2022年3月27日

用Scratch 實作「反應時間程式」的探究課程

幾個月前，應邀「國民中小學探究課程設計與執行能力提升計畫」的線上揪團研習，主講了一個STEM研習。我設計了一個課程，實作從提出問題、提出假設、設計實驗、收集數據進行實驗分析的探究歷程。

我給的課程大綱如下：

探究的主題為「反應時間」，你覺得紅色的刺激物會比綠色刺激物，有更快的反應時間嗎？大的刺激物會比小的刺激物有更快的反應時間嗎？你可以用這次的課程學會如何設計屬於自己的程式。

整個課程中，你將實作以下過程：

1.練習預測，在做實驗之前，依照現有的知識及理論，推論可能發生的實驗結果。

2.使用scratch或micro:bit開發線上測試反應時間的程式。研究者將根據自己提出的問題，設計不同刺激類型的程式，觀察其對反應時間的影響。

3.統整實驗數據，學習以EXCEL進行實驗分析，製作解決不同問題所需的圖表。但在進行實驗之前，你想過應該如何設計紀錄表格嗎？紀錄收集後，又應該使用哪種圖表來呈現資訊，來解釋你所提出的問題？

4.寫出結果和結論，「結果」是將實驗數據以適合的圖表客觀呈現，並輔以合宜充分的圖說進行說明，使圖表得以獨立於報告正文存在。「結論」是回應你所提出的問題，並提出假說，在觀察到這些現象之後，猜測背後可能的原因。


當天實作是採用Scratch進行的，相對於Micro:bit有更多可以加入操縱變因的部份，而且也能方便匯出數據進行後續分析。

當天課程採用了混成式學習，包含線上同步與非同步方式進行。非同步的部份，由我事先錄製影片說明，教學影片和範例程式如下。有興趣學習的，可以藉由以下的影片連結，自己學習。

1.用scratch製作反應時間測試程式-01-基礎程式


2.用scratch製作反應時間測試程式-02-設計等待時間為操縱變因


3.反應時間的EXCEL分析-分析刺激物出現前的等待時間與反應時間關係


4.用scratch製作反應時間測試程式-03-改變刺激物的顏色為操縱變因


程式的邏輯如下圖：畫面一開始有一個藍色按鈕，按下後，按鈕會消失，過一段時間會出現紅色刺激物。使用者在看到刺激物之後，就立刻按下刺激物，隨後藍色按鈕會再度出現。程式會計算紅色刺激物從出現到被按下所經過的時間，此為反應時間。


程式如下面兩張圖



自己做完幾次實驗之後，可以在清單上看到自己歷次的反應時間。在程式編輯畫面上，可以在清單按下右鍵，就可以匯出數據進行後續分析。
在課程中的要求是讓每個學員都自己測過50次後，再自己分析這50次的數據。分析的方式有很多種，你可以分析平均值、標準差，或是畫出折線圖、直方圖等等。

最簡單的分析方式是直接將匯出的檔案貼到Google試算表上，按下右下角的「探索」就可以即時分析數據和產生圖表。


直方圖可以幫助你分析在這50次反應時間中，你的數據的集中程度

也可以看到偶有幾次會產生異於其他的數據點，可能是因為分心恍神。而最能代表反應時間的數據應該是中位數。



想想看這樣的數據還可以告訴我們什麼？

下一步就是加入變因去看看，這些變因會對反應時間造成什麼樣的結果。

第一個改變的就是「等待時間」，這是指按下按鈕到出現刺激物之間的時間。程式只要作一些小修改就可以。




在匯出資料後，由於等待時間是隨機出現不同的數字，所以分析時可以應用IF函數和陣列公式，快速計算出平均值、標準差和計數。


如果是要繪製出具有誤差線的圖，還是只能使用Excel來做。雖然Google試算表有繪製誤差線這個功能，但是它的設計非常奇怪，過了好多年還是沒有改進，建議還是放棄。



在收集了許多人的資料後，會看到一個很特別的趨勢。在還沒看到圖之前，你猜想等待時間和反應時間會呈現什麼樣的關係？等越久？反應越慢嗎？結果是這樣。


下圖是17個人的測試數據，每人測試50次之後的圖表，在等待1秒的時間時，大家的反應時間都變長了。怎麼解釋這個現象呢？這就是論證的過程了。請提出一個假說，並且想想，如何去驗證這個假說？




整個課程的簡報和影片連結、分析試算表等，我都一起放在這個資料夾中。

https://drive.google.com/drive/folders/1u6v58dSuJ5wM89-fRISsLqmTqCvRThNe?usp=sharing

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