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盲符TipFeel創作過程分享

文/張敏娟、楊夢萍、江皓全 緣起 「老師，怎麼辦，我們拿了第一名。」2020年7月26日晚上十點多，學生在Line那頭傳來一張照片，我看著照片中的兩人站在成功大學電機資訊學院前，手上拿著一個超級大板子，板子上面有明顯到無法忽略的80,000元獎金以及旁邊標註的創客公益組第一名，如圖一。 到底過去幾個月我們做了什麼？請看看我們的創作故事。 圖1.楊夢萍（左）與江皓全（右）參加2020第四屆創創AIOT競賽[1]，獲得創客公益組第一名的照片。 研究點字機的起因 點字學習機，這是一個有著公益目的的題目。研究這個的起因是來自一個疑惑：明眼人使用文字作為重要的學習工具，而視障者呢？是怎麼學習文字的？有沒有我們可以協助的地方？田野調查 研究室學生正在頭痛點字學習機要怎麼進行。 某個星期三中午，透過搜尋「點字圖書館」與「台北」兩個關鍵字，我找到了臺北市立圖書館的啟明分館[2]。選日不如撞日，立刻找學生坐捷運去看看。 臺北市立圖書館的啟明分館，一樓展示區有點字書以及點字打字機。展示架上的故事點字書，是「雙語」的。這個雙語不是中文和英文，而是中文和注音點字。書中的中文下方，有打上點字的膠帶貼著。「雙語」故事書的用意，是希望家中同時有明眼孩子與視障孩子時，可以共同閱讀。或是明眼父母替視障子女朗讀。 除了點字故事書之外，展示區的點字打字機也很吸引我們的目光，就像照片給人的感覺，很重、很沉的機器。學生走過去按按看，感受一下實體。 跟入口處值班志工說，我們希望可以有點字教學的討論，於是志工帶我們到了二樓。二樓有一位女士接待我們。當我表達我們都不是視障者，無法借點字書的困境時，幸運的，這位女士說：因為COVID-19疫情的關係，原本電影欣賞的活動，剩下一些電影簡介點字本，可以給你們一人一本，而電影簡介的內容，在官方網頁上有[3]。我們拿到的點字本之一，如圖2。這位女士一邊說、一邊找官方網站給我們看，我注意到她的電腦螢幕跟一般人不同，而座位旁有一支白手杖。我跟她說，如果有一天，我們的研究有了成果，一定會把產品回饋給需要的人。 那天下午結束田野調查後，仔細觀察手上的點字作品時，驚訝於點字竟然可以雙面印刷。學生說，某幾個特定位置的點字感覺像是頁碼。回家後上網查看點字書內的電影內容時，發覺原來是位喜歡做電影講評的作者所寫的。 圖2.臺北市立圖書館的啟明分館自製的電影欣賞點字書，雙面印製[3]。 點字規則 為了瞭解點字規則，上網搜尋，我們發現一個基本的點字，有兩行三列，共六個點[4]，這樣的組合被稱為一個「點字方」，如圖3。以點字凸起與否，作為文字的組合。換言之，有2的6次方，共64種組合。 圖3.一個「點字方」的示意圖。 如圖4，因為組合就只有64種，所以，會有相同的點位，但是意思不同的情況。例如圖四，左邊是英文字母[5]，右邊是數字[6]，可以很明顯地看出左右兩邊的點位相同。為了區分英文與數字，數字的點字會在前方加個「數符」。 圖4.左邊是英文字母，右邊是數字，可以很明顯地看出左右兩邊的點位相同 也有意思相同，但是點位不同的情況。例如圖5，左邊是中文注音的逗號、問號、句號等[7]。而右邊是英文的逗號、問號、句號等[8]。很明顯可以看出完全不同。每個國家的點字規則都不相同，這也很合理。點字在不同國家之間，也是需要翻譯的。 圖5. 左邊是中文注音的逗號、問號、句號等。而右邊是英文的逗號、問號、句號等。很明顯可以看出完全不同 研究了一陣子，可以感覺到，學習點字沒那麼簡單。根據衛生福利部統計處網站[9]上最新的身心障礙人數的公開資料可知，2011年至2019年，每年屬於視覺障礙者約56,000多人。以全台灣2,300萬人粗估，約千分之二的比例。 學習點字的工具 我們先盤點市面上學習點字的工具，盤點後對創作作品的概念會更清晰。 1.點字板與點字筆 點字板是個有上下蓋的塑膠盒。上蓋是個有很多洞的塑膠蓋，下蓋是個有凹洞的托盤。使用時，上蓋與底板中間需要夾入一張紙，利用點字筆（大頭針）刺入上蓋的洞裡面，造成紙的背面刺出了點字所呈現的凸點。下蓋是防止紙被刺破所設計的吧。圖6為點字板與點字筆的示意圖。由於刺完點字後，手指是翻面觸讀，觸讀的方向與刺入的方向左右相反，而刺入的位置需要鏡像思考。故使用點字板時，需要先做文字轉向，再把點字鏡像。 舉例來說，一般人習慣由左往右讀。所以點字就是由右往左刺，這樣刺完將紙水平翻過來，觸讀的時候就是從左到右。例如「no」，點字位置n(1,3,4,5)、o(1,3,5)，在刺的時候，文字要在右邊刺n、左邊刺o，而且刺在鏡像後的位置上，刺入n(1,2,4,6)、o(2,4,6)，水平翻過來讀，才會呈現左邊n(1,3,4,5)、右邊o (1,3,5)。 這個點字板產品的優點是輕巧好攜帶，而且便宜。約新台幣一百元左右。缺點是難修正錯誤，不像鉛筆有橡皮擦、原子筆有立可帶。一旦發現刺錯之後，只好整個六格刺上凸點，類似塗掉錯字。 圖6.點字板與點字筆[10] 2. 點字打字機 點字打字機以柏金斯點字機為大宗，如圖7。使用點字打字機時，要先將列印紙放入點字機後方的列印區，將列印紙放入列印區前，要先將紙張固定器鬆開，放入紙張後再壓緊，紙才不會滑落。壓緊後，要先旋轉轉軸帶動列印紙，使第一行的位置來到列印器下方，之後每一次要換行時，則是往相反的方向旋轉轉軸，讓位於列印器下方的已經列印完的那一行前進，使下一行空白的部分來到列印器下方並將列印器撥回起始位置，再繼續列印。 正面總共有九個按鍵，按鍵1~6對應點字的1~6個點，使用方法是要輸入一個點字時，須同時按下六個點中所有需要凸起的點所對應的按鍵，因為按下按鍵的同時，點字機後方的列印器會將按下按鍵所對應的點同時壓在置於後方列印區的紙上，鬆開按鍵後，列印器就會直接移到下一個位置，所以必須一次按下所有點，而非一個點一個點地按；中間的按鍵7是空白鍵，最左邊的按鍵8是換行，最右邊的按鍵9是退回前一格。按鍵上方的定位撥桿則對應著列印器的位置，用於確定現在這行還剩下多少空間，夠不夠打完下一個字。也可以直接手動移動定位撥桿到想列印的位置。 點字打字機的優點是使用方式相當直觀，例如要列印「no」，點字位置n(1,3,4,5)、o(1,3,5)，直接依序按下n(1,3,4,5)和o(1,3,5)就可以，不需要像點字板那樣事先做鏡像點字思考，而且列印出來的點字很整齊。缺點是需要用力去按按鍵。而點字打字機的重量與體積雖然是勉強可以帶著走，但沒有人會想隨身攜帶。價格約新台幣三萬元左右。 圖7.柏金斯點字打字機[11] 3. 點字讀寫器 幾乎所有的點字讀寫器都是連接著電腦，除了可以讀點字，還可以寫入點字。讀寫器上方的點字打字區，跟柏金斯點字打字機原理相同，所打的點字輸入電腦後，透過軟體轉為文字。讀寫器下方有個點字觸讀區，可以檢查上方按鍵輸入的點字，也能讓電腦透過軟體將螢幕文字轉為點字，顯示在點字觸讀區。另外，有些款式內建喇叭，可以聽見輸入與輸出的點字朗讀聲，加強自主學習的反饋輔助。 以一款點字讀寫器為例，如圖8，輸入點字的九個按鍵與柏金斯點字機一樣，就不重複說明。位置10是點字的觸讀區域。這裡的點字有八點，主要原因是上面六個點是點字，最下面兩點，類似於游標，平常不會凸起，有凸起的情況，通常是需要修正某個錯字，當游標移到某個錯字，最下方兩點凸起，接著按下點字按鈕，這個點字就會修改成重新按下的點字。讓我們可以一次修正一個位置上的錯字。位置11是游標定位按鍵，每個在位置11的按鍵都對應下方位置10的一個點字方，按下11的某個按鍵，游標就會移到其正下方位置10對應的點字方，12、13分別是上一行及下一行，14是喇叭。 點字讀寫器的優點是功能齊全，可以讀、可以寫、可以聽。缺點是使用者需要具備較多的電腦知識。而且售價高，適合對點字熟悉程度高的使用者使用。點字讀寫器的重量與體積雖然是勉強可以帶著走，但沒有人會想隨身攜帶。價格約新台幣五萬元以上至四十萬元不等，跟點字方的多寡、以及那間公司的產品有關。 圖8.點字讀寫器[12] 4.點字積木訓練板 點字積木訓練板是一種在木頭上鑽出與點字方一樣排列的孔洞，然後將點字柱放入孔洞中，形成不同點字來學習，如圖9。點字積木訓練板可以練習單獨的字母，也可以練習單字，甚至句子，只要點字積木訓練板的長度夠長。這種方式的優點是任何點字組合都可以使用，也耐摔。缺點在於每次換不同的點字，都需要夾起點字積木訓練板的點字柱，重新確認位置再放入，費時又費事，而且點字柱也很容易不見。 圖9.點字積木訓練板[13] 5.可組合發聲的點字訓練板 可組合發聲的點字訓練板(圖10)，它是用事先製作好的「雙語」點字字板學習，這種字板上除了會有字母、數字及符號等等的字樣，還有其對應的點字。視障生可以直接觸摸這些點字學習，不懂點字的老師或是家長可以看見普通文字加以協助。視障生可以將點字牌排列在發聲區，以手指觸摸時，除了練習簡單的單字還可以練習聽力。 這個產品的優點在於不需要插拔點字，而是尋找到正確的點字。