暮然「迴」首，STEAM就在你我身邊
文/陳毓凱、黃琴扉
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 Puente, S. M. G., Eijck, M. V., & Jochems, W. M. G. (2014). Exploring the effects of design- based learning characteristics on teachers and students. International Journal of Engineering Education, 30(4), 916-928.
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Patton, R. M. & Knochel, A. D. (2017). Meaningful makers: Stuff, sharing, and connection in STEAM curriculum. Art Education, 70(1), 36-43.
Rolling, J. H. (2016). Reinventing the STEAM engine for Art + Design education. Art Education, 69(4), 4-7.
Razzouk, R. & Shute, V. (2012). What is design thinking and why is it important? Review of Educational Research, 82(3), 330-348.
陳毓凱
中國科技大學通識教育中心兼任講師
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
串出不一樣的思維能力-以STEAM概念發展女力空間思維
文/呂玉環、顏慈瑤、黃奕誠、蘇萬生
圖/顏慈瑤、黃奕誠
原子世界中有著極其多變的立體結構，這些三維空間如同日本名古屋科學館圓狀建築體、社區住宅和便利商店，是發展的基礎建設。但我們從未能真正地看出實體的樣貌，只能透過空間思維的想像來進行分析整合。很多學生初次接觸立體幾何時，不免有些害怕畏懼，然而有研究指出，讓學生多玩積木、玩樂高等等，能不知不覺鍛鍊立體空間感知能力。而本文要介紹的是使用串珠的STEAM課程，材料簡單，能夠讓學生最有效地探索立體結構及空間思維能力。
培育女力空間思維的重要性
空間思維是指識別物體的形狀、位置和空間關係時，我們能理解和記住物體的相對位置，然後通過想像與視覺化，來形成新的視覺關係的能力。簡單地說就是在「腦海」中想像出形狀(每日頭條教育版，2018)。空間感是每個人在生活中所應用的感知能力，在國小的自然或數學等基礎學科內也納入學習指標。教育部早在1993年的課程標準，將圖形與空間列入國小數學科領域目標。「圖形與空間」亦是九年一貫課程中，數學學習領域的五大主題內容之ㄧ(歐瑞蘭，2010)。空間思維能力在生活中無處不在，小到各種日常生活，例如當我們在打包行李時，腦海裡也已經想好什麼東西該放在箱子裡的什麼位置最合適最節省空間；而大則可到達各個領域，例如良好的空間思維能力讓建築師在設計階段就能想像出建築完成後的全貌，讓化學家想像分子的三維結構，讓外科醫生定位人體器官。但對許多人來說可能是場惡夢，例如空間思維能力不佳的人，在日常生活中就會常常出現明明有地圖卻找不到路的狀況，而容易迷路，這一類的人就被稱為「路痴」。
對孩童來說，空間思維還有個更顯著的體現，就是在數學上的表現。美國國家兒童健康研究所曾針對低齡孩子（幼兒園和小學階段）做過一項研究，結果表明改善空間思維可以迅速提高孩子的數學技能。另外，空間思維能力好的孩童也更擅長於數學建模的運用，所謂的建模就是要求孩子能運用空間思維把抽象的數字邏輯和形象的表示圖形對應起來。
由簡單的智力測驗上我們也可以察覺到，男生在數理能力和空間能力的平均表現上的確比同年齡層的女生要好(洪蘭譯，2000)。與一般社會大眾或實證研究，女性在語言記憶、社會認知能力的表現較佳，男性運動與空間思考能力較強之結論相同(歐瑞蘭，2010)。或許源自於男女左右腦構造先天不同，更顯示後天教育的重要性，尤其是透過教育提升女性在空間思維的能力，特別是國小階段的女性學童。在科教館所出版的《科學研習月刊》59-01期的〈女孩們一起動手探索科學趣〉(顏慈瑤、陳虹樺、蘇萬生、陳雪玉，2020)中也有提及，透過STEAM的課程有望改善目前科學和科技業男女比例不均的現象，因此我們將本次串珠的STEAM課程放入科教館的女性科學家培育計畫中，希望藉此能夠在早期培養學生們對數學和化學分子結構的興趣，讓她們在往後的學習歷程能夠對相關的知識更有學習動機，藉此降低科學和科技業男女比例懸殊的現象。
以STEAM概念設計串珠課程的特殊性
許多教育工作者們在培養學生空間思維能力時，往往會將重點只放在解題訓練及紙筆評量上，缺少了讓學生實際運用空間思維能力解決問題的情境，導致並非每位學生都能跟上教師的課程內容。然而，Dewey (1938)指出整個教育過程應視為解決真實問題的學習歷程。相較傳統以知識灌輸為主的教育方式，STEAM教育更加重視學習興趣與學生問題解決的能力，它反對「知識講授-知識理解-知識記憶-知識測考」的傳統路徑，強調學生參與到整個學習價值鏈中：邊觀察邊學習、邊學習邊操作、邊操作邊體驗、邊體驗邊探究、邊探究邊創設、邊創設邊提高，利用輔助遊戲教學培養孩子的興趣，全面系統地提升孩子學習力(新加坡教育聯盟，2020)。因此，以STEAM概念進行教學設計，是刻不容緩的課題，也是世界各國提升競爭力之教育改革方向。又，STEAM課程的特性包括與現實世界的聯繫、注重學習的過程、強調實作、整合藝術人文的學習、培養問題解決的設計思考能力(張玉山，2018)，也是本課程以STEAM概念進行串珠課程的特色。
STEAM(Science, Technology, Engineering, Arts and Mathematics)即是指科學、科技、工程、藝術與數學五個學科英文字母的縮寫。Yakman (2008)提到STEAM奠基於STEM，加入藝術，並將STEAM定義為，以數學為基礎，透過工程與藝術的展示，學習科學與技術內涵的跨學科(interdisciplinary)整合模式。NMC (2015)指出STEAM教育已是全球趨勢，STEAM教育旨在讓學生參與跨學科的學習環境，該環境重視人文和藝術活動，同時打破傳統上存在於不同階級和學科之間的障礙。換言之，STEAM教育之宗旨跟一般教育之最大差別為，STEAM並非單一學科之教育，而是將各個學科整合在一起，連結現實世界中的問題，去思考、研究，並創造出解決問題的方法；與STEM不同之處是對藝術的重視，藝術的融合不僅可以促進學生的認知發展，還可以促進情緒和心理運動的發展，加強他們的批判性思維和解決問題的能力，培養他們的創造力並鼓勵自我表達(Ge、Ifenthaler、Spector, 2015)。STEAM教育概念包含：跨領域、動手做、生活應用、解決問題、五感學習，強調自我探索、自主學習。STEAM教育的整合，能強化學生於21世紀所需具備的創造性、批判思考、問題解決、溝通和合作能力，以適應瞬息萬變、科技日新月異、資訊爆發的全球競爭的經濟時代(Smith, 2015)。
雖然STEAM 代表的學科知識，對小小孩來說很抽象且難以理解，在國外有所謂「Early STEM」的玩具(如圖1)，以遊戲為學習的基礎「能力」打底。例如空間思維能力，孩童的空間敏感期是2-4歲之間，這時孩童會通過自己的肢體，感受了解長、寬、高三維立體空間的過程。而透過可引導孩子認識方位的STEAM玩具，加上成人在遊戲過程以精確語言描述方位，就能為孩子的空間概念打好基底，對未來的數學能力也有幫助(陳珮雯、楊若晨，2017)。
圖1. STEAM玩具結合美學、基礎物理與機率概念的創意積木，能夠幫助孩子們開發邏輯、創造力、想像力及解決問題的能力(圖片來源)
STEAM除了在玩具發展上可幫助低年齡階段的孩童對科學產生興趣，對高年齡階段的學童也可以幫助他們將書本上的知識轉化成實際的問題解決能力。STEM或STEAM教學對問題解決能力的培養在多個學者的研究文獻均有提及。在國外相關研究方面，也證實STEAM推動的成效，例如，佛羅里達大學進行的一項研究表明，從事音樂課的學生在數學方面做得更好。參加音樂欣賞類的女高中生在SAT的數學部分中得分高出42分。四年制音樂和藝術課程的學生成績比僅參加六個月或更短時間的學生高98分。實踐證明，對藝術的正式經驗可以培養創新的思維，適應能力以及其他解決問題的能力，這些能力對於掌握STEM能力至關重要(NMC，2015)。國內也有許多研究結果發現STEM及STEAM的教學設計能夠提升學生之問題解決能力與態度，經過晤談內容顯示學生對此課程抱持正向、肯定的態度，並認為課程設計能增進問題解決能力(蕭佳宜，2011；張雨勝，2016；陳慶宏，2018）。而空間思維能力屬於問題解決能力中的一環，因此我們可以推論，STEAM教學對於空間思維能力的提升也有助益。
