從公地悲劇到永續共榮：引導學生體驗資源管理的互動模擬程式「大家的村莊」

雖然課本上，我們不直接教「公地悲劇 (Tragedy of the Commons)」這個概念，不過實際上在教生物多樣性危機、人與環境時，我們就是在傳達這個概念-個人利益與群體福祉之間的拉扯與權衡

這個概念，過去我用過很多的實體活動來模擬，像是

• 2009年的體驗釣鮪魚
• 2012年的永續生態模擬遊戲-釣魚

當時玩過這些活動的學生，現在都已經幾歲了啊。今年我把這個遊戲改寫成線上遊戲了，是一個回合制的集體線上遊戲，就叫「大家的村莊」

「大家的村莊」是什麼

這是一個動態、即時的網頁互動模擬工具，環境就是一個線上村莊，每位學生登入後就成為村民，共同依賴一座漁獲有限的池塘維生。他們的每一個決定，都將即時影響自己、他人以及整個村莊的未來。

核心玩法：不只是捕魚

遊戲規則直觀而簡單：

1. 共享資源：全班學生共享一個初始擁有固定魚量的池塘。
2. 個人決策：在每一「年」（回合）中，學生需決定要捕撈多少條魚。
3. 經濟誘因：捕獲的魚在滿足家庭基本需求後，多餘的漁獲可以賣錢，累積個人財富。
4. 自然法則：池塘中的魚會根據設定的「增長率」進行繁殖，但過度捕撈將導致魚群數量下降，甚至崩潰。

這個簡單的循環可以用來討複雜的社會經濟議題。

教師的角色：說故事的人，從觀察者到引導者

教師是這場模擬的「村長」與引導者，有後台工具可以塑造不同的情境。工具的設計目的在於循序漸進地引導學生思考。

1. 基礎設定：打造你的村莊

在遊戲開始可以設定村莊的初始條件，例如：

• 池塘魚數量：資源的豐裕程度。
• 魚群增加率：資源的恢復能力。
• 維持家庭最少魚數：村民的生存底線。
• 魚價：個人利益的誘因強度。

2. 資訊透明度：知識就是力量

你可以決定學生能看到多少資訊，這是教學策略的關鍵：

• [可見其他人捕魚狀態]：開啟後，學生能看到上一回合所有人的捕撈記錄。這會引發「社會壓力」——當看見有人過度捕撈時，其他人會選擇跟進還是約束？
• [可見魚群變化圖]：開啟後，學生能看到魚群總量的歷史曲線圖。資訊的透明化，能否促使學生產生自律行為？

3. 政策與法規：模擬治理的藝術

你可以隨時介入，引入村莊的「法規」：

• [總量管制]：設定每年全村的捕撈上限，模擬政府的永續管理。
• [個人捕撈上限]：限制每個村民的捕撈數量，探討配額制度的公平性。
• [禁漁處罰]：你可以對特定學生設置「禁漁年限」，作為過度捕撈的懲罰，引導學生討論規則與執法的重要性。

4. 公共投資：走向永續的道路

當學生累積一定財富後，你可以開啟「公共投資」功能，讓遊戲進入更深層次的討論：

• 投資魚池維護：學生可以花錢提升魚群的「增長率」。
• 投資魚苗放養：學生可以花錢直接增加池塘的魚隻數量。

這個機制將挑戰從「如何不耗盡資源」提升到「如何共同讓資源變得更豐饒」，觀察從消極限制到積極建設的永續發展理念如何進行。

你可以怎麼教？

這裡有一個四階段體驗設計，我試了好幾個班，認為這個挺不錯的，循序漸進的方式，讓學生在不同情境下感受局勢的變化。

第一階段：體驗純粹的悲劇

• 設定：關閉所有資訊與法規限制。
• 目標：讓學生在資訊不透明的情況下，憑藉個人直覺決策。通常，這會很快導致魚群崩潰。
• 討論：為什麼資源會耗盡？當時大家在想什麼？如果重來一次，你會怎麼做？

第二階段：資訊的力量

• 設定：重置遊戲，但開啟「可見魚群變化圖」與「可見其他人捕魚狀態」。
• 目標：觀察在資訊透明後，學生的行為是否會產生變化。他們會開始自我約束，還是演變成更激烈的「捕撈競賽」？
• 討論：資訊的公開對你的決策有什麼影響？「社會壓力」是有效的嗎？