缺點則是由於是事先製作好的，而且每個字都只有提供一個，所以重覆字母的單字就拚不出來。發聲區也只能最多放六個點字方，超過六個字母的單字也不能練習。 圖10.可組合發聲的點字訓練板[14] 6.積木式的點字讀寫機 這是韓國發明的一款叫作Taptilo的點字學習機，如圖11。這個機器開機後，會發出語音教導使用者使用方式，然後就可以開始學習。例如：在英文字母的學習模式下，機器自動的從字母a開始，先念出「a」同時下方顯示區會凸起「a」的點字。視障生可以觸摸得知「a」的點字，然後拿起正上方的點字積木按出同樣的點字放上去，接著按下確定鍵。如果積木錯了，會發出「try again」，如果正確則會發出「great」，並進入字母「b」的教學模式。學生也可以用前後鍵選擇要學習的部分。這款學習機也可以連上手機APP，如圖12。由協助者點選要進行的課程，在APP上會同時顯示文字與點字圖形，可以更好的了解盲生的學習問題。 這個產品的優點是可以自動練習讀點字、用積木按壓輸入點字、可以聽點字發聲、可以用APP學習，優點很多。缺點則是價格有點太高，而且只有九個點字方，略嫌太少。 圖11.積木式的點字讀寫機，Taptilo [15] 圖12.Taptilo點字機的APP [15] 看完了六大類的點字產品後，我們先刪去看起來體積最大、最重的兩個，點字讀寫器與點字打字機。剩下四個做比較，如表1。根據這張表，我們決定以Taptilo當作作品的參考原型，加入中文注音這個功能，透過調整結構降低售價，以及把點字模組化，讓點字長度可以依照使用者需求增加。 表1.四種較易攜帶的點字產品比較 點字創作的過程 我們參考Taptilo的使用方法，預想創作作品的使用流程為：老師或家長用APP選好要練習的點字模式，例如觸讀，則產品主機的觸讀區依據輸入練習的文字、數字或樂音等等，自動讓點字凸起。視障生以手指觸讀後，辨識完畢，拿起觸讀區上方點字積木，依照觸讀的排列壓按在積木上。接著將積木放回主機，按下主機上的確認鍵。主機自動回饋正確與否。如圖13。 圖13.預定創作產品的使用流程 接下來，我們要利用3D印表機去創作積木點字。市面上有很多3D印表機，採購前有一點是需要考慮清楚的：「開放式或是封閉式」。因為我們研究室不大，人走來走去難免碰撞，封閉式的3D印表機較能避免碰撞，避免干擾列印品。同時，列印的材料，我們選擇玉米澱粉製成的PLA[16]，製作過程產生的氣體無毒，不需要特別加買空氣清淨機或是額外考慮排風管之類的。製作雛形時，這樣的設備就足夠。還有，每家廠牌的3D印表機都有其搭配的軟體，也有設定技術與限制，採購3D印表機時，再加購資深工程師到研究室講解操作技巧，我覺得完全的物超所值。講完之後，學生們迅速的開始測試，節省了很多摸索的時間。 熟悉3D印表機之後，學生開始使用AutoCAD軟體[17]繪製想要的點字積木。我們使用的3D印表機是Adventure3[18]配合的軟體是FlashPrint [19]，先依照工程師教的設定列印細節，把圖形檔案拷貝一份到3D印表機，放入PLA線材，按下開始，就可以等著所畫的物品被印出來。印完拿出來，去除支撐材之後，把設計的點字的每個小零件組合起來，就完成了，如圖14。 圖14. 製作點字積木流程圖 這個點字積木外殼的大小，是參考台灣的麻將牌。做了幾次點字位置的微調之後，最後決定了點字積木的寬度為24 mm，長度為40 mm，高度為10 mm。為了使用者的安全與點字柱施力方便，修改了幾次造型，最後將上蓋角落改為圓弧的，避免尖角刺到使用者。下蓋內部長邊前後端設計成弧形的，讓點字柱施力可以很順暢，如圖15。 圖15.點字積木外殼的設計。大小是參考台灣麻將牌的大小 整個積木設計分成五層，由上而下分別為：上蓋、鐵片、點字柱、鐵片、下蓋。其中，點字柱是由點字上柱與下柱中間夾著一個圓形磁鐵。這樣的設計是為了讓點字按壓時需要稍微用力，而且讓使用者聽到點字柱與鐵片吸在一起時，有個小小聲「啪」的聲音，讓視障者更加確定壓下去了。 圖16.點字積木的內部結構圖 測試按壓力道時，有三個部分可以特別強調。第一個是決定點字柱磁鐵的磁力強度。因為研究室剛好有兩種小磁鐵，於是各做幾次吸力測驗，效果以2500高斯的那個2 mm磁鐵較好，於是挑了這款磁鐵作為點字柱的夾心。第二個是軟磁鐵和鐵片的選擇。一開始我們用軟磁鐵，因為容易做雷切，但是吸力不夠強，換了製作時要手工切、比較麻煩的鐵片後，吸力效果比較好，於是改為鐵片放上下層。而積木上層的厚度，也是為了吸力做兩種厚度的測試，最後測出10 mm的吸力比較好。比較資料如表2所示。 表2.測試按壓力道，挑選較佳材料與積木上層厚度 點字積木完成後，學生用了Arduino[20]、按鈕和位移暫存器(74HC595)[21]，藉由麵包板和單芯導線做電路連結，如圖17。 其Arduino程式設計原理為Arduino發出1的訊息到位移暫存器(74HC595)，位移暫存器依序傳輸1的訊息到按鍵，按鍵連接Arduino接收訊息的A0腳位。若按鍵有按下，Arduino就會接收到1的訊息，反之則是0。Arduino依序接收到的0和1的訊息，每六個組成一個2進位數字。讀取一個2進位數字，就是讀取到一個點字。 圖17.點字積木的訊號讀取設計。用了Arduino、按鈕和位移暫存器。藉由麵包板和單芯導線做電路連結 為了顯示出接收到的點字，學生再用了Arduino、LED和位移暫存器，藉由麵包板和單芯導線做電路連結，如圖18。 其Arduino程式設計原理為因為一個點字對應一個2進位數字，所以Arduino接收到後依序發出0或1的訊息到位移暫存器(74HC595)，位移暫存器依序傳輸到LED燈，接收到訊息為1則輸出電流，讓LED發亮，為0則不會輸出電流，LED不發亮。 圖18.點字積木的訊號顯示設計--用了Arduino、LED和位移暫存器，藉由麵包板和單芯導線做電路連結 測完點字積木的讀取與顯示功能後，接著我們利用壓電材料與線圈這兩種材料通電的反應，比較哪一種當作點字凸起顯示較佳。壓電材料，我們選了PZT材質試試[22]。因為PZT壓電材料需要搭配高電壓，所以我們利用牆上110V交流電加上橋式全波整流模組[23]提供壓電材料電源，搭配麵包版和單芯線組成電路，讓壓電材料變形彎曲。利用拍照與錄影的方式，觀察壓電材料在直尺前的材料變形程度。試了很多次，形變量幾乎都是通電後彎曲1.5 mm，變化太少。實驗處理過程中曾不小心折斷壓電材料，而且壓電材料蠻貴的，實驗時感到有點挫折。 接著，我們嘗試用線圈[24]纏繞筆10-20圈，接普通1.5V電池兩顆當作電源，上面放一個點字與磁鐵的黏合品，通電時觀察線圈通電產生的磁力，足不足以彈起磁鐵、帶動點字形成凸點。用了好幾種不同線圈直徑、不同粗細的線、均勻纏繞與纏繞後刻意壓扁等方法，觀察到彈跳力很足夠，但有時候點字會跳歪。若要限制在中心處跳起，套上兩層積木的設計可以辦到。 線圈跟壓電材料比起來便宜非常多，形成凸點又只要3V的直流電壓，是比較理想的點字顯示材料(圖19)。 圖19.使用壓電材料與線圈當作點字顯示的測試材料，此圖為測試時的裝置 最後，點字機的機殼設計，我們以模組化的概念，每四個點字方一組，左邊加上左殼，右邊加右殻，下方有底殼、上方有上殼，模組與模組間有個連接扣環，如圖20所示。實際上拼起來的樣子如圖21。之後，可以依據使用者的需求，自由組合。 圖20.模組化的點字機殼設計 圖21.外殼與點字積木組裝後的實際照片 未來展望 我們這個作品仍有需要再改善的地方，最後面在點字顯示的線圈部分，還沒有把最後機制做得很完整。外殼也會再調整，希望加上可以輸出聲音的喇吧與三個按鈕。還有，把目前用麵包板設計的電路，改為PCB電路板。目前APP的部分，只有包含簡單的英文字母和注音而已，我們希望增加英文單字、中文注音拼音等制式學習，以及可以自訂單字、各種電子書匯入等功能。 等這幾個部分完成後，第一代預定製作五套，其中一套留在研究室繼續研究，兩套給臺北市立圖書館的啟明分館、兩套給合作的視障輔具公司，讓這兩個單位協助挑選合適的視障對象試用，用一陣子後給我們回饋，我們再繼續修改。這樣的流程三次後(圖22)，就準備集資或是技轉，讓這個產品可以給台灣的視障朋友買來使用。成本目前控制在6,000元左右，會是個物美價廉的、台灣人專用的自主學習點字機。未來若有機會繼續募資，在APP的部分可以增加多國語言的學習，賣到全世界。 圖22.我們未來三年努力的流程 文章最後，呼應一開始提到的競賽，附上學生們參賽時的緊湊時程表，如圖23。從四月中報名，四月底繳交企劃書，五月初通過晉級，五月底線上媒合會，跟別校晉級的同學組隊，我的學生們是技術組，別校同學們是行銷組。為了與別校同學溝通，花了不少的時間溝通理念與技術力。六月底的工作坊時，作品還很陽春，帶去工作坊討論時，有點害羞。七月底的決賽前兩天，作品還是沒達到他們想要的樣子，但是我知道他們已經拼到不能再拼了。所以，當評審給了他們第一名時，真的讓他們驚喜萬分。我也是。 圖23.學生參加競賽的時程表，相當的緊湊而緊張 參考資料 [1] 2020第四屆創創AIOT競賽 [2] 臺北市立圖書館的啟明分館 [3] 視障電子圖書館，用心看電影 [4] 點字，維基百科 [5] 英文點字 [6] 數字點字 [7] 中文注音的逗號、問號、句號等 [8] 英文注音的逗號、問號、句號等 [9] 衛生福利部統計處身心障礙者人數 [10] 點字板與點字筆 [11] 柏金斯點字打字機 [12] 點字讀寫器 [13] 點字積木訓練板 [14] 可組合發聲的點字訓練板 [15] 積木式的點字讀寫機，Taptilo [16] PLA [17] AutoCAD軟體 [18] 3D印表機Adventure3 [19] FlashPrint [20] Arduino [21] 位移暫存器(74HC595) [22] 壓電材料PZT材質 [23] 整流器 [24] 線圈 張敏娟 輔仁大學物理系副教授 楊夢萍 輔仁大學物理系碩士班研究生 江皓全 輔仁大學物理系大三學生