此外，Yakman (2016)也提到STEAM教育中，手工藝術即是結合肢體、藝術與數學、科學等學科STEAM的展現。因此，以STEAM 教育為概念的串珠教學，是一種跨學科的結合，結合了數學、物理、化學、工藝、科學等跨領域概念，除了強調手作的實作能力，透過算額問題、分子結構、點線面等概念教學，提升學生空間與邏輯思維能力外，亦伴隨著手眼協調性的發展，而後學生找尋到演算規律，就能從中創發新的串珠結構(如圖2)。在這個過程中，他們對周邊事物的感知也就更多，同時也帶出學生問題解決能力與創造力，即是本課程設計的理念與特色。
圖2.學生從步驟中來提升對空間思維的能力，藉由手作過程學習新的事物
以STEAM概念設計串珠課程培育女力空間思維之實例
在大多數文化中，一般認為串珠技藝都是用來做為裝飾品的。透過一條細線連結多顆珠子形成各種不同的組合關係，其實串珠背後的構形是由各個珠子推積而成的三度空間所構成的。數學家們將多個多邊形構成的三維立體圖形，稱為多面體。其中有五種最特別的多面體，它們的每個面均相同，被命名為「柏拉圖多面體」，它們分別是：正四面體，正六面體，正八面體，正十二面體和正二十面體(如圖3)。
圖3.柏拉圖多面體(取自講師投影片)
然而，從小學到國中，學生在學習培養空間思維能力時，通常最難掌握的，就是幾何圖形在三度空間中的組成。在課本上所畫出的幾何圖形，只是平面圖像，多半缺乏立體感，不易看出其中的組構，與其間的相互關係(陳麗珠，2014)。金必耀、莊宸及左家靜（2008）提出「串珠分子模型的美妙世界」一文，介紹芙類分子結構的串珠實體模型與其建構方法，主張串珠是建構芙類分子的最佳材料。因此本次課程利用串珠實作的STEAM課程來教導學生建構幾何圖形，將串珠由化學教學推展到國小數學教學。而製作材料相當的簡單，由一條細線及12顆有檜木芳香的珠子就可完成，以下是活動中各項內容：
一、由國立臺灣大學化學系金必耀教授團隊中的左家靜博士負責指導，利用檜木的木珠製作多邊體模型。藉由向學生介紹柏拉圖多面體，為了引導他們學習，老師利用各個圖形的辨識教學進行引導(如圖4)。
圖4.講師引導學生了解柏拉圖多面體
二、為體驗各個步驟中空間思維的觀點，由左及右的方向進串連起來後可能會導致產出的立體結構有所不同，帶領學生去思考為何串出形狀有所不同。也經由互相觀摩學生或是由老師指導進行學習了解多面體的構成(如圖5)。
圖5.學生互相觀摩各種串法間的差異
三、除了讓學生更加了解數學立體圖形的各個結構外，也經由學習單回顧課程內容跟複習也在其中增加了串珠常見的手法「過洞」、「加珠」和「交叉成環」，去建構學生對記憶力的訓練及邏輯判斷能力(如圖6)。
圖6.講師教導學生串珠的技巧
四、最終學生在「做中學」的過程中「玩」的不亦樂乎、愛不釋手，也透過各項技巧的培養後可以將有檜木香的串珠作品帶回家(如圖7)。
圖7.學生經由老師指導後產出多邊體模型
以STEAM概念設計串珠課程推動師資培育之實例
除了讓學生體驗STEAM的課程，科教館也舉辦了教師研習的師培課程「科學遇見藝術─串珠分子模型的異想世界工作坊」，希望可以讓STEAM教學的串珠課程可以在學校教育推廣並多元應用。本課程的講師為臺灣大學化學系團隊的金必耀教授和左家靜博士，課程內容開始金教授介紹了許多學生所製作的分子立體模型的串珠作品，讓大家可以體會到分子美學。接著金教授展示了複雜的沸石結構並將此結構與串珠進行結合如圖8所示，而串珠立體結構也可以與碳結構進行連結，如圖9富勒烯(C60)的結構。
圖8.金教授介紹分子美學及沸石結構
圖9.串珠立體結構製作出的富勒烯(C60)作品
串珠工藝早在中國歷史的早期社會便可以看到，而到現今除了工藝作品也可以延伸到建築結構。除了串珠結構也介紹了江戶時代流行的算額數學題目，在當時的日本神社和寺廟兼有教化的功能，因此核算專家常把題目刻在繪馬(木板)上並掛在神社和寺廟中供外人討論和解題(如圖10)（蘇意雯，2000），其中就講到了當時著名的數學家關孝和的歷史故事。江戶時代的算額問題中提到如何計算圓的面積，而本次工作坊實作的「30 球模型」即在印證算額問題的推論答案是否正確(如圖11)。
圖10.江戶時代盛行的算額問題(圖片來源)
圖11.金教授介紹30球的算額問題
最後開始進行「30 球模型」的串珠實作，在動手操作的過程中便會運用到空間思維能力，認真關注到模型的幾何結構及對稱性，透過規律性的將珠子串成模型，用來當作建立分子結構概念知識的教學類比模型，進而能夠使用自我的心智模式去推展到新的現象，並能透過新的證據在情境中進行反思，最後強化模型的解釋力與預測力，這與邱美虹(2015)針對建模歷程的內容所提出的四大階段與八個步驟相符。除了製作「30 球模型」，講師們也帶來了不同顏色的條狀串珠，透過不同珠串的扭轉結合，四條珠串可變化出許多不同的形狀，例如挑戰製作立方烷、珠金三角、珠立方(如圖12、13)。
圖12.教師們製作完成「30球模型」後開始利用珠串來挑戰立方烷的結構
圖13.老師們將製作好的「30 球模型」與講師金必耀(左3)及左家靜(左4)合照
參與學生及老師的回饋與反思
由老師帶領學生了解立體結構的初步認識，學生都很踴躍的回答老師的問題，雖然上課期間同學會有誤解的部分，經由老師的講解及串珠的手作內容，再加上投影片中各個步驟的解析同學在同時實作也了解，雖然課程的時間有限，參加的學生欲罷不能，表示希望有更長的時間可以把串珠的作品獨立完成，並感謝科教館用心的活動設計，也感謝每位老師仔細地指導，且在下課後還有很多學生在教室中詢問老師與串珠相關的知識，由此可見已成功引起學生的學習動機。
以STEAM教育為設計導向的串珠教學，藉由12顆檜木珠子，串成一個立方八面體。可以讓學生們認識幾何基本元素：點、線、面、體；認識正多面體以及學習串珠模型技巧，是結合數學、手工藝術與科學概念的跨學科教學。其中加珠、交叉成環後，過洞需要應用學生的專注力去聽指令，不然就得跟老師求救。當數學遇見了科學，再加上女孩們精細的手藝，原本嚴肅又難懂的理論變成了繽紛多樣的數學串珠，誰能想到只要12顆珠子，就能拿來探討數學裡從平面多邊形到立方多面體的點線面，且就是日常生活中各種串珠成品(如：串珠貓熊、財神爺等)的原理，相信透過STEAM概念的串珠教學設計，在未來的國中學習生涯中也可以利用相同的空間概念去學習化學的分子結構。
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呂玉環
國立臺灣師範大學教育學系博士候選人
國立臺灣科學教育館人事室主任
顏慈瑤
國立臺灣師範大學科學教育所碩士生
黃奕誠
國立臺灣師範大學科學教育所碩士生
蘇萬生
國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯
讓思考可見－探究式教學遊戲化策略
文/陳佩雯、呂玉環、程詩婷、顏慈瑤、蘇萬生
圖/陳佩雯、程詩婷
要讓學生的思考可見，教學設計需從探究開始
科學素養即是「探究與實作」
科學的靈感，絕不是坐等可以等來的。如果說，科學上的發現有什麼偶然的機遇的話，那麼這種「偶然的機遇」只能給那些學有素養的人，給那些善於獨立思考的人，給那些具有鍥而不捨的精神的人，而不會給懶漢。(華羅庚，無日期；引自陳仁政，2004)
世界著名數學家華羅庚所提到的科學素養與能力，即是臺灣現在積極推動十二年國民基本教育課程綱要（又稱108課綱）「核心素養」的概念，「核心素養」指的就是人們在適應現在生活與面對未來挑戰時，應具備的知識、能力和態度(教育部，2014)，呼應總綱素養導向課程理念設計，自然科學領域提出四項核心課程設計與實踐之關鍵概念，分別為「探究與實作」、「主題軸連貫」、「跨學科統整」以及「撰寫報告之評量」(黃茂在，2017)。其中，「探究與實作」是自然科學領域必修課程，且在自然科學的教學中，科學探究本來就首重啟發、引導學生經由發掘問題、邏輯推理探究、閱讀理解資訊、進一步動手操作驗證等推導過程取得科學知識的核心概念及對知識內容的理解與應用能力，而這個過程正是養成系統思考的途徑，也是培養公民科學素養的關鍵途徑。
根據英國知識產權局（Intellectual Property Office, IPO）的研究，女性發明家在全球專利申請中所占比例不足13%，男女比例達到7：1。目前在英國STEM行業中，只有約四分之一的勞動人口是女性，在中學和大學修讀科學科技相關學科的女生比例也比較小。並且，根據英國知識產權局，女性發明家的比例在過去20年上升一倍，由1998年的6.8%升至2017年的12.7%。雖然專利申請的女性比例在上升，但按目前速度，可能要等到2070年才能達至性別均等(BBC，2019)。而在國內，科學界男女比例懸殊的狀況也十分明顯，而這個問題為什麼會產生呢？根據陳婉琪在2015年撰寫的文章中指出，整理2006年PISA科學就讀意願性別差異的資料如表1所示，表1只列了參與的57個國家中排名前20的國家，由表列我們可以發現位於東亞地區的國家或行政區—臺灣、日本、香港、澳門及韓國--通通都上榜了，這些國家15歲的女生未來有意願就讀科學方面的比例，都遠比同國家的男生們低，而臺灣在「科學就讀意願」的性別差距更是排名世界第一。臺灣奪冠的原因可能與文化和制度本身有密切相關，因此我們希望可以藉由教學方式的改變，也就是實施探究式教學來改善這個狀況。
表1. 科學就讀意願a之性別差異
註: a.問卷問題：「中學畢業後，我想要就讀與科學相關的科系」(I WOULD LIKE TO STUDY SCIENCE AFTER SECONDARY SCHOOL)（1=同意；0=不同意）
