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圖 新聞投稿
2023-08-09
影音》邁向人文、資訊跨界人才! 科技系許庭嘉:小孩玩這款桌遊,可以「體驗電腦思維」
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科技系系許庭嘉所開發的《智能車機器人蓋城市(Al 2 Robot City)》是「不插電」運算思維教育桌遊《機器人蓋城市(Robot City)》的進階版,不只帶領無數孩子認識程式領域,更獲得國科會「2020未來科技獎」殊榮。(攝影/林俊孝)
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許庭嘉團隊嘗試推出的遊戲式教材,透過歡樂、活力與繽紛色彩,來提振學生們的學習動機。(攝影/林俊孝)
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圖片來源、設計/許庭嘉、林柏希
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因為疫情緣故,為避免面對面互動,科技部更在2022年補助許庭嘉教授的團隊,開發線上版本《機器人蓋城市(Robot City)》運算思維遊戲(https://ct.tahrd.ntnu.edu.tw/ ),期待跳脫空間限制,透過線上多人連線,以遊戲方式來認識運算思維。(圖片來源/Google play)
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以遊戲情境為例,橘色機器人下一個目標需要取得「石頭」這項資源,才能完成蓋星際飯店的任務。這時候玩家要往後挖掘石頭,或者往前面找石頭,因此,須斟酌手上有哪些卡片可以使用,然後延伸出不同解題路徑,再亮出手中的牌組,透過「看得到」的卡牌,同學、老師都可以清楚明白彼此的思路是什麼?然後怎樣一起解決眼前問題。(圖片來源、設計/許庭嘉、林柏希)
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許庭嘉指出,如果所有公司、學校都能建立基本的運算思維,在未來對人與人之間使用科技跨部門、跨領域合作,將有莫大幫助。(攝影/W. Xiang)
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許庭嘉團隊所製作教材,不只是為了研究,而是期待能發揮實際的社會貢獻。(攝影/林俊孝)

踏入會議室,臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系特聘教授許庭嘉面前的長桌上,不見成堆的研究文件,而是擺著琳琅滿目的桌遊卡牌、公仔、機器人。這是她帶領的「適性化數位學習實驗室」所開發的遊戲式教具,充滿變化與彈性的模組設計,從小學生到大學生都是受眾,其中一款最新的《智能車機器人蓋城市(Al 2 Robot City)》機電整合桌遊,更甫獲國科會「2020未來科技獎」殊榮,還有取得美國和臺灣專利。

從「不插電」的卡牌桌遊,到結合擴充實境,再到插電及藍牙連線同時結合人工智慧的機電整合擴充版本,許庭嘉的研究團隊推出一款又一款以「運算思維(computational thinking)」為主軸的教學桌遊,讓「科技融入教育」不再只是未來想像,而是成為現在進行式。

話說回來,什麼是「運算思維」?以及為什麼傳統程式教學模式難以普及化讓人們認識?

現代人必備的「運算思維」

資訊科技當道的今日,運算思維能幫助我們正確掌握與科技互動的邏輯。近期一系列人工智慧應用工具如雨後春筍般出現,2022年底微軟投資的OpenAI公司,發佈以深度學習技術為基礎的「自然語言處理模型(NLP,是一種機器學習技術,讓電腦能夠解譯、操縱,及理解人類語言。)」-ChatGPT,造成全球轟動。

程式碼竟然能像人類(且更快、更好)一樣處理圖像、語言,甚至ChatGPT還能寫出簡單程式。至於「電腦是怎麼做到的?」;「電腦未來可以做到什麼地步?」想知道答案,就得從基礎的「運算思維」開始。

不僅如此,將資訊科技融入平日工作,更是現代人不可或缺的技能。雖然「人人都要寫程式」的時代尚未完全到來,但是運算思維已成為年輕世代的必備基礎,只要運用得當,電腦的運算效能、自動化程序,將大幅提升工作效率、生活品質。

但「使用」是一回事,「瞭解」是另一回事,所謂運算思維,即人們能夠理解「電腦問題解決的步驟」,然後將自己腦中的想法轉換成電腦可理解、執行的程序,才能與電腦流暢協作,增加工作效率。

做為國家科技發展的基石,運算思維在教育部108課綱被列為科技領域重要「素養」。然而,單調的黑板、教科書,以及螢幕上密密麻麻的coding介面,都不是運算思維普及化教材的理想模樣。