「全國高中物理探究實作競賽」三部曲

文/余進忠、蘇萬生 圖/余進忠 全國高中物理探究實作辯論競賽開幕典禮現場(由左至右依序為科教館蘇萬生博士、科博館張鈞翔主任、陸軍官校洪偉清教授、高雄大學余進忠教授) 緣起 近年世界各國關注跨領域整合、素養學習、探究實作、設計思考、程式設計思維等新式教育思潮，加之全球環境快速變遷、世界人才流動、智慧製造興起、及少子化趨勢，許多大學積極投入創新創意創業等三創課程、環境永續課程、AI程式設計、大數據理論與邊緣運算等；高中端則積極投入探究與實作課程、跨領域科際整合議題等。「物理教育學會」裡諸多大學及高中教師成員，近年除積極投入上述科學教育改革外，同時也帶領國教端研習活動、拓展大眾化科普活動及偏鄉教育，因應未來教育政策及趨勢，強化國教端與大學端的鏈結是必然走向，「物理教育學會」諸多會員因此倡議建構高中及大學等校際合作模式，強化縱向連結並積極拓展橫向議題，讓高中端能充分運用大學端的人力與資源，共同建構一個完整的資源共享鏈結。 物理教育聯盟的成立 為有效促使大學端與高中端物理教育的連貫與建立經驗分享機制，由物理教育學會理監事會議提案通過，邀請國內大學物理學系及高中學校，組成「中華民國物理教育推動聯盟」，以有效整合各單位資源，共同推辦各項科學教育推廣活動，以提升國人科學素養為目的。 時任陸軍軍官學校校長陳忠文將軍及物理教育會理事長洪偉清教授，積極邀集國內14所大專院校(含16個系或中心)及16所高中學校共同於2017年7月14日，在陸軍軍官學校辦理第一場聯盟學校的正式簽約活動(如圖1)。後續並於2018年8月25日「2018年物理教育聯合會議」中邀得國內台北科教館、台中科博館、高雄科工館等三大國家博物館，共同於國立高雄大學簽署參與聯盟協議(如圖2)。截至2020年6月國內各校已有42所大專院校系所中心及84所高中學校加入物理教育聯盟，希冀讓聯盟的教育宗旨及科學教育的推廣活動遍地開花。 圖1.2017年7月14日於陸軍軍官學校辦理物理教育聯盟成立大會暨第一場聯盟學校正式簽約 圖2.於2018全國物理教育聯合會議中，物理教育學會、三大國家博物館、國立高雄大學共同簽署聯盟協議 物理探究實作競賽的推動過程 於第一次聯盟簽署時同時也召開第一次物理教育聯盟會議，會中提案通過由「物理教育學會」協助推辦大專及高中一同參加全國性探究實作暨科普教具創意設計競賽活動，透過上述兩項活動建立各校學術交流的平台，讓科學教育更加多元有趣，並藉以激發年輕學子主動學習科學的意願，進而達到活化教學的目的。 後續於2017年10月27日假國立高雄大學召開第二次聯盟會議暨「2018物理探究實作暨科普教具創意設計競賽籌備會」(如圖3)，該次籌備會議在物理教育學會的規劃下，由國立高雄大學全力贊助而順利舉辦，會中陸軍官校校長陳忠文將軍及國立高雄大學連興隆副校長及多位高中校長都親自出席以行動支持聯盟推動物理教育推廣交流活動，並決議於2018年4月15日啟動「第一屆全國高中物理探究實作競賽－初賽」及2018年12月23日舉辦「第一屆全國科學教具創意設計競賽」。 會後物理教育學會也同時徵詢「臺灣物理學會」及「臺中一中物理學科中心」共同合作推辦探究實作能力暨科普教具創意設計競賽的教育推廣活動，希望藉由各方支持及科技部、教育部、國教署、物理學科中心等單位指導與經費挹注下，順利推動上述各項活動。 圖3.2017年10月27日全國物理探究實作能力競賽籌備委員合影 全國高中物理探究實作競賽三部曲 物理教育學會本著扮演物理教育思潮的領航者，在跨領域、素養學習、探究實作的教育浪潮下，規劃一系列配合上述新穎思潮的全國性競賽活動，其中「全國高中物理探究實作競賽」，含括：初試－素養命題筆試、複試－物理探究實作、決賽－物理辯論競賽等三階段全國性競賽活動。以下就各階段競賽情形加以說明。 初賽係紙筆測驗(電腦卡劃記)，測驗日期約在每年4月中上旬，聯盟會員學校報名費每人300元，非聯盟學校報名費每人500元，測驗地點為高中各校，且設立高中考場以人數50人以上為原則，該校低於50人則由主辦單位安排至鄰近考場學校參加初試(在此強烈建議高中各校加入聯盟為學生爭取最大權益)。 物理教育學會為了讓高中學生體驗108課綱素養命題，特別商請國教院專家學者、高中各科學科中心、及素養命題種子教師等計8位高中教師組成試務委員會，命題方向以概念和規律本質的理解和應用能力的物理核心素養為主軸，物理素養題型占40%、化學素養題型占20%、生物素養題型占20%、地科素養題型占20%，並由試務委員會負責筆試範圍設定、試題設計、答題與計分等事宜，考生於100分鐘內進行答題，並以電腦答案卡劃記作答。初賽試務委員會，於測驗後進行答題分析，後續提供給全國教師及學子參考使用，本考試可謂創素養命題之先鋒，十分值得國內素養命題借鑑。 本初試邀請國內命題專家並安排高中端教師擔任考監人員，詳實規劃考監制度，從命題、考監人員培訓、考場篩選與佈置、題本及電腦卡發送、學生報到及施測(如圖4、5)、卷卡寄回等皆採高規格。經由電腦閱卷後，全國初試競賽成績以各考場成績比序前10%者，得獲頒初試一等獎、前20%者得獲頒初試二等獎，以資鼓勵。又全國競賽成績排名1-20名得獲頒金牌獎、第21-50名得獲頒銀牌獎、第51-100名得獲頒銅牌獎，以資鼓勵。 圖4.2020年4月11日設立於精誠中學考場的初賽報到情形 圖5.2020年4月11日設立於高雄中學的初賽施測情形 複賽日期大約在每年5月中下旬，採團隊實作方式進行，複賽參賽資格以各初賽考區成績比序的前50%得錄取進入複賽為原則，凡進入複賽者不受學校限制得自行以3-5人組隊參賽，參加者每人需繳交 500 元以支應競賽所需雜支。 複賽題目由歷年國際青年物理學家錦標賽(The International Young Physicists’Tournament, IYPT)題庫中遴選 10 題為原則，並於競賽前約兩 個月公布於物理教育學會網站及臉書供參賽者參酌運用，並於競賽當日由各考區進行賽題抽籤，競賽實作過程必須使用學會提供之實驗材料包進行科學數據蒐集(如圖6)，隊伍可自行攜帶電腦、文具、書籍、手機、收音裝置及輔助實驗測量與文獻資料等協助實驗進行與紀錄報告撰寫，期間需關閉網路，不得連結網路由線上查詢資料，競賽需於8小時內(上午9點至下午5點)完成實驗數據及物理模型解釋，最後繳交實驗報告作為複賽評分依據。 所繳之實驗報告內容需包含問題研析、背景研究與研究動機、原理說明、實驗設計、實驗記錄、誤差分析與結論等內容，後續主辦單位邀集國內各大專院校教授及高中端種子教師計40位擔任複賽評分委員，依實驗報告中各項細則進行評分(如圖7)。評分前所有實驗報告封面均彌封遮蓋參加者個人及校名隊名等資訊，以求評分公正。 複賽依各賽題取全國比序前10%得獲頒全國複賽一等獎、前20%得獲頒全國複賽二等獎。各題比序前4名團隊得晉級參加決賽。 圖6.2020年5月23日賽題「甜蜜幻影」複賽實作情形 圖7.2020年5月30日複賽評審前之賽題討論會議 決賽係採物理辯論模式，依複賽成績擇每一賽題優勝前4隊參加辯論決賽，若正取棄權得由備取依序遞補，參賽隊伍每人需繳交600元以支應競賽所需，以同複賽題目隊伍作為同一競賽組別，經抽籤決定循環賽程，每一隊均需與其他三隊完成三場辯論。物理辯論仿照國際青年物理學家錦標賽(IYPT)的進行方式，但兩隊均列為報告者並依圖8所示物理辯論競賽流程進行辯論。辯論時有5位評審依各隊於研究報告、歧異討論及總結的各項表現給予評分(如圖8-10)。為免南北學子舟車勞頓，今(2020)年大會擇「國立自然科學博物館」(簡稱科博館)舉辦第三屆決賽(如圖11)，且因疫情疏散人群要求，區分主題1-5及主題6-10分別於8月1日及8月2日舉辦，由於科博館提供相當優質的志工人員及場地，讓籌辦流程大為輕省且完備。 圖8.物理辯論競賽流程 圖9.第三屆決賽過程中的「賽題討論與詰問」情景 圖10.第三屆決賽評審給分情景 參賽隊伍若三場皆勝列為金獎、二場優勝者列為銀獎，一場優勝者列為銅獎；另為鼓勵單場表現績優者，單場成績平均達9分以上者，報告者可獲頒最佳辯士獎。