第三階段：法規的介入

• 設定：在遊戲中途開啟「總量管制」或「個人捕撈上限」。
• 目標：讓學生體驗法規的限制作用，並思考其利弊。
• 討論：這個規定公平嗎？如果你是村長，你會如何設定這個上限？對於違反規定的村民，應該有什麼樣的懲罰？

第四階段：邁向永續經營

• 設定：開啟「公共投資」功能。
• 目標：挑戰學生們從競爭轉向合作，共同規劃如何利用累積的財富，讓村莊的未來更加富足。
• 討論：你願意犧牲個人眼前的利益，來投資公共建設嗎？如何建立信任機制，確保大家共同投入？

一個激發思辨的動態教室

這個互動程式「大家的村莊」具有高度的互動性，也有即時的數據反饋，身為一個會說故事的教師，你可以用各種後台工具去塑造這個故事走向，像是各種災難危機出現，導致魚群減少，或是其他因素導致魚群大增。讓學生在模擬環境中，體驗個人的決策、社會的趨勢對整體造成的影響，用系統性的角度去思考複雜的資源管理議題。

最終的目標不是找到一個「標準答案」，而是透過這個過程，激發學生的批判性思維，引導他們實際體驗從永續發展、社會合作與政策制定等議題。

怎麼開始玩？

我覺得你看了以上的說明，應該想要嘗試吧？

線上版本

我在render.com部署了這個線上遊戲

https://biogo.onrender.com/ 進去後點[Start a Room] ，用QRCODE讓學生登入後，活動列表選[commons]就可以進去遊戲了。

區網版本

如果你要教室網路玩這個，透過教師機當伺服器也可以，我之前都是這樣玩，自由度更高。你要教師機安裝node.js，然後安裝我的程式並執行，然後讓學生個人或分組用平板連上教師機。

https://github.com/ChihHsiangChien/bioGO

在瀏覽器中復刻 Gakken GMC-4 四位元微電腦

在個人電腦與智慧型手機普及的今天，我們很難想像一個只有 80 位元組（Bytes）程式記憶體、運算核心只有 4 位元（bit）的電腦是什麼樣子。

2009年的Gakken 推出了這個 GMC-4 (Gakken Micro Computer 4-bit)的微電腦，收錄在大人的科學第24期https://otonanokagaku.net/magazine/vol24/index.html

它的特別之處，就是讓電子愛好者親手接觸電腦程式底層邏輯-機器碼。好幾年前我買了這本書之後，我其實沒弄懂這到底在幹嘛？

不過後來學習了計算機組織與結構之後，我終於懂了那是做什麼了。原來是透過用機器碼寫程式。我們目前用的java script、python都是高階語言，是給人類看的語言。

這些高階語言在背後，其實最終都會被轉譯成低階的機器語言，才能由電腦硬體實際執行。而 GMC‑4 正是一台設計用來讓你跳過所有抽象層、直接「對硬體說話」的教具型微電腦。 你需要手動輸入一行一行的機器碼，設定暫存器、跳躍條件、控制流程，才能讓它執行一個最簡單的加減乘除、閃燈或倒數計時任務。沒有作業系統，沒有變數宣告，甚至連除錯器都沒有。你要完全理解它的 15 條指令集（OPCode），知道 A、B 暫存器、Y 記憶體指標與旗標（Flag）的角色，才能成功寫出一段程式。 也就是說，GMC‑4 可以讓你真實感受到「什麼叫做電腦」的機器，而正因為它的限制明確、架構單純，反而成為理解電腦本質、教學用模擬器與入門編碼邏輯的最佳起點。想真正理解「為什麼程式碼能跑起來」，都可以用這台小小的 GMC‑4來理解。不過純硬體的架構下，其實不容易理解裡頭寫了什麼，後來我就動起念頭想要把硬體做成網頁上的模擬器，重現這台經典的 4 位元微電腦。

