前言

108課綱上路一年以來，「素養」依舊是熱門的討論話題，在現今社會中，科學素養是每個人都應該具備的基本能力。為了培養具有科學素養並能面對未來挑戰的公民，教育部《提升國民素養實施方案》將科學素養定為五大素養向度之一，而其內涵著重於強調探究能力、具有科學態度與本質以及核心概念的學習（教育部，2014）。為了引起學生主動探索的動力，科學學習應該從激發學生對科學的好奇心為起點，建立在個人的生活經驗以及知識背景上，進行實際操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力（教育部，2018）。

為了培育學生的科學素養，國內外許多學者均致力於探討不同教學策略對學生的助益，其中許多學者發現採用STEAM (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics)教學策略對於提升學生的科學素養有具體幫助(陳家騏、古建國，2017；Strauss, 2012)。Perignat和Katz-Buonincontro (2019)審視了2007至2018年關於STEAM教育的文章，統整出STEAM教育的要素即包含了實務操作、解決問題能力、跨領域多元學習思維，以及美感融入；上述之元素也再次證明STEAM教育強調科學、技術(或科技)、工程、藝術與數學跨領域融合的教育目標與科學素養的培育不謀而合。本文即是由上述的理念出發，研發跨領域知識融合的實作教具--「音樂摩天輪」，期待學生能透過教具的組裝與學習，整合自身跨領域多元學習思維、提升實務操作能力與問題解決能力，並能從音樂摩天輪的美感設計與音樂中潛移默化的獲得藝術涵養。

探究與實作是各學習階段都應該重視並貫徹的精神與學習的方法，期望學生不僅能由動手操作的過程來發現問題，並能進一步解決問題，真正落實以學生為主體的學習方法，使學習經驗更趨完整。對於多數的人來說，搭乘摩天輪不僅舒適且有身心放鬆的感受，摩天輪上也承載了許多人幸福的記憶。台灣總共有7座摩天輪，其中有3座就設置在高雄，因此本文研究團隊(以下簡稱本團隊)開發的STEAM動手做教具，以音樂摩天輪為主題，從生活經驗出發，學生由組裝說明手冊上2D概念圖轉換為實際組裝的3D立體結構、大量榫卯接合技術以及輪軸和摩擦力間的動力關係等過程，能建構多面向的概念達到多元學習的目標；以下將針對本團隊開發的音樂摩天輪教具以及教學策略進行細部說明。

 音樂摩天輪教具與教學策略分析

為了培養學生問題解決能力與實作能力，本團隊開發之音樂摩天輪教具附有組裝說明書，在課程教學期間，將先由講師講解音樂摩天輪中涉及的科學與機械原理，接著再由講師引導學生自行閱讀說明書上的步驟來進行教具的安裝，並引導學生在組裝的過程中認識摩天輪的轉動機構。最後透過問答方式，檢驗學生對音樂摩天輪的科學概念、科技轉換、機械原理、數學運用以及對摩天輪外觀及音樂的觀點。以下，先針對音樂摩天輪的組成及運作原理進行陳述(如表1、2)：

表1.音樂摩天輪各部件的核心原理以及STEAM概念


表2.音樂摩天輪動力組裝步驟

在音樂摩天輪的教學策略上，本團隊配合STEAM的跨域精神，設計相互搭配的課程活動，活動主要架構如表3所示。

表3. STEAM概念與課程核心

本團隊依照表3的課程活動設計大綱進行教學設計，並因應不同年齡層的學童進行知識內容的難易度調整，以下以國小高年級為例，進行本教學設計理念與內涵之說明。

 結合STEAM概念與探究實作的音樂摩天輪教學設計

在課程的初始階段，本團隊設計以認知衝突的方式，講述一段摩天輪起源的故事，引發學生對摩天輪的興趣與學習動機。學生對於摩天輪以及旋轉木馬的主要印象都是遊樂園中必備的遊樂設施，其實摩天輪是將旋轉木馬直立而起的概念，而旋轉木馬的起源並不像我們認知的是一個天真爛漫的遊樂設施。旋轉木馬最早是用來作為訓練士兵的裝置，而士兵接受訓練的主要目的是增強其戰爭的敏銳度與戰鬥力；但是，在人們找到生存的平衡點後，世界趨於和平寧靜，人們開始將摩天輪轉換成舒適的觀景設備，進而演變成現在的遊樂設施。

藉由起源故事引起學生學習動機後，教師可分享搭乘摩天輪的經驗以及介紹世界上著名的摩天輪以及台灣的摩天輪。利用從摩天輪車廂內往下拍攝的照片感受當我們從摩天輪車廂內俯視地面時的開闊感，進一步討論摩天輪適合搭建的場域條件以及簡單的地質關係。觀察摩天輪的照片，思考一座摩天輪的組成需要哪些結構，例如：需要哪些運轉機構。

利用音樂發條產生音樂後，討論音樂盒中的聲音如何產生，並利用圖片或實際拆解音樂盒來認識音梳、撞針凸點以及發條旋轉桿與長條鋼片的做動如何產生動力。

在實作的課程中，讓學生自己閱讀組裝說明書，從2D的圖轉為3D物件拼裝來強化學生的空間概念(圖1、2；圖為本團隊於國立科學工藝博物館執行課程之實況照片)。組裝的過程並非想像中簡單，除了需要分辨正確零件外，還需要具備立體空間感以及細膩的邏輯思維。希望學生在組裝時發現可能的困難或是遇到困難可以先重新嘗試、比較同學的作品與自己的差異或者觀察已經安裝完成的音樂摩天輪來檢視問題。藉由音樂摩天輪教具整合學生的基礎知識，進而探討哪些物品或是現象也應用到相關的技術。實作課程其中一個目的在於觸發學生探究思考的過程，是否能發現問題、提出問題可能的原因，解決問題後進一步應用到其他領域。

　
圖1.圖2.音樂摩天輪課程由實際授課來統整學生各學科概念(圖為學生組裝教具實況)

 課程實施經驗與結論

進行音樂摩天輪課程時發現，學生在組裝部件時常會出現位置錯置、部件組裝不夠確實或跳步驟安裝等問題。為了使成品的結構穩固，音樂摩天輪教具各部件接合處均設計得十分緊密，若是組裝錯誤後要拆裝較為困難，可能產生作品不夠牢固或是無法順利運轉的結果，因此教師必須提醒學生有耐心的了解每一個步驟，並落實組裝程序，且教師也需要先說明可能會遇到的狀況、鼓勵學生並建立信心。組裝時，除了確實要求學生組完一個部分後就要檢查是否安裝正確之外，也可由同學作品互相討論差異性來完成修正。在本課程的實施上，本團隊也落實以學習者為中心的教學理念，授課教師在過程中僅扮演引導以及鼓勵的角色，避免直接告訴學生如何安裝。本課程在實施過程中發現，絕大多數的國小高年級學生均能自行順利組裝完成，且在課堂的實務觀察中，發現男女學生對於音樂摩天輪的學習動機都很強烈，然而本發現僅止於課堂實務觀察，未經學術研究驗證。建議後續的研究者可針對不同性別在音樂摩天輪課程學習上的差異進行驗證。