b.勝算比(ODDS RATIO) = 男生有意願就讀之勝算÷女生有意願就讀之勝算 ＝[男生比率÷（1－男生比率）] ÷ [女生比率÷（1－女生比率）]
c.百分點差異 ＝ 男生有意願就讀之百分點 － 女生有意願就讀之百分點
d.百分比比率（即「相對風險」[RELATIVE RISK]） ＝ 男生有意願就讀之百分比 ÷ 女生有意願就讀之百分比
資料來源：陳婉琪，2015。
「探究與實作」的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分。「探究學習內容」著重於科學探究歷程，例如，發現問題與提出假設、解釋與建模、論證與表達等思考智能。「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，如觀察、測量、調查、資料蒐集與分析等(黃茂在，2017)。但目前臺灣多數教師的養成過程或經驗並未賦予這樣「探究與實作」的教學能力(陳華傑，2016)，尤其在臺灣升學主義風氣之下，學生學習經驗是急於求得答案，在習慣於「餵養」知識的狀況下，自然科教學常常是「食譜式」實驗教學或「套裝商品」的組裝教學，長期缺乏給予學生進行「探究」生活環境的機會與時間，且對於學生「科學探究」的過程、思考歷程等智能抽象運思過程都缺乏明確可實施教學策略。因此，在教學過中，教師如何增強學生探索的能力、抽象智能的成長，以及讓學生的探索與思考的歷程可見，以逐步改善教師教學與學生學習歷程，進而增加學生「探究與實作」的能力與機會；也透過此類的教學設計，讓女生也可以在科學課堂中透過實際參與類似科學家做實驗的過程，藉此培養其學習動機，並進一步提升其未來從事科學相關工作的機率，上述是教師在教學上重要的課題，也是本文欲探究的議題。
探究式教學的意義與重要性
科學教師不使用探究式教學法的10個最常見理由，是：需花費太多時間與精力、教學進度太慢、學生對探究教材閱讀困難、實施風險太高、能力分班使同班學生同質性高、學生不夠成熟、非探究式教學已成習慣、受限於具順序性的教科書、師生覺得不舒適、設備及器材價錢太高(Lawson, 1995)。然而，回顧臺灣中小學科學教育課程改革，從1970年代「知識本位」演替至十二年國教「素養導向」的課程理念。科學素養導向的課程實踐，意指建立一種「探究學習文化」的教育工程(黃茂在，2017)。探究式教學(inquiry-based science education, IBSE)指在教學過程中，讓學生透過假設、實驗、辯證、建模、嘗試錯誤等過程，學習科學的知識及概念，透過這樣的歷程，能培養學生系統性思考、創意思考、設計思考、理性思辨、問題解決、溝通表達等等多元能力(黃振祐，2018)，探究式教學正能帶出12年國教課綱以素養為導向的能力。
有關探究式教學法，以5E學習環探究教學 (5E learning cycle) (Trowbridge & Bybee, 1990)最為人熟知(如圖1)，5E是由3E學習環擴充而來，其五個階段為「參與」(Engagement)、「探索」(Exploration)、「解釋」(Explanation)、「精緻延伸」(Elaboration)、「評鑑」(Evaluation)。其中，「參與」即創造觀念衝突或類似真實的生活情境以引發學生動機；「探索」即提供生活中相關實例、情境讓學生思考，進而促進學生了解，使抽象的概念轉化成具體的認知；「解釋」即老師介紹模式、法則及理論，學生使用觀察及資料來解釋並摘要結果；「精緻延伸」即設計額外問題給學生，讓學生應用新知識解決問題或產生合理的推論，是另一種形式的探究活動或探索階段的延伸；「評鑑」即決定學生的概念是否正確、能否擴展至其他情境，包含形成性及總結性評鑑(紀雅芳、溫媺純，2008)。簡言之，在《探究與國家科學教育標準》指出，探究式教學有五個共同階段，依序為使學生接觸問題、事件或現象，藉機製造衝突事件；經由形成假說與測試假說的過程，以探討所提出的解釋之合理性；分析及詮釋實驗數據，綜合各部分的想法，建立模型；應用所學到新的情境；回顧與評估學到什麼及如何習得(引自洪振方，2003)。而在教學上，如何透過遊戲來達成5E學習，即是本活動想發展的目標。
圖1. 5E學習環
資料來源：MOONEY, 2020
探究式教學之遊戲化策略
探究式教學之遊戲化策略，主要強調如何去形塑與看到學生的思考歷程，以及激發學生學習動機、擴展學生思考界線等，以下分述之：
一、激發學生參與興趣之敏覺遊戲
敏覺課程是透過觸覺及想像力讓學生將觸摸物體與自身經驗進行腦內運思連結，建構掌握在手中卻未知的實體其概念為何，同時讓孩子將思想向外推展，讓他對生活裡的蔬果進行連結，藉此讓思考及表達、經驗與理性一同呈現。觸覺屬於生理上直接感受的感官能力，它也是人在建構知識時期能運用的經驗與理性的基礎活動。因此，以觸覺為課程設計，最能引發學生高度參與。
以「市場裡的蔬果」教學為例，老師請一名學生進行黑箱蔬果觸覺體驗，旁觀的同學，他們需要統整受測同學所給予的資訊，透過小組討論的過程紀錄，進一步相互合作歸納、推理出黑箱裡的食材有那些。最後邀請各組學生輪流上台發表，將同學描述與傳達猜測的結果向所有人分享。各組的結論當然都會有所差異，因此教師在最後學習活動收尾時，透過帶領學生思考與釐清判斷錯誤的原因，並分享判斷成功的因素有那些，讓學生第一手親手感受理解邏輯推理演繹的過程。課程中，教師可帶入一些生活中不常見到的根莖類植物，例如越南茄、澳洲黑馬鈴薯等等，拓展孩子們的思考界線。如越南茄的出現除了服膺原本的敏覺訓練，更可以跟孩子們延伸討論一些社會文化的議題，例如：外來文化、移工、社會變遷，也可進一步討論與科學有關的議題，例如基改食品對人們的影響等等；而澳洲黑馬鈴薯，則可以跟孩子們討論外來食物的引入以及臺灣種薯是否自給自足等問題。除此之外，還可以放入一個經過修飾的圓形白蘿蔔，由此再衍生出對生物本質的哲學討論：一個物品被外力改變後，它的本質是否跟著改變？另外配合氣候變遷，還能加入溫度或氣候改變，是否也會造成動物的習性或外觀的改變等議題討論，以透過環境相關議題的學習，了解全球自然環境的現況與特性及其背後之文化差異。
圖2. 箱子裡的蔬果，也能拓展孩子們的思考界線
二、微辯教學之卡牌遊戲
微辯教學重點在知「微」後進行「辯證」，即透過資料蒐集進行小組間的合作學習，在同儕討論過程中利用歸納分析進行對某一個觀點的觀念釐清，並透過有效提問來進行結論驗證。這個方法很適合透過卡牌遊戲來傳達，在明確的遊戲規則下，讓學生自己練習製作卡牌，透過製作卡牌的過程練習查找、搜集資料，並進行大量資料的統整與融會，此過程可以培養學生思考以及進一步分析歸納的能力，順便提升視覺藝術能力，最後在玩牌的過程中輕鬆享受樂趣，也輕鬆完成要歸納論證、記憶要學習的主題。
圖3. 微辯教學有助於學習者釐清觀念、學會有效提問並進行結論驗證
以運用卡牌遊戲之「心臟病」課程為例： (1)選定單元主題(例如：植物葉片外型)。 (2)教師準備牌卡48張，其中16張卡牌較小，為一般撲克牌的一半，另外32張則為撲克牌大小。 (3)選定8個要學習的主題名詞，及其相對應的知識內容，將牌卡分兩類：(a)主題名詞卡 (例如：蒲葵)和(b)知識點內容卡，文字數不能多(例如：蒲葵又稱扇葉葵，葉片呈中裂，看起來像人的手掌，葉片可作為蒲扇或掃把)。(4)每個主題名詞卡作2份，寫在小卡牌上，成為16張主題名詞卡，每個其相對應的知識點內容卡作4份，寫在大卡牌上，成為32張知識點內容卡。(5)學生分組，以5個人為佳，1人擔任發牌卡荷官。此時學生每人手上有不同的知識點內容卡8張，主題名詞卡由荷官拿一份發，另外一份平攤放在桌面上。(6)遊戲開始前，學生必須熟悉每張主題名詞卡與對應的知識點內容卡。(7)由荷官發牌，當荷官依序口中唸出8張主題名詞卡的內容，同時手上也發出的主題名詞卡，當荷官喊出的主題名詞與荷官翻出的主題名詞卡相同時，小組成員競爭誰最先將相對應的知識內容讀完並取出放置在對應的主題名詞卡下桌面，其餘的學生依次讀完放置牌卡，最先的同學可以拍打疊手的同學手背，同學可以即時躲開，第一回結束。(8)可以玩到荷官手上的牌卡全部發完為止。
圖4. 大哉問卡牌遊戲可讓學生在活動中記住相關知識節點
圖5. 運用卡牌設計自然領域心臟病課程
遊戲化課程設計成功的核心是要明確找到對應的知識點。例如植物葉片背後的知識體系，如葉形、生活應用等。其次是找到知識點之後，確認寫在卡片上的知識內容是否符合學習目標，讓學生在玩牌的過程中輕鬆的釐清、記憶要學習的主題內容。接下來，核心概念建立了，再透過跨科概念與社會性科學議題，讓學生經由探究、專題製作、相互詰問辯證等多元途徑獲得深度的學習，至於如何進一步培養科學素養則是考驗老師更深層的引導功力了。
三、觀察科學特徵連結遊戲
在科學教育中，培養學生「像科學家一樣的思考、發現並解決問題」是科學教育的目標之一。對於科學與科學家特徵的認識，應有助於科學的學習（Lederman & Niess, 1997），因此，仔細查驗科學史料的真偽進行識讀，也是可延伸的辯證活動。以觀察科學特徵連結遊戲為例，教師透過三步驟進行遊戲教學:(1)選定教材相關人物(例如：伽利略的實驗室或是牛頓的實驗室)。(2)假設今天要去這位人物的實驗室參觀。(3)請同學提出這位人物的實驗室中應該可以看見的十樣擺設物品。例如書，必須說明是那一類的書，學生可以判斷科學家的專業範圍或人物特色來決定內容。學生依據他對科學家的認知或科學家的故事提出物品，老師可以引導學生判斷物品象徵的意義，增加學生對科學家與其研究之認識。
