前言

當前全球的科學與科技快速進步，面臨所處資訊與知識蓬勃發展的世代，我們的學生必須具備統整的學習能力來面對此快速變遷的浪潮。基於此，規劃並研發相關的教材與教法，藉以讓學生透過統整的方式來學習是當代教育一項重要的議題，而STEAM的教育浪潮亦順應而起。STEAM教育的本質在於將理工領域與人類的創新與想像相互結合，藉由美學的激發，進一步創新產出在價值與功能上突破傳統的新事物(Rolling, 2016)。Patton和Knochel (2017)指出藝術可促進學習者在科學問題的解決。例如，學習者透過空間問題的構思，將思維形象化，最終透過繪畫或建模等實體階段來落實。一些研究證實透過融入「藝術」來進行學科的整合可強化跨學科的學習成效(Gross & Gross, 2016)。此外，藝術可提升個體的創造力(creativity)與想像力(imagination)，並促進在對外在世界更深層的理解。本文主要目的即在於提出一呼應STEAM教育的主題式教學單元，並藉以落實科普教育的推廣。

 教導「設計思考」接軌未來學習的主流

「設計」(design)是一套組織原則，它有助於吾人在面對真實問題情境時，進行最終決策與選擇的依歸(Razzouk & Shute, 2012)。設計思考與典型的問題解決並不相同，典型的問題解決在於尋找出一個針對問題的最佳解決途徑；然而，設計思考並不強調最佳或最完美的設計，而是探索在當時所處的狀態下最合適的設計產物。例如，建築師必須依照建築物的地理位置、環境特徵以及建築需求來規劃出最適切的建築主體型態與風格；產品的設計行銷人員則必須考量市場的大小、消費者的屬性以及產品特色等原則後，進一步改良產品的行銷與包裝。這些範例在在的顯示，設計思考常與開放式思考，如創造力、想像力等具有極高的關聯性。本文根據IDEO出版之”Design thinking for educators”一書裡提及的設計思考五大構念來做為迴力鏢STEAM教學的指引。該書所提出的五個構念依序為「探索」(discovery)、「解釋」(interpretation)、「想法激發」(ideation)、「實驗」(experimentation)和「進化」(evolution)。

 以「迴力鏢」為主題的STEAM教學情境

典型的「迴力鏢」(boomerang)又稱為迴旋標、飛旋標，其是一種透過木材等堅硬材料製作，而扔出後可藉由空氣動力學原理回到投擲者手中的飛行器。根據記載，最古老的迴力鏢距今約有1萬年的歷史，這在非洲和歐洲的岩畫與遺跡中皆可考察。關於迴力鏢的使用，根據史實記載其主要是一種用於戰鬥與狩獵動物的兵器，例如早期的澳洲原住民即將迴力鏢視為重要的武器。隨著科學與科技的進步，這項傳統技藝亦隨之昇華，在現代迴力鏢已開始做為體育的比賽項目，許多歐美國家都風行迴力鏢的特技表演與相關競賽。

以迴力鏢做為STEAM主題教學的情境有以下三點優勢：(1)製作迴力鏢的材料與工具等皆非常容易取得，不會對學生與家長造成多餘的勞力與經濟負擔。(2)迴力鏢的飛行成功與否除了取決於製作的精良度外，亦需考量學生的投擲技巧。基於此，在測試飛行階段教師可考慮讓學生採取分組對抗的方式來競賽，更可有效提升學生的參與感與學習動機。(3)迴力鏢的主題教學極具時間彈性，因此進行迴力鏢教學時可視教學時間的多寡與學生認知、手做程度的範疇來決定其複雜程度。大抵而言，將迴力鏢用於STEAM教學時期主要連結概念如下表1所示。

