AI教育，從Robot開始：用機器人STEAM跨領域課程打造21世紀關鍵能力

書名：《AI教育，從Robot開始：用機器人STEAM跨領域課程打造21世紀關鍵能力》
ISBN：978-626-7495-08-7
主編：蔡孟蓉  / 臺師大學習資訊專業學院教授
共同作者：蔡孟蓉、梁至中、李文瑜、許衷源 等著
定價：550元

書籍簡介：

第一本整合理論·教案·評量的機器人STEAM 教學工具書

《AI教育，從Robot開始》是機器人與STEAM教育的最佳入門指南！AI與機器人正快速改變我們的生活與世界，而本書聚焦兩大核心超能力—運算思維與設計思維，結合理論與實證，內容扎實、架構清晰。提供教師精彩教案、學生易懂學習單、機器人教具選購指南，並收錄信度良好六大量表及與國際接軌的中文版運算思維測驗，助您掌握學習成效。課程涵蓋從無人機運送物資，到打造智慧盆栽與空氣鋼琴音樂劇，創新有趣。無論背景，皆能輕鬆上手、即學即用。翻開本書，掌握關鍵力、培養「深思力」，在AI時代自信決策，脫穎而出！

共同推薦：

國立臺灣大學機械工程學系暨研究所 郭重顯教授

一本適合不同科學背景教師投入機器人STEAM 跨領域教育的優質書籍，依循書中「原理－教學－評量」黃金三角架構，由下而上，打造出健全AI基礎教育教學系統。

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"夢的N次方" 教師社群發起人 / 南投縣爽文國中 SUPER教師 王政忠

結合理論與實踐，本書是AI與機器人教育跨領域整合的典範，對非資工背景教師極具啟發性，亦為全球教育公平目標提供具體在地實踐路徑。

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臺中市溪南國中校長張祥宜 113年師鐸獎得主

作為校長，我深知老師的起步不易。本書提供實用策略與範例，陪伴教師以機器人為橋，跨越落差、點亮學習熱情，也讓偏鄉的孩子看見未來的光亮與可能。

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屏東縣佳冬鄉昌隆國民小學 蔡錦豐校長
本書將科技融入教學，讓『滑世代』孩子在玩中學，輕鬆培養運算思維。這為創新教學帶來契機，助學生掌握未來關鍵能力。

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目錄

推薦序一 　蔡今中｜讓AI教育從「玩」開始：陪伴孩子跨入未來的關鍵一步
推薦序二 　胡啟有｜用機器人翻轉偏鄉孩子的未來：我的教育現場與閱讀啟發

導論 　蔡孟蓉｜現在就是未來，用機器人開啟AI學習的新時代

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Part I 基礎篇

第一章 　翻轉教育：認識機器人STEAM統整課程
第二章 　創新架構：機器人STEAM統整課程設計與教學策略
第三章 　新手入門：機器人教具的功能、分類與選擇指南
第四章 　超級應用：掌握常見的機器人教具與教學範例

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Part 2 實戰篇

第五章　啟動生活創意：機器人STEAM統整課程國小教案

5.1　工業4.0智慧輸送帶

5.2　四軸救援隊：邁向永續發展

5.3　遠處傳來陣陣警笛聲：聲音高低的機器人應用

5.4　踏破鐵輪無覓處：循跡機器人競賽

5.5　翻滾吧！投石機器人
 

第六章　開發趣味專案：機器人STEAM統整課程國中教案

6.1　空氣鋼琴音樂劇

6.2　神奇的線：二元一次方程式圖形

6.3　打造智慧盆栽：植物自動澆灌系統

6.4　田野間的STEAM，「食」在很重要

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Part 3 評量篇

第七章　六種問卷量表：全面評估機器人STEAM課程的教與學

7.1　機器人教學內容知識問卷（TPACK-R）

7.2　機器人學習自我效能量表（RLSES）

7.3　程式設計自我效能量表（CPSES）

7.4　運算思維量表（CTS）

7.5　設計思維意向量表（DTDS）

7.6　關鍵學習能力量表（5C）

第八章　進入傑克歡樂農場：運算思維測驗（國小版、國中版）

8.1　來自Bebras挑戰賽的運算思維測驗：開發背景與目的

8.2　運算思維測驗：國小版傑克歡樂農場

8.3　運算思維測驗：國中版傑克歡樂農場
 

結　語 　蔡孟蓉｜機器人能教的事—從ChatGPT的崛起，談未來教育的覺醒
後記一 　蔡孟蓉｜AI與教育的碰撞火花：一場科技始終來自於人性的見證！
後記二 　許衷源｜貼近生活，激發好奇心的教學寶典
後記三 　梁至中｜創造教育現場的無敵鐵金剛
後記四 　李文瑜｜從樂高到運算思維：用機器人打開孩子學習的小宇宙 