圖6. 對於科學與科學家特徵的認識，應有助於科學的學習
四、假媒體真識讀
當孩子打開電視或網頁，在瀏覽過程中吸睛的標題通常都是什麼？無非政治、演藝以及社會案件，而這些通常都是被特意選材成為頭條新聞的，因為其背後包含了許多立場。孩子的識讀世界被成人的議題給填塞，他們親耳所見所聞，都是已被解釋過與包裝過的世界。媒體作者有自己的立場，各家電視台也有自己想表述的宗旨，往往一個新聞背後的歷史軌跡與利益糾扯，是我們想像不到的。為了讓孩子能開始去尋找媒體報導背後的脈絡，課堂中可以引入「假媒體真識讀」的活動。
進行方式：藉由發行報紙的方式進行資料的整理與學習
（一）學習單元名稱—二次世界大戰
（二）學生分組，每組以四人為限，每組分別扮演一個國家
（三）二戰主要參戰的國家(英國、美國、德國、義大利、日本、 中國、波蘭、 俄國)
（四）各組在老師上課後，藉由已知的先備知識，開始進行設計一份報紙
（五）報紙內容必須包含: 新聞時間、聳動標題、新聞內容、人物演說、街頭訪 問、照片立場說明等等
（六）例如：
1.1939年12月德國偷襲波蘭西奈半島-二戰爆發，波蘭街頭百姓笑容依舊燦爛
2.演說稿並加上一張代表性的照片並註明拍攝記者
（七）學生相互詰問立場，例如：「為什麼發生戰爭後波蘭街頭的百姓笑容依舊燦爛？」藉由同儕提問，讓孩子去思考他所下標題的背後所代表的意涵，並想想自己是否有站不住的立場，是否要再改變立場。
圖7. 換位思考，如果你是德國的戰地記者，你會怎麼描述戰爭？
圖8. 這是真新聞還是假新聞?說說你的看法 結論與建議
十二年國教的自然科學核心素養內涵，包含了「探究能力」、「科學的態度與本質」以及「核心概念」三個部分。本文探究式教學遊戲化策略，除了既有的科學知識外，要能夠提供學生探究的機會，養成探究能力，並協助學生了解科學知識產生的方式，以及養成應用科學思考與探究習慣，其實這個探究習慣更重要的是落實在生活層面。
我們在生活中，常總會把發生的事件當作是歷史，而未去探究其中發生了什麼事，在這習以為常的過程中，漸漸我們失去了好奇心與探究力。然而歷史發展有脈絡可循，科學史更是講求脈絡合理的邏輯性，以燃素說的發展而言，拉瓦節(拉Antoine Lavoisier, 1743-1794)點醒了燃素說其中的不合理，為何木材燃燒後會變輕是因為燃素離開，依此為什麼金屬燃燒後重量反而變重了呢？為何燃素說不能完整解釋氧化歷程？科學史的發展在與宗教、政治等人文環境互動下總是充滿了矛盾，而後才在科學家不斷思考突破後，才又真相大白。這些科學的發展，都是思考、探究、辯證的歷程。所以真實是甚麼？在經驗之外，我們的理性能力運作是否受到經驗的干擾以致判斷錯誤？ 現在生活上充斥的各式媒體資訊，那些訊息是真實的？要注意那些問題？形成結論最重要的關鍵何在。客觀事實與結論的因果關係並不是必然的，那些才是影響結果的客觀事實，在自然或社會領域中這些都是知識形成過程中很重要的系統邏輯思考訓練。
圖9. 透過課程模式的轉變可以鼓勵更多女性參與科學
資訊傳播如此迅速下，如果我們仍固守傳統的教學程序，強調學科知識的灌輸接受，資訊事實的重複記誦，與固定答案的思考方式，勢必會忽略了學生創造力的提升與學習興趣的促進，學生的想像力受到阻礙，將使下一代無應變新問題的能力。唯有培養出樂於思考、架構系統觀的孩子，才能符合時代的需求，並且希望其能進一步解決臺灣科學界男女比例不均的現象。
圖10. 參與研習工作坊老師們與講師黃淑靖合影
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陳佩雯
臺北市文昌國民小學教師兼學務主任
呂玉環
國立臺灣師範大學教育學系博士候選人
國立臺灣科學教育館人事室主任
程詩婷
樂觀書院兒童哲學教師及兒童文化研究社社長
顏慈瑤
國立臺灣師範大學科學教育所碩士生
蘇萬生
國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯
炫光手持木鋼琴STEAM創意課程
文/儲述傑、丁于真、黃琴扉
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。
致謝
1.本STEAM科普活動開發與執行，感謝智觀文創股份有限公司魏米凰董事長、施文宗總經理、林家弘經理的大力支持與協助。
2.本科普活動感謝高雄市立民族國中黃柏蒼校長與全體師生的支持與協助，使教具能透過師生的試教與回饋進行更完整的修正。
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儲述傑
智觀文創股份有限公司工程師
丁于真
國立高雄師範大學 科學教育暨環境教育研究所 碩士生
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
動感自然課—體感式學習融入自然科教學
文/柯孟昌
自然課進行中，小朋友怎麼突然離開座位開始跑跳或是進行各種肢體運動呢?為了改善小學生課堂久坐導致專注力下降，影響學習效率的問題。教育部近年推動TAKE 10計畫，參考國外安排課堂間適宜身體活動，以改善學生坐式行為與專注力下降現況1。期望在課間進行10分鐘的肢體伸展運動，促進學生的專注力與學習興趣。然而，高年級的自然課程通常進度緊湊，課間安排純粹的肢體運動可能延誤教學進度。因此，我們嘗試導入體感式學習的理念，自五年級的課程中挑選出學生普遍認為抽象不易理解，或是值得再延伸探討的三個單元課程，設計合宜的肢體活動與科學遊戲，期望提升學生學習成效。
觀測太陽--太陽的位置與運行軌跡
本單元牽涉方位、仰角等數學幾何概念，且必須以量測陰影變化的間接方法觀測太陽位置，學生學習負荷較大，易因學習挫折而專注力降低。因此，我們在每堂課皆安排10分鐘左右的體感活動，藉由肢體伸展紓緩學習壓力，並提供學生具象體感學習。教學實施流程如圖1。
圖1. 教學實施流程
在課本實驗中常利用手電筒與立竿模擬操作竿影與太陽位置的相對關係，或利用半天球模型描述四季太陽運行軌跡變化。由於缺乏親臨感，許多學生對於太陽方位與軌跡的描述仍是一知半解。當學生學習中顯示出困惑與倦怠時，利用下課前的5-10分鐘，我們試著實際帶領學生到晴朗空曠地點，在陽光下進行手臂伸展與身體轉向的伸展與平衡運動，同時觀察身體影子所在方位 (如圖2 )。在伸展與繞圈中，學生同時觀察身影位置，藉此了解影子所在的位置與光源位置有關，並不會因為身體的轉向而改變。
第二節開始，除了前述活動外，再加上圖3中學生以雙臂打直成直線，身體左右擺盪伸展的動作。並請學生執行低姿手臂伸展動作，左手臂打直瞄準影子最前端，觀察右手臂的抬起的角度變化。
由於每次上自然課的時間不同，太陽位置與影長也會改變，經過幾次活動後，請學生分享每次伸展活動的姿勢有什麼變化。學生能覺察當影子越短時，為了讓左手臂瞄準影子最前端，右手臂會舉得越高，進而能延伸討論不同時間影長與太陽高度角的變化情形，以及太陽觀測器的製作原理。
講解太陽運行軌跡與四季晝夜變化時，可搭配圖3的動作，讓學生張開雙臂為地平線，右手握拳代表太陽在天空的位置，進行手臂繞旋運動，藉此提供身體伸展機會，並體驗太陽的運行軌跡。一年之中太陽運行軌跡有什麼不同呢?不同組別指定不同的節氣，學生以手臂比擬正午12點太陽在天空中的位置，確定不同節氣正午時太陽最大的高度角。若右手拳頭以相等速度繞經不同高度後移動至左手拳頭比擬的西方地平線 (如圖5)，那個季節要花較長的時間呢?由此延伸探討太陽四季軌跡變化與晝夜長短變化的關聯性。
圖2. 伸展繞圈，觀察身影的方位
圖3. 以雙臂觀察影長與太陽仰角關係
圖4. 手臂繞旋運動模擬太陽運行軌跡
圖5. 指出不同季節正午時太陽位置
動物世界面面觀--動物的回聲定位法
本單元前半段課程中安排相關影片、照片，學生多數表現出濃厚的興趣。因此，體感活動安排於後半段，探討生物回聲定位法的抽象概念中，透過下課前的小遊戲，讓學生體驗影片與照片不易呈現的音波傳遞與接收情形。實施流程如圖6。
圖6. 教學實施流程
動物利用的超音波辨識周遭環境或運用於覓食與避敵的能力小朋友都不陌生。不過如何想像牠們如何分析回音得到空間中的資訊?卻是一個難以用口語解釋的問題。在動物世界面面觀單元有許多類似的現象與專有名詞，學生最後往往選擇直接背誦這些名詞的定義，因而覺得這個單元十分耗費腦力。在小朋友腦力快達到最大負荷時，不如帶他們到戶外玩一場科學遊戲，緩解學習壓力。
學生到達空曠場地後分為下列三組：
1.樹木組：席地而坐，圍成一圈，遊戲中安靜地坐著，但是當蝙蝠太靠近時要發出聲音提醒蝙蝠別撞上了。
2.蝙蝠組：進入圓圈中央，以頭巾矇住眼睛。遊戲開始後，定時發出一聲「嗶」聲，靠著回覆的聲音判斷昆蟲的位置，追逐並用手捕捉。
3.昆蟲組：當蝙蝠組的小朋友發出「嗶」聲，必須同時發出「嗶~嗶~」兩聲回應，讓蝙蝠組能透過聽聲辨位，在圓圈內躲避蝙蝠的捕捉。
如圖7學生活動情形，第一輪遊戲時，蝙蝠與昆蟲組各安排一位同學，蝙蝠在限時的2分鐘內努力捕捉昆蟲。各組學生會發現蝙蝠要捕捉到昆蟲並不容易。第二輪開始，逐步增加圓圈內昆蟲與蝙蝠組的人數 (圖8)，隨著加入更多的小朋友後，蝙蝠成功捕捉到昆蟲的機率增加了。
回到教室後，教師可由各輪遊戲的結果引導學生思考，在生態環境中，各種生物的數量與掠食者捕食的成功機率有什麼關係?當某個地區的生物數量越少，掠食者捕食成功率會有什麼變化?藉此引導生物族群數量與物種多樣性有利於維持食物鏈平衡的概念。
