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過嶺國中、中平國小
跨校機器人培訓計畫
過嶺國中
－賴基正、伍孝春、林峻瑋、李伯賢
中平國小
－陳建彬
1
跨校機器人培訓－課程理論基礎(一)

認知學徒制(Cognitive Apprenticeship)的學習
理論，主要係師法傳統師徒傳授技藝的模式，讓
具有實務經驗的專家引領新手進行學習。
2
跨校機器人培訓－課程理論基礎(二)

認知學徒制是一種「師傅帶學徒」、「學徒學師
傅」的教學型態，透過「學徒→工匠→師傅」的
一貫晉升模式，可以發現其關鍵因素是師傅(專家)
的示範、教導和支持，經由專家的示範和講解，
以及生手在情境中的觀察與主動學習，使得學徒
(新手)成功的學習。
3
跨校機器人培訓－課程理論基礎(三)

Collins、Brown與Newman(1991)指出：傳統學徒
制的內容包括：
1.示範(modeling)
2.提供鷹架(scaffolding)
3.撤除(fading)
4.指導(coaching)
4
跨校機器人培訓－課程理論基礎(四)

而認知學徒制除了以上四個面向的策略外，另再
增加以下三個重要的工作向度的學習策略循環：
1.闡明(articulation)：學習者嘗試向他人解釋
對過程的理解。
2.觀察與反思(reflection)：學習者將自己問題
解決的過程和專家或同儕進行比較。
3.探究與解決問題(exploration)：學習者不僅學
習問題解決的過程，亦去激發形成並解決問題，
以學習如何獨立架構和回答問題。
5
跨校機器人培訓－課程理論基礎(五)

認知學徒制的學習策略循環圖
6
施教對象




中平國小五年級學生：4位（分兩組，每組兩人）
過嶺國中七年級學生：12位（分四組，每組三人）
因學生起點行為不同，跨校機器人培訓課程僅選
擇國小高年級、與國中七年級學生進行教學。
教學模式：以資訊科技融入的認知學徒制教學為
主，學生的小組合作學習為輔。
7
團隊運作模式與歷程




辦理研習：與中央大學合作，辦理機器人增能研
習，培養教師樂高零件組裝、程式撰寫的能力。
團隊工作坊：利用自然領域共同的空堂時間（星
期五下午）召開工作坊，一起共同實做機器人、
分享程式撰寫技巧，並進行教學專業對話。
共同參與競賽：競賽準備可強化團隊教師向心力
、合作溝通能力、機器人設計與指導能力。
校慶、校舍落成展示：讓學生透過活動認識不同
層面的機器人運用（指南車、纜車、撞球機器人等）。
8
團隊運作模式與歷程
辦理研習
團隊工作坊
共同參與競賽
校舍落成展示
9
課程主題
課程主題
過嶺 e Robot
實施時間
隔周六上午 9～12 時，於電腦教室進行
能力指標
（學習階段
5～9年級）
數學
數學
數學
數學
數學
N-4-03
A-3-04
A-4-01
A-4-03
C-R-03
自然
自然
自然
自然
自然
自然
1-4-1-2
1-4-5-2
2-3-5-4
2-4-8-4
4-4-1-1
8-4-0-1
10
對應課綱能力指標（一）
數－數與量
N-4-03 能理解比例關係、連比、正比、反比的意義，並解
決生活中的問題。
數－代數
A-3-04 能用含未知數符號的算式表徵具體情境之單步驟問
題，並解釋算式與情境的關係。(適用5～6年級)
A-4-01 能用符號代表數，表示常用公式、運算規則以及常
見的數量關係(例如：比例關係、函數關係)。
A-4-03 能用x、y、…符號表徵問題情境中的未知量及變量，
並將問題中的數量關係，寫成恰當的算式(等式或
不等式)。
數－連結
C-R-03 能知道數學可以應用到自然科學或社會科學中。
11
對應課綱能力指標（二）
自－過程技能
1-4-1-2 能依某一屬性(或規則性)去做有計畫的觀察。
1-4-5-2 由圖表、報告中解讀資料，瞭解資料具有的
內涵性質。
自－科學與技術認知
2-3-5-4 藉簡單機械的運用知道力可由槓桿、皮帶、
齒輪、流體(壓力)等方法來傳動。(適用5～6年級)
2-4-8-4 知道簡單機械與熱機的工作原理，並能列舉
它們在生活中的應用。
自－科技的發展
4-4-1-1 瞭解科學、技術與數學的關係。
自－設計與製作
8-4-0-1 閱讀組合圖及產品說明書。
12
三階段階梯式課程
課程階段
基礎課程
進階課程
挑戰課程
課程名稱
圖形 vs.
機器人組裝
比/比值 vs.
齒輪傳動
變數/函數vs.
轉動參數設定
融入領域
7下自然
7下數學
7下數學
融入單元
圖的妙用
比與比值
變數與函數
齒輪傳動的
轉速變化
使用感應器
設定轉動圈數
機器人 空間概念的建
培訓目標
立
13
與現有資訊設備整合程度
設備名稱
功能
課程
運用方式
個人電腦
•觀看PPT教材。
•製作機器人立體結構組
裝檔。
•以小組為單位
•用LDD軟體的Building
進行合作學習
Guide模式循序組裝機
器人。
•操作NXT-G程式調整參數。
實物投影機
•課程講解時，
投影機器人操
•將物品、文件直接投影至
作過程。
布幕。
•分組展示時，
投影各組學生
作品。
應用課程
名稱
三階段課程均
使用
三階段課程均
使用
14
與數位資源整合程度
教材名稱
檔案類型
檔案來源
基礎課程
－圖的妙用
PowerPoint 簡報檔 團隊教師自製研發
進階課程
－比與比值
PowerPoint 簡報檔 團隊教師自製研發
挑戰課程
－變數與函數
PowerPoint 簡報檔 團隊教師自製研發
挑戰課程
－飆創意組樂高
PDF電子書
團隊教師自製研發
15
教學模式創新



