畫版的缺陷，引導學生想像程式執行的邏輯;透過「變數記憶區」變數的改變，能輔助學生中央執行功能統整程式資訊的概念。「模擬執行」功能則能夠藉由觀察「變數記憶區」中程式輸入與輸出的對應來統整程式邏輯的規律，進而輔助學生中央執行功能資料整合的能力;視覺化圖解以及程式變數的改變，則能幫助學生抽象化出程式概念。除了程式設計能力的提升，實驗結果也顯示：採用視覺化輔助程式設計學習比傳統式講述式教學更能增加學生學習程式設計的自我效能。