圖7. 一對一模式
圖8. 多組共同進行遊戲
神奇的水溶液--水溶液的導電性
本單元實驗活動多，基於安全考量，並不適合與體感活動並行。因此，於解釋水溶液導電性的抽象概念課堂中，安排20分鐘的體感式科學遊戲。藉由活動建構學生粒子模型概念。實施流程如下圖9。
圖9.教學實施流程
對於大多數小學生的印象中，神奇的水溶液單元，是充滿繽紛色彩與亮光點點的美好回憶的課堂。學生化身色彩魔法師，看著各種水溶液混合後，酸鹼指示劑的顏色變換。可以打破禁忌，大膽地將電線放入水溶液中，觀察水溶液是否具有導電性。老師們也能找到許多利用這些科學原理製作創意活動設計或科學玩具。
然而，由於國小學生尚未建立電解質解離的概念，這些活動雖然有趣，但卻不易對小學生解釋背後複雜的科學原理。學生歡樂的做完實驗之後，總會有學生提問「為什麼連接食鹽水的LED燈比連接食用醋的亮?」這些提問蘊藏了學生的強烈探究動機。
12年國教課綱中，期望引領小學生在自然課程中建立「粒子」的微觀概念，為國中科學學習做準備。我們認為本單元可以相關科普影片引起學生學習動機，再透過圖卡黏貼遊戲讓學生從科學遊戲中讓學生察覺與思考粒子的存在。
由於中學課程才介紹阿瑞尼士酸鹼理論，為了讓小學生建構電解質解能導電的的基本概念，先播放LIS情境科學教材網站，介紹阿瑞尼士酸鹼理論影片（3），學生從輕鬆詼諧的影片劇情中，理解水溶液的電解質與水溶液導電性的關係。
學生建立電離說的基本概念後，開始進行以下的圖卡遊戲：
1.每組學生會拿到糖水、鹽水、食用醋、小蘇打水等四種不同水溶液的圖卡。各圖卡的空格中，有些貼有魔鬼氈，有些貼著紙貼紙，象徵不同水溶液能解離的離子數目各有不同。
2.學生將象徵解離離子的乒乓球黏在圖卡上，黏貼完成後將圖卡張貼在黑板上。組內同學利用抽籤決定自己負責的水溶液圖卡。
3.遊戲開始，各組進行計時競賽。小朋友依序從自己負責的水溶液圖卡上取下乒乓球 (圖10)，跑至教室後方向老師換取一張燈泡圖片 (圖11)，回到黑板上貼回圖卡下方導電性的欄位 (圖12)。
4.遊戲結束後，學生檢視各水溶液圖卡上燈泡數量多寡進行排序，對照先前水溶液導電性實驗，各種水溶液燈泡的亮度強弱 (圖13)。 教師進行總結說明實驗中，燈泡的亮度與水溶液的導電性有關，而水溶液導電性的強弱則取決於各種水溶液的解離度。
圖10. 取下圖卡上的乒乓球
圖11. 換取燈泡圖卡
圖12. 貼上燈泡圖卡
圖13. 依據圖卡上燈泡數量排序
結語
近年許多學者極力推廣在靜態課程活動中，進行與學科結合之身體活動的體感式學習法。依據學習內容搭配合適的動態活動，能顯著提升學生學習專注力2。在自然課程中，學生透過肢體模擬或遊戲式學習活動理解抽象概念，更可避免講述式教學因學生的理解力與想像力不同，造成學習落差。試行結果發現原先以背誦方式學習太陽軌跡變化的學生，透過肢體的模擬操作，對於學習內容的理解度有明顯的提升。而原本在小組內較不積極參與學習活動的學生，因為團隊活動的激勵，能更積極的投入活動。而場地的選擇與課程時間的安排是執行中最大的挑戰，大部分活動適合於開闊場地進行，學生往返活動場地的動線，以及活動與靜態課程的穿插安排需有妥善規劃。建議活動量較大的活動，宜安排於下課前，避免課間執行後，學生短時間內無法回歸靜態學習課程。活動執行後也應針對活動內容進行回顧與總結，避免流於單純的肢體伸展與跑跳運動，讓體感式活動發揮最大學習效益。
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3.YouTube. (May 3 2017). 為了真理，你敢挺身挑戰權威嗎？諾貝爾獎得主鹹魚 翻身！（上）【LIS科學史】（電離說）.
柯孟昌
士林國小教師
自主性學習地圖規劃與研發歷程--以國立臺灣科學教育館常設展為範疇
文、圖/于曉平
緣起
隨著知識經濟、社會快速變遷發展之下，擴展終身學習與多元教育場域，並建立學校內外的學習網絡成為教育一大目標，博物館亦普遍存在著「教育」功能重於其他展示、研究、收藏功能之上（李麗芳，1997）。
然根據張自立和陳文華〈2006）探討教師實際利用國立臺灣科學教育館（簡稱科教館）進行教育活動或相關資源之調查結果發現，多數教師認同教師可以利用科教館資源來發展其課程，但真正利用的次數並不多，因為他們認為自己對這些資源不熟悉且沒有參加過科教館相關的訓練，也認為科教館的資源或活動有時無法與學校課程搭配，因此使用的動機常是配合校外教學或部分主題可配合學校課程時才會前往，並傾向由解說員帶領學生參觀。因此，期待透過共同合作以促進教師能更有能力與意願主動帶學生在科教館內進行學習，有效提升雙方在科學教育的意義。
為提高參觀科教館老師、學生及會員等的科學學習成效，科教館「常設展區自主性學習地圖建置與運用」計畫(以下簡稱本計畫)以建構科學概念圖作為輔助中小學教師們妥善規劃有意義的科教學習活動之參考。其先以「人體的奧秘」、「探索物理世界」與「探索化學世界」三大展示區為範疇建立科學概念圖；進而分析自然領域課程綱要與教科書作為不同學習階段學生科學素養的掌握與銜接，將其與現有常設展品作連結並依不同年級難度分層；而後依概念發展的邏輯順序串連各個展品，連結形成不同路線的學習地圖。最後亦發展相關的學習單與評量試題作為自主學習之檢測。
整體而言，透過將科教館常設展品中之科學概念有系統的統整與分類，既可豐富教師的教學，亦可作為自主學習者的引導，提高其了解科學概念。亦可透過科教館所設計的學習單與評量試題，掌握個人科學概念的學習狀況，參觀歷程將不再只是展品的參觀過與否，而是對於科學展示意涵理解的歷程。此外，建構學習地圖之時，亦可了解那些展品所涵蓋的科學概念可作為延伸學習之參考，若未與教科書或其他展品內容連結，可作為未來調整之參考。根據以上動機，本計畫推動之目標在於：
一、分析現行中小學的自然科學領域知識與展品之科學概念之關聯，強化科教館與學校教學的連結與應用。
二、整理科教館生物、物理、化學常設展中所傳遞之概念知識，藉由概念圖形成系統化之知識脈絡，串連形成學習路線，並設計成學習地圖。
三、發展與常設展內容相關的評量試題與輔助學習之學習單，並整理可作為延伸學習的展品，形成後續學習輔助、成果檢核，甚至日後建置學習平台之參考，強化科教館的教育意義。
四、邀請中小學學生進行體驗並給予回饋，作為修正之參考。
規劃重點
一、設計理念：學習、概念形成與概念圖建立
1960年代認知發展理論興起，Piaget提出學習者會主動建構知識，並發展出一套個人因應環境的基模，進而用以學習與解釋新的刺激與經驗（莊嘉坤，1995）。從認知發展的歷程分析，個人在認知學習的過程中把自己的經驗與所接觸到的知識加以結合、分類與統整，形成一個重要的概念，並在知識不斷擴充與學習中，形成自己的知識系統，這對於科學概念與知識的建構尤為重要。
為使學生建立自己的認知結構，有意義且深度的學習是必要的，深度的學習可引導學生尋求意義、尋找概念之間的關係，並整合新學到的知識，放入自己的知識結構和經驗中。透過深度學習，學生的學習成果能更好地保留並學習到如何應用知識（Booth, Luckett, & Mladenovic, 1999）。其中，美國學者Novak與Gowin（1984）提出概念構圖（concept mapping）的理念，學習者可在概念的學習中進行階層性的分類，並將兩兩概念間的關係以聯結、命名，其中把最重要或最概括的概念放在圖的上方，而次概括的概念則放在下面，概念之間還有並行的階層關係，使得概念圖之間有上下及左右的關係，形成有意義的網狀結構，這樣的結構可在師生討論下幫助學生不斷釐清個人的想法，亦可促進其後設認知思考，在教學與評量上都可有效運用（余民寧，2002）。
對於科學領域的教學而言，概念圖則是一個很重要的教學設計與教學策略。其以命題（propositions）的形式將概念以適當有意義的語詞連起來，形成一個可利於學習的架構，包含組織一個教學活動或是一個單元的教學計畫，不僅包括教學設計內容，同時還包括教學活動的內容，相關教學實驗亦發現對學生高層思考能力與情意態度上有所提升（于曉平、吳育雅、孫譽真，2016）。運用在科教館的科學概念建置中，其3至5樓常設展包含生命科學、物理與化學展示區，展品有許多不同的設計理念及展示目標，相同的主題概念可以延伸出許多不同的活動概念及子活動概念，甚至跨領域的與不同知識領域進行連接，因此同樣主題概念建構出的科學概念圖也不盡相同。以館內常設展3樓「人體的奧妙」展示區為例，可將人體不同系統介紹之各個展品作主題及領域分類，以及學習難度分析，建構出可以進行脈絡性教學及學習的架構。
透過科學概念圖的建構為基礎，發展成學習路線與學習地圖，進而透過學習單與評量試題的檢核，幫助參觀者加深科學概念，提高來科教館的學習體驗。科學概念圖可使館員統整、瞭解概念，也可讓觀眾清楚的知道概念的階層關係與連結，館員在規劃主題導覽及活動設計時，可藉由科學概念圖的交叉連接產生新的橫向思維，這是產生新知識的重要一環，搭配延伸閱讀，可將概念延伸至科教館的系列主題影片、科展優勝作品、科學研習月刊等數位資源，建構屬於自己的科學概念。
就未來長期發展而言，學習者的自學歷程有助於進行個人化的學習成效、跨領域學習及客製化服務之推薦，未來結合會員系統，會員可將個人的學習歷程加以紀錄，並可自訂感興趣的知識內容領域，進行多樣化的學習，系統則可收集到個人所參與的展場活動、數位學習或於服務整合系統上瀏覽之相關行為紀錄，建立更完善的社會教育服務系統。