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導論

現在就是未來，

用機器人開啟AI 學習的新時代

蔡孟蓉 / 臺師大學習資訊專業學院教授

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「玩」科學中輕鬆與未來接軌的書。這也是一本希望能夠為老師建立信心，帶來安全感，在探索如何以科技創新教學的路上提供資源、目標與方向的書。

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當資訊大爆炸、人工智能（Artificial Intelligence，AI）崛起，資訊科技產業跨領域人才的需求增加，未來世代要如何保持競爭力，甚至AI 無法取代的能力？要如何將這樣的新興科技恰如其分地運用在課程中？該怎麼與傳統的課程結合？我們的教育是否需要改變？這些問題對國中小學的老師而言無疑充滿挑戰。AI 時代來臨，臺灣需要有相應的教育資源，讓我們的師生與AI 的距離更近一步，因此，有了這本書的誕生。

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這本書緣起於2016-2019 年我所主持的科技部科學教育培龍計畫，這個計畫相信機器人和跨領域的教育，是科學教育不可忽視的面向，並旨在透過將機器人融入跨領域教學來達到兩大目標：提升臺灣孩子學習科學的動機，和促進中小學生的21 世紀關鍵能力。然而，為什麽是「機器人」？為什麽會有這個「培龍計畫」？背後的原因還得追溯到2013 年那個炙熱的夏天。

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那年夏天，機器人與中輟生的相遇
十年前，我在臺科大服務數位所擔任所長，同時兼職師培中心主任，在執行教育部的「史懷哲教育服務計畫」時，要帶領師培學生到偏鄉學校做服務，開始思考「有什麼有意思的東西，可以促進學生的學習動機」？當時我剛從美國進修回來，對於國外學生與機器人之間的互動學習記憶猶新，也在自己的孩子身上看到他玩機器人時專注的神情。我相信透過機器人，孩子不僅可以認識科技、了解科學，還可以習得許多跨領域的知識。那時機器人教具很貴，一套樂高機器人動輒八、九千塊，是偏鄉學生難以接觸到的東西。於是我帶著師培生設計了為期兩週的「機器人夏令營」，將資源帶進偏鄉，教一群需要高關懷的中輟生「怎麼玩機器人」。

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一開始學生意興闌珊，但到了第四、第五天，這些讓學校很傷腦筋、很難帶的中學生，眼神開始專注起來，不僅積極參與，學習動機也很高，連社會局的輔導員都到教室外面觀摩，並驚訝地發現學生竟然坐得住。當時我心想，「孩子的學習動機是可以救回來的，只是看老師用什麼教」。原本以為活動就此結束，沒有想到半年後，我收到校長來信，感謝我們幫他救回了一個中輟生。原來，有個曾經快被老師放棄的學生，因為在那次夏令營最後的機器人擂台贏得第二名，獲得學習的自信與成就感，之後不僅願意繼續回學校上課，還展現了十分正向的學習態度。
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「原來機器人課程有這麼大的功效 ！」對於中後段的學生而言，傳統課堂上的講述法既無法引起學習興趣，亦缺乏學習成效。但機器人課程可與日常生活中的議題連結，讓學生以動手做的方式學習，可立即看到成果、直接得到反饋，成功引起學習動機。中輟生與機器人相遇的故事也讓我看到，機器人課程不只能在知識上讓學生有所成長，也能在學習上、態度上、情意上給予學生滿足和鼓勵。那次機器人夏令營的深刻迴響，除了讓我更肯定機器人是提升學習動機的有效媒介，亦促成我之後提交三年的培龍計畫。培龍旨在關懷弱勢，所以此計畫的目的之一，就是促進孩子學習科學的動機，尤其是較弱勢的、學習表現中後段的學生，同時將資源帶到偏鄉的學校，打破過去認為「機器人學習是專屬於資優生或富家子弟」的迷思。

