前言

從工業革命以來，人類在科學與科技上長足進步，也讓知識與資訊量呈現爆炸式的成長。為了探究自然界的原理原則，科學與數學持續被深度鑽研，為了提升人們的生活品質與工作效率，機械與科技也在數十年間飛躍跳升。整體而言，在世界快速變遷的當代，如何運用統整式科學能力解決問題，將是未來人們是否能適應環境變遷的指標能力，也是奠定一個國家根基與實力的重要因素之一。

教育的本質，不外乎是培養個體問題解決的能力，讓人們可以統整自身的知識、技能與情意動機，解決生活中的問題。然而，真實生活中的問題涉及的面向十分多元，僅用單一領域很難抽絲剝繭地獲得較佳的解決方案，因此跨領域的學習非常重要(Flounders, Gates, Heffner, Lawler, & Pardini, 2018)。而在跨領域思維的訓練中，Cook和Bush (2018)指出，運用STEAM方式學習，並從中培訓學童的設計思考(design thinking)將有助於協助學童提升跨領域思維，並增進具有創意的問題解決方式。

STEM(Science,Technology, Engineering and Mathematics)的概念是在二十世紀由美國國家科學基金會當時的主席Rita Colwell提出(Marshall, 2015)，其主軸思維是整合科學、科技、機械、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(黃琴扉，2019)，然而，許多科學家與教育學者認為，人們在學習科學與科技的過程下，若忽略了生命之美與生活美學的融入，則科學與科技將會與生活脫鉤，因此為STEM注入了藝術(Art) 的元素，演變為當今STEAM的定義與內涵。

為了結合教育初衷，並強化STEAM教育的推廣，讓更多學習者在具備統整思維下發揮創客精神，增進設計思考與系統思考之能力，作者從2018年開始，藉由跨校、跨領域、跨單位整合，由國立高雄師範大學、南臺科技大學、國立臺灣科學教育館、國立科學工藝博物館、創藝天時有限公司、喜鵲與山文創整合公司等共同合作，創建一系列的STEAM教具與教材教法。非常有幸獲得國立臺灣科學教育館的支持，在本刊持續分享團隊創作的教具與教材教法。

本文介紹的STEAM教具是「貓頭鷹密碼鎖」。此教具的發想來自於一位國小學生的疑惑。在本文作者辦理營隊過程中，經常將教具放置於行李箱中，並用密碼鎖簡單鎖上便於攜帶。某次辦理營隊過程中，有一位國小學生詢問密碼鎖的原理到底是什麼，為什麼轉一轉數字就可以鎖上？轉對數字就可以打開?作者當下詢問了該營隊的學生，但沒有同學知道當中的原理，為了讓學生們能透過動手實作釐清密碼鎖的原理，本團隊旋即開發了「貓頭鷹密碼鎖」教具。

 符合2D、3D空間轉換、STEAM及創客概念的「貓頭鷹密碼鎖」教具與課程

本團隊開發的「貓頭鷹密碼鎖」教具與課程，主要包含三個教學主軸，第一是協助學生提升2D(two-dimension)、3D(three-dimension)空間轉換能力；第二是透過STEAM教學原理，協助學生培養跨領域整合思維；第三則是融入創客理念，讓孩子有自由創作與發揮的空間，並且可以透過自選的部件，逐步釐清機械學原理原則。

首先，先談談本課程為何論及學生2D、3D空間轉換能力的培養。本課程在開發之初，原本以3D立體積木組合的概念進行「貓頭鷹密碼鎖」作品設計，但是作者在多年的研究中發現，許多學生在2D與3D的空間轉換上容易產生困擾(Huang & Liu, 2013)，這樣的空間轉換困擾容易導致孩子不會看平面地圖，或是看了平面地圖卻無法找到正確的路；此外，2D、3D空間轉換，對於數學幾何圖形的學習，或是化學結構式中二維與三維結構的分辨，都是十分重要的能力，因此，本團隊在研發過程中，首度嘗試將2D、3D空間轉換的練習融入教具中。

在2D、3D空間轉換概念上，本團隊將「貓頭鷹密碼鎖」作品改良為2D面板式材料，組裝手冊也以平面繪圖搭配文字說明，讓學生在自行組裝過程中，能練習如何從2D平面式材料轉換為3D立體式成品；而本課程講師在授課過程中則會在幾個重要關鍵步驟上，引導學生仔細觀察與反思，理解自己手中的2D材料是如何架構成3D成品，如圖1。