二、主要執行內容 根據科教館「常設展區自主性學習地圖建置與運用」之整體架構（如圖1），執行重點說明如下（于曉平，2019）：
1.科學知識概念與原理資料
以3F常設展的生命科學之「人體的奧秘」及5F常設展物理之「探索物理世界」、化學之「探索化學世界」三區所有展品的文案加以整理，連結現有的自然領域課程綱要與教科書內容，整理每件展品適合國小低年級、國小中年級、國小高年級與國中那一學習階段的學習內容，或可作為延伸學習之參考。
圖1. 科教館「常設展區自主性學習地圖建置與運用」整體架構
2.概念圖
以三區展品文案所包含的科學知識為基礎，繪製成概念圖，並將其與現行中小學學生科學概念加以連結，建構以科教館常設展品為核心的科學概念圖。
3.推薦學習路線
依生命科學、物理、化學等領域發展出四種(國小低年級、國小中年級、國小高年級與國中)程度的推薦學習路線，路線上會有展品與延伸學習展品之連結，總共包含12條推薦學習路線。每條路線體驗時間以不超過1小時為主，亦可依體驗者之需求，發展出1小時、2小時、3小時或以上相互結合的推薦學習路線。
4.自主性學習地圖
根據四種學習程度(國小低年級、國小中年級、國小高年級與國中)之學習路線繪製出四張自主性學習地圖，其內容包含展品名稱與文字說明，亦提供可延伸學習的展品項目或跨學科的交叉連結路線。
5.科學學習路線學習單
根據本計畫所提供之展品文案所內含的科學概念，設計包含有關生命科學、化學科與物理科等不同領域或跨領域之開放性問題學習單，用以配合學習路線使用，作為學生或是參觀民眾的學習歷程記錄。
6.科學概念評量題
分析常設展區展品內容後，編寫四種不同學習程度者(國小低年級、國小中年級、國小高年級與國中)的評量試題，每展品視其內容狀況分析可作評量之內容，供後續參觀常設展區者自主學習成效檢核之參考。
7.體驗者的回饋資料蒐集
學習路線與學習地圖建置完成後，邀請中小學學生進行體驗並提供回饋，再徵得其同意後，利用問卷等方式蒐集體驗者對於推薦學習路線與學習地圖、科學路線學習單的意見，並依此進行後續的修正。
8.延伸學習展品
針對未放入推薦學習路線的展品補充說明原由或依據後，挑選可作為延伸學習之展品，並將未來館內相關活動及講座、課程做連結。
9.建置歷程發表或交流分享
將本計畫整個建置項目完成以及蒐集體驗者回饋後，撰寫一篇關於本案的建置歷程，並將此發表於科學研習月刊或科學教育論壇、交流或是分享會。
研發歷程
一、研發流程
1.邀集三大團隊，包含由學者專家與現場資深教師組成之編輯小組15人、內部審查小組6人，召開共12場編輯小組會議與4場審查小組會議（見圖2、3）。
圖2.編輯小組會議
圖3.內部審查小組會議
2.分析自然科學領域課程綱要與教科書作為不同學習階段學生科學素養的掌握與銜接。
3.發展常設展區之科學概念圖。
4.依概念發展的邏輯順序串連各個展品，研擬出適合不同學習階段學生學習的16條學習路線。
5.配合不同之學習路線，發展出以問題導向為主的開放性學習單共16份，用以引導學生進行更高層次的思考。
6.發展各組之各科及跨領域學習單，並交由美術組規劃。
7.撰寫未納入學習路線/地圖之說明表件及延伸學習展品數。
8.設計各科及跨領域之評量題(450題)。
9.辦理體驗活動說明會與進行為期一至兩週的體驗。
10.統計評量題施測結果與分析回饋資料。
11.調整建議修正的學習地圖。
二、研發成果
1.科學領域課程綱要與常設展科學概念知識的相關分析
為了解目前三大常設展區展品所涵蓋的科學知識概念與學校自然或相關領域的關聯，先行分析2008年九年一貫自然與生活科技領域、健康與體育領域，以及12年國民基本教育課程綱要（簡稱108課綱）自然科學與生活領域綱要的內容，以作為後續規劃與區分學生國小低、中、高年級與國中等教育階段（或稱之為第一至第四學習階段）之依據。
其中，以108課綱為例（詳見表1），以生命科學展區所涉及的包含生活領域第一學習階段與自然科學領域第二至四階段的學習內容。相較於2008年九年一貫課程時所設定的能力指標，108課綱學生在第一至第三學習階段所需的學習內容變得較為簡略與單純，教師規劃課程時亦應特別留意。
表1. 三大常設展區科學知識概念與108課綱的關聯(以生命科學為例)
2.科學概念圖的發展
在第一階段與第二階段近三個月的討論與修正，完成物理、化學、生命科學各四個學習階段共12項科學概念圖。其中，愈高學習階段的概念圖愈密集（見圖4）。此外，配合跨領域的設計，亦規劃有物理與生命科學第一、二學習階段「聲音與聽覺」、化學與生命科學第三學習階段「消化系統」、物理與化學第四學習階段「奈米碳家族」、物理化學與生命科學第四學習階段「光的三原色」等4條跨領域的科學概念圖（見圖5），以此作為科學館常設展所包含之科學概念的彙整。
圖4.生命科學第三階段概念圖
圖5.「聲音與聽覺」第一、二階段概念圖
3.自主性學習地圖（包含學習路線與學習單設計）
在近三階段歷時九個月的討論與修正，完成相關之12條學習路線、12份學習單（見圖6）與12份自主性學習地圖（見圖7），搭配跨領域的設計，亦規劃有4條跨領域的學習路線與學習單、學習地圖等供參考。
圖6.物理第四階段的學習單
圖7.生命科學第一階段的學習地圖
4.常設展概念評量題
為提供學習者自我檢核，依據不同難易度、推薦度、學習階段、科目共設計有450題評量題，包含物理220題、生命科學180題、化學150題，國小低年級與中年級的評量題標示有注音(學習單與回饋表亦同)，方便學生閱讀。
5.體驗活動的進行
為使自主性學習地圖的規劃得到更詳盡的回饋建議，共邀集有臺北市、新北市、桃園市與臺中市等12所國中小、高中，以及自學團體共537名學生參與體驗，包含陪同前往的教師與家長共30餘位共同參與（見圖8、9），協助進行學習地圖的體驗並協助填寫學習單、回饋表與評量題等部分，其餘陪同的教師與家長亦協助填寫回饋表以瞭解其想法。體驗學生與師長都提供許多寶貴的意見供研究團隊修正。
圖8.體驗活動家長說明會
圖9.學生在體驗活動過程中參考學習單指引認真學習
結語
為使現行所規劃的自主性學習地圖能廣為使用，因此建議：
一、與科教館的OTT平台結合
可將自主性學習地圖數位化呈現，在互動式數位看板讓民眾進行各區地圖查看。目前科教館的OTT平台是說透過互動式數位看板，讓民眾主動點選選單找尋想要的科教館資訊，另外透過掌握民眾的特徵來自動推播可能感興趣的資訊。民眾亦可以透過互動式數位看板點選學習路線或延伸學習路線，透過QRcode將路線將路線顯示在手機上，依照手機所指示的學習路線規參觀常設展。至於走完路線的民眾於體驗後想要自我檢測學習狀態時，可以在互動式數位看板點選登入會員後點選所體驗的路線，並進行評量題測試，並可立即得到回饋。可藉此鼓勵民眾成為科教館會員。
二、與物聯網(IoT)的結合
物聯網可以做為近代物理等不同概念之延伸學習。IoT物聯網有遊戲機台，關卡分成4關但中間會有幾個命運格，採到需要回答相關的選擇問題，用手機掃QRcode登入參賽，擲骰子決定前進格數，如同大富翁遊戲般，增加看展者的學習興趣。未來亦可舉辦學習路線與物聯網遊戲機台結合的活動，讓參觀民眾在遊戲中學習。在評量方面，可搭配物聯網遊戲機台的主題與命運關卡，因原本關卡即為單選題，與常設展評量題設計一致。因此可將不同難度的評量題置於遊戲機台中，可透過答題的正確與否推薦民眾參觀常設展之學習路線，強化尚未能充分理解的科學知識概念。
至於概念圖的發展，可在常設展展品調整或增刪時進行修正，以作未來常設展區所涵之科學概念參考，亦可與結合科教館未來預計推動的科學教育活動結合，探討相關科學概念知識的學習範疇與相關研究。
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于曉平
國立臺灣師範大學特殊教育系副教授
中華資優教育學會理事長
微型熔融鹽電解模組的設計與應用
文/廖旭茂
簡介
國中小的電解實驗大多是在水溶液的環境中進行，若在無水的環境下，可以進行電解嗎？答案是肯定，距今近兩百多年前，英國的科學家漢弗里．戴維（Humphry Davy）就利用自行設計的電解裝置，提煉出活性大的鉀、鈉、鈣等元素，是發現最多元素的化學家[1]。
與電解水溶液不同，一般的離子化合物需要在高溫環境下才能呈現熔融的液態，實驗時多是以本生燈為熱源，加熱坩鍋中的鹽類至熔融態再利用石墨棒進行電解[2]。本實驗設計透過新開發的微型電解裝置，以固態酒精凍為熱源，加熱Pyrex耐熱玻璃管中無水氯化鋅（熔點約290 ℃）至熔融態，再利用的9V乾電池進行電解。電解結束後，檢驗、鑑定正、負極產物的身分，藉此探討電解槽中陰、陽離子的移動與變化。
器材與藥品
1.功率80W的雷射切割機。
2.工業顯微鏡1台（分組實驗可使用手機顯微鏡或USB顯微鏡）
3.螺絲攻牙器1組（含5.0 mm、6.0 mm的螺絲攻鑽頭）
4.鑽孔機1台（含4.2 mm、5.0 mm、8.0 mm鑽頭）
5.M5不鏽鋼內六角螺絲（長25 mm、10 mm，各兩個）【可購自五金材料行】
6.熔融鹽微型電解器模組1組，包含：可調整角度的支撐鋁架（尺寸=長×寬×高=13×13×150 mm）、壓克力底座、彎折120。Pyrex耐熱玻璃管作為電解槽（外徑Φ＝8.0mm，壁厚1.5mm，長120 mm）、藍光LED燈1個、0.5kΩ的電組1個。
