程式设计电子化教材开发与功能评估

1程式設計電子化教材開發與功能評估陳怡芬1翁浴芳2林美娟2Yi-FenChen1,Yu-FangWong2andJanetMei-ChuenLin21台北市立第一女子高級中學2國立台灣師範大學資訊教育研究所通訊作者︰林美娟地址：台北市和平東路一段162號國立台灣師範大學資訊教育研究所電話︰[phone]分機292摘要本研究旨在發展一套適合學習電腦程式設計的電子化教材，並探討學生對於使用此類教材之看法。教材設計重點在於發揮電子媒體可動態改變圖文屬性的特色，在學生閱讀教材的過程中，將說明文字與被說明對象之間的關連性清楚標示出來，使得文字說明與圖解、程式碼能緊密結合，以達到輔助閱讀與理解的效果。教材完成後，我們採用質性研究法檢驗本教材之可用性。我們以大學資訊系學生為試用對象，以觀察單記錄學生使用電子教材時的閱讀行為，並藉由一對一的訪談，了解學生對本教材的接受度。研究結果顯示，學生於閱讀本教材時樂於使用教材所提供之各項閱讀輔助功能，而這些功能對於引導學生逐行讀懂教材內容頗有幫助。此外，參加測試的學生也普遍認為此教材具有提高閱讀速度、令人學習印象較深刻等優點。關鍵詞：人機界面設計、程式設計、電子書、電子教材3緒論程式設計教學在國內外的高中電腦課程中一直佔有重要地位。我國早期的「電子計算機概論」課程將程式語言列為課程目標之一，其章節份量佔了總課程的二分之一強，所涵蓋的內容包含程式語言基本概念與BASIC程式設計；民國八十四年所頒佈的「高級中學電腦課程綱要」中，也明訂程式語言為課程主題之一。在美國方面，高中的AdvancedPlacement課程所包含的兩門電腦科學科目（ComputerScienceA和ComputerScienceAB）更幾乎全以程式設計為教學內容（TheCollegeBoard,2004）。在大學校院中，程式設計更是所有資訊系學生必修的基礎核心科目。程式設計教學和其他學科一樣，以教科書為主要教材來源。根據本文幾位作者多年的程式設計教學經驗，目前介紹程式設計的紙本教科書普遍有著以下缺點：圖解極為有限：抽象概念視覺化是幫助學生理解教材內容的重要工具，但紙本教材由於版面限制，無法提供大量圖解。少數教科書會利用分解圖示逐步說明某個抽象概念，但大多數的教科書則礙於篇幅，常將所有的步驟融合為一張圖，再讓學生自行想像其間的變化過程。這些方式常會因學生對內容的理解程度不一，造成學習成效的差異。文字解說與程式碼之間的對應性不佳：程式語言教科書中有許多文字敘述需與程式碼對照觀看，然而在目前的教材中，讀者尋找相對應程式碼的輔助工具僅有行號而已。教科書作者通常會以行號標示程式碼，並針對較難理解的程式區段依行號逐行說明。這樣的方式，常會讓學生在交互對照時產生困惑。近年來由於多媒體與網路技術的快速發展，電子書市場日漸暢旺。相對於紙本書籍，電子媒體除了可以結合文字、圖像、影音以豐富書中內容之呈現外，尚具有以下特性：內容可動態改變：此特性使得電子媒體可根據不同狀態或配合個別需求顯示不同內容，而非如紙本書籍般一成不變；可隱藏部分內容：有些內容在平時可以隱藏，在需要時才顯示出來，如此可創造出有「深度」的電子書，讓讀者根據自己的需求選擇是否觀看某些內容；容量極大：相對於紙本書籍而言，電子書的容量幾乎是無限的，而且增加內容並不會增加「書本」的體積；具有互動性：電腦能對使用者的輸入產生反應，從而建立使用者與電子書之間的互動。以上特色也為電子教科書的發展帶來了新契機。教科書有別於一般以娛樂為目的的休閒讀物，亦有別於提供查閱資料之用的工具書。教科書的內容必須為讀者所精讀、所理解。因此，如何發揮電子媒體的特色以幫助學生理解教科書內容，也就成為設計電子教科書的重要議題。一般而言，理工科的教科書通常包含較多抽象、深奧的概念，也是學生普遍認為學習難度較高者。程式設計教科書亦屬此類。我們認為這一類教材尤能彰顯多媒體所能提供之閱讀輔助功能。本研究旨在發展一套適合學習電腦程式設計的電子化教材，並探討學生對於使用4此類教材之看法。