教學進程：傳統板書教學→資訊融入的認知學徒
制教學＋小組合作學習。
將自然、數學領域的基礎概念融入機器人教學。
教學流程以機器人組裝實作為主，資訊科技融入
教學的主要時機與目的如下：
1.課程展示的平台：結合資訊設備活化教學活動
，以提昇學生的學習興趣。
2.學生機器人作品的輔助工具：協助學生組裝特
定機器人、撰寫程式、及調整參數。
16
基礎課程：圖的妙用（一）

實施流程如下：
介紹圖形的妙用。
接著教導學生使用
前測
LEGO Digital Designer
軟體，堆砌零散的樂
高積木為結構圖中的
立體結構。
後測
前、後測均觀看5張結構圖，實際組裝樂高立體結構
17
基礎課程：圖的妙用（二）

自製數位教材：
基礎課程：圖的妙用（一）
圖是生活上重要的溝通工具，比起文字和語言， 圖
形更能明確描述物體的形狀、表達文字較難形容的
自然或科技現象，還能簡化訊息、讓人一目了然。
基礎課程：圖的妙用（二）
樂高書籍為了教育讀者如何
組裝機器人，常使用「構造
圖」循序說明組裝步驟。
18
基礎課程：圖的妙用（三）

LEGO Digital Designer軟體操作畫面：
零件區
組裝區
19
基礎課程：圖的妙用（四）




樂高積木特性
組裝孔洞為圓洞或十字
洞。
零件要轉動或不轉動。
孔洞的方位是否一致。
20
基礎課程：圖的妙用（五）



如何組裝立體結構：
設法將「不同方位」的積木聯在一起。
「不同方位」：積木孔洞可能朝向X、Y或Z軸。
Z軸
Y軸
X軸
21
基礎課程：圖的妙用（六）
22
進階課程：比與比值（一）

實施流程如下：
前測
介紹比與比值的概念。
接著教導學生使用樂
高積木組裝特定齒輪
比的荷蘭風車，並設
定NXT-G程式參數。
後測
前、後測使用「比與比值、齒輪傳動」紙筆測驗
23
進階課程：比與比值（二）

自製數位教材：
進階課程：比與比值（三）
齒輪組的齒數比與比值：
齒數比＝8：24
齒數比的比值＝1/3
進階課程：比與比值（四）
齒數比比值的應用：
小齒輪的動力傳送到大齒輪時，將會發現大齒輪
的轉速比小齒輪「慢」。變慢的程度恰好可以用齒
輪比的比值表示。
下圖中，大齒輪的轉速為小齒輪的1/3
8
24
24
8
1
24
進階課程：比與比值（三）