上述獲獎除授予獎狀外，另頒4,000-12,000元不等之獎金以資鼓勵(以2020年第三屆決賽為例)(如圖12)。後續可獲邀於「全國物理教育聯合會議」中發表研究成果，並於閉幕典禮公開表揚頒獎。 上述競賽期程、規則及繳費標準每屆皆有些微變動，欲參加者請詳參報名網站及最新競賽手冊。以下為「2020第三屆全國高中物理探究實作競賽」報名網址: https://www.beclass.com/rid=23416c65d819e5c45cb6 內有最新初賽、複賽及決賽等相關細節、賽題公告及注意事項。 圖11.第三屆決賽開幕－科博館孫維新館長致詞 圖12.第三屆決賽授獎情形 結語 回想2018年初次辦理「第一屆高中物理探究實作競賽」時的場景，當時全國參與初賽高中生計1,073名，共開設14間初賽考場；複賽擇優前50%學生組成96隊，分別於國立高雄大學、國立中央大學、國立嘉義大學、國立東華大學等四處競賽場地進行複賽，當時於國立高雄大學參與複賽學生將近200人，國立高雄大學王學亮校長、學會理事長洪偉清教授及校內許多主管皆出席複賽並頒授初賽獎項，高中生能與國立大學校長合影讓參賽學生感到興奮(如圖13、14)；複賽過程中主辦單位所提供之實驗材料包偶有缺損，筆者之一的余老師擔任複賽召集人莫不戰兢以對，相關試場經驗也為後續第二屆及第三屆競賽奠下基礎。 圖13.2018年第一屆複賽於國立高雄大學 圖14.2018年第一屆複賽，國立高雄大學王學亮校長親自頒授初賽金獎 之後第二屆初賽參賽人數擴增至2,544名，共設置72間試場；2020年第三屆雖遇上新冠肺炎疫情但參與初賽人數仍高達2,432名，共設置84間試場；複賽則因應疫情改由原高中學校承辦為原則，並以國立高雄大學、輔仁大學、淡江大學等做為區域性複賽賽場。筆者撰稿時2020年第三屆決賽業已辦理完畢，計40隊分別來自全國16所高中學校，學生透過上述初賽、複賽最後進入決賽已然是高中學生中的佼佼者。 相較國內其他科學賽事，「物理教育推動聯盟」主導的「全國高中物理探究實作競賽」，參賽選手歷經素養命題、科學實作及報告撰寫、物理辯論等三部曲歷程，不論獲勝與否，參賽過程中學生能充分體驗新式素養題型、科學實驗與物理建模過程、口說表達及臨場反應等，這是一個新穎且具備完整科學歷程的賽事，相當值得國內高中學子參與，並從中獲得科學訓練與榮譽。 余進忠 國立高雄大學應用物理學系副教授 科學教育中心主任 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯

在繪本中發現漁船的構造與功能－像科學家一般的閱讀

文/劉淑雯、顧翠琴 教學初心 以兒童文學探索科學概念是新的領域，在四年級的閱讀課嘗試，以一次兩節的時間來設計教學，融入國語、自然科學領域和海洋議題作為選擇兒童文學書籍的指標。因為基隆市深美國小離漁港不遠，學生也常有機會看見漁船，傍晚出海捕鎖管也是基隆漁港的特色，構思後以認識漁船的構造與功能做為教學內容，選擇旗魚王、爺爺的大漁船和捉鎖管三本書為閱讀素材，以線畫方式創作漁船呈現學習成效，探討的問題是學生在閱讀文學繪本時特別關注漁船的結構與功能，會增進學生們將漁船各部分構造畫得更仔細的能力。 閱讀素材和「構造與功能」的關係 構造與功能在生物學及工程學上都是很具體明確的，自然界中動物和植物靠著構造生存和繁衍後代，人造工程世界涉及的核心是為了特定功能創建構造，構造是為了解決問題，也就是達到某種功能。漁船是人類為了在海上移動捕捉魚獲產生的構造，漁船上的各種物品也是為了達到供給動力、掌握方向、吸引魚群捕到魚獲、儲存漁獲或停泊的安全而創建的構造。因此選擇的閱讀素材裡都能看到這些構造出現在文字或圖畫中。 第一本是李如青創作的《旗魚王》，聯經出版社在2012年出版。第二本是林傳宗創作的《爺爺的大漁船》，行政院農業委員會在1994年出版的田園之春叢書其中一本。第三本是劉伯樂創作的《捉鎖管》，行政院農業委員會在1992年出版的田園之春叢書，2017年8月由步步出版社重新出版。 這些文本內容可以展現漁船或相關捕魚用具構造的內容，運用這些內容討論構造與功能的關係。 圖1.繪本《旗魚王》封面 圖片來源:聯經出版提供 圖2.繪本《捉鎖管》封面 圖片來源:步步出版提供 內容一 捕旗魚船鏢魚臺以側面正面、平視俯視等角度呈現 文本一 旗魚王第3、5、6、7、8、10、11、12、20、21、22、24、27、34頁 閱讀重點與討論問題一 鏢魚臺由幾個部分組成? 鏢魚臺的各部分是什麼材質製作的? 鏢魚臺是什麼形狀? 鏢魚臺的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考一 圖3.《旗魚王》p.5 圖片來源:聯經出版提供 圖4.《旗魚王》p.12 圖片來源:聯經出版提供 圖5.《旗魚王》p.24 圖片來源:聯經出版提供 內容二 捕旗魚船上的鏢魚槍以側面的角度呈現 文本二 旗魚王第5、7、8、11、12、16、17、21、22、23、24、38頁 閱讀重點與討論問題二 鏢魚槍由幾個部分組成? 鏢魚槍的各部分是什麼材質製作的? 鏢魚槍是什麼形狀? 鏢魚槍的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考二 圖6.《旗魚王》p.5 圖片來源:聯經出版提供 圖7.《旗魚王》p.12 圖片來源:聯經出版提供 圖8.《旗魚王》p.24 圖片來源:聯經出版提供 圖9.《旗魚王》p.17 圖片來源:聯經出版提供 內容三 船底的螺旋槳(推進器) 文本三 旗魚王第28頁 爺爺的大漁船第3、6、13、21頁 捉鎖管第8、9頁 閱讀重點與討論問題三 螺旋槳是什麼材質製作的? 螺旋槳是什麼形狀? 螺旋槳的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考三 圖10.《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 內容四 掛在船身兩側的廢輪胎 文本四 旗魚王第4、6、8、13、14、27、34頁 爺爺的大漁船第1、2、3、4、6、7、8、9、12、13、16、17、19、20、21、頁 捉鎖管第8、9頁 閱讀重點與討論問題四 輪胎是什麼材質製作的? 輪胎是什麼形狀? 輪胎的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考四 圖11. 《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 內容五 船頭甲板上的錨 文本五 爺爺的大漁船第3、4、8、9、11、13、15、17、22頁 捉鎖管第8、9頁 閱讀重點與討論問題五 錨是什麼材質製作的? 錨是什麼形狀? 錨的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考五 圖12.《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 內容六 船上駕駛艙 文本六 旗魚王第3、4、6、7、8、13、20頁 爺爺的大漁船第1、2、3、5、6、19、20、21、24頁 捉鎖管第8、9、22、23頁 閱讀重點與討論問題六 駕駛艙由幾個部分組成? 駕駛艙的各部分是什麼材質製作的? 駕駛艙是什麼形狀? 駕駛艙的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考六 圖13.《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 圖14.捉鎖管p.22.23 圖片來源:步步出版提供 內容七 船甲板上的起網機 文本七 旗魚王第3、27、34、37頁 爺爺的大漁船第1、2、4、11、12、14、16、19、22頁 捉鎖管第8、9、22、23頁 閱讀重點與討論問題七 起網機的各部分是什麼材質製作的? 起網機是什麼形狀? 起網機的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考七 圖15. 《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 內容八 船艙屋頂的導航和通訊設備 文本八 旗魚王第3、4、5、7、8、20、27、34頁 爺爺的大漁船第1、2、3、5、8、9、16、20、21、24頁 捉鎖管第5、12、23頁 閱讀重點與討論問題八 導航和通訊設備有哪些種類? 導航和通訊設備是什麼材質製作的? 導航和通訊設備是什麼形狀? 導航和通訊設備的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考八 圖17.《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 圖18.