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科技革命與21 世紀關鍵素養能力

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此培龍計畫的另一個主軸，是以機器人STEAM 跨領域統整課程來促進中小學生的21 世紀素養能力。人類邁入21 世紀已超過二十年，受科技發展的影響，社會快速變遷，各國都在討論下個世代需要具備哪些關鍵能力？現行的教育有沒有辦法培養學生這些能力？ 21 世紀素養（21st Century Literacy） 是一個很大的範疇，在各國的分析報告中有不同側重的面向，但主要均涉及個人在社會中自我實現、社會融入及就業時所需的能力。臺灣教育部在2014 年推動「中小學數位輔助學科閱讀計畫」時，則將學生應具備的21 世紀關鍵能力定義為5C 能力，包括溝通協調能力（communication）、團隊合作能力（colaboration）、複雜問題解決能力（complex problem solving）、批判思考能力（critical thinking）及創造力（creativity）。
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科技在5C 能力中扮演很重要的角色，尤其關於複雜問題解決能力。人類的幾次重要革命都與科學、科技的發展息息相關。有人說，第五次工業革命就是人工智慧。我們在開始這個研究時，對「AI 來臨」還沒有很深切的感受，覺得那樣的未來還很遙遠，但隨著ChatGPT 在2022 年末橫空出世，AI 的影響力已迅速襲捲全世界。在過去，人工智慧是大學或研究所相關領域的學生才會學到的課題，一般人無須接觸。然而，在我們可預見的未來，AI 將成為關鍵素養的一部分，這意味著新世代的公民在工作上或生活上，如果不知道什麽是人工智慧、不懂得如何用AI 解決問題，可能就會被取代。若不瞭解AI 或機器人， 難免會對此感到恐懼或焦慮。因此，讓我們的下一代從小學習AI，或者說，將AI 納入我們傳統電腦素養的學習架構中，已是時勢所趨且勢在必行。

問題是，要怎麼教呢？

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大學的教材自然不適合用來教中小學生。作為未來公民的關鍵素養能力， AI 基礎教育必須要有系統化的學習內容與教學策略。面對科技日新月異，世界各國都在探討教育所面臨的挑戰，並做出課程改革。我們在2016 年開始醖釀這個計畫時，發現已有許多國家在發展STEM 或STEAM 教育，但眞正將機器人融入STEAM課程的並不多。當時我們就決定以機器人當作統整課程的核心工具，因為機器人不僅是AI科技的標誌性產物，機器人課程本身也是一種AI基礎教育，是適合小學與國中學齡孩子學習人工智能的入門課程。 對中小學的學生來說，透過機器人可以連結更廣、更與生活情境相關的跨領域學習，老師也可以用機器人教許多關於「未來」的知識。當孩子玩過機器人，知道怎麼操作程式設計與自動控制，要進一步學習更抽象的概念便輕而易舉；因為已經有了應用科技的正確態度，面對未來的挑戰也不易感到害怕。

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而現在，就是未來了。

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由下而上，打造一個健全的教學系統

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我們從實際的教育現場看到導入機器人後帶來的正向改變，於是由下而上，慢慢形成這個從實務中誕生的研究計畫。研究初期（2016年）可以援引的文獻不多，除了少數會議文章可以參考，大部分的前人研究都只從STEAM或STEM教育的角度切入課程設計。我們發現，若要以機器人來統整各學科知識，提升臺灣學生學習科學的動機以及跨域整合、問題解決的能力，需要從師資培育、課程設計與評量工具三方面著手，從根本打造一個健全的教學系統。

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於是我與梁至中教授（國立臺灣師範大學學習科學學士學位學程）、李文瑜教授（國立臺灣師範大學資訊教育研究所）、許衷源教授（國立屏東科技大學幼兒保育系）四人共同合作此單一整合計畫。從師資培育開始，舉辦師培工作坊，推廣問題導向與設計導向的機器人統整課程設計與教學策略，逐步推動以機器人為主軸的跨領域國民教育學習內容，讓學生能從解決眞實問題的歷程中進行有意義的學習，同時開發關鍵學習能力多元評量工具，以評估學生的知能是否有所成長，教學實驗是否收到成效。

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執行計畫三年中舉辦的每一場師培工作坊幾乎場場爆滿，也有許多老師向我們索取資料，只是當時這些講義、教材仍在不斷編修，研究工具也還在開發、發表中，尙未能匯集成冊。現在研究已告一個段落，在三年的計畫完成後，我們將過程中累積的點點滴滴，從研究成果、實務經驗、教案紀錄到工具方法等， 經過仔細整理與重新編寫之後集結出版，希望能為有興趣、想要嘗試以機器人作為教學工具的中小學老師（甚至大學老師）帶來起步的開始與陪跑的資源。將大家付出的心血與努力付梓，自然是一件有意義的事，但我們相信更有意義的是，化紀念為資源，以終點為起點。

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這本書由許多人一起合作完成，包括整個計畫團隊中的研究學者、碩博士研究生、研究助理，以及與我們合作的核心種子老師。內容匯集了學術研究者與教學工作者的視角；既有已發表中英論文的精華，也有教育現場實務中的眉角。我認為本書特別之處，在於它不是一本純學術的書，也不只談教學應用， 而是以研究為基礎，實務為導向，可以解決眞實教學問題的工具書。因此，本書適合的讀者層面很廣，包括對機器人教育有興趣，卻不知從何入手（沒有資訊科技相關背景）的中小學教師、在進行機器人STEAM 教學，想尋求支援與資源的教師，以及研究相關課題的研究生和專家學者。為使不同背景的讀者都能理解，我們在書中盡量使用淺顯易懂的行文，搭配視覺化的圖表，以深入淺出的方式介紹各個主題。除了零基礎的機器人小白，已經在這個領域摸索一陣子的自學教師也很適合閱讀本書。所謂高手在民間，在臺灣有許多獨自在鑽研這個教學領域的老師，如果你是這樣的讀者，那更應該看這本書，因為它可以提供一個有系統的架構，讓你更淸楚自己在做什麽，也會對未來的教學更有 想法。

