STEAM課程融入中學探究實作的案發現場

資料來源
60-05
文/王冠智、黃琴扉

 前言


2018年底英國「經濟學人智庫」(Economist Intelligence Unit, EIU)調查50國為培養學生未來生活與工作知能,教育體制所作的教育準備,公布「全球未來教育指數」(Worldwide Educating for the Future Index),其結果顯示台灣排名為第17名,並且指出臺灣學生的弱點在於課外實作經驗不足(EIU, 2018)。然而,在另一方面,近幾年台灣在國際學生能力評量計畫(PISA)中科學與數學的表現仍不遜色,這意味著臺灣學生在基礎科學領域的學習實力並不差,但是普遍在學與用之間有著落差,尤其面對未來快速變遷的社會思潮與科技的迅速發展,智能自動化浪潮的來臨,新世代的教育應當培養學生具有將知識轉換成活用的生活問題解決能力,並且具備正確的科學態度(黃琴扉、王冠智,2019;教育部,2014)。這也正是十二年國教中108課綱所強調的素養培養,要運用知識來解決生活問題(教育部,2019),108課綱致力將九年一貫的能力導向全面提升為素養導向,強調學生的知識、能力、態度三者揉合成一體的智能與陶冶,並且強化科目之間的連貫與統整,為面對未來挑戰增進跨領域應用的多元能力(邱美虹,2016;林慶隆,2016)。

在108課綱理念推行之下,科學教育將由知識本位導向逐步轉變成素養導向的教學,強調以「探究實作」來理解科學,帶領學生手腦並用學習科學內涵(鄭文星,2003;NRC, 2013),結合動手做(hands-on)和動腦想(minds-on)的探究學習策略來更有效地培養學生科學素養(NRC, 1996),並且素養導向的科學探究特別著重情境脈絡應用與知識的連結,期望學生藉由動手作習得真實世界解決問題的能力(詹惠雪、陳美如,2018),如此連結實際情境脈絡方能使科學學習產生意義。在教學的現場,針對108課綱的落實,素養導向的內涵也都逐步融入自然科學教材與命題,相對應地,教師們在教學現場執行探究實作的教學時,應當重視學生如何學而非單純的學知識(呂秀蓮,2018),因此,教師設計探究實作課程須注意其主題內涵必須生活化、跨領域、統整性、問題層次化、具有實作體驗等面向的統合,如此達成提升學習者在真實問題情境脈絡的探究能力(黃琴扉、王冠智,2019)。

執行探究實作課程其主題的選取與設計不僅要與生活情境緊密連結而且還要具備跨領域的多面向思維,掌握科學本質、科技應用、科學議題的社會性重點並且相互搭配,是推動素養導向科學教育的良好教學策略(Roberts, 2007),在此策略下符合對於探究實作精神內涵、生活情境脈絡應用與跨領域整合的STEAM課程,將是實踐108課綱素養導向的科學探究實作之一大利器。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,教師在此模式之下引導學生活用知識和技能進行專題式學習(Project Based Learning),透過專題式學習,老師轉變為引導者,提供背景知識與跨領域的學習架構,針對所選定之專題進行探究實作,經由STEAM課程設計的探究實作課程,學生能有較多的設計、探究、分析、綜合評估的學習機會,建構完整統合與應用能力(范斯淳、游光詔,2016),並且提升在真實情境下的科學過程技能與跨領域整合能力,亦有助於豐富學生正向科學態度和藝術的社會性思維。

綜合上述,本文將探討本文作者親自於中學課程中嘗試融入STEAM理念執行的探究實作課程,並且搭配108課綱精神的科學教育實踐,在其事前的準備、進行中的所見所聞、事後的反思回饋,以教學現場所經歷作以下幾點整理與討論。

 壹、教師執行探究實作的準備與章法


理想的探究型態為開放式探究,讓學生從無到有自行探究,但是這樣的探究屬於高學習動機與高科學興趣的學生,實屬不易,教師理應當以引導式探究執行實作課程,再者,教師對於探究主題的選定極為重要,這將決定了此主題的背景知識架構的深淺與層次發展,以及此主題能橫跨多少個科目領域。可以說好的主題是成功的開始,教師身為知識的守門人與轉化者,在提升學生科學素養的探究教學現場有著舉足輕重的影響,因此能否成功為落實108課綱理念的探究實作,其事前準備與執行章法上的構思,直接決定探究實作的學習品質,下列針對本文作者執行探究實作課室教學,提出應具備的思維與執行章法的建議。