想了解計算機原理的人或只是單純好奇，都可以玩玩這個 4 位元電腦。

模擬器介面巡禮

https://chihhsiangchien.github.io/GMC-4_Simulator/index.html

打開模擬器，您會看到一個復古風格的介面，有著 GMC-4 的主要硬體元件：

1. 7 段顯示器 (7-Segment Display)：這是主要的輸出裝置，用來顯示一個 4 位元的十六進位數字 (0-F)。

2. 位址 LED (Address LEDs)：這 7 顆綠色 LED 燈以二進位形式即時顯示「程式計數器 (Program Counter, PC)」的位址。

3. 2-pin LEDs：這 7 顆黃色 LED 燈主要由 CAL 系列指令控制，用於顯示程式狀態或作為簡單的圖形輸出。

4. 十六進位鍵盤 (Hex Keypad)：從 0 到 F 的按鍵，是您輸入程式碼和資料的主要工具。

5. 功能鍵：

• A SET：設定記憶體位址。

• INCR：將輸入的數值寫入當前記憶體位址，並將位址加一。

• RUN：執行程式。

• RESET：重置 CPU 狀態，但保留記憶體內容。

• HARD RESET：清空所有記憶體並重置 CPU。

6. 記憶體檢視器 (Memory View)：

• 左欄 (Raw)：顯示程式與資料記憶體的原始十六進位碼。

• 右欄 (Disassembled)：將機器碼反組譯成人類可讀的助憶碼，有了它你更知道硬體裡在做什麼。

核心概念：4 位元電腦如何「思考」？

GMC-4 的核心是 4 位元架構，這意味著：

• 暫存器寬度：CPU 內部的暫存器（如 A, Y）一次只能儲存一個 4 位元的數值（也就是 0-15，或十六進位的 0-F）。

• 資料處理：所有運算都以 4 位元為單位。這也是為什麼它的鍵盤和顯示器都以十六進位為基礎。

• 記憶體：它擁有極小的記憶體空間，分為 0x00 到 0x4F 的程式區和 0x50 到 0x5F 的資料區。

入門教學：撰寫你的第一個程式

接下來動手操作，感受一下最原始的程式設計方式。

暖身：寫入與讀取記憶體

我們的第一個目標是將數值 A 寫入記憶體位址 10，並驗證它。

操作步驟：

1. 按下 HARD RESET 清空所有狀態。7 段顯示器會顯示 F。

2. 依序按下 1、0、A SET。

• 這個動作將程式計數器 (PC) 設定到 0x10。注意看，7 顆綠色的 Address LEDs 會顯示 0010000，也就是 16 的二進位表示法 (0x10 = 16)。7 段顯示器則會顯示 F，這是位址 10 目前的內容。

3. 按下 A、INCR。

• 解說：這會將數值 A 寫入 0x10 位址，然後 PC 自動前進到 0x11。您會看到右方的記憶體檢視器中，10: 的位置出現了 A。

驗證：先RESET，將PC指回00，再次按下 1、0、A SET 將 PC 指回 0x10。看看 7 段顯示器，是不是顯示 A 了呢？恭喜，你完成了最基本的記憶體操作！你作的事情就是指定記憶體的位址，寫入A，然後再回到記憶體的初始位置，然後再去檢查剛剛那個位址寫了什麼。

第一個程式：永不停止的計數器(0x1)

現在，來寫一個真正的程式。這個程式會讓 7 段顯示器從 1 開始，不斷地顯示到 6，然後再從 1 開始循環。

我有把這個程式寫成內建的，你先按下 RESET，再按下 1 (代表這組計數程式)，最後按下 RUN，就可以載入這組程式並執行。

程式邏輯：

位址	指令碼	反組譯	說明
00	8 1	TIA 1	將立即值 1 載入 A 暫存器 (A=1)
02	1	AO	將 A 暫存器的值輸出到 7 段顯示器
03	E 9	CAL SHTS	播放一個短音 (讓數字顯示有間隔)
05	9 1	AIA 1	將 A 暫存器的值加上立即值 1 (A=A+1)
07	C 7	CIA 7	比較 A 暫存器與立即值 7
09	F 0 2	JUMP 02	如果上一步比較結果不相等 (A != 7)，則跳轉到 02 位址
0C	8 1	TIA 1	(如果 A=7) 重新將 1 載入 A 暫存器
0E	F 0 2	JUMP 02	無條件跳轉回 02，形成主迴圈

