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。Item 基於認知神經科學之程式理解輔助平台設計與發展(2022) 郭芳雨; Kuo, Fang-Yu在資訊科技時代，程式設計是一項不可或缺的能力，而程式理解是程式設計中必備的程序。然而，程式理解表現可能受到程式理解策略（包含：自上而下（Top-down ）的影響，而理解的策略則受工作記憶（包含：視覺空間畫板、語音迴路及中央執行功能）能力的影響。為了彌補工作記憶能力不足的學習者無法使用有效的策略理解程式的缺點，本研究設計一程式理解輔助平台，藉由平台中的模擬提示、流程提示、架構提示及程式解釋四項輔助功能，協助學習者在工作記憶中視覺空間畫板、語音迴路及中央執行功能三個子系統的運作，以使其能運用有效的程式理解策略，進而提升學習者的程式理解表現。為了探究所設計之程式理解輔助平台的效益，本研究透過實證研究，以38位大學以上並有一年以上Python程式設計學習經驗的學生為受試者進行實驗，實驗過程中使用眼動儀來收取受試者的眼動資訊以分析其程式理解策略，並比較不同工作記憶能力與程式理解表現的受試者在有、無程式理解輔助平台的輔助情況下，其程式理解策略與表現的差異。實驗結果發現：無論是高、低工作記憶能力的受試者，在有輔助平台的幫助下程式理解表現皆高於無輔助平台輔助的受試者。此外，無論是高、低工作記憶能力的受試者，在有輔助平台的幫助下都傾向於使用自上而下的程式理解策略。亦即，透過本研究所發展的程式理解輔助平台，可幫助受試者工作記憶的運作，進而使用較有效的自上而下程式理解策略，因此能有較佳的程式解表現。Item 工作記憶對國小學生學習巢狀迴圈之影響(2021) 許君平; Hsu, Chun-Ping工作記憶是大腦在進行複雜工作時，用來暫存訊息的地方，對學習有重大影響。巢狀迴圈因涉及內、外迴圈結構，在程式執行時，內、外迴圈中的變數及程式執行狀態常需暫存處理；因此，工作記憶顯然會影響學生學習巢狀迴圈概念。本研究主要是探討工作記憶與巢狀迴圈學習成就的關聯。 參與本研究的實驗受試者為64名國小六年級學生。實驗共實施四節課，前兩節為巢狀迴圈教學，第三節進行迴圈成就測驗，第四節實施工作記憶模型中視覺空間模板的旋轉廣度測驗。實驗結果得到以下結論：(1)單迴圈學習成就與視覺空間模板無顯著相關，(2)簡單巢狀迴圈學習成就與視覺空間模板無顯著相關，(3)複雜巢狀迴圈學習成就與視覺空間模板有顯著正相關。根據研究結果，建議巢狀迴圈教學可根據學生工作記憶能力進行差異化教學；教學設計時，應由淺入深逐步增加迴圈複雜度，並提供學生理解線索，以減輕學生工作記憶負荷。Item 程式理解之認知神經科學研究(2020) 邱彤; Chiu, Tung本研究旨在探討程式理解能力、程式理解策略(由上而下以及由下而上)以及工作記憶(中央執行功能、語音迴路和視覺空間畫板)之間的關聯。實驗受試者為20名本科系學生，擁有至少一年的基礎程式設計經驗。本實驗使用兩種複雜的廣度任務(運作廣度和旋轉廣度)以及河內塔分別來對學生工作記憶能力的語音迴路、視覺空間畫板以及中央執行功能進行評估。本實驗要求受試者理解三題程式碼，它們具有不同類型的程式結構(條件判斷，迴圈結構和函式結構)，並且由眼動儀記錄眼球移動過程來推斷受試者的程式理解策略。透過程式理解測驗評估受試者程式理解能力，並且對受試者進行口頭訪談，以確認他們的理解策略。我們從實驗結果中得出三項重要發現：(一) 不同工作記憶能力的學生傾向使用不同的程式理解策略，語音迴路功能影響學生記憶重複的程式細節，而必須不斷地觀看，視覺空間畫板功能則可幫助學生以視覺心像掌握程式架構，以便直接進入主要的運算指令，而不必重複觀看程式細節；中央執行功能則可幫助學生掌握複雜程式的理解計畫；(二) 不同程式理解表現的學生傾向使用不同的程式理解策略，高程式理解表現者同時使用由上而下以及由下而上策略於程式理解上，而低程式理解表現者則因無法掌握程式架構，大多採用以逐行方式理解程式，採由下而上策略；(三) 工作記憶是會影響程式理解表現，在理解迴圈等需要反覆運算的結構時語音迴路能力的不同會影響學生在對於數字記憶表現；視覺空間畫板的不同則影響學生在進行程式理解期間使用心理黑板來記憶在多項數字的變化以及轉換，以及處理程式結構的模式辨識上的表現。結果揭示了高程式理解表現者可能的認知過程：通過視覺空間記憶能力，將程式模式與長期記憶中儲存的模式進行匹配，然後識別以由上而下的方式進行整體結構的理解方式。再從程序片段中收集詳細資訊，以建立進一步的了解。相反的，由於低能力者無法從長期儲存中檢索相似的模式，因此它們傾向於逐行解讀程式而沒有清晰的結構。Item 探究程式實作高低成就者於工作記憶與策略運用之差異(2019) 陳懌瑋; Chen, Yi-Wei程式設計已經成為現今社會中的重要技能之一，各國為了培養國家的競爭力，也已經將程式設計的教學納入課綱並且列為必修的課程，而目前對於中小學的學生或其他程式初學者，大部分都是以程式實作的方式進行程式設計基礎能力的培養。為了了解程式設計中，工作記憶與程式設計的策略運用在程式實作上的相關性，本研究以自行開發的遊戲式程式實作平台進行研究，在平台上設計了兩種遊戲視角，並結合視覺化程式設計指令進行程式設計實作，嘗試了解受試者在程式實作的遊戲任務中所運用的策略。任務中，透過程式實作歷程與眼動歷程數據，分析推論在程式設計的實作能力高低成就者，在工作記憶與策略運用的差異。 研究以程式實作任務的平均數分為高低成就兩組，在三個程式實作任務中比較兩組受試者之間在工作記憶與程式策略運用的差異。在工作記憶能力與程式實作能力的關係中，結果顯示視覺空間能力和中央執行功能兩項能力都與程式實作的能力較有關聯；另外，在眼動指標的統計分析與眼動的序列分析中也得知，高成就組使用由上而下的問題解決角度的比例較高，而低成就組在由下而上的問題解決角度的比例較高。高成就的學生不但擁有較優異的視覺空間與中央執行的能力外，在程式設計的策略中傾向於使用由上而下的策略進行問題解決，而低成就者學生則視情況會需要有其他功能的輔助，幫助理解並解決程式設計問題，所以沒有展現一致的策略。