前言

臺灣自2019年開始實施十二年國教，新課綱以「核心素養」作為課程發展的主軸，落實課綱的理念與目標，也兼顧各教育階段間的連貫以及各領域/科目間的統整，關注學習與生活的結合，透過實踐力行而彰顯學習者的全人發展（教育部，2014）。與近幾年倡導的STEM教育及STEAM教育理念有相近之處。STEAM (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics)教育，意指整合科學、科技、工程、藝術、數學等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，且在近年來研究中多數發現STEAM課程或活動，對於提升學生的自我效能有正向幫助（Munawar, Roshayanti, & Sugiyanti, 2019; Thompson, Chapman, & Kanasa, 2020）。國內學者提到STEM課程應是一種整合式的教學與學習途徑，應著重在實作學習及心智學習的平衡，並且也建議臺灣教育的STEM課程應提供學生更多設計、探究、分析、測試與綜合評估的理解與教學專業知識的準備(范斯淳，2016)。

動手做、實作學習的概念在《十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域》（教育部，2018）亦指明各學習階段都應該要重視並貫徹「探究與實作」的精神與方法，提供學生統整的學習經驗。有鑑於科技的快速發展並全面滲透到我們的日常當中，培養學生科技素養是刻不容緩的，從既有經驗出發、在生活發現問題或現象，探究生活中常見的科學知識與原理，從實驗操作與多元學習進行分析、反思與討論、團隊合作解決問題，達到為適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度的核心素養精神。基於上述的精神與理念，本文的研發團隊設計了以下炫光手持木鋼琴教具與創新教學模式，秉持著STEAM的概念，利用電容原理結合Arduino創作出具有聲光效果的機構，再藉由個人創意打造出個人化能彈、又富有變化的炫光手持木鋼琴。

 炫光手持木鋼琴

如何將此科技及技術原理與中學課程結合，並帶入STEAM實作課程，實現跨領域的知識統整與應用，是本課程的核心目標。本團隊研發的炫光手持木鋼琴，主要包含錫箔觸控單元、Arduino開發板及基礎電子零件單元，LED發光元件單元等，以下針對各單元進行說明。

1.錫箔觸控單元：為導入科技於本課程的木鋼琴使發出聲音，其琴鍵設計採用觸控技術。觸控技術經常應用於智慧型手機作為新一代的人機介面，多年來已經大幅地改變人類使用工具的模式。小小的介面其實包含許多想法及科學原理在其中，如觸控技術原理、觸控面板的種類、人類實際操作的方式等面向，雖然複雜卻都是驅使介面運作必須考量的條件。

2.Arduino開發板及基礎電子零件單元：透過引導學生撰寫 Arduino 程式去操控錫箔觸控單元及RGB三色LED燈，達到改變聲音頻率、色彩變化等效果。

3.LED發光元件單元：利用Arduino可以控制LED發光頻率、順序，此外，國中二年級課程提到光的三原色的組成，也可以利用本課程中RGB三原色的LED進行驗證，不僅讓學員認識色彩組成，更是經由調整R（紅色）、G（綠色）、B（藍色）數值0-255的變化，創造出獨一無二的七彩鋼琴。

從上述各部件的說明，可以發現要讓學生完整自製一套炫光手持木鋼琴，必須搭配完整的課程引導，才能協助學生架構理論並進行實務運用。因此，本課程輔以下列核心觀念進行教學，其課程架構包含聲音與光的特性(Science/科學)、由電容式觸碰開關了解觸控的知識原理（Cubie，2016a, b）(Technology/科技)、木鋼琴的電路系統(Engineering/工程)、個人化彩繪鋼琴(Art/藝術)、運用「計算思維」設計聲音與光的輸出(Math/數學)等，其STEAM概念與課程核心對照表如表1所示。

表 1. STEAM概念與課程核心

 結合STEAM概念與問題導向學習(PBL)的手持炫光木鋼琴教學設計

本課程首先引導學生觀察或回想生活中應用到的科技產品，提出這些產品運作的原理假設，並連結至學校所學的基礎知識，藉由整合學生從各學科獲得的基礎知識，利用動手做的方式，實現創客精神製作具有聲光效果的炫光木鋼琴(圖1)。



圖1. 本課程活動透過實際推廣讓國中學生統整STEAM理念並實踐創客精神(圖為本團隊赴高雄市民族國中教學現況)

實作的過程中，我們期望培養學生主動發現問題、分析、提問的能力，並且相互討論解決問題的可能方式與合作完成作品、獲得經驗，更甚者可應用於其他的問題上，達到學習遷移效果。Kahney (1986)認為「問題解決是學生在情境的需求下利用已學過的知識、技能，獲致解答的過程」。「問題解決」是一個包含許多環節的複雜過程，並且被視為一種高層次的心理活動(Sternberg, 1996)。因此建議執行本課程時可採用問題導向學習（problem-based learning, PBL）的教學策略，引導學生由發現問題、確定問題、形成策略、執行實現、整合結果、推廣應用等步驟進行此課程（吳穎沺，2017；黃茂在、陳文典，2004）。在此問題解決的歷程中，學生可能運用的多項能力表徵，如表2所示。

表2. 問題解決歷程中所運用的能力表徵

資料來源：黃茂在、陳文典，2004；葉凡瑜，2016。

舉例來說：當發現沒有聲音的時候（發現問題），可能是Arduino語法錯誤或是電線接線錯誤，若假設是語法錯誤（確定問題），則進行除錯動作（形成策略）、檢查程式碼哪裡錯誤並進行調整與修改（執行實現），直到聲音出現（整合結果），未來當學員發現感測器與Arduino連接發現類似沒聲音或不發亮的現象，就可以依此問題解決策略（推廣應用）達到學習成效(如圖2)。

每一名學生其實都是獨立的學習個體，藉由共學、互助的方式又能提升群體的學習品質。教師透過問答之間了解學員學習、實作過程遭遇的困難，進而提供不同的引導，期達到每位學習者的需求，且可以終身自我學習之專業發展。


圖2. 課程講師與學生共同討論，提出問題解決策略與試驗

 課程實施經驗與結論

課程實際操作後的經驗中發現，學員在組裝電路的過程常會出現「麵包板孔位密集，導致線路接錯」、「錫箔紙黏貼位置重疊，導致聲音錯誤」、「程式語法撰寫錯誤」等問題。解決這些錯誤的方式可以先請每組已完成組裝的學員相互檢查驗證，若討論後仍不確定該如何修正，教師可以鼓勵學生嘗試錯誤的接法，從觀察中比較「錯誤接法的結果」與「正確接法的結果」的差異，並推測該如何修改，修改後再繼續嘗試，直到成功！

帶領課程過程中發現，炫光木鋼琴的接線錯誤並不會造成很嚴重的意外，但學生常因害怕犯錯、擔心發生意外的想法，導致無法繼續學習，因此教師應在課程開始前給學生營造安全、放心的學習環境，並明確表達課程學習目標與遇到問題或犯錯時，教師將會給予立即處理等說明。

探究與實作著重於引導學生思考分析、提出正確的問題、勇於嘗試驗證想法與相互合作解決問題。因此，此課程不僅是完成一件生活科技作品，也能夠強化學生跨領域整合的能力，喚起教師與學生對於生活周遭的覺察。本課程以STEAM跨域整合學習模式，結合問題導向學習的教學策略，發展具有系統與推廣性創新教具，期許能激發對此課程有興趣的教師與學生們共同學習發展。