如果要自己輸入的話，就是這樣的操作步驟：

1. 按下 RESET (或 HARD RESET) 讓 PC 歸零。

2. 依照上表的「指令碼」欄位，依序輸入： 8 INCR 1 INCR 1 INCR E INCR 9 INCR 9 INCR 1 INCR C INCR 7 INCR F INCR 0 INCR 2 INCR 8 INCR 1 INCR F INCR 0 INCR 2 INCR

3. 輸入完成後，再次按下 RESET 將 PC 指回 00。

4. 按下 RUN！

現在，您應該能看到 7 段顯示器上循環顯示 1 到 6 的數字，並伴隨著嗶嗶聲。您可以隨時按下 PAUSE 暫停，或 STEP 來逐一指令執行，觀察暫存器和記憶體的變化。

內建程式-電子琴 Organ(0x9)

本模擬器還有內建了一些範例程式。

操作步驟：

1. 按下 RESET。

2. 按下 9 (代表 Organ 程式)。

3. 按下 RUN。

此時，整個程式記憶體會被載入 Organ 程式的機器碼，按下 1-F 的按鍵會發出不同音階。看右方的反組譯碼，可以試著理解這個電子琴程式是如何運作的！

逐行解析一下它的機器碼。

位址	指令碼	反組譯	說明
00	0x0	KA	Keypad to A register。讀取鍵盤輸入，將按下的數字 (0-F) 存入 A 暫存器。如果沒有按鍵，則將 Flag 設為 1。
01	0xF 0x0 0x0	JUMP 00	如果 Flag 為 1 (表示上一步沒有按鍵)，則跳轉回位址 00，形成一個等待迴圈。
04	0xE 0xB	CAL SUND	如果有按鍵 (程式執行到此)，則執行 CAL 子指令 SUND，播放 A 暫存器中數值對應的音階。
06	0xF 0x0 0x0	JUMP 00	播放完音階後，無條件跳轉回位址 00，等待下一次按鍵。

這個程式展示的是電腦底層的基本輸入、條件判斷和輸出流程。

程式：音樂播放器 (Music Player - 0xA)

這個程式比電子琴複雜一些，它會自動播放儲存在資料記憶體中的一串音符，直到遇到結束標記。

資料 (data array): [1, 1, 5, 5, 6, 6, 5, 4, 4, 3, 3, 2, 2, 1, 0] 這串數字代表了「小星星」的音符序列。0 在這裡作為音樂結束的標記。

程式碼 (code array):

位址	指令碼	反組譯	說明
00	0xA 0x0	TIY 0	Transfer Immediate to Y。將立即值 0 存入 Y 暫存器。Y 暫存器在這裡當作資料記憶體的指標。
02	0x5	MA	Memory to A register。讀取記憶體位址 0x50 + Y 的內容到 A 暫存器。第一次執行時，Y=0，所以讀取 0x50 的內容 (音符 1)。
03	0xC 0x0	CIA 0	Compare Immediate with A。比較 A 暫存器的值和立即值 0。如果不相等 (A!=0)，則 Flag 設為 1。
05	0xF 0x0 0xD	JUMP 0D	如果 Flag 為 1 (表示還沒到音樂結尾)，則跳轉到 0D 位址去播放音符。
08	0xE 0x7	CAL ENDS	如果 A 等於 0，表示音樂結束，播放結束音效。
0A	0xF 0x1 0x8	JUMP 18	跳轉到程式結尾的停止迴圈。
0D	0xE 0xB	CAL SUND	播放音符。播放 A 暫存器中音符對應的音階。
0F	0xB 0x1	AIY 1	Add Immediate to Y。Y = Y + 1，讓指標指向下一個音符。
11	0x8 0x9	TIA 9	設定一個固定的延遲時間。
13	0xE 0xC	CAL TIMR	執行延遲，作為音符之間的間隔。
15	0xF 0x0 0x2	JUMP 02	無條件跳轉回主迴圈的開頭，讀取下一個音符。
18	0xF 0x1 0x8	JUMP 18	程式停止。一個無限迴圈，讓程式停在這裡。

這個程式利用 Y 暫存器作為指標來循序讀取資料，是進階的程式設計技巧。

現在，你可以參考指令集來修改程式，或是設計簡單的機器碼小程式了。像是試著修改計數器程式，讓它數到 F，載入其他的內建程式，研究它們的程式碼。