一、選定具有統整知識脈絡的探究主題

探究主題需在教師的審慎思考下選定具有能統整知識發展脈絡的主題,並且此知識要能與課本所學作連結,讓學生感受到課堂所學是可以被實際應用,較有難度的知識內容經過探究實作後,學生更能理解此知識由淺到深、由理論到實務的學習層次。除此之外,探究主題要具備多元與跨領域的特性,學生才能全方面提升其科學素養,探究主題與生活的緊密連結更是不容忽視的重點,真實情境的探究實作能使學生具有學習遷徙的效果,在未來類似的社會場域也能自我探究思考解決問題。實際現場上筆者觀察到部分教育者會將舊課綱刪除的實驗直接變成探究實作內容,不可否認其主題的知識性充足,但是否有滿足素養導向的科學教育,培養學生科學的多向度能力,或許可以再進行修改審視。


二、教師應組織科學學習架構,引導學生探究科學

科學探究的過程包含提出問題、形成假說、設計實驗、論證與建模、表達分享的整套流程,但是在教學實務上最花時間的就是在一開始的提出問題,因此教師選定好的探究主題是很重要的第一步驟。接著,教師應向學生清楚說明問題的背景知識、時空情境,引導學生能快速聚焦問題本身,再進行符合科學態度與探究思考內涵的發散思考,如此一來可避免學生對主題思考的不切實際,教師也可同步加強科學學習的知識技能架構,讓學生學習如科學家般的思考之外,更能依循科學探究的歷程步步確實其學習歷程。

因此,教師事先構思好探究內容範圍由廣至狹的各階段表現,並且設定學生每一堂課指定完成的目標程度,表面上可能是某一個變因的實作探討或完成現象觀察學習單,但實際對教師而言,心中即已掌握學生探究的層次與學習的深淺,這樣在實際教學上能大幅幫助師生雙方科學探究的完成度。


三、教師時時反思科學內容,培養學生生活科學感知

科學探究主題要與生活作緊密結合,但是實務上教師要從無到有產出具有與生活高度連結又能落實探究的主題,實在不容易,發展一個科學探究主題不僅耗時又需要多人協助發想。因此,不仿從教科書中著手設計,畢竟科學與人文都是啟始於對大自然的觀察以及對社會互動的理解,是對各種現象統整後的精煉知識,而教師在設計探究主題上要反其道而行,「解壓縮」這些精煉知識,經過教師對科學知識內容的把守與轉化,建立成可執行探究的教學主題。教師在平時備課時即可對於教科書內整理出來的「生活應用」、「延伸思考」、「素養閱讀」這些方面所提及的內容進行如何能轉變成探究式教學的反思設計;同樣地,教師課室教學時應鼓勵學生對生活周遭所發生的事情進行科學性思考,並且蒐集這些生活時事,它們可能可以變成良好的探究素材。

綜合以上,本文作者就以曾授課過的「時鐘」為探究主題進行教學實例分享。此主題發想來自於物理教學中對於時間制定的反思,我們都知道現行一秒的定義是來自於銫原子鐘振盪頻率,但是觀望漫漫人類科技發展長河,教科書多只給現行結論,由此著手思考設計探究主題,整理其課程設計的各面向思維如下表1:

表1. 時鐘探究實作課程設計發想的各項內容


由上表1可知,將「時鐘」這個主題剖析後,具備跨領域應用亦可結合探究實作,又與課本知識高度連結,是在生活中顯而易見的一項科技產物,若能經由教師適當地安排組織後,將會是個良好的探究實作主題,事實上,有很多事物皆可經過科學性剖析後轉變成探究主題,由此提供一個範例作為參考。探究實作的教學整體流程參閱相關研究與筆者現場經驗後,整理如下圖1所示。


圖1. 探究實作的教學整體流程自製圖

 貳、課室教學中落實STEAM融入課程的歷程


STEAM的教育理念和108課綱核心素養都強調要培養素養使學生能活用知識解決問題,STEAM課程本身就具有跨領域統合的特性,因此,將STEAM課程理念融入探究實作課程可使其相得益彰,能夠增進學生的科學素養,在實務經驗上也是很實用的教學策略之一,要能夠將科學、科技、工程、藝術、數學五大面向融入課程,必須掌握下列幾個重點。