許庭嘉團隊推出的遊戲式教材,則為教學現場注入歡笑、活力與繽紛色彩,希望藉此提振學生的學習動機、成效。就像個新創團隊,持續測試產品以臻至成熟,如今更走出實驗室到各地校園落實「科技輔助學習」的理念,成為臺灣教育科技實務應用的成功案例。

前進、迴轉、前進:學會像機器人一樣思考

許庭嘉首先展示團隊作品一款最具代表性的「不插電」卡牌桌遊《Robot City機器人蓋城市》。這款桌遊是開頭提到獲獎作品的基本版,遊戲世界觀設定於未來世界,玩家分別扮演不同的機器人角色,要在方格地圖中運用如「前進」、「後退」、「左轉」、「右轉」、「迴轉」等有限的指令、步數移動,得避開障礙、取得資源,目標是蒐集到夠多資源才能建設一座未來城市。

舉例來說,你控制的機器人前方正好有一枚木頭資源,但資源前方全都是障礙,當你想要取得資源後馬上原地迴轉,卻發現手牌當中沒有「迴轉」指令牌,這時該怎麼辦呢?許庭嘉拿出「左轉」、「左轉」二張牌,或者「右轉」、「右轉」二張牌,笑著說:「這二張接連使用,一樣可以達到相同目的。」體現學生得找出替代邏輯來解決問題,但解法往往不是唯一。

在「Robot City機器人蓋城市」中,玩家需要學會將移動目標的問題拆解成一個一個可依序執行的流程,這就是程式語言「循序結構(Sequence structure)」的觀念。許庭嘉指出,循序結構是最入門的運算概念,而幼稚園大班的學童便可以透過遊戲來掌握。

銜接到未來實際程式編寫,循序結構所訓練的,是將一套工具、功能的完整願景,拆解為許多程式碼,再分別撰寫完成後,讓每一區塊可以像齒輪般,嵌合彼此一步步運轉。

除此之外,玩家還能用卡牌重複執行一套移動指令,呼應「重複結構(Repetition structure)」或「迴圈(Loop)」的程式觀念。常常我們需要電腦,是因為一個工作需要重複執行,手動實在太過浪費時間也容易出錯,這時就可善用迴圈指令帶來的效率、準確性。

桌遊卡牌上的指令還涉及「條件結構(Conditional structure)」。許庭嘉舉例說「如果前方一格有障礙物,則右轉(如下圖)」,對應到程式碼是「條件判斷(例如函數“if”)」,也就是寫程式時,還要考量到所處當下各式各樣的使用情境,才能讓電腦執行不同的相應動作,而非機械式的重複動作。應用到Excel上,條件判斷則有助於資料轉換、編碼,像在成績計算時,想把大於100的數值全部改回「100」、讓小於60的數值顯示成「F」文字等等應用。

「機器人蓋『城市』,其實就是取『程式』的諧音。」許庭嘉點出,教小學生程式概念,和教大學生如何寫程式,是天差地遠的兩回事。桌遊的遊戲化設計,目的在於讓學童可以在玩樂、實作中學到運算思維,而非傳統課堂上枯燥的單向傳播模式。

如今這款趣味橫生的桌遊,更被知名出版社納入教材出版,成為課堂的一部分,從市占率來看,國中一年級的學生中10人就有4人,能在教室裡透過這款桌遊建立程式的基本觀念,且被超過700所國中使用。

運算思維教學桌遊再進化

儘管《Robot City機器人蓋城市》成功推廣至校園場域,許庭嘉團隊並未止步於此。他們參考過去運用「擴增實境(augmented reality, AR)」製作課程教材的經驗,這次更結合人工智慧(artificial intelligence, AI)技術繼續擴充原版桌遊,完成一組能透過手機app操作,同時結合智能車組裝等多元實作的運算思維教案模組,即是獲得國科會「未來科技獎」的《智能車機器人蓋城市(Al 2 Robot City)》。

在這款精進版的「插電」桌遊模組中,學生能從無到有、發揮創意設計智能車的外型,打造一臺能在棋盤方格上「移動」的智能車。接著設計電路、編寫程式,裝上晶片微型控制器,連結手機app,透過影像辨識功能掃描卡牌,來操縱車輛,然後想方設法在桌遊中取得勝利。地圖以棋盤格形式,透過紅外線偵測棋盤格線,能控制一個指令移動一格或者做一個90度轉彎的設計,不只獲得中華民國專利,同時也已經獲得美國專利。

《智能車機器人蓋城市(Al 2 Robot City)》真正打造一臺「走得動」,且不會輕易翻車的智能車,再結合手機App,讓學習更添趣味性。
影片來源/Youtube:https://youtu.be/0s1V-lj53BA

桌遊如何改變學習者?