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進入本書的黃金三角架構：原理、教學、評量

本書集結過去三年培龍計畫的成果精華，我們的研究發現，藉由參與機器人STEAM 統整課程，學生的5C 能力、自我效能、科學學習動機等均有顯著提升，也證實機器人是培育孩子資訊素養的有效工具。過去在臺灣的教育出版市場上，一直沒有出現明確結合機器人與STEAM 教育的書籍，因此我們很有自信推出這本結合理論架構、實證研究和實務基礎的工具書，讓讀者瞭解孩子如何透過機器人學習到多元跨域的知能。在章節架構上，本書分為基礎篇、實戰篇與評量篇三大部分，一共八章，內容涵蓋理論背景、教具選材、課程設計、教案示例，以及教學量表，可以說提供了一套完整的機器人STEAM跨領域統整課程教學指南。

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Part I 基礎篇一共有四章，主要為讀者打下關於機器人

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STEAM教學的基本功，瞭解什麽是STEAM、機器人如何導入STEAM課程。第一章介紹機器人STEAM跨領域教育的核心概念，並在臺灣108課綱教育改革的脈絡下說明其發展趨勢與學習內涵；第二章闡釋相關課程設計模型與教學策略，協助讀者整合出將機器人導入教學所需的核心知能，亦洞悉實戰篇教案背後的設計邏輯。根據我們過去舉辦師培工作坊的經驗，在職老師對於教學原理與課程設計已具有一定的專業能力，但對於該如何選擇機器人教具，則是許多新手教師備感困難的地方。因此，第三章、第四章聚焦於機器人教具，將之分類並提供選擇的依據，並說明在教學中應用的方式，除了希望能解決新手教師的痛點，也為下一個篇章做銜接。

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Part II 實戰篇提供了實際的教案示例，讀者可以藉此更了解機器人如何作為統整跨領域課程的教學工具。在第五章與第六章中，我們分別收錄了五篇國小與五篇國中的教學案例，這些教案皆由與我們合作的種子老師親自設計與實施，主題豐富且創意十足，統整的學習領域從常見的生活科技、資訊科技，到音樂、美術、生物、數學、公民與社會等，橫跨多元學科知識。本篇除了詳細的教案內容外，亦特別說明課程與機器人學習相關的元素與教具選擇的原因，最後附上老師的教學心得與反思，有助於未來機器人STEAM統整課程設計的持續發展與創新。

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而在教育推進的過程中，所有的教學實驗都需要接受檢測，即需要進行教學評量與學習評量，才能知道創新的教學方式成效如何，是否眞的對學生有幫助。由於機器人跨領域教育目前在臺灣仍處於發展初期，相關的中文評量資源十分匱乏，因此本書的Part III 評量篇提供了專為機器人STEAM 統整課程所開發的評量工具，希望能彌補此一領域的空缺。第七章與第八章分別介紹問卷量表與測驗試題兩種不同類型的評量工具，可用於評估教師的機器人教學內容知能，以及學生的機器人學習自我效能、程式設計自我效能、運算思維與設計思維等能力。這些評量工具皆由研究團隊嘔心瀝血開發而成，具有紮實的理論基礎與科學實證，並獲國際學術期刊發表肯定，相信不論對教學者或研究者來說， 本篇都是十分可信又實用的工具。

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以上基礎篇、實戰篇與評量篇共同組成了機器人STEAM 跨領域教育的「原理－教學－評量」黃金三角架構。我們建議對此課題完全陌生的新手，可以按此順序從頭到尾完整閱讀。而已具備一定基礎的讀者，可以從自己有興趣的章節切入。舉例來說，已經了解機器人STEAM 教育趨勢和課程設計原理的讀者， 可以跳到第三、四章查看機器人教具的分類與選購建議。若對如何設計機器人STEAM 統整課程特別有興趣，則建議搭配第二章與實戰篇一起閱讀，對於此類課程如何規劃有了更淸晰的認識之後，再學習機器人教具的種類特色，會更淸楚自己的需求。至於第三篇的工具量表，讀者可以配合自身的教學或研究實驗設計，視不同的情境、對象、需求來挑選使用，以及決定使用的場景與時機（如作為前測或後側，是否有實驗組和對照組等）。如果對如何使用評測工具有疑問的讀者，在自學之餘，也歡迎與我們聯絡。