一、拆分知識解構後再建構

一個科學事物本來都是許多面向的知識揉合在一起,教師須先將其拆分解構,將主題的科學知識拆解後分門別類,可運用概念圖整理其架構脈絡,接著再分別將STEAM五大面向的領域知識套入課程主題,依循其架構脈絡尋找STEAM五大面向的切入點,以筆者的實際經驗,這個步驟需要大量的資料搜尋與文獻探討,因為將科學、科技、工程、藝術、數學融入課程主題的過程並不是強塞或沾到邊就好,而是要將課程主題作知識架構的分析,分解出本來就藏身於內的科學智慧後,建構替學生的學習進程量身打造STEAM課程,此過程如同製作美味漢堡,分別找尋每一層的材料結合起來仍是美味健康的漢堡。


二、打破單一科目框架,跨領域整合思考

真實世界的科學很難以二分法畫定其知識科目,由其自然科學皆是源自觀察大自然後所收斂匯聚而得的知識,因此在將STEAM理念融入課程時,教師須打破單一科目的既定框架,才能擴展課程的豐富度,在此階段的實務經驗上,需要教師跨領域的相互合作,藉由科內共同備課和跨科合作產出相關教案,除此之外,因為STEAM課程設計內涵的深淺不一,在準備階段更需要向上的教學資源整合,才能根據學生適合的狀態設計STEAM概念融入課程。


三、教師與學生共同充實生活體驗

新時代的教學應是雙向進行的,然而我們只就針對教師本身,在其研習成長上應多充實生活體驗,STEAM課程是跨領域統整性的,要將其融入符合素養導向的科學教育中,必須要有豐富的生活體驗才能發想出與生活高度連結的問題,再者,STEAM理念的五大面向很難是單一教師能完全透徹掌握,因此,教師在此階段需參加相關得跨領域研習和統整性的應用講座,由此來充實教師設計STEAM課程的能力,經由內省轉化後變成備課素材。


綜合以上筆者再次以STEAM融入「時鐘」課程為例,說明實際如何設計STEAM課程,在此主題之下的內涵整理於下表2:

表2. STEAM融入時鐘課程之設計


由上表2可以看出來STEAM五大面向融入課程的良好結合,但是教學現場要落實STEAM融入課程沒有那麼容易,其困難一是在於發展巧妙融入STEAM設計的課程需要長期時間的發展,其二是正式學科課堂中有其進度壓力與時間分配的限制,因此較為適合的課程正是探究實作課,筆者的實際經驗是正式學科課堂和STEAM融入探究實作課程需要相互搭配,能夠有更好的教學成效。上述想法與筆者經驗對於STEAM融入課程的流程整理如下圖2。


圖2. STEAM融入課程的準備流程自製圖

 參、探究現場學生的收穫與回饋


執行STEAM理念融入的探究實作課程,學生的收穫除了探究主題本身的知識之外,更重要的是習得如何學習探索未知時,該秉持的科學態度與分析的科學方法,而從學生收回的學習單和上課觀察中可以初步了解到,大多的回饋表達如「自己找出來了為什麼課本會寫這樣的結論」、「原來小小一個時鐘有這麼多我不知道也沒發現的事情」,從這樣的回應可以知道學生是主動建構知識,而非被動接收,並且能體悟到一項科學產品的跨域延伸與應用是很多面向的。

除了上述之外,執行科學探究實作學生能學到數據分析與科學論證的基本處理經驗,這是學習科學很重要的經驗過程,傳統知識教學上傾向直接講答案,然而透過探究實作,反其道而行讓學生在教師引導下自行找出答案,雖然現場經驗上,學生處理數據與科學論證尚未成熟,但這是培育學生正確科學態度與科學過程技能不可忽略的一個過程。進一步與學生互動後發現,探究實作過程學生可以鍛練問題解決與障礙排除的能力,甚至更深入互動問答下,學生會有優化探究步驟和產生如何作會更好的想法,代表學生已經習得認知領域的更高層次了,以上都是學生在探究實作真實的表現,也是珍貴的自我學習歷程。

 肆、探究實作教學現場的待克服之處


108課綱推行探究實作課程以來,不乏看見許多老師致力分享與開設探究實作相關工作坊和研習,但另一方面,要在教學現場順利執行探究實作仍存在著許多困難等待克服,下列筆者以自身經驗將列出相關問題整理如下:

一、學校行政與設備問題
不同學校對於執行探究實作的支持度仍有落差,因此在後端設備與相關行政支援上造成各校不一的情況,對於探究實作的落實有很大影響。

二、探究主題選定困難
探究主題的選定的責任落在授課教師身上,然而良好的探究主題需要長時間經營試探,因此在主題的選定需要花更多時間討論與設計安排。

三、探究教學現場經營問題
探究實作的現場班級經營需要教師花更多心力,整體教學步驟流程與對各學生的學習狀況進度拿捏,班級秩序與互動都需要教師同步掌握,在只有一位教師的情況下,如何兼顧教學品質與學生投入程度,著實需要教師事前設想。