我們以C++HowtoProgram一書（Deitel&Deitel,2003）之中的「指標與字串」（PointersandStrings）單元為目標開發電子化教材，並以質性研究法針對所完成之教材進行可用性測試（usabilitytesting）。下文中，第二節為文獻探討；第三節詳述本研究所發展之電子化教材的各項閱讀輔助功能；第四節則說明我們如何以質性研究法進行本電子化教材之可用性測試；測試結果與分析呈現於第五節；第六節則為本文結論。文獻探討電子書一詞有著多重意涵。就硬體面而言，它指的是具有特殊界面設計、用於呈現電子文件的可攜式電子閱讀器（Lemken,1999）。它可能是具有貼標籤、記筆記等閱讀輔助功能的小型特製電腦（如Press（2000）所評介的RocketEbook和Softbook），也可能是MITMediaLab所研發的「電子紙書」（electronicpaperbooks）（Jacobson,Comiskey,Turner,Albert,&Tsao,1997）。就軟體面而言，它是專為閱讀特定格式之文件所發展的閱讀軟體，如MicrosoftReader（2005）和AdobeAcrobatEbookReader（AdobeReader,2005）等。就內容面而言，電子書通常意指透過網路可隨選閱讀或下載的多媒體文件，或燒錄在光碟或SD記憶卡上的各種數位內容。本研究著重於電子書的內容面，主要探討電子教科書的內容呈現方式。本節所做之文獻探討亦著重於此。關於電子教科書的設計方面，早期的研究大都著重於超文本（hypertext）技術的應用，建立文件內或文件與文件之間的連結，讓使用者可以進行非線性的文件瀏覽與資料搜尋。例如美國Bellcore公司Egan等人所發展的SuperBook即屬超文本瀏覽系統（Egan,Remde,Gomez,Landauer,Eberhardt,&Lochbaum,1989）。他們的研究結果顯示，使用SuperBook學習統計學的學生比使用紙本的學生得以更快速而正確地尋得所需知識，而且學生也普遍比較喜歡使用超文本教材。在另一名為CORE計畫的研究中，Egan等人使用SuperBook系統建置了一套化學期刊論文線上查詢系統，亦獲得類似的結論，亦即使用SuperBook的化學研究者可以更便利地尋獲研究所須之期刊資料（Egan,Lesk,Ketchum,Lochbaum,Remde,Littman,&Landauer,1991）。再以英國Strathclyde大學的多位研究者所進行的一系列相關研究為例，其中Crestani&Ntioudis（2001）和Landoni,Crestani,&Melucci（2002）等人將現成的紙本教科書自動轉換成超文本教材。他們所發展的轉換工具可自動針對教材中文意相關的片段建立超連結，包括索引項目與頁面之間的連結、內容相似的頁面之間的連結、意思近似的專有名詞之間的連結等等。讀者可透過這些超連結快速找到教材中的相關內容。在EBONI（ElectronicBookON-screenInterface）計畫中，Wilson（2002）的研究重點一樣著重於透過超連結的建立，使讀者可以方便且快速地找到電子教材中的資料。在同一計畫下，Wilson,Landoni和Gibbs（2003）等人進一步針對三本網際網路上的電子教科書進行評鑑，試圖了解教材設計對於學習的影響。其研究結果指出，讀者希望電子書能保留紙本教科書的某些特色，5這些特色包括提供方便讀者查詢的索引（index），提高可讀性的精緻排版與精美的圖片和圖解，讓讀者了解閱讀進度的頁碼標示，較不會讓人感到疲累的頁面長度，以及可讓讀者畫重點與做筆記的功能。但除了保留紙本書的特色之外，使用者同時又希望電子教科書能利用電腦多媒體技術提供額外的閱讀輔助功能，例如使用適當的文字配色以增加可讀性、提供獨立視窗觀看圖片或圖解以比對本文內容、頁面之間的超文本連結、快速搜尋書中內容、提供線上解題及線上實驗等功能。