表1. 迴力鏢的STEAM主要概念

 透過「設計本位學習」教學模式實施迴力鏢STEAM教學

根據迴力鏢STEAM教學主題的特質，以下進一步提出「設計本位學習」(design-based learning, DBL)教學模式做為實施迴力鏢STEAM教學的參考依據。Gómez Puente等人(2014)指出設計本位學習是一個借鏡科學探究之教學取向，但其更強調真實情境的問題解決，以及預測、製作、測試等認知思考過程，故學習者在設計本位學習的歷程裡，最終階段將形成創新的作品、系統或解決方案。基於上述，設計本位學習在要求學習者完成作品之同時亦強調創新的啟發與思維。

Gómez Puente等人曾就設計本位學習的教學提出幾點重要考量，其中包括了教學環境的規劃設計以及教師角色二點。若我們將前述之設計思考(探索、解釋、想法激發、實驗、進化)，以及剛提及之設計本位學習進行整合，並將其融入迴力鏢主題教學，則可進行以下之討論。在教學環境的規劃設計上，作者建議本主題教學必須是開放式，且以學習者為中心。透過以學習者為中心的開放式教學，學習者除了有機會發散其思考外，亦能有機會運用到多樣化的設計與工程技能。唯此處作者進一步建議，雖強調以學習者為中心的開放式教學，但實務教學時考量不同階段的教學重點，故教師可微調教學環境的主軸，據以在講解式、引導式乃至協同式等教學脈絡下進行權衡考量。此外，設計本位學習強調合作式的知識共構學習環境，所以教師可多加考量如何營造同儕之間的團隊合作與合作互助，以及藉由同儕合作學習來引發多數學習者的學習動機。而在教師角色此面向上，教師在設計本位學習的教學裡應扮演協同教練的角色。據此，建議在教學上可透過適時的挑戰學生藉以激發其思考、即時性的回饋與說明、鷹架的發展與提供等。上述討論可歸納如表2所示。

表2. 設計本位學習之迴力鏢STEAM教學摘要

根據表2之指引，以下提出透過「設計本位學習」教學模式實施迴力鏢STEAM教學之流程大抵如下：

一、探索階段

本階段首先可透過迴力鏢的花式技巧或競賽影片來引發學生的興趣與動機。進入下一階段後，教師可透過生活中關於力的現象來推測為何迴力鏢除了能在空中飛行外，還能遵循一定軌跡回到投擲者的手上。據此，教師可進一步引導學生建立關於迴力鏢飛行的假設。而在迴力鏢製作之材料準備上，其實非常的簡易取得，主要素材需用到紙板(作者根據自身製作經驗，推薦馬糞紙板)、剪刀、直尺、釘書機等。

本階段最後需讓學生建立迴力鏢之原型(如圖1所示)。建議可讓學生剪裁三塊長約10-14公分，寬約3-4公分的馬糞紙板(本為初次製作之建議尺寸)。將每一塊紙板下方裁出高為1.5公分的小三角形缺口。將三塊馬糞紙板依120度夾角依序展開、插緊後，於中央處以釘書機固定之，最後在葉片前端處黏上1-2圈絕緣膠帶。



圖1. 迴力鏢製作流程圖

二、解釋階段

本階段旨在向學生解釋並說明迴力鏢的相關科學概念以及飛行原理，主要包括力的種類、牛頓運動定律等。本階段教學值得注意的是可讓學生根據第一階段的影片觀看歸納出迴力鏢的飛行軌跡。對一般右撇子的投擲者而言，迴力鏢的飛行軌跡是「由右至左」飛行(此時一上二下的葉片組裝相對位置如圖2所示)，唯教師此時可挑戰學生，使其思考：若是一個左撇子投擲迴力鏢，那迴力鏢是否可能「由左至右」的飛回呢？當學生進行此問題之思考時，亦促使其回顧教師先前提及的相關科學概念。