《旗魚王》p.4 圖片來源:聯經出版提供 內容九 水上集魚燈 水中集魚燈 文本九 捉鎖管第3、4、9、11、12、18、22、25、26頁 閱讀重點與討論問題九 集魚燈是什麼材質製作的? 集魚燈是什麼形狀? 集魚燈的形狀和材質如何讓它產生功能? 繪本參考九 圖19.《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 圖20.捉鎖管p.22.23 圖片來源:步步出版提供 圖21.《捉鎖管》p.12.13 圖片來源:步步出版提供 設定教學目標 在核心素養部分選擇自主行動-系統思考與解決問題，自然科學是能運用好奇心及想像能力，從觀察、閱讀、思考所得的資訊或數據中，提出適合科學探究的問題或解釋資料，並能依據已知的科學知識、科學概念及探索科學的方法去想像可能發生的事情，以及理解科學事實會有不同的論點、證據或解釋方式。國語是透過國語文學習，掌握文本要旨、發展學習及解決問題策略、初探邏輯思維，並透過體驗與實踐，處理日常生活問題。 本單元以跨領域理念設計教學，選擇國語與自然科學的學習表現和學習內容。並融入海洋教育議題的指標作為教學目標。以四年級學生兩節閱讀課時間進行學習活動。 表1 教學流程與學習策略 一、收集學生先備經驗：每個人就自己的印象在筆記紙畫一艘漁船，時間設定為10分鐘。 二、老師說明要以特別的方法閱讀繪本，除了已學會關注角色和情節之外，還要以科學家的眼光閱讀，關注的重點是物品由什麼材質製作，是什麼形狀，形狀和材質如何讓物品產生功能。以學校午餐需要使用的湯匙和碗說明，白鐵材質讓湯匙和碗不易破又符合食品級要求，湯匙的把讓人手握著，圓形有凹槽可以裝食物，碗的形狀是中空有充足的空間可以裝食物，所以湯匙和碗就有了舀食物和裝食物的功能。 三、小組共讀《旗魚王》繪本，關注角色及情節，並觀察船上單一物品的構造與功能。小組邊讀可邊討論，大約10-15分鐘可讀完。 圖22 圖23 四、學生以小組方式，接力說明《旗魚王》繪本的內容情節，教師巡視各組，瞭解學生對故事的理解程度，接著師生共同討論要如何說明捕捉旗魚漁船上的鏢魚台和鏢槍的構造與功能。 鏢魚臺是突出於漁船船身的平台，木板的，長方形，平平的，前方有一個鐵做的長方ㄇ形，讓鏢魚的漁夫站在平台上面時可以一手抓住，平台讓漁夫可以看得較遠，也能拋出射魚的鏢槍。 鏢魚槍的把手是木頭的，前面的形狀如三叉戟，有三個箭頭形狀鐵做的尖頭，還有一條很長的繩子，總重有28公斤，木頭把手不會滑好握，鐵做的尖頭可以刺傷魚，繩子是拉回鏢槍用的。 五、老師帶領全班閱讀《爺爺的大漁船》繪本，關注重點在漁船設備的構造與功能，邊讀邊介紹漁船各部份的形狀、材質，及如何產生功能。 六、小組共讀《捉鎖管》繪本，以捉鎖管漁船的圖一起研究漁船的設備，水上集魚燈和水中集魚燈是捉鎖管船上特別的物品，練習說說構造和功能。 圖24.《捉鎖管》p.8.9 圖片來源:步步出版提供 七、不拿任何漁船圖畫在身邊，依據閱讀繪本和討論的印象，以15分鐘的時間再畫一艘漁船在筆記紙上，至少說明兩種船上物品的材質、形狀與功能。 學生學習成效分析 一、閱讀《旗魚王》繪本之後，學生以小組方式，接力說明《旗魚王》繪本的角色、情節，全班學生都能瞭解故事的主要角色是順伯和黑仔，旗魚王為了保護小旗魚自動到漁船旁吸引漁夫注意，順伯為了海洋資源能夠永續，放棄捕殺旗魚王的故事內容，能達成國語「篇章的大意、主旨」的學習內容，也展現使用提出角色、以事件發生順序記住內容等摘要策略瞭解故事內容的能力，達到「運用適合學習階段的摘要策略，擷取大意。」的學習表現。 二、從學生作品看到構造與功能的學習 全班共有26名學生，兩名上課當日請假，24名學生參與課堂學習活動，每名學生閱讀後畫的圖都比閱讀前的豐富，統計全班學生閱讀前後畫出的漁船呈現漁船構造各部分的資料及總人數，可以知道閱讀後畫的漁船確實能夠呈現更多樣漁船的構造。 閱讀前畫出該部分以￭表示，閱讀後畫出該部分以表示。 表2 1.閱讀後畫出該部分的人數都優於閱讀前，顯示閱讀時關注漁船上物品的構造與功能，確實有助於描繪出漁船的細部。 圖25-1. 學生15號描繪漁船 圖25-2. 學生19號描繪漁船 2.船側廢輪胎、螺旋槳、錨及導航通訊設備是閱讀後畫出該部分的學生大幅增加人數的部分，駕駛艙和起網機在閱讀前後能繪出該部分的人數差異較小，但會呈現較細膩的圖畫，鏢魚臺及鏢魚槍屬於較特殊的捕旗魚船，爺爺的大漁船和捉鎖管兩本書裡提到的漁船相似的地方較多，所以這兩項都沒有出現在全班學生的圖畫上。 3.座號是4、5、7、16等四名學生在閱讀前畫的漁船未呈現出閱讀時關注的構造，閱讀後能畫出三項以上，5號學生將七項都畫出來。口頭問這幾名學生，都表示這次閱讀的素材和關注的重點對他們認識漁船的構造與功能幫助多。座號3、6、27三名學生閱讀前和閱讀後畫出的項目數量差異不大，但畫面較精緻細膩。 圖25-3. 學生16號描繪漁船 三、透過閱讀與討論《旗魚王》、《爺爺的大漁船》、《捉鎖管》等三本與海洋相關的繪本，完成「閱讀、分享與海洋有關的故事」的學習內容，學生除了學到漁船的構造外，也瞭解漁夫作息、捕魚的辛勞、海洋資源日益枯竭、以火光吸引魚到漁船邊被捕獲的歷史等海洋教育議題的內容，以線畫完成漁船作品，達成「透過圖像進行以海洋為主題之藝術表現」的學習表現。 教學反思 這次師生以科學家眼光看繪本是一種新嘗試，試著說明物品的物理特性、形狀，確實可以促進了解物品的構造與功能有密切關係。學習過程中仔細的觀察確實可增進學生的觀察能力，對於漁船各部分的細部觀察確實可增進學生繪製漁船時的擬真程度。 船身上的廢輪胎、甲板上看到的駕駛艙、集魚燈、螺旋槳(推進器)、錨及起網機等表面可見的物品是出現最多的，其他駕駛艙內部、漁獲儲存冷凍倉庫或是漁夫的寢室等不在船身表面可見的容易被忽略，也可能是閱讀過程中未關注這部分導致的結果。若是再加上其他書籍的查詢後，學生對於漁船動力、魚獲儲存空間設備、導航通訊設備等漁船的各部分細部描繪能力會再提升嗎? 若是在這次學習活動一個月後，再邀學生畫一次漁船，不知那時的成果會如何？學生是否能保持這次的學習成效或者是展現更多項目，還是忘記這次的學習回到初次畫漁船的狀態？覺得後續可以再做這一件事，這樣的小研究蠻有意思的。 本班學生三年級曾讀過《小提姆的海洋冒險》一套七冊的繪本：1.小提姆和勇敢的船長、2.提姆冒險記、3.提姆和夏綠蒂、4.提姆的燈塔驚魂記、5.提姆海上遇難記、6.提姆和大個兒、7.孤單的提姆。這七本書的作者在文字上的描寫、插圖上都對大船的內部空間、櫥櫃、船梯，有細膩的展現，可以從細膩的船艙描寫和繪圖加深學生對漁船構造的印象。 除了兒童文學類作品外，提供百科類、地區介紹的旅遊類書籍，從海洋、交通與運輸等百科類書籍了解「船」的構造與功能，從遠流出版「基隆」這本書介紹八斗子漁港和漁獲等資料，了解漁船捕撈漁獲的知識。 可以將教學時間加長為三節或四節，讓學生有30分鐘的時間畫一艘上色的漁船，更能展現從文學作品學到漁船構造的科學知識，提升認識漁船構造的學習成效。 參考資料 李如青(2012)。旗魚王。台北市：聯經 林傳宗(1994)。爺爺的大漁船。行政院農業委員會。 侯秋玲、張瑞玶、劉淑雯、黃譯平、駱儀芳、翁振成(2018)。分享書，談科學－用兒童文學探索科學概念。台北市：華騰。 劉伯樂(1992) 。捉鎖管。行政院農業委員會。 劉淑雯、朱凱鈺、黃雅玲、歐蓓縈(2013)。用繪本教兒童科學。台北市：華騰。 劉淑雯、謝佳蓉、張瑞玶、趙曉美、黃明宏、林羽庭(2016)。繪本科學課：用繪本引導K~5兒童探究科學。台北市：華騰。 誌謝 感謝聯經出版、步步出版授權並提供精美繪本封面圖片，為推動科普繪本提供助力。 劉淑雯 臺北市立大學師培中心助理教授 顧翠琴 基隆市深美國小教師

工程設計與跨領域教學的課程分享 以高壓空氣競速車專題製作的STEAM融入教學為例