四、學生問題超出範圍困難
在現場經驗中,少數學生透過探究實作的體驗後引發學生有更深入的思考,也因此提出更深一層的問題,此時教師就必須向外尋找教學資源,理論上這是個好現象,但是實務上為求教師教學的整體便利性必須建立好探究的範圍,教師在此兩者間的取捨使得教師在有限時間下必須妥善安排。

五、建模完整度困難
由於真實世界的問題其難度深淺不一,因此在探究實作的最後一個步驟就是論證與建模當中,建模的完整度與呈現也不盡相同,有些主題能夠建立較為理想化的模型公式,但是有一些主題在學科知識架構下只能建立簡單的比較分析,因此建模步驟在現場實務上有一定的複雜與困難度。


上述五點困難與問題,會依據教師所處環境與學生狀況而有所不同,對於部分學校而言或許不是問題,正是因為這樣的差異,造成探究實作課程的品質與層次有所落差,而教師在當中需要不同種類的支持,可能很難兼顧或全面改善。

 結語


本文以一位中學教師立場反思綜觀STEAM課程融入探究實作的現場,很能認同108課綱的素養導向科學教育,以及STEAM融入課程所要帶給學生的新時代思維與科學素養,也從學生的回饋中驗證了學習者可以領略探究實作的精隨;教師透過STEAM課程的融入,可以帶來跨領域學習與延伸思考的優點。但同時也點出了教學現場要完美落實這些課程的不易,以筆者本身而言,探究實作課程的缺點是在於執行面,學校端與教師能否提供充分支持,支持教師進行一連串長線的研習與培育,而非短期成效立刻產出一套教案,是關乎STEAM課程融入探究實作品質的重要指標,然而,以學校行政與各類成本的考量,要支持教師長期的研習進修與投入STEAM融入探究實作課程很難達成各校統一。由相關理論和研究都已經明確知道,STEAM課程融入探究實作是需要多位教師協助共備的,是需要教師廣泛跨域研習的,是教師要花時間對生活情境問題解構再建構的,因此,若要使理論和實務整合一起,則必須在教師支持系統的貫徹上統一一致,不應當將探究實作只視為一個新的知識考科,而是需將它當作學生與真實世界互動的科學素養成長過程。

 致謝


本文透過教學歷程反思精煉,撰寫成教案參加「全國探究競賽-這樣教我就懂」競賽,很榮幸獲得佳作,特此感謝評審們給予的肯定與建議,促成了本文的創發。

 參考文獻
教育部(2019)。十二年國民基本教育課程綱要─自然科學領域課程手冊。臺北:教育部。
黃琴扉、王冠智(2019)。運用STEAM概念發展流籠運水創意課程。國立台灣科學教育館,生活科學補給站。取自:https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=6844&a=0&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=15544
盧秀琴、馬士茵(2019)。設計STEAM課程培養國小學生的STEAM素養:以「動物模仿獸」為例。教育科學研究期刊,64(3),85-118。
張芬芬(2019)。素養是師生共構融會貫通的活知識-108課綱知識論。臺灣教育評論月刊,8(10),1-5。
詹惠雪、陳美如(2018)。自然科學素養導向課程設計與實踐-以國中理化能源主題為例。中等教育,69(4),90-104。
呂秀蓮(2018)。下世代教育─STEAM新素養。清華教育,95,1。
邱美虹(2016)。科學教育之發展與反思─從萌芽期、蓬勃期、挑戰期談起。科學研習,55,8-16。
林慶隆(2016)。國小自然教科書之知識論與課程觀演變。新北:國家教育研究院。
范斯淳、游光昭(2016)。科技教育融入STEM課程的核心價值與實踐。教育科學研究期刊,61(2),153-183。
教育部(2014)。十二年國民基本教育課程綱要總綱。臺北:教育部。
鄭文星(2003)。美國科學教育標準對臺灣九年一貫課課改革的啟示。教育資料與研究,52,62-67。
EIU(2018). The worldwide educating for future index 2018: building tomorrow’s global citizens.
National Research Council(2013). Next generation science standards: For states, by states. Washington, DC: National academy press.
National Research Council(1996). National science education standards. Washington, DC: National academy press.
Roberts(2007). Scirntific literacy science literacy. In S.K. Abell & N.G. Lederman, (Eds,). Handbook of research on science education. (pp. 729-780). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum.




王冠智
台北市薇閣中學物理科教師
黃琴扉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所