圖2. 影響迴力鏢飛行軌跡(方向)之組裝示意圖

三、想法激發階段

當每一名學生完成其第一支原型迴力鏢後，若時間許可，可在此階段讓學生進行第一次的迴力鏢丟擲試飛。除了讓學生體驗迴力鏢的投擲技巧外，亦可讓學生初步驗證其迴力鏢的飛行軌跡是否如預期所想。然而本階段更重要的是教師可丟出更多的問題來促進學生的思考。此時教師拋出的問題可分為二個層次。第一，讓學生思考其「迴力鏢飛行軌跡不如預期的可能因素為何？」(據作者的經驗，學生的第一次試飛具有很大的變異性)。第二個層次的問題則可進一步聚焦於「影響迴力鏢飛行效果與軌跡的可能因素有那些？」。亦即，此時的教學目標應著重於提供學生更多影響迴力鏢飛行的可能變因，並促使其建立假設後建立模型來驗證假設正確與否(圖3)。例如，教師可針對迴力鏢的葉片大小、葉片數、葉片重量等因素來讓學生進行假設。


圖3. 透過想法激發階段，培養學生提出假設與研究變因設計

四、實驗階段

本階段主要教學目標在於讓學生動手實做建立不同類型之迴力鏢原型，並透過觀察記錄來驗證其假設是否成立(圖4)。根據作者的經驗，大部分的學生在此階段多能製作出符合迴力鏢飛行軌跡的實體模型。基於此，教師在本階段可更聚焦於學生所選取的「影響迴力鏢飛行之變因」是否合理，並予以回饋。


圖4. 學生練習試飛自製迴力鏢，並驗證其設計理念與假說是否正確

五、進化階段

本階段的主要教學目標在於引導學生修正其不同類型的迴力鏢原型外，教師需能進一步透過反思提問來讓學生思考其先前建立的假設為何不合理。此外，本階段若時間許可，教師亦可透過提問與討論讓學生進行迴力鏢相關概念的生活經驗連結，藉以達成學習遷移之目標。

 課室觀察之成效回饋

在操作本活動時，作者藉由課室觀察掌握學生的反應與回饋，其中有三個主要發現：

1.本活動誘發了學生的好奇心和增強學生在課程中的參與度
在活動操作過程中，一開始的迴力鏢現象成功引發學生的好奇心，許多學生對於迴力鏢的投擲與迴力現象感到好奇，並十分專注聆聽原理。

2.動手做過程中，學生同步發揮創意與探究能力
本活動在第一階段讓學生了解原理後，即由學生自行動手製作自己的迴力鏢。為了讓自己的作品達到預期成效，學生的提問十分積極、專注地探究原理、並進行作品的問題解決。最後，學生們也能在自己的作品上寫上名字或繪畫，展現不同的創意。

3.回饋反思中，學生能清楚分享自己設計的模型原理與修正方案
本活動最後階段是透過上台發表，分享學生的自我反思與回饋。在發表過程中可以發現，學生因透過思考與體驗，能清楚分享自己設計的模型原理，並且能說明自己第一版模型的問題與後續修正方案，在主動學習上達到更深層的思考脈絡。

 結語

迴力鏢的製作並不困難，故非常適合國小中、高年級乃至國中的學生來體驗。作者根據自身的教學經驗提供相關建議與注意事項如下：第一，雖然紙片本身並不具太大的危險性，但仍須加強宣導迴力鏢投擲前需注意周邊的人事物，除了降低迴力鏢損壞的風險外，亦避免對著人投擲以免造成不必要之傷害。第二，為提升每一名學生的學習動機跟參與感，建議教師可在本教學單元進一步規劃設計個人與團體的趣味競賽。例如，可讓學生以個人為單位進行比賽，看誰能在單位時間裡接住最多次自己丟擲的迴力鏢；亦可讓學生以小組為單位，比賽那一組能在單位時間與指定的區域範圍內，接住最多次隊長於定點處所投擲之迴力鏢。當前是一個強調學生能夠動手規劃、設計乃至實作的創客世代，而科普的傳播與推廣需要有更多的種子教師前仆後繼地投入。基於此，本文提出一融入設計思考，且以設計本位學習為主軸的迴力鏢STEAM主題單元，盼能對中小學階段的STEAM教育有所啟發。

 參考文獻