文/汪殿杰 概述 新課綱高中生活科技教學，強調專題製作的方式授課，且專題活動是要能涵蓋多種學科知識(STEM 或 STEAM)，並整合其概念性或程序性的知識，協助學生發展「理論導向」的設計製作方法，透過工程設計以及科學探究的歷程，培養問題解決及設計實作能力。研究發現，學生學習過程，能應用跨學科知識，針對特定主題進行設計與製作，兼顧數理等硬能力（Hard skills）和解決問題等軟能力（Soft skills），分享在教學的過程，如何進行知識探究，是發展較高層次的理論導向的工程設計實作活動的方法。(李隆盛、粘惠娟，2019)。因此課堂中學生能透過探究實驗、討論、實作原型等途徑，培養對於工程設計流程的認識，進而能應用工程問題解決的思維，解決生活中的科技問題，是這門選修課程設計的核心理念。 這裡以本校高中生活科技加深加廣選修課程「工程設計專題」為例，規劃設計STEAM跨領域專題設計製作的課程，期許學生能結合所學，整合知識、技能與態度，應用在實際生活化的設計情境中。學生設計製作與探究實驗的主題是「高壓空氣競速車」(圖1)，類似的主題在美國科技教育已有50年以上的歷史，也是目前世界參與人數最多的中學生科技應用競賽，可獲取的參考資源非常豐富，容易形成情境脈絡化的學習，達到STEM(STEAM)的教育理念，與新課綱強調的跨領域應用的素養教學。 圖1 高壓空氣競速車專題的跨領域(STEAM)知識應用架構 課程規劃及學習策略 工程設計專題是新課綱生活科技部定的加深加廣選修課，目的是讓學生透過工程設計流程，包含：界定問題、蒐集資訊、發展方案、預測分析、測試修正、最佳化等，具體實踐設計製作產品的專題製作活動，藉此能夠理解分析工程設計與有效率的實踐設計問題解決能力的方法，下圖是課綱研修階段，對於課程規劃與實施方向的建議(圖2)。本課程以「車輛設計」為主題，讓學生學習運用科技工具(科學實驗儀器 數位設計工具)，進行STEAM跨領域的科際整合探究實驗，並透過電腦輔助預測分析，車輛原型製作，效能實驗，改善與測試等活動，學習工程設計的流程，及跨領域整合的設計思考素養教學。 圖2 生活科技加深加廣選修 工程設計專題 課程規劃架構 工程設計程序與跨領域應用探究實驗 工程設計是把科學與數學原理系統地、創造性地用於實踐的結果，其中包含：設計、生產、運作效能、機械、流程和系統等內涵，工程素養即是瞭解科技是如何透過工程設計的歷程而產生。(圖3) 圖3 跨學科課程的工程設計概念圖 資料來源：范斯淳、游光昭，2016，頁171。 本課程用「車輛設計」的主題(圖4)，讓學生學習工程設計的程序與方法完成專題製作，並透過科學化的數位分析工具評估與測試設計效能，活動設計採用探究實驗的歷程，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，包括科學與科技應用的跨領域整合，提供學生自主與自我學習知識的應用，深化工程設計思考與批判思考的能力建構，培育學生的科技素養，並提供高中學生未來大學升學的試探參考。 圖4課程設計主題與學生作品 車輛設計除了考慮功能與美學藝術外，設計師需懂許多工程方面的知識；包括工程材料特性與其加工成型技術，動力機械與控制系統，車輛動力學與行車控制原理…等許多的工程設計知識。因此車輛設計是一個複雜且龐大的工程開發專案，需要團隊的專業分工合作與整合，並根據市場喜好和產品定位、成本等不斷修改設計。因此不是單純美學藝術的展現就能設計車輛，需要工程設計的嚴謹程序，經過評估效能後，才能開發成熟穩定的產品。本課程將車體結構與車身外型設計兩個基礎的車輛設計主題，依據工程設計程序和方法，規劃四個車輛設計的探究實驗。並依據工程設計各階段的學習重點，整合實際動手的學習活動，讓學生探索工程學與理論學科的關係和應用。(圖5) 圖5 跨領域設計思考與工程設計探究實驗 實驗(一) 滑坡滾動阻力實驗 這個階段實驗是讓學生對於車輛設計的①界定問題與條件限制有基本的了解後，分析解決問題所應該思考的因素為何? 我們的條件是規範同一尺寸的車輛(長20公分，寬8公分，高10公分)，在相同的限制下，設計出最佳效能的車輛。設計的初期讓學生先②蒐集資料，藉由記錄車輛設計課堂筆記的方式，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，讓沒有工程基礎的學生，提供觀摩參考的設計資源，激發更多關於解決問題的想法，組織後續發展的學習鷹架。這個活動主題是讓學生能建構一個車輛實驗的載具，包括輪子與車軸底盤系統，學生可以設計不同的輪子大小和軸距的車輛，讓學生能透過探究實驗活動學習車輛動力學，並了解物理力學與工程學的關係。滑坡滾動阻力實驗室用最簡單的方法，測試車輛在滑坡道克服路面與其本身滾動阻力的條件下，能夠減少耗能達到運行的最佳效率。(圖6) 圖6 學生製作車輛的輪軸系統與滑坡道滾動阻力測試 學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼? 這個階段學生學習的重點是了解車輛行駛的滾動阻力來源，透過車輛重力位能轉換為動能的過程觀察，學習車輛設計在滾動阻力有甚麼要注意的地方。我們提供的底盤設計範例，學生能理解摩擦力在車輛設計有”控制”與”節能”的兩個矛盾與設計目標衝突的意義，需要平衡兩者，取其重點在設計決策當中。所有的工程設計都會有適切與平衡的考量，而各項細部條件的優劣，都會影響到最後的結果，所以讓學生理解最佳化在工程設計的程序當中，都是一個永無止境的挑戰。 學生怎麼做探究實驗？ 學生主要是透過觀察滾動到下坡段，直行平面路段的滾動實況，判斷自己設計與製作的底盤與輪軸系統，是否符合基本的實驗需求條件。學生修正的部分是，如果有車行方向單側摩擦，能透過量測的方法，判斷輪軸平行度還是高度對稱性是否有問題。如果是滾不遠，會判斷是輪胎正圓度還是輪軸的預負荷空隙太緊。 學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？ 初期學生對於機具使用與加工程序，尚未能符合這個強調精確度與品質的專題實作需求，教師需要給予技術與操作練習的引導，學生才能製作正圓度高，與摩擦損失小的輪軸系統，完成後續工程的探究實驗與設計思考能力學習。 先期製作一個基本的底盤載具，可以輔助後續設計製作，在車身與造型的空間與結構設計整體思考，尤其是對於空間理解能力較差的學生，不至於一切都仰賴在電腦3D建模的憑空想像，有個具體的形體，學生可以觀察與思考。這裡提供課堂學生動態的畫面來說明(圖7)，許多的學生必須雙手有實體，才能思考設計，提出合理適切的方案。透過觀察的學習是很直覺而且有效的，這也符合多年教學經驗的心得。 圖7學生透過實作與實驗連繫對科技的認知和應用能力 實驗(二) 流體分析模擬實驗 這個階段實驗是讓學生先提出初步的設計構想與③發展方案，避免未來設計不良與時間上的浪費，活動採用電腦3D建模與數位分析的方式進行，透過軟體(Autodesk Flow)(圖8)將幾個自行設計的初步構想進行④預測分析。學生可以評估效能後在來後續的設計製作，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，這是工程設計在研發產品時的重要歷程，也是學生學習科學化的評估設計，和設計思考能力建構的關鍵步驟。電腦輔助工程（Computer Aided Engineering），主要用於模擬分析、驗證和改善設計。這裡學生要先完成車輛設計的3D模型，電腦才能用立體空間的數值，與物理擬真的環境進行模型的分析。圖(9) 圖8Autodesk Flow空氣流體分析軟體，可以預測分析車輛外型的風阻，顯示氣流的流線，讓設計者判斷外觀設計的空氣力學效能 圖9學生使用3D建模軟體設計車輛外型並進行空氣力學效能的預測分析實驗的畫面 學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼? 這個階段學生學習的重點是了解下面幾個概念 1.電腦3D模型可以轉換為空間的數值資料，透過電腦計算網格細分後的有限元素分析方法，依據設計構想的3D模型，推論預測分析的流體力學效能，評估設計構想的優劣。 2.流體力學的概念知識，對車輛車身的各部位壓力的影響，學會透過壓力分佈圖，判斷車輛左右側平衡穩定性。 3.透過空氣流線圖的分析，判斷車身造型的設計是否有重要瑕疵，與評估造型修改的策略。 4.實際觀察推導出來的空氣阻力值與車身的風阻係數，從幾個初擬的設計方案中選擇較佳的進入後面的工程設計程序，原型製作實際的模型。 學生怎麼做探究實驗？ 這個階段會要求學生擷取四個測試實驗的圖表，說明觀察到的資訊有甚麼，並記錄在工程筆記中。目前的階段是設計方案的評估與預測分析，主要看學生提出修正的看法與最後決定的設計方案為何，評量學生的認知與判斷是否合理。 學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？ 學生對車輛設計的概念知識不足，甚至有錯誤的理解與看法。教師需要在3D建模與工程預測分析前面階段，多介紹車輛流體力學的概念，並實際舉例說明，方能提高學生的理解與分析能力。這裡建議如下(圖10)所示，使用實際的3D模型案例到分析軟體，調整風速，開啟壓力與空氣流線模式，說明車身壓力的變化與物理的關係，當壓力變化對車輛操控性能的影響。 圖10 空氣流速 流線與3D模型表面的壓力變化分析 實驗(三) 風洞車身阻力實驗 車輛外型設計有較好的空氣力學設計，除了有助於節能、降低噪音之外，更是增加行車穩定性與性能的重要方法，是車輛設計的一個重要環節。雖然前面階段3D建模與數位分析實驗，可以概略預測外型設計的效能，但是實際上空氣力學的理論頗為複雜，仍有科學未知之處，所以還不能全由電腦模擬，須製做模型經過風洞實際測試。這也是許多複雜工程專題的常見狀況，真實世界複雜變化與未知現象，受限於設計者能提供的條件與設計構想，難以憑藉數位的3D模型能夠分析判斷的，需要實體模型的驗證才更為準確。