美國PaloAltoResearchCenter的幾位研究者亦以方便使用者快速瀏覽與搜尋電子書中的資訊為目標，採用了概念塑模（conceptualmodelling）、擴散觸發（spreadingactivation）及字詞同現（wordco-occurrence）等方法，突破一般搜尋方式的侷限，得以根據使用者所輸入的主題關鍵詞，自動產生與此主題相關的索引（Chi,Hong,Heiser,&Card,2004）。後來Chi,Hong,Gumbrecht和Card（2005）更進一步加強了這個系統的功能，使得當滑鼠停留在某一索引項目上方時，系統可以顯示內文的摘錄；而當使用者閱讀內文時，系統也會根據使用者所輸入之關鍵詞自動判斷與此關鍵詞相關的文句，並以醒目的顏色標示之。例如使用者若是輸入「炭疽病的徵狀」這個搜尋關鍵詞，系統將會找出「鼻塞、關節疼痛、疲勞」等徵狀，並將其清楚標示於書中。這些功能均實作於他們所發展的三維度電子書系統3Book（Card,Hong,Mackinlay,&Chi,2004;Hong,Chi,&Card,2005）之中。以上系統雖能增進閱讀者搜尋所需資訊之效率，對於瀏覽式閱讀（skimming）與再次閱讀（re-reading）有其便利性，但對於初次閱讀電子書內容的讀者而言，以上功能並無法幫助理解。Sun,Harper和Watt（2004）等人所做的研究著眼於以使用者界面設計來幫助讀者理解電子書之內容。他們以資訊擷取（informationretrieval）的技術分析出電子書的組織（organization）、敘事結構（narrativestructure）和主旨結構（thematicstructure），並以三種不同的圖解方式顯示之，希望能藉此幫助讀者理解大部頭電子書籍之內容。此種以大部頭書籍為對象之界面設計方式仍然只是為了方便閱讀者快速搜尋、查閱資料之用，對於真正理解書中的細節內容並不適用。此外，Sun等人的研究並未有實驗研究結果顯示其設計成品之有效性。國內的黃嘉能（1999）和陳金輝（2002）等人亦以提升電子書與電子文件閱讀理解為系統設計目標，他們所發展的系統以切割（Slicing）的概念將文件分解，透過本質論的分析，將書本以結構化的方式儲存，配合使用者設定檔以達到電子書的個人化。但此兩項研究均著重於針對個別使用者提供閱讀難度的選擇，並未針對學習內容本身提供閱讀輔助功能。關於電子教科書在程式設計教學的應用方面，Schwarz,Brusilovsky和Weber（1996）等人由線上教學的觀點，探討如何將解題環境的互動功能與智慧型教學系統的智慧型功能融入LISP程式設計教材中，而提出了I3-textbooks的設計方式。所謂I3指的是整合（integrated）＋互動（interactive）＋智慧（intelligent）。他們同時發展了一套名為ELM-ART的I3-textbook。ELM-ART提供了一個新型6態的電子書範例，除了具備一般電子教科書的特性，還提供了程式設計的互動環境與智慧型教學系統功能（Brusilovsky,Schwarz,&Weber,1996）。接著Brusilovsky,Eklund和Schwarz（1998）等人又由適性化的角度切入，指出網路教學所使用的電子化教材普遍均由學生自行閱讀，無法由老師在場解說，而學生的背景、程度高低以及學習目標又各不相同，因此，他們認為有必要提供一套開發適性化電子教科書的軟體工具。他們所發展的InterBook開發工具讓電子教科書作者可以在MSWord檔案中加入解說概念的註解，並針對每一單元說明先備知識、學習背景、與預期成果等，期能提供進階導覽與適性化的特色。Hitz&Kogeler（1997）根據他們在維也納大學發展互動式C++網路教學課程的經驗，指出互動式教材應分為課文、參考資料、及實用性知識這三個結構層次進行設計，並為使用者提供內建的程式設計環境支援