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STEAM

STEAM機械摩天輪教具研發與教學



文/黃琴扉 葉凡愉


 前言

在知識爆炸的時代裡，科學領域的教師需要具備更多跨領域的專業能力；舉例而言，化學專長的教師若要到國中服務，則必須補修物理、生物、地球科學以及生活科技等學分，因此跨領域之學習與專業發展，與科學教師在教學現場上的應用息息相關。由此可見，以短期而言，提升教師跨領域專業成長對其就業有實質助益，以長期而言，當教師具備跨領域專業成長能力後，將能運用在教學層面，提升全國之教育品質；換言之，如何提升科學領域教師跨領域統整能力與自主專業成長，確實是十分重要且需迫切解決的教學實踐問題。

承上所述，雖然提升科學領域教師跨領域統整能力與自主專業成長是十分重要的任務，但是「要怎麼教才能提升學生的跨領域統整能力?」，再者，即使找到了教學方法，但這個教學方法無法被模組化與傳承，那也無法推廣及落實。因此，發展出一套創新且具有系統化的「跨領域統整能力教學模式」將是極度重要的工作。

本教學單元運用STEAM (Science ,Technology, Engineering, Art and Mathematics)整合式學習模式，並結合了布魯姆分類學(Bloom’s taxonomy)概念，發展具系統性與推廣性之創新教學教案，此兩種教學模式即是培育跨領域人才重要核心教育策略之一。

所謂的STEAM (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics)意旨整合科學、科技、機械、美學、數學多元化知識面向與概念，形成融合式基礎教育，讓學習者能將知識進行統整與應用；許多研究發現，學生採用STEAM方式進行整合式學習時，其學習動機與認知能力均有長足的進步(Cromley, Kaplan, & Perez, 2016)。而Collier-Reed, Shaw和Ngoepe (2017) 嘗試將布魯姆分類學概念轉化為課程，以機械系學生為主軸，運用此模式教導「科學」與「數學」兩個科目的跨領域統整學習；其研究結果指出，學生的整體機械學學習成效獲得進步。

為了協助中、小學自然與生活科技教師於課室內落實推廣STEAM教育模式，並且應用布魯姆分類學概念轉化為課程，以達到跨領域的知識學習與整合應用目標。因此，本團隊自行研發一套結合STEAM教育模式與布魯姆分類學概念的跨領域整合教具，稱為「機械摩天輪」。

結合STEAM概念與布魯姆分類學的「機械摩天輪」教具說明

以下針對為了整合跨領域知識的「機械摩天輪」教具各部件組裝，所對應在教學上的核心原理及STEAM教育模式的連結進行說明。

「機械摩天輪」在教學上其核心觀念，包含角速度、向心加速度及摩擦力的科學原理運用(S/科學)、摩天輪可分為重力式摩天輪(Ferris wheel)和觀景摩天輪(observation wheel)兩種(T/科技)、運用高轉速低扭矩的馬達轉換成低轉速高扭矩的機械工程運作(E/工程)、在摩天輪內部橫桿設計不同顏色的圖騰和幾何(A/藝術)，以及分別比較計算不同半徑所需旋轉一圈的速度(M/數學)，分析對造原理如表1。

表1. 本教學單元教具、核心原理及STEAM連結對照表


 符合STEAM概念與布魯姆分類學的「機械摩天輪」教材教法設計

文獻給予本教學單元很大的啟發，若將該架構轉化為更大幅度的跨領域課程，將可能是核心式的教學典範轉移(paradigm shift)。本單元的發想是：跨領域學習課程的最基層就是奠基在每名學習者的背景知識，接著，每名學習者可以依照自身的概念需求與知識面向需求，進行逐步的跨領域建構，進而達成「符合每名學習者需求，且可以終身自我學習」之專業發展。

因此，本單元結合STEAM教育模式，由動手組裝「機械摩天輪」為起頭，導引學生進行布魯姆分類學的階梯式跨領域學習。最後，為了將課程構念模組化，讓教師可以理解終身自我專業發展的模式，本單元參考了Pollard (2014)與Blaine (2017)的研究中所發展的理論概念與實務--反思教學模式(reflective teaching model；如圖1所示)，此一模式主要是用來協助提升「教師教學反思與實務專業發展」。由圖1中可以發現，若要協助教師自我反思與專業發展，就必須讓教師經過「分析現況、統整反思、規劃教學、實務教學、收集回饋」階段，再依照此階段之循環逐步專業成長。

圖1. 教師反思教學模式 (資料來源：Pollard, 2014；Blaine, 2017)

整合上述，本單元結合STEAM的教育模式，以跨領域整合知識為核心；接著運用布魯姆分類理論(如表2所示)，讓師生盤點該問題涉及的領域知識，並從自身背景知識為基礎點逐步擴散到跨領域式學習；最後在教學課程內運用教師反思教學模式，以逐步提升學生的學習成效。

表2. 「機械摩天輪」教材教法說明表


 實施經驗與結論

在實際實施上，學生在組裝摩天輪上比較常見的問題，組裝時容易遇到零件方向組裝錯誤的問題，而此教具類似積木模組，所以組裝錯誤要再拆下重新組裝有點困難，建議可以攜帶細扁的鉗子，在組裝拆解上會更加方便。另外，學生利用馬表測量時間上，容易發生誤差值偏大的問題，會發生此問題的因素源自於觀測摩天輪旋轉與按壓馬表的學生不是同一人，所以在傳達上導致時間誤差變大，後來修改為觀測與計時為同一人，並且測量兩次，兩次為不同人測量並取兩人的平均值計算，修改實施後，在測量時間的誤差值就變小了。這些實施經驗的反思，除了帶給學生重測、平均值與誤差值的概念外，也是教學者在探究實作引導上的教學反思；探究實作的概念是引導學生主動思考、發現問題、解決問題，而不是僅在協助學生順利完成作品。透過問題覺察與解決，才能讓學習者有深刻體驗與思維啟發，進而達到主動學習的能力。

在十二年國民基本教育課程規劃中，教師必須著重跨領域學習，並要強化學生跨領域學習以及統整能力，本單元運用STEAM整合式學習模式，並結合了布魯姆分類學概念，發展具系統性與推廣性之創新教學教案，將科學、科技、機械、藝術、數學多元化知識面向與概念整合，期許運用此設計拋磚引玉，讓各學校依據學生的需求來開發STEAM 課程，並透過學校這些多元特色的課程，培養更多未來 STEAM的創新人才。

參考資料

Blaine, D. (2017). Reflections on solving problems: Teaching and learning. Proceedings of the Fourth.

Collier-Reed, B. I., Shaw, C., & Ngoepe, M. (2017). Constructive alignment in an introduction to engineering course: walking the talk.

Cromley, J. G., Perez, T., & Kaplan, A. (2016). Undergraduate STEM achievement and retention: Cognitive, motivational, and institutional factors and solutions. Policy Insights from the Behavioral and Brain Sciences, 3(1), 4-11. https://doi.org/10.1177/2372732215622648.

Pollard, A. (2014). Readings for reflective teaching in schools. Bloomsbury Publishing.




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

葉凡愉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所碩士