任何的工程專案研發過程，時間與資源都是有限的，我們在前一個預測分析的實驗後，讓學生對自己設計的幾個車輛中⑤選擇方案，減少嘗試錯誤的時間耽誤。這種透過科學數據後的權衡判斷，使整個設計問題解決過程具有效率，及系統性的思考，是學生學習問題解決能力的重要方法。整個工程設計的活動最終，學生要能依據設計方案，完成設計製作並真實的測試檢驗，所以⑥建模測試是讓學生實際測試，比較實際的狀況與預期結果的差異。尤其工程技術與材料應用，常是科技產品進化的重要動力，沒有真實的動手學習建模，是沒有辦法學習工程的應用層面，學習的內涵較為表面，學不到過程中的程序知識，就少了很多創造能力和解決問題能力的學習。(圖11) 圖11 學生製作的車輛外型和底盤結合後，在風洞中的空氣阻力測試 風洞（Wind tunnel）是一種產生人造氣流的管道，用於研究空氣流經物體所產生的氣動效應，是空氣動力學的研究工具，也是學生模型製作完成後效能檢測的工具。這裡我們自行設計製作了一個簡易的風洞教具(相關過程與製作方法於附件)，讓學生作品能夠進行科學化的檢測，後續車輛模型修正調整後也能檢核實際的效能，是工程設計課程實施的重要設備。圖(12) 圖12 學生車輛作品在風洞進行風阻值的實際量測 學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼? 這個階段學生重點知識的學習 1.了解氣流通過車身會因為氣流速度變化，而改變每個車身部位的壓力，對車輛行駛的穩定性造成影響。 2.風洞實驗設備，需要利用的整流與狹窄密閉通道的設計，方能提高風速，觀察與鑑別設計好壞。所以好的實驗設計，對於工程設計有重要的影響，並扮演關鍵因素。 3.可以透過一些流體力學的理論知識，例如寬德效應（Coandă Effect）設計車輛在高速行駛需要的改善方案，並透過風洞的煙霧實驗，觀察是否有效。 學生怎麼做探究實驗？ 這個階段會提供下面這17個理論的設計原則(圖12)，讓學生透過風洞實驗的具體觀察，檢核自己的設計是否有甚麼不洽當，與需要調整的地方，初步提出改善的想法。 圖13 17個車輛外型空氣動力設計優化的原則 學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？ 這裡會面對到兩種類型差別的學生，有消極與將就的，和態度積極尋求改善的。消極與將就的學生，會要求他們完成工程設計學習單裡的三個設計檢核與改善，提出想法與紀錄在學習檔案中。而態度積極尋求改善的學生，會提供更多資源與輔助製作工具，例如3D印表機，讓學生可以縮短重新製作需要的時間，並提高製作原型的品質。比較正向的具體成效會發現一些優秀的作品，如下(圖14)的作品，空氣阻力值量測數據很低，且模型的精緻度高 圖14高壓空氣競速車的風洞實驗 這個階段會是整個工程專題製作中需要時間較長的階段，會發現學生在學習態度與對其未來的是否適性的的教師角度觀察，如果是學生具體的學習成效，很難是即時性的，應該是比較長遠的，例如： 1.原型製作後的實際量測會和預測分析結果有落差，也可以發現許多細節沒做好會有不如預期的感覺，如果能觀察到實際製作原型的量測數據，與設計製作的關聯性，提出或實踐改善做法，就是重要的學習，尤其是棄而不捨的態度，更是理想的學習，更勝於知識面向。 2.原型製作後的風洞實驗學習，有許多材質與進階的加工程序，是讓學生學習製作品質提高的解決問題程序性能力，唯有透過實作與錯誤中精進，方能學習生活科技在實作的問題解決能力的提升。 實驗(四) 高壓空氣推進測試 學生在製作完成作品之後，最後一個步驟是進行整車的效能測試，檢驗是否達到預期的目標。⑦評估修正是在測試與評估階段常會發現許多小問題，持續修正與改善作品的設計細節，是完成優良作品的必備條件，也是學習良好的工作是態度，這種精益求精的務實精神，是工程師應有的職業態度，可以在生活科技課程中透過改善作品的效能修正，讓學生學習良好的工作態度。⑧最佳化是在測試與評估的過程，可能出現構想的缺失，或者另外有改善設計構想的方法，例如實際在進行高壓空氣推進測試，學生會發現作品啟動的瞬間，通常會有飄浮難以控制的現象，可能需要像賽車的設計，需要增加空氣動力配件(輪拱 側流板 水平翼 尾翼…等)，改善高速情況下的穩定性，最終的效能才能趨於理想。實際於課程實施常常受限於時間，我們可以讓學生針對最終方案的分析與改造提供記錄，一方面記錄學習歷程的研發心得，也提供後續設計製作者參考。 圖15 高壓空氣推進測試實驗與最佳化改善 學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼? 這個階段是比較綜合性的測試，學習的重點知識是在測試條件下，車輛動力學的歷程變化和車輛設計關聯性的理解。例如: 1.在發射初期是能量轉換，提供高壓空氣的作用力給我們的高壓空氣競速車動能，學生要能理解最高速度產生的時候，也是動能最高的時候。如何縮短能量轉換的時間，產生最高的加速度，在車重、作用力提供角度、噴射氣流的引導，輪軸底盤的設計…等，需要的工程設計思考。 2.車輛動力學的歷程後續是如何減少能量的損失，是車輛設計在滾動阻力和車輛空氣動力效能的最佳化改造，方能減少能量損失，快速達到競速的設計目標。 學生怎麼做探究實驗？ 基於課程實施的時間有限，會避免學生用破壞性全面改造的方法，提供三個可以具體改善的原則，而不至於花費太多時間與資源的最佳化設計修正方向 1.底盤結構強化與輕量化 2.車輛行駛穩定性提升，主要是空氣動力套件的附加 3.車身輕量化與表面光滑處理 學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？ 學生普遍上會對自己製作的成果不甚滿意，多數的狀況都是耐心不足，無法學會設計製作上許多動手製作的實作能力，也缺乏轉換概念知識到設計思考的能力。教師可以提供重做的時間與資源，給予有心學好與願意深入研究的學生。有關概念知識提高設計思考的部分，可以使用3D動畫，或在3D繪圖軟體內解說，輔助學生學習理解概念性知識和車輛設計的關係。 圖16 使用3D模型動畫說明科學的應用概念 教學評量 專題設計製作是一個複雜心智歷程，在實際動手的過程中，運用技術性與實作性知識，並透過詳細計劃及構想，與選用適當的工具與材料來製作出作品。活動過程透過學習單的檔案評量、實作評量（工作態度檢核表、工具操作與材料選用檢核表）、作品標準參照評量（依活動目標與任務製訂標準）、紙筆測驗等四種評量。檢核表內綜合題型能夠看出學生對於所學的整合，包含知識的吸收程度與車輛設計的思維。 評量標準： 1.學習歷程檔案（界定問題、車輛設計課堂筆記、初步構想草圖、探究實驗紀錄與效能評估說明、選擇方案設計圖、製作步驟說明、問題解決紀錄、最佳化改善說明）（20％） 2.實作評量（工作態度檢核表、工具操作與材料選用檢核表）（15％） 3.紙筆測驗 (車輛設計認知評量)（15％） 4.作品標準參照評量 （50％） 學生作品與課程分享資源 最後提供一些學生作品的照片，和課程設計與實施方式的課程資源網站，提供各位教學先進參考： 圖17 學生的車輛設計作品 文章來源 網路文章： 李隆盛、粘惠娟(2019) STEM教育的迷思與真實 課程資源網站： 1.Autodesk Flow流體力學分析軟體 2.工程設計專題 圖18 筆者製作的課程分享網站 3.課程分享的教學講授影片 圖19 筆者錄製的課程活動教學影片 汪殿杰 臺北市立大同高級中學教師

從科技發展到Maker教育該如何實踐

文/黃信惠 科技發展 現在學生可能沒辦法感受到，10年前難以想像智慧型手機能夠改變人類的生活，這一切都要歸功於科技發展，而這些科技發展的速度，也應證了摩爾定律，摩爾定律是在1950年代預言，未來每隔一段時間，IC上的電晶體數量會提升兩倍，也就是科技發展的速度會以等比級數的方式進步。 圖1 摩爾定律，電晶體的數量呈現等比數列增加 (圖片來源: https://zh.wikipedia.org/wiki/摩尔定律) 雖然NVIDIA CEO黃仁勳說過，摩爾定律已經過時，但不代表科技發展不會繼續成長，相反的，他預測GPU的運算能力與神經網路性能正在比摩爾定律更快的速度發展，我們熟悉的科技在未來會以更快的速度跌代。 資訊爆炸 資訊爆炸的時代，網路上的資訊與資料也是呈現等比數列的發展，而2017年的研究報告預測，這些資訊量與科技發展一樣，會以等比級數的方式成長。 有些人可能會認為，現在的年輕人普遍不愛讀書，不喜歡從書本獲取資訊。但是一本書籍的出版，從作者取得資訊，開始撰寫、印刷、再透過通路購買，這個過程可能已經相隔好幾個月，等到拿到書本時，這些資訊恐怕都已經過時了。但如果從網路獲取資料，像現在許多研討會都有直播，幾小時後網路媒體都有相關新聞發出，就算是相隔幾千公里外的小學生，都能夠與專家學者同時獲取產業的最新研究。書本只是資訊載體的一種，要如何培養學生在資訊爆炸的時代學習，身為師長的我們也需要與時俱進。 產業轉移 在iPhone出現之前，NOKIA是市占率最高的一個手機品牌，但從傳統手機進入到智慧型手機的科技迭代後，全世界銷售量第一的手機品牌就馬上消失。