7.紅、黑雙頭鱷魚夾導線各兩條
8.兩種電極包括：鎳鈦合金棒（ϕ=1.5 mm，長10 cm）1根、銅線（ϕ=1.0 mm，長10 cm）1根。
9.固態酒精燈（自製）：包括小型果醬罐、酒精燈棉芯約15公分長、環保黏土隨意貼。
10.95%藥用酒精20 毫升、飽和醋酸鈣（calcium acetate, Ca(CH3COO)2）溶液4毫升、無水氯化鋅（zinc chloride, ZnCl2）固體0.5克、碘化鉀澱粉試液5毫升（0.5 M的KI溶液4毫升與2%澱粉以1毫升混合）、1.0 M的鹽酸（hydrogen chloride, HCl）溶液5毫升，及棉花棒1根。
實驗步驟熔融鹽微型電解器模組的製作
1.發想：在微型、可攜式的原則下進行，製作前的設計思考有三個方向：
(1)容器改善，以折彎的玻璃管代替坩鍋，減少加熱面積，節省能源。
(2)熱源改善，以自製的固態酒精凍取代本生燈，提高安全性。
(3)支撐架改善，以可調角度的傾斜式支架取代實驗室的鐵架、鐵夾，方便將實驗移動至其他空間進行。
2.外觀繪圖：利用PowerPoint簡易繪圖功能繪出草圖，標示底座、可調式支撐柱、耐熱玻璃管固定位置。圖1為熔融鹽電解模組設計外觀圖。
圖1.微型熔融鹽電解裝置外觀圖
3.底板雷切：打開雷切機暖機後，取一塊厚度為5 mm的透壓克力板，進行切割，切出長160mm，寬90mm的長方形壓克力底座。底座上須預先導好M5螺絲孔，供兩片L型角鐵固定用，孔徑預定為4.2mm。以M5的螺絲攻在壓克力底板上攻出螺孔，並以M5內六角螺絲將兩個L型角鐵緊固在底板；若不熟練螺絲攻，亦可直接雷切機導出M5圓孔，直接以M5螺絲穿孔，再於壓克力板背面以螺母緊定亦可。圖2為雷切設計圖及完成圖。
圖2.底板設計(左)和加工完成圖(右)
4.鋁棒加工：鋁棒尺寸為截面12.7 mm×12.7 mm，長15公分，其加工分成三個部分：
(1)於距鋁棒一端10mm處，以電鑽鑽出一個M5的圓孔；取一根長25 mm的M5柱頭螺絲做為轉軸，穿越L型角鐵與圓孔，再取一個蝶型螺母，將鋁棒緊夾持在兩片L型角鐵之間，完成後鋁棒即為可自由調整角度的支架。圖3為加工完成圖。
圖3.可調整角度的支架完成圖
(2)鬆開蝶型螺母，於距鋁棒另一端約15mm處，轉軸孔的90度的垂直面上，以電鑽鑽出一個M8的圓洞，做為耐熱玻璃管的夾持固定孔；隨後再於方形鋁棒的立面上攻出一個M6的螺孔，以一顆M6圓柱頭內六角螺絲的進退來控制耐熱玻璃管的鬆緊。
5.玻璃的加工：玻璃彎管可向實驗材料商直接購買折彎的現成品。本實驗採自製，需取一支外徑8mm，壁厚1.5mm，長約12公分的Pyrex耐熱玻璃管（硼玻璃），置於本生燈火焰的上部1/3處加熱，手指握住玻璃管需要不斷來回旋轉，直到管身軟化。將玻璃管移置火焰上方約10公分，緩慢彎折管身至所需的彎度，待冷卻後備用。可事先在A4紙上畫上草圖置於桌面上，做為彎折時參考。
6.組裝：將鋁棒的一端固定在轉軸上，確定鋁棒傾斜角度後，旋緊蝶型螺母；隨後將彎型玻璃管的一端穿入鋁棒另一端上的M8圓洞，接著旋入圓柱頭內六角螺絲，穩固夾持玻璃管，完成模組組裝。圖4為完成的玻璃管固定機構。
圖4.鋁棒立面上的M6螺孔(左)和電解槽玻璃管的夾持固定機構(右)
7.固態酒精罐的製作：取一個高度約3.5cm的小型果醬罐，為提高火源燃燒時的穩定度，需添加一根輔助穩定燃燒的棉芯。首先在薄馬口鐵蓋上鑽出一個略大於棉芯外徑的圓洞，接著將一條15公分長棉芯置入罐內，棉芯以藥用酒精先行濕潤，並以鑷子夾持棉芯的一端，保持筆直；隨後倒入4毫升的飽和醋酸鈣溶液，接著快速倒入20毫升的藥用酒精，當混合物形成白霧狀時，酒精凍的製備隨即完成。接著將棉芯穿出馬口鐵蓋的圓洞，旋緊螺蓋備用。圖5為完成的酒精罐測試過程。
圖5.固態酒精罐試燃狀況。
教學應用：氯化鋅的電解
1.秤取0.5克的無水氯化鋅固體，倒入耐熱玻璃管中，讓白色固體集中在彎折處，輕敲玻璃管，減少粉末縫隙，然後將玻璃管的一端穿過方形鋁棒一端的圓孔，並旋緊固定。
2.實驗前，請預測正負極發生的變化與產物。正極的產物為________，正極的半反應為________________________________________；負極的產物為________，負極的半反應為________________________________________
3.將耐腐蝕的鎳鈦合金棒[3]與銅棒分別插入玻璃管的兩端，並沒入白色粉末中，做為正、負極；接著將製備完成的固態酒精罐，置於玻璃管彎折處的下方（為避免滑動危險，可先取兩小方塊的環保貼土，黏貼於果醬罐底部與壓克力板上）。隨後取9V電池，以雙頭鱷魚夾導線串連一個LED燈座與1個500歐姆，並連接正、負極。觀察LED燈是否點亮？圖6為熔融鹽電解準備圖
圖6.熔融鹽電解模組組裝圖
4.接著以打火機點燃酒精燈，開始加熱。1分鐘後，觀察白色粉末發生了甚麼變化？此時LED是否點亮？ 圖7為電解的過程變化
圖7.電解過程的變化圖
5.隨後以棉花棒沾取碘化鉀澱粉試液，靠近正極管口，觀察棉花棒是否有變化發生？嘗試根據顏色的變化推測產物的身分，並與預測做比較。圖8為測試結果。
圖8.正極產物的測試
6.持續加熱5~7分鐘，觀察熔融鹽的狀態；關閉火源，趁熔融鹽凝固前取出金屬電極，冷卻後，將電極浸入於盛有蒸餾水的燒杯中，沖洗電極上的鹽類後，再取出放置於衛生紙上陰乾，備用。
7.將負極的銅棒的前端置於工業顯微鏡下（若分組教學可改用手機顯微鏡或USB顯微鏡），觀察電解後銅線的外觀；隨後彎折負極的銅棒的前端置入於自製的微孔盤中，接著於孔中加入2滴的1.0M的HCl(aq)，觀察銅線的變化。嘗試根據螢幕中銅線外觀上的變化，推測產物的身分，並與預測相比較。圖9為顯微鏡下的銅線的變化。
圖9.銅線前端的變化(左)和銅線前端在鹽酸中的變化(右)
原理與概念
熔融鹽的電解，過去僅出現在中小的課本的圖片中，因高溫環境引發的安全顧慮致使師生難有機會去體驗真實又單純的電解反應。筆者2018年至雪梨參加國際化學教育研討會時，參加了英國學者Bob Worley的實驗演示，其中介紹了溴化鉛的電解[4]，當時電解的環境就在玻璃管中進行。今(2020)年初獲周金城教授邀請，要設計一個中小學可以入班的電化學實驗，於是動了實驗改良的念頭，也嘗試完成個人電化學模組最後一塊拼圖的心願。
將中小學實驗室較陌生的溴化鉛，取代成無水氯化鋅；拿掉大鐵架，設計可調式電解支撐架；不使用液態酒精燈，更換成更安全的固態酒精罐；以棉花棒沾碘化鉀澱粉試液，安全地檢測正極產物氯氣的存在；以顯微鏡觀測到銅電極前端銀白鍍鋅層的存在、金黃色的鋅銅合金與紅棕色的銅金屬三者顏色的差別。
無水氯化鋅為無色或白色固體，熔點約290℃，在空氣中極易吸濕，甚至潮解變成4結晶水的水合物ZnCl2．4H2O[5]，所以氯化鋅藥品用過須密封，保存在乾燥的環境，否則結晶水的存在會干擾電解結果。直流電解氯化鋅的反應如下式表示：
陰極（黑線接電池負極，還原反應）：
陽極（紅線接電池正極，氧化反應）：
全反應：
當正極產物氯氣與碘化鉀澱粉試液反應時，氯氣將碘離子氧化成碘分子，澱粉與碘化合成藍黑色的錯合物。當銅電極前端的鋅鍍層遇到鹽酸時產生氣泡，此泡泡推測為氫氣，不過氣體產量極低，需要仔細觀察。
教學建議與注意事項
1.教學建議：教學過程可進行提問，並讓學生上網搜尋資料，進行實驗後的問題討論，以下提供三個簡單提供學生討論：
(1)如果將氯化鋅改成溴化鉛的話，預期電解的實驗結果，與如何檢測產物的方法。
(2)依你判斷製備那一類的金屬，會較適合使用到熔融鹽的電解？
(3)為什麼中國古代歷史上有使用到金、銀、銅、鐵、錫製成錢幣或工具，卻沒有使用鎂、鋁、鈉金屬的記載？
2.注意事項：安全注意事項有五點，如下所述：
(1)鹽類的選取，以低熔點（低於500℃）、不含結晶水為原則（結晶水有可能影響產物），一般都為鋅、鉛、錫的鹵化物。本實驗因考慮藥品的安全性與普遍性等因素，因此選用無水氯化鋅。
(2)一般市售酒精燈，多為玻璃瓶身，體積較大，攜帶不便，安全性堪慮；市面上有高約4~5公分的鋁合金罐身，便攜性高，缺點是不易觀察瓶內剩餘液體量。
(3)自製的固態酒精罐燃燒的溫度經測試約500多度，溫度足以融化氯化鋅，不過建議一定要有棉芯，否則火焰會亂飄，無法穩定提供熱源；實驗完畢後酒精凍會漸漸瓦解成液狀，醋酸鈣非毒化物，依規定回收即可。
(4)明火實驗，有一定的風險，安全考量極為重要，為避免電解壓克力底座滑動，如同固態酒精罐的處理一樣，另取四小塊環保貼土，黏貼於壓克力底部的四個角落，降低酒精罐翻覆，引發火災的風險。
(5)本實驗雖為微型實驗，亦存在一定的高風險，強烈建議本實驗在實驗室中進行，教師必須規定學生穿著實驗衣，配戴護目鏡，維護自身的安全。
參考文獻 1.洪振方、刁彭成，戴維與電化學。台灣化學教育期刊。2017（7），期20。
2.Electrolysis of Molten Salts
3.Daniel Symes, Connie Taylor-Cox, Leighton Holyfield, Bushra Al-Duri, Aman Dhir. Feasibility of an oxygen-getter with nickel electrodes in alkaline electrolysers. Mater Renew Sustain Energy (2014) 3: 27.
