運用STEAM概念發展「流籠運水創意課程」

 


文/黃琴扉、王冠智


 前言

在現今的科學教育目標中,培養學生具有問題解決能力儼然是重要且普遍的共同主張,其中,十二年國教的核心素養更強調生活中的問題解決能力,期許學生將所學的知識轉換成活用的生活問題解決能力,並能具備正確的科學態度(教育部2017),而教師也被期待,藉由實際生活中的問題,運用小組合作討論的教學策略,引導學生從而提出解決之道(吳俊憲、吳錦惠,2018)。然而,真實環境中所發生的問題並非是單一學科的封閉性問題(周家祥、金若蘭,2008),因此學生在解決問題的起初階段,難以當下就知道如何應用所學知識(張玉山、楊雅茹,2014),這也意味著學習者對知識應用的統整形成了障礙;同時,對於教學者而言,跨領域與統整的教學設計將是提升學生問題解決能力與科學素養的重要考量。

為了協助學習者提升真實情境脈絡的問題解決能力,教學者所設計的活動與課程,其內涵必須生活化、跨領域、統整性、問題層次化、具有實作體驗等面向的統合方能達成;而近幾年興起著重各方面能力培養的STEAM課程,其核心概念則符合上述需求。STEAM (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics)指的是在教學上整合科學、科技、工程、藝術、數學五大面向的知識及技能教學模式,並在執行上結合探究實作藉以培養整合理論與實務的能力(林坤誼,2014;陳家騏、古建國,2017),在近幾年的研究中指出STEAM課程與教學對於培養學生問題解決能力、跨領域整合能力、合作學習成效、科學態度與過程技能皆有著正向的影響(林怡廷,2015;孫志強,2015;劉一慧,2012),由此可知,STEAM課程可以有效促進學生因應真實情境脈絡的問題解決,亦能提升其統整知識應用的能力,使學習者獲得真正帶得走的知能。

「流籠運水創意課程」根據上述的STEAM內涵創建,並在其問題解決的實務教學中融入環境教育因素,藉由學習者個體之間與其環境的互動,達成較佳的學習成效(黃琴扉,2016;陳聖謨2013)。

 流籠運水創意課程

流籠在早期是山區運送物資或人工渡河的工具,完整的流籠運輸工具包含了索道及其吊掛的裝載平台,起初運用山區的高低差運送人或物品,後期也常運用在災害防救上。當颱風天直升機無法救災時,在土石流崩落的山區也會運用流籠協助救災或運送物資,但是,運用高低差要如何精準運送呢?運送過程中又會有什麼狀況發生呢?流籠本身設計又有什麼限制呢?本創意課程期盼透過戶外的探究實作,讓學生在災害防救的模擬情境下進行流籠運水的STEAM實作課程,除了運用學科知識的分析思考掌握流籠運輸的原理外,也期許學生對生活危機處理與問題解決多一層理解、對鄉土多一份關懷。

本課程的核心觀念,包含繩索摩擦、高低差能量轉換的科學原理(S/科學)、由重力傳動到電力傳動的流籠歷程變化(T/科技)、流籠實用性設計與運行原理(E/工程)、流籠與繩索顏色的搭配與設計(A/藝術)、運送時間與傾斜角度的計算(M/數學),分析如表1。



 結合戶外教育探究實作的教學流程

在本流籠運水創意課程的教學設計上,不僅其核心概念符合STEAM的內涵之外,在教學實施的步驟及過程中運用戶外教育引導式探究(guided-inquiry,見圖1),藉由貼近戶外真實環境的體會,引發STEAM課程強調統整能力以及提升問題解決能力的訴求。

圖1. 本課程引導式探究教學模組


本課程教學流程的設計,依照圖1所示引導式探究的教學模組(楊秀停、王國華,2007;NRC, 2000),依序分成五個教學階段,並在教學階段中融入統整其STEAM觀念之內涵,透過實際探究參與進而達成深度的學習,以下就上述五個步驟加以說明:

活動步驟一:教師安排問題情境
在本課程一開始,教師帶領學生至戶外環境中,以有高低差的建築物佈置流籠索道組合,用以比擬兩山之間以重力傳動的流籠,並且安排任務問題:「各位同學前面有許多不同大小的流籠、不同材質的繩索以及不同大小的掛鉤,請各位在13到17秒內將物品由高處安全運送至低處。時間不得少於13秒,也不得多於17秒。」
學生在此階段透過現場實際環境的任務佈置,進行問題解決的初步探究思考,由任務所給予的限制進而思考各種不同變因會如何影響流籠的運動,連結其科學知識融入STEAM概念中的科學層面(Science),並讓學生觀察,在戶外自然環境中,什麼顏色最明顯,最適合成為警戒色(圖2〜4)。

圖2. 不同大小與顏色的流籠與吊勾(圖片來源:公共電視南部開講)


圖3. 教師進行問題情境的佈置 (圖片來源:黃琴扉教授)


圖4. 不同材質與顏色的繩索(圖片來源:公共電視南部開講)