圖1. 學生領取到的是2D平面材料版與2D平面繪圖說明書，需要自行動手做，嘗試將2D材料組裝成3D立體成品

其次，本課程建構在STEAM教學原理之上，期待透過教具與教師教學的引導，協助學生培養跨領域整合思維。本課程的核心觀念，包含轉軸組裝與橡皮筋彈力之間的力學概念 (S:科學)、古代鎖具到現代密碼鎖發展(T:科技)、密碼設定與轉軸之機械運行原理(E:機械)，自行彩繪貓頭鷹密碼鎖(A:美學)以及密碼數字排列組合 (M:數學)。最後，本課程融入創客理念，讓孩子可以自己選擇自己想要的密碼數字，透過密碼開鎖的機械學原理教學，讓孩子組裝「自己選擇的密碼」之密碼鎖，除了可以引發學生的強烈學習動機，也具備自由創作與發揮的創客精神。本文根據上述教學理念，逐步分析如表1。

表1. 本課程教具、核心原理及STEAM連結對照表

 本課程採用結構式探究模式進行教學引導

在本課程教材教法的設計上，本團隊運用結構式探究進行教學引導。鍾靜(2015)提到探究是一種透過尋找問題與解決問題的歷程，以了解事物過程與原理的深度思考模式。換句話說，當學生想了解「為什麼我們可以自行設計自己的密碼，而且轉對密碼就可以開鎖」的問題時，讓孩子透過自行探索而解決疑惑，這樣的過程就是探究。而Golombek和Johnson(2017)也指出，當學習者參與探究課程時，可以協助教學者與學習者重新組織自己的背景知識與經驗，並獲得多元成長。有鑑於此，本團隊在進行教學引導時，採用探究式教學理論，期待協助學生達到空間轉換與跨領域統整知識與技能。

美國國家科學教育標準(NRC，1991)指出探究活動基本組成成分，包含觀察、提出問題、提出假設、收集與分析資料與證據、詮釋資料獲取結論等步驟。但是，依據不同的教育目標，探究式教學應適性調整。鍾靜(2015)的研究針對過去的探究式教學進行彙整，指出探究式教學應可包含食譜式探究(cookbook activities)、結構性探究(structured inquiry)、引導式探究(guided inquiry)與開放式探究(open inquiry)等不同模式；其中食譜式探究教著重學生的技能培養與減少實驗誤差，所以強調學生在問題、材料、方法及結果上，均應與擬定的教材相同。此外，結構式探究則讓學生了解起始問題，並提供學生材料，但問題解決的方法與結果，則是開放式的；再者，引導式探究則是僅提供學生初始問題，學生必須自行尋找研究材料與方法，並可能衍伸出不同的研究結果。最後，開放式探究則是由學生自行提出起始問題，並自行設計與完成所有研究，最後提出研究結果。

本課程根據上述理論，採用結構式探究進行教學引導，其主要原因有二；其一，本課程涵蓋的學生族群是國小中年級以上，考量學習者的年齡層較低，具備的基礎知識與技能尚未完備，因此需要更多的引導，因此採用結構式探究教學；其二，本課程的起始問題界定明確，材料也由本團隊研發並提供以教學，因此在本課程的大方向上難以提供全開放式的探究。但是，學習者在自行組裝的過程中，必須自己找到組裝方法，且組裝後的密碼組合與成品都是不同的，因此屬於開放式多元結果。整體而言，符合結構式探究模式的教學精神。本文根據結構式探究模式彙整出本課程教學操作模式，如表2所示。

表2. 根據結構式探究模式彙整出本課程教學操作模式

 結論與延伸課程建議

面臨快速變遷的世界，要讓現在的孩子適應未來、並具備問題解決能力，即需要透過新型態跨領域整合的教育模式；新型態的教育模式應具備「刺激學生的多元思維與創造力」、「跨接理論與生活應用」和「保有知識、技能與態度上的彈性」，才能培養學生快速自我調適以符合世界的需求。

為了落實跨領域思維統整，本團隊教具與課程研發人員由跨校、跨領域、跨單位組成，結合教具的教育性、實用性、與趣味性研發而成「貓頭鷹密碼鎖」課程，該教具與課程在教學過程中獲得參與學生高度評價，且國小中年級以上的學生絕大多數均可完成作品並習得多元知能，是一套可落實跨領域STEAM教育的教具與課程。

該教具與課程之教育性、應用性與趣味性，已如上述。在教學變化上，則可延伸以下活動方案：

一、延伸課程：我與貓頭鷹的約定
在本延伸課程中，可引導學生寫下對自己的期許與約定，鎖在密碼盒中，一個學期後再開啟，檢視自己的目標達成率與成長；藉此提升學生的學習情意與自我成長。

二、延伸課程：暗鎖設置機械學原理
在本延伸課程中，可引導學生發揮創意，自製暗鎖。當學生學習完鎖具的概念後，即可運用2D平面材料剩下的木片餘屑進行裁剪與設計，自行設置暗鎖；如此一來，即使密碼鎖被破解，也不容易將密碼盒開啟。此為機械學原理的進階課程，可運用於國中或高中教學。