4.Microchemuk.
5.Zinc chloride.
廖旭茂
台中市立大甲高中(教育部高中化學學科中心)教師
音樂摩天輪STEAM創意課程
文/李易澄、黃琴扉
前言
108課綱上路一年以來，「素養」依舊是熱門的討論話題，在現今社會中，科學素養是每個人都應該具備的基本能力。為了培養具有科學素養並能面對未來挑戰的公民，教育部《提升國民素養實施方案》將科學素養定為五大素養向度之一，而其內涵著重於強調探究能力、具有科學態度與本質以及核心概念的學習（教育部，2014）。為了引起學生主動探索的動力，科學學習應該從激發學生對科學的好奇心為起點，建立在個人的生活經驗以及知識背景上，進行實際操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力（教育部，2018）。
為了培育學生的科學素養，國內外許多學者均致力於探討不同教學策略對學生的助益，其中許多學者發現採用STEAM (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics)教學策略對於提升學生的科學素養有具體幫助(陳家騏、古建國，2017；Strauss, 2012)。Perignat和Katz-Buonincontro (2019)審視了2007至2018年關於STEAM教育的文章，統整出STEAM教育的要素即包含了實務操作、解決問題能力、跨領域多元學習思維，以及美感融入；上述之元素也再次證明STEAM教育強調科學、技術(或科技)、工程、藝術與數學跨領域融合的教育目標與科學素養的培育不謀而合。本文即是由上述的理念出發，研發跨領域知識融合的實作教具--「音樂摩天輪」，期待學生能透過教具的組裝與學習，整合自身跨領域多元學習思維、提升實務操作能力與問題解決能力，並能從音樂摩天輪的美感設計與音樂中潛移默化的獲得藝術涵養。
探究與實作是各學習階段都應該重視並貫徹的精神與學習的方法，期望學生不僅能由動手操作的過程來發現問題，並能進一步解決問題，真正落實以學生為主體的學習方法，使學習經驗更趨完整。對於多數的人來說，搭乘摩天輪不僅舒適且有身心放鬆的感受，摩天輪上也承載了許多人幸福的記憶。台灣總共有7座摩天輪，其中有3座就設置在高雄，因此本文研究團隊(以下簡稱本團隊)開發的STEAM動手做教具，以音樂摩天輪為主題，從生活經驗出發，學生由組裝說明手冊上2D概念圖轉換為實際組裝的3D立體結構、大量榫卯接合技術以及輪軸和摩擦力間的動力關係等過程，能建構多面向的概念達到多元學習的目標；以下將針對本團隊開發的音樂摩天輪教具以及教學策略進行細部說明。
音樂摩天輪教具與教學策略分析
為了培養學生問題解決能力與實作能力，本團隊開發之音樂摩天輪教具附有組裝說明書，在課程教學期間，將先由講師講解音樂摩天輪中涉及的科學與機械原理，接著再由講師引導學生自行閱讀說明書上的步驟來進行教具的安裝，並引導學生在組裝的過程中認識摩天輪的轉動機構。最後透過問答方式，檢驗學生對音樂摩天輪的科學概念、科技轉換、機械原理、數學運用以及對摩天輪外觀及音樂的觀點。以下，先針對音樂摩天輪的組成及運作原理進行陳述(如表1、2)：
表1.音樂摩天輪各部件的核心原理以及STEAM概念
表2.音樂摩天輪動力組裝步驟
在音樂摩天輪的教學策略上，本團隊配合STEAM的跨域精神，設計相互搭配的課程活動，活動主要架構如表3所示。
表3. STEAM概念與課程核心
本團隊依照表3的課程活動設計大綱進行教學設計，並因應不同年齡層的學童進行知識內容的難易度調整，以下以國小高年級為例，進行本教學設計理念與內涵之說明。
結合STEAM概念與探究實作的音樂摩天輪教學設計
在課程的初始階段，本團隊設計以認知衝突的方式，講述一段摩天輪起源的故事，引發學生對摩天輪的興趣與學習動機。學生對於摩天輪以及旋轉木馬的主要印象都是遊樂園中必備的遊樂設施，其實摩天輪是將旋轉木馬直立而起的概念，而旋轉木馬的起源並不像我們認知的是一個天真爛漫的遊樂設施。旋轉木馬最早是用來作為訓練士兵的裝置，而士兵接受訓練的主要目的是增強其戰爭的敏銳度與戰鬥力；但是，在人們找到生存的平衡點後，世界趨於和平寧靜，人們開始將摩天輪轉換成舒適的觀景設備，進而演變成現在的遊樂設施。
藉由起源故事引起學生學習動機後，教師可分享搭乘摩天輪的經驗以及介紹世界上著名的摩天輪以及台灣的摩天輪。利用從摩天輪車廂內往下拍攝的照片感受當我們從摩天輪車廂內俯視地面時的開闊感，進一步討論摩天輪適合搭建的場域條件以及簡單的地質關係。觀察摩天輪的照片，思考一座摩天輪的組成需要哪些結構，例如：需要哪些運轉機構。
利用音樂發條產生音樂後，討論音樂盒中的聲音如何產生，並利用圖片或實際拆解音樂盒來認識音梳、撞針凸點以及發條旋轉桿與長條鋼片的做動如何產生動力。
在實作的課程中，讓學生自己閱讀組裝說明書，從2D的圖轉為3D物件拼裝來強化學生的空間概念(圖1、2；圖為本團隊於國立科學工藝博物館執行課程之實況照片)。組裝的過程並非想像中簡單，除了需要分辨正確零件外，還需要具備立體空間感以及細膩的邏輯思維。希望學生在組裝時發現可能的困難或是遇到困難可以先重新嘗試、比較同學的作品與自己的差異或者觀察已經安裝完成的音樂摩天輪來檢視問題。藉由音樂摩天輪教具整合學生的基礎知識，進而探討哪些物品或是現象也應用到相關的技術。實作課程其中一個目的在於觸發學生探究思考的過程，是否能發現問題、提出問題可能的原因，解決問題後進一步應用到其他領域。
圖1.圖2.音樂摩天輪課程由實際授課來統整學生各學科概念(圖為學生組裝教具實況)
課程實施經驗與結論
進行音樂摩天輪課程時發現，學生在組裝部件時常會出現位置錯置、部件組裝不夠確實或跳步驟安裝等問題。為了使成品的結構穩固，音樂摩天輪教具各部件接合處均設計得十分緊密，若是組裝錯誤後要拆裝較為困難，可能產生作品不夠牢固或是無法順利運轉的結果，因此教師必須提醒學生有耐心的了解每一個步驟，並落實組裝程序，且教師也需要先說明可能會遇到的狀況、鼓勵學生並建立信心。組裝時，除了確實要求學生組完一個部分後就要檢查是否安裝正確之外，也可由同學作品互相討論差異性來完成修正。在本課程的實施上，本團隊也落實以學習者為中心的教學理念，授課教師在過程中僅扮演引導以及鼓勵的角色，避免直接告訴學生如何安裝。本課程在實施過程中發現，絕大多數的國小高年級學生均能自行順利組裝完成，且在課堂的實務觀察中，發現男女學生對於音樂摩天輪的學習動機都很強烈，然而本發現僅止於課堂實務觀察，未經學術研究驗證。建議後續的研究者可針對不同性別在音樂摩天輪課程學習上的差異進行驗證。
致謝 本音樂摩天輪教具之開發與製作，感謝創藝天時科技股份有限公司團隊的全力支援；本課程之執行，感謝國立臺灣科學教育館與國立科學工藝博物館的大力支持與協助。
參考文獻 教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。台北，台灣：教育部。教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：國民中小學暨普通型高級 中等學校─自然科學領域。台北，台灣：教育部。
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黃琴扉、葉凡愉（2019）。STEAM機械摩天輪較具研發與教學。科學研習月刊，58(5)。
Halpern, D. F. (1997). Critical thinking across the curriculum: A brief edition of thought and knowledge. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.
Kuhn, L., & Reiser, B. (2005). Students constructing and defending evidence-based scientific explanations. Paper presented at the annual meeting of the National Association for Research in Science Teaching. Dallas, TX.
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Strauss, V. (2012). How to integrate literacy with STEM.
李易澄
國立高雄師範大學 科學教育暨環境教育研究所 碩士生
黃琴扉
國立高雄師範大學 科學教育暨環境教育研究所 副教授