對比傳統教學模式,教學桌遊的優勢並非表面上的遊戲式學習形式。更重要的是,學生透過親手實作,不是解開「習題」而是解決「問題」,在一次次成功解決問題下,將有助於提高學生在科技領域學習的「自我效能」,當對創意、運算思維能力感到自信的同時,將會鼓起勇氣踏上進階學習的旅程。

藉由卡牌操作,學生的思考過程從「隱形」變得「具象」,讓老師得以適時介入提問、引導,創造出即時溝通、對話教育的空間;當學生無法從有限手牌中想出移動解法,也可跟同伴一起動手進行排列組合,嘗試牌卡運用的不同可能。

許庭嘉解釋,過去在教學現場,老師只能從學生的最終外顯表現(例如:測驗)看見最終的學習成果,考題答對或答錯,一翻兩瞪眼;但是學生腦子裡的思考過程,卻彷彿「黑盒子」般無從得知,也就難以給予因材施教的引導。「數位學習最重要的價值,就是透過學習科學和學習分析有機會可以把黑盒子解開,讓思考變得可見(make thinking visible)。」

弄懂電腦,更能善用電腦

對於想就讀電資相關系所的高中生,或任何有意成為工程師的人來說,運算思維當然是必備的核心素養。但許庭嘉強調:「就算我們不是工程師,未來也不一定需要寫程式,仍應該具備基本的運算思維。」

展望未來,科技扮演的角色只會越來越重要,運算思維教育就如同識字、算術一樣基礎且必要。許庭嘉回憶自己先前在臺師大資訊中心擔任科技組長時,某次組內工程師協助其他單位開發系統,但在需求溝通上卻頻頻受挫,虛擲不少時間、人力成本,才終將問題解決。

由此可見,如果所有公司、學校的職員都能夠培養基本運算思維,不只有利於「人腦」與「電腦」之間的溝通協作,更對人與人之間使用科技跨部門、跨領域的合作有莫大幫助。

一款教學桌遊的發想、實現與推廣

基於種種現實原因,許多類似研究專案的成果常在計畫期滿後便停止推進,未曾問世。許庭嘉深知這點,所以從一開始就下定決心,要讓研究團隊開發的運算思維(以及其他主題)教材真正推出到教學現場,發揮實質影響力,她說:「我們花費那麼多心力,完成的心血結晶必須能夠『見光』,而不只是停留在實驗室裡,交出結案報告、發表完論文,實品就消失在世界上。」研究成果的產出,就像是從樣品屋走向實品屋,充滿著驚喜、感動。

許庭嘉回顧一路走來,從概念發想到付諸實現的過程,所有團隊成員都發揮了重要貢獻。舉例來說,風格一致的每張桌遊卡牌、機器人角色形象、障礙物與建築物的模樣,都是她和學生一起從零開始發想,並由兼任研究助理親手電繪而成。「有時負責繪製卡牌的同學靈感一來,我們甚至會傳訊息討論到隔天凌晨。」許庭嘉欣慰回憶道。

近期,許庭嘉團隊更嘗試改變介面,以虛擬實境中的飛行機器人取代實體的智能車。儘管虛擬3D環境的移動指令相對複雜,遊戲開發面臨種種挑戰,卻仍無法擋住研發團隊的熱情。「我們希望自己做的教材,不只是為了研究,更能發揮實際的社會貢獻。」(資料來源:人文島嶼(原文連結) / 採訪撰稿:林義宏 / 編輯:林俊孝 / 攝影:林俊孝、W. Xiang /核稿:胡世澤)

研究來源
許庭嘉(2019)。跨科整合運算思維及應用人工智慧之遊戲學習歷程分析。國科會專題研究計畫(吳大猷先生紀念獎計畫)。
《智能車機器人蓋城市(Al 2 Robot City)》真正打造一臺「走得動」,且不會輕易翻車的智能車,再結合手機App,讓學習更添趣味性。
影片來源/Youtube:https://youtu.be/0s1V-lj53BA

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