文／黃琴扉
科學與科技的演變常引領著國家社會的成長，然而在過去的制式化教育中，許多知識的傳遞與生活應用之連結均十分薄弱，導致抽象概念與實務思考產生落差。因此，人們面對生活中的問題時，往往難以運用所學的背景知識進行問題解決(李松霖、黃天麒、柯志坤，2017；Liben & Coyle, 2014)；劉淑雯、蔡易儒 (2017) 也提及，相較於其他領域，在科學和科技領域中，一般民眾與學生都存在許多學習困惑，也常因為無法將知識落實於日常生活中，導致問題解決能力低落（靳知勤，2007），換句話說，知識對於人們的價值應是培養具有科學素養的公民，而從教育的角度而言，學習者在學習的過程中，最重要的是為了「解決問題」尋找資訊，進而獲得經驗與深度自主學習(黃茂在、吳敏而，2016)。
為了協助學習者提升具有應用性的問題解決能力，課程或活動之內涵必須包含生活化、跨領域化、具有足夠問題空間、擁有實作體驗等全方位面向方能達成；而近年來著重全方面能力培養的STEM教育課程，即符合上述的需求。
所謂的STEM (Science ,Technology, Engineering and Mathematics)意指整合科學、科技、工程、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STEM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, 2017)。為了落實推廣STEM教育模式，讓STEM的理念不再是口號，而是真正可以帶得走的知識與技能。因此，本團隊藉由跨校、跨領域、跨單位整合，由國立高雄師範大學、南臺科技大學與喜鵲與山文創整合公司共同合作，創建一系列的古機械教具與教材教法。以下將針對本創意課程進行詳細說明。
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符合STEM概念的「古機械」教具－由南臺科大進行研發
人類歷史上計時的演化，從古代人發明了漏壺，演進到18世紀工業革命的鐘錶製造，再到現今的機械鐘或數位鐘錶等，都說明了計鐘錶計時對人們的重要性。但是，時針、分針與秒針，為何能如此精密的運作？世界聞名的布穀鐘，又是如何在準點，精準報時的呢?本課程便是期盼能透過科普活動與教具的實作，讓學生理解鐘錶運行與報時的機械原理，並在具有趣味性的課程中，培養學生探究實作與問題解決的能力。
本課程的核心觀念，包含齒輪、輪軸與單擺運作的科學原理(S:科學)、機械鐘到數位鐘的歷程變化(T:科技)、齒輪精密度與機械運行原理(E:機械)，以及不同齒數齒輪交互作用的數學原理(M:數學)，分析如表1。
表1. 本課程教具、核心原理及STEM連結對照表
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符合STEM概念的「古機械教材教法設計」--由高雄師大研發教材與教案、喜鵲與山文創整合公司講師進行試教
在本課程教材教法的設計上，運用經驗式學習環(The Experiential Learning Cycle)(圖1)為教學模組，以強化STEM課程的適切性(McLeod, 2013)。
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圖1. 經驗式學習環(The Experiential Learning Cycle)(引自McLeod, 2013)
在經驗式學習環中，學習者會學習到「抽象概念」、「經驗計畫」、「經驗行動」與「反思再觀察」四大步驟，此四大步驟形成一個迴圈，讓學習者透過行動與反思，整合行為與抽象概念，進而達到深度學習，而此精神也是創客(Maker)的主軸精神。
本課程之教材教法設計，依照上述理念，共分為三個步驟，第一是STEM拆解單元式觀念引導(抽象概念引導)、第二是STEM整合式探究實作(經驗計畫、經驗行動、反思再觀察)、第三則是STEM觀念重組與統整(反思再觀察)。以下就上述步驟，進行說明：
(一) 第一階段(抽象概念引導)：STEM拆解單元式觀念引導
STEM的統整式課程，是一種全面化的學習，然而要進入知識統整之前，必須協助學生構建模組化的基礎知識。換句話說，STEM統整式課程就好比是一台腳踏車，要讓這台腳踏車能運作，輪胎、把手、椅墊等基礎部件都需先準備齊全，所以我們也必須協助學生準備知識的基礎部件；而以STEM概念而言，其基礎部件就是科學(Science, S)、科技(Technology, T)、工程(Engineering, E)與數學(Mathematics, M)四大基礎概念。所以，在課程設計的第一階段，我們先分別以齒輪模型與單擺模型，進行STEM拆解單元式觀念引導)。
舉例而言，在課程的前半段，講師會給學生每人一盒齒輪組，並利用問題去引導學生探究，協助學生透過實際操作找到答案(表2)。
表2. 本課程教材教法說明表
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(二) 第二階段(經驗計畫、經驗行動、反思再觀察)：STEM整合式探究實作
學生們透過課程第一階段學習，掌握了各項基礎知識後，我們將引導學生組裝古機械鐘。
1. 實驗材料：機械鐘構造主要由木片雷切而成，分成擺桿、擒縱裝置、動力齒輪、輪軸、擺錘、棉繩、側面支架及上下支架等部分組成，透過逐步引導後，由學生自行組裝完成(如圖2所示)。
2. 探究與實作：學生在進行古機械鐘組裝時，必須逐步思考與探討每個部件的功用，並將布建安裝在正確的位置，每個部件正確安裝後，機械鐘才能透過齒輪、輪軸、單擺、擒縱裝置與重力裝置的相互作用，開始轉動。如果組裝後無法轉動，學生則必須重新思考，並重新組裝。
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圖2. 左—古機械鐘完成圖；右—學生組裝實作照片
(三) 第三階段(反思再觀察)：STEM觀念重組與統整
由講師引導學生進行深度討論，透過下列問題，重組與統整學生STEM整合式觀念，引導提問之內涵表3。
表3. 引導提問之內涵
結論
隨著知識與科技爆炸，生活中存在的資訊量瞬息萬變，生活中所面臨的問題也需要更多跨領域的創意思維，才足以解決。為了因應世界快速變遷，教育方式也必須改變。STEM的教學理念，就是為了協助學習者具備跨領域與應用性的問題解決能力，以協助人們面臨未來的世界。本課程的設計，就是從STEM概念出發，整合經驗式學習環(The Experiential Learning Cycle)，透過跨校、跨領域、跨單位整合，由國立高雄師大、南臺科技大學與喜鵲與山文創整合公司共同合作，創建出來的古機械教具與教材教法。
在整體課程實施下，透過學生的問題回答與組裝過程的思考觀察，可以發現，藉由逐步的引導教學，以及透過探究實作步驟組裝古機械鐘的方式，確實可以引發學生的學習興趣(圖3)，也可以協助統整學生STEM整合式概念。
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圖3. 本課程研發之教具與教材教法，可引發學生的學習動機與興趣
最後，本課程與教具十分簡便好攜帶，也可以隨時拆解與重新組裝，對於教學與學習具有十足的便利性，確實是「可以帶著走的STEM」。本文主要著重於教具與教材教法之開發，建議後續專業研究人員可針對本教具或教材教法進行更深入的探討，以釐清學生的學習成效。
誌謝
南臺科技大學機械系-林聰益教授、黃晟豪助理教授
喜鵲與山文創整合有限公司-周明毅營運長、葉凡愉執行長
本科普活動開發與執行，感謝科技部「科普活動計畫案(MOST 107-2515-S-017 -003 -)」支持
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