利用LEGO Digital Designer（LDD）軟體的
「Building Guide」模式循序組裝荷蘭風車。
25
進階課程：比與比值（四）

組裝完畢後，撰寫NXT-G圖像化程式，設定A
馬達轉動12.5圈。
26
進階課程：比與比值（五）

A馬達的動力傳送至風車葉片時，風車葉片
會轉動幾圈？

荷蘭風車使用齒輪組傳送動力，齒數比
分別為24：36、8：40與24：40。
27
進階課程：比與比值（六）

小齒輪將動力傳送到大齒輪時，將會發現齒輪的
轉速降低了。

24/36×8/40×24/40 ＝ 1/12.5
風車葉片的轉速僅為馬達的
1/12.5，所以風車葉片僅轉動
1圈。

28
挑戰課程：變數與函數（一）

實施流程如下：
前測
介紹變數與函數。
接者教導學生修改荷蘭
風車齒輪結構，並調
整 NXT-G程式參數，
利用函數概念操控風
車葉片轉動χ圈。
後測
前、後測使用「變數與函數、NXT-G程式參數調整」紙筆測驗
29
挑戰課程：變數與函數（二）

自製數位教材：
挑戰課程：變數與函數（五）
因為風車葉片的轉速僅為馬達的 1/12.5，所以若要
操控風車葉片轉動 1圈，馬達需要轉動12.5×1圈，
即轉動360×12.5×1度。
360 × 12.5 × 1 度
2圈
360 × 12.5 × 2 度
…..
…..
χ圈
360 × 12.5 ×χ度
馬達轉動角度(y)是風車葉片轉動圈數(χ)
的函數，記作
y＝f(χ)＝360×12.5×χ
葉片轉動圈數（χ） 馬 達轉動角度（y）
1圈
挑戰課程：變數與函數（六）
1
30
挑戰課程：變數與函數（三）

馬達轉動角度(y)是風車葉片轉動圈數(χ)
的函數，記作
葉片轉動圈數
（χ）
馬達轉動角度
（y）
1圈
360 × 12.5 × 1 度
2圈
360 × 12.5 × 2 度
…..
…..
χ圈
360 × 12.5 ×χ度
y＝f(χ)＝360×12.5×χ
31
挑戰課程：變數與函數（四）
讀取
變數χ
＋1
寫入
變數χ
成立
按下2號
觸碰感應器
再放開
不成立
直到按下
NXT右鍵
32
挑戰課程：變數與函數（五）
y＝f(χ)＝360×12.5×χ
讀取
變數χ
×360
×12.5
按下2號觸碰感應器再放開
χ次
風車葉片轉動圈數(χ)
×360×12.5
馬達轉動角度( y )
33
挑戰課程：變數與函數（六）
若荷蘭風車僅使用
前兩組齒輪組傳送
動力，該如何修改
函數？
 齒數比分別為
24：36 與 8：40。

讀取
變數χ
×360
×？
y＝f(χ)＝360×？×χ
34
成效評估（一）


中平國小：
前測
後測
前測
後測
前測
後測
90
100
90
100
80
80
100
100
90
100
100
100
過嶺國中：
前測
後測
前測
後測
前測
後測
60
100
100
100
80
80
90
100
100
100
80
100
80
100
100
100
100
100
60
100
80
90
80
90
基礎課程
進階課程
挑戰課程
35
成效評估（二）

中平國小、過嶺國中學習成效之比較：
基礎（圖的妙用）
進階（比與比值）
前測 後測
中平
挑戰（變數與函數）
前測 後測
前測 後測
100
中平
90
100
中平
90
90
過嶺 72.5 100
過嶺
95
97.5
過嶺
85
92.5
95
顯著進步
進步
僅過嶺進步
36
成效評估（三）

學生層面的具體成效：
1.參與機器人多元學習活動：透過夏令營、資優
生課程等學習活動，認識機器人的設計與應用。
2.發揮創意共同研發機器人：數理資優生在提點
下設計出纜車原型，再經指導老師與中大機械
系學生志工改良。新校舍啟用典禮上，利用遙
控纜車機器人進行揭牌儀式。
3.學習興趣提升：對課程規劃的
滿意度高，並主動提問『可否
加課』 。
37
成效評估（四）

教師層面的具體成效：
1.辦理新生機器人夏令營、資優生機器人課程：
提供多元的學習活動，訓練學生團隊合作、活
用知識的能力。
2.於校慶、校舍落成典禮中展示研發成果。
3.自編機器人課程數位教材。
4.出版樂高機器人組裝書。
5.競賽成績優異：參加台灣區機器人運動競技大
賽、全國智慧型機器人大賽獲自走車撞球比賽
第一名。
38
省思與未來展望


省思：
1.團隊運作初期對活動、競賽的參與較為投入。
2.機器人融入領域教學已有不錯的起頭，但成果
不多。
未來展望：
1.持續突破困境，合作開發相關的機器人數位教
材。
2.因應資訊科技的發展，探討應用在平板電腦上
的教學模式與教材。
39
報告完畢
感謝聆聽，敬請指教!!
40