活動步驟二:引導學生發展問題並試驗
經過一開始教師問題情境的佈置之後,引導學生直接進行嘗試不同變因的流籠組合,在此階段學生初嘗任務失敗,大多無法達到任務所要求,大部分學生在運送過程中發生幾個狀況:「運送到一半卡在繩索中間以及試圖甩繩使其加速結果物品被拋出流籠外」(圖5、6)。


圖5. 流籠卡在繩索低點間(圖片來源:公共電視南部開講)


圖6. 甩繩造成物品被拋出籃外(圖片來源:公共電視南部開講)

活動階段三:分析試驗結果協助設計解決方案
學生試驗任務問題後發生困難,教師在此階段根據學生們發生的問題協助分析其可能的原因,並提出解決的方案,老師從旁引導提問並且給予調整的建議:「卡在繩索低點間會不會因為改變繩子與牆壁夾角太過猛然,導致流籠已在繩子的前半段運動時就觸及地面了呢?」、「甩動繩子讓流籠加速結果失敗,想一想甩動時施力方向是否能成功造成流籠向前運動呢?然而流籠運輸的動力又是如何傳遞的呢?」教師在此透過分析學生試驗結果協助提出可能之解決方案,並藉由提問引進本課程STEAM內涵中的科學(S)與科技(T)的概念(圖7)。


圖7-1. 學生藉由蹲下動作改變收繩高度(圖片來源:公共電視南部開講)


圖7-2. 學生透過緩慢控制繩索與牆壁夾角解決流籠卡在繩索低點間問題的變化以達成穩定運送(圖片來源:公共電視南部開講)

活動步驟四:學生進行小組反思討論與發表其解釋
學生在教師的引導之下嘗試其解決決方案後,教師給予小組討論與發表想法的時間,各組學生討論過後提出:「選擇大流籠時,籠子內的物品會因為傾斜下降的關係跟著產生滑動,造成有一瞬間下降的很快,反而來不及控制」、「流籠搭配光滑的塑膠繩下降時會過快;而粗糙的童軍繩起初下降穩定但後來會卡住,不同繩索摩擦力影響狀況不同」、「大掛勾比小掛勾更容易在運送過程中產生晃動反而無法穩定輸送」,由此可知,學生透過小組討論反思發表可以得到對任務問題的初步結論。

活動步驟五:教師檢視學生所學與其解決方案
在戶外場所實際教學過後,教師帶領學生回到課室總結本課程所要學習之內涵,透過讓學生發表各組的問題解決方案與省思後,再補充流籠運水重力傳動和電力傳動的差異與限制、計算運送時間與傾斜角度的影響,連結學科概念與STEAM內涵中的工程(E)和數學(M)的應用(圖8)。

圖8. 教師總結課程內容並檢視學生所學(圖片來源:黃琴扉教授)

 結語

 
STEAM的教育理念著重統整性與應用性的問題解決能力,透過STEAM課程的實施協助學習者面對瞬息萬變的多元問題,強化未來解決真實情境問題的能力。本課程的設計即是由STEAM的核心概念出發,配合戶外教育引導式探究為執行方法,在戶外場域中建立出此流籠運水創意課程。

在本課程的實施下,透過解決任務問題的過程,藉由引導式探究在各教學階段的反應與回饋,可以發現,確實可以協助學生進行多角度多變因的思考探索,也可以促進其統整概念應用知識能力,成功達成STEAM教育理念所強調的核心要求。

最後,本創意課程可與環境教育相互搭配,讓學習者在自然場域中進行符合STEAM概念的教學活動,對於教學與學習具有十足的彈性與變化性,亦增加教學環境的豐富度。


 參考資料

公視南部開講--在地旅行 寒假快樂學習法
吳俊憲、吳錦惠(2018)。應用「問題導向學習」於大學通識課程之行動研究。臺灣教育評論月刊,7(10),194-201。
陳家騏、古建國(2017)。STEM 教學應用於高中探究與實作課程之行動研究─以摩擦力為例。物理教育學刊,18(2),17-38。
黃琴扉(2016)。化學探究教學:引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程。臺灣化學教育,13(5)。
孫志強(2015)。STEM 課程元素融入阿美族文化之研究。臺北市立大學科學教育碩士學位學程,未出版之碩士論文,臺北市。
林怡廷(2015)。探討 STEM 課程以科學探究教學法在課外社團實施之研究。臺北市立大學應用物理暨化學系自然科學教學碩士學位班,未出版之碩士論文,臺北市。
林坤誼(2014)。STEM科際整合教育培養整合理論與實務的科技人才。科技與人力教育季刊,1(1),1。
張玉山、楊雅茹(2014)。STEM教學設計之探討:以液壓手臂單元為例。科技與人力教育季刊,1(1),2-17。
陳聖謨(2013)。國民核心素養與小學課程發展。課程研究,8(1),41-63。
周家祥、金若蘭(2008)。北一女中進行真實環境問題解決統整式課程初探。臺北市立北一女中高瞻計畫,台北市。
楊秀停、王國華(2007)。實施引導式探究教學對於國小學童學習成效之影響。科學教育學刊,15(4),439-459。
National Research Council (NRC). (2000). Inquiry and the national science education standards: A guide for teaching and learning. Washington, DC: National Academy Press.






黃琴扉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所助理教授
王冠智
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所碩士