全世界最大的企業品牌都有可能一瞬間消失，那麼誰又能保證現在的一線品牌，Amazon、Google或是Apple公司能夠長久持續下去? 現在我們常常會希望程度好的學生去當醫生或是考電機等科系，但是無論是醫生還是高科技公司，當這些國高中生畢業時，可能也遭遇了產業的迭代，倒不是說這個產業會消失，但可以確定的是它的型態一定會轉變，工作的內容，甚至是薪水也不見得像今天一樣好，那麼我們老師在做的事情，不就是把高材生推入不確定的未來嗎? 學校教育該面臨的事情 如果未來這麼難以預測，那身為老師到底該教會學生什麼事情?這個年代的國高中生讀著跟我們一樣的課本，但卻要面臨新的世代，這些書本上的舊資訊不見得在未來會用得上，倒也不是說這些資訊不重要，而是比這些課本上的資訊，讓學生如何自主學習、創新思維才是最重要的事。 思考為主、技能為輔 未來的學生最重要的是培養他們自主思考的能力，未來是屬於他們的，只有他們這世代的學生，清楚未來的樣子，這是師長們沒辦法猜測的事情。我們也不需要去幫學生猜測未來，而是讓他們培養自主思考，讓這個世代的學生有足夠的能力自己去面對未來的環境。 所以像生活科技、資訊這些技能導向的科目，應該把教學的核心稍作修改。以往我們都是以技能這件事情做最大的評分依據，只要用了複雜的剪輯技巧、細緻的木工技術就可以得到高分，但我們應該以「思考為主，技能為輔，學生自主學習，老師創造環境」，老師在學校教授的不再是技能為主的教學，而是將技能弱化，以思考創意為主，教學生如何應用現有的技能，發揮創意去思考創意，才符合這個年代的教學內涵。 圖2 學生徐啟睿自己上網學習，將傳統洗床改裝成電控CNC (圖片來源: 徐啟瑞) 等到老師教學那這項技術已經落後了 現在的工具軟體更新迅速，科技產品與技術的跌代將會越來越快，一套新的軟體如果要等老師來教，那麼這項技術可能也已經落後了，如果要在這個年代生存，那麼如何取得最新的技術也是這個年代的學生必備的技能。 Maker老師在學校到底要教什麼? 圖3 Arduino課程學生專題成果，左上依序是黃子芸、龍立鳴、查禹安左下依序是林康、王荀昱、陳喬君(圖片來源: 黃信惠拍攝) 我目前在學校教9年級(國三)的Arduino課程，這是兩個學期，一周一堂的電腦課，在這課程我主要切分4個單元，分別是技能、整合、自學與回饋，這四大單元結合了上述的概念，實踐在課堂上，那麼接下來就一一分析這四大單元的教學理念。 圖4 Arduino教學的四大單元 (圖片來源: 黃信惠) 技能 在這個單元我大幅降低技能的學習門檻，學生的學習時間有限，如何在最少的時間精力，做到最大的成效是這個階段的最大目標，盡可能用圖說甚至是動畫來說明所有零件的操作，許多東西的原理或是複雜的邏輯，盡可能的精簡，讓技能的部分更容易吸收。 技能的階段不見得要讓所有學生都精通，對我的課程來說，有沒有完整的學會技能一點都不重要。重要的是在後續揮創意的單元，你有沒有辦法應用。 「畫圖課中老師給你幾種顏色的彩色筆一點都不重要，有創意的同學就算只用一隻黑筆也可以自由發揮創意」 圖5 圖形化程式介面，學習技能的門檻能大幅降低 (圖片來源:擷取自ArduBlock軟體) 整合 整合的單元中，我讓學生應用自己擅長熟悉的領域、熟悉的事情，再搭配課程所學的技能來完成創作，比如說學生對於打羽毛球有興趣，那麼他可以做個練習羽球發球的機器。會打鼓的學生可以做個打鼓專用的節拍器。 在這個階段學生除了要整合之前所學的技能，還需要認識自己，該如何製作出獨一無二的裝置，是每位學生面臨到的挑戰，而且全班同學不能有重複的專題，選題目與思考解決方案是這個單元的核心目標。 圖6 周愉芯、蘇煊甯同學製作的手繩編織器，最高分的作品，單純利用LED閃爍的原理所製作 (圖片來源: 黃信惠拍攝) 自學 這個單元是最困難也是最重要的階段，該如何引導學生自主學習，其實整個概念很簡單，「我們出社會之後是怎麼學東西的?」，我想大多數人都是上網找資料、找書籍、問別人，經歷大量嘗試錯誤與失敗之後，所得到最終的成果，這也是這個單元我希望學生經歷的。 所以我們應該引導學生，放手讓他們自己嘗試，給他們一些資源，並且不要插手。就算最終的成品不如預期，但這段期間學生收穫的遠比最終作品來的重要，因為他們得到了許多錯誤與失敗的經驗。 圖7 instructables網站，全世界最大的Maker分享平台，是個讓學生自學找資料的好地方 (圖片來源) 分享 取自於網路，回饋到網路。這些學生在上個單元都是以網路學習為主，所以也應培養分享的觀念，學生在這個單元必須將自己作品的製作過程、程式碼、電路圖以及最後成果分享到網路上，同時也此機會在網路上與世界各地的Maker交流分享，分享自己的學習成果，培養Maker的精神。學習分享以及和其他人交流，就是這個單元的核心。 圖8 黃荷同學將製作的專題分享在網路上 (圖片來源) 結語 以上四個單元是我在學校的Arduino課程，這些單元若要運作順利還有一個很大的因素，就是「評分標準」。學生能夠在課堂上獲得成就感，很大的因素是老師的認同感，當學生得到高分成就感也會隨之而來，所以評分方法可以依據你對學生的期待調整。 圖9 手作能力好的學生，就算用簡單的程式也可以獲得高分，作者楊日茵 (圖片來源: 楊日茵) 像是我會讓學生隨時記錄自己的製作過程，從草稿、購買材料、電路、程式到初期的測試，無論失敗與否都要記錄下來，而老師主要以「過程」為評分依據，甚至失敗與錯誤的紀錄，反而是最重要的評分項目。這樣做不僅可以讓學生勇於嘗試，也能在這堂課程盡情發揮，成不成功不是重點，重要的是能得到許多寶貴的經驗。 國高中是屬於通才教育，這些學生以後不見得每個都要讀理工科，況且未來的工作與型態也難以預測，學生離開了這間教室後，到底帶走了什麼? 以下這句話是愛因斯坦說過的話，同時也是我在規劃課程最重要的指標「教育就是當一個人把在學校所學，全部忘光之後剩下的東西」。 圖10 愛因斯坦 (圖片來源:) 黃信惠 康橋國際學校教師

結合POE教學法與跨領域美感之小學科技教學活動設計與實施-旋轉舞者_螺旋斜面應用

文/何仁偉 一、前言 十二年國教自然科學領域綱要指出學生在探究能力的學習表現方面，應培養其手腦並用，並能展現思考智能與問題解決的能力，在過程中，學生透過預測、觀察、解釋三個步驟，來了解其中可能的原理知識，以及為什麼會有這樣的情況發生，藉由自己主動的思考、驗證，更能激發他們的學習動機與創意能力；而跨領域美感的融入，則能幫助學生激發出他們對於美感的體驗、經驗與學習，以及增進不同學科的學習表現。 本文以旋轉舞者為例，發展一個國小的POE探究教學與跨領域美感的教學活動，透過簡單的實作活動，培養學生動手實作的習慣，並期許學生能將其中的知識概念應用於日常生活中。 二、教學活動 一、活動簡介 本活動結合螺旋斜面以及摩擦力兩大概念，達到讓舞者同時前進、旋轉的效果，課程一開始先展示教材，讓學生觀察舞者有哪些動作，並且引導思考是什麼樣的原因讓它有這些動作，藉以引發學生的學習動機與興趣，而實作部分則是融入跨領域美感教學，透過介紹各種國家的舞蹈與各種舞者的形態，例如巴西的森巴舞、夏威夷的草裙舞、法國的芭蕾舞等，引導學生創作出獨一無二的旋轉舞者。 二、本活動應用之POE教學法 POE教學法是透過「預測（Prediction）—觀察（Observation）—解釋（Explanation）」三個步驟，讓學生從中思考原理及概念，比起教師直接給予答案，此教學法更能培養學生獨立思考與探究的精神，以下就本教學活動之POE教學進行說明: 三、本活動應用融入之跨領域美感教學 透過跨領域美感教學的實施，學生可以在不同學科與藝術領域的結合下，激發出他們對於美感的體驗、經驗與學習，也能幫助他們在各學科的知識、情意、技能表現上有所進步(喻薈融, 趙惠玲, 林小玉, & 李其昌，2015)。本活動在美感教學上介紹了各個國家的民俗舞蹈(巴西森巴舞、夏威夷草裙舞等)與舞者的樣式，以及各種舞臺的背景(歌舞劇、舞台劇、奧斯卡頒獎典禮等)，讓學生跳脫出以往的框架，思考與創作屬於自己風格的旋轉舞者。 四、教學目標 五、教學對象 本次教學活動對象為某臺北市公立國小五年級，共27位學生。 六、教學時間 本次教學活動時間為六節課，每週2堂課，共3週；每節課40分鐘，共240分鐘。 七、教學活動 八、實作工具與材料 (1)工具 (2)每人所需材料 圖1.旋轉舞者每人所需材料 九、作品製作流程 組裝外框 圖2.先將一片底座插上兩邊支架，再把另一片底座裝上(如會左右歪斜可用白膠加強固定)。 組裝圓盤 圖3.將其中一塊圓盤沾上些許白膠，另一塊圓盤蓋上並壓緊(白膠只需少許即可，避免沾到中間的孔洞)。 彎曲鐵絲(120mm) 圖4.先將鐵絲內凹交叉，並用尖嘴前拉回(頂端要緊密一點)，接著夾住上方往下凹成扣環。 圖5.將靠近自己那端的鐵絲往上凹折，呈現一直線，下方則掛上鉛錘。 彎曲鐵絲(450mm) 圖6.先將圓棒拿出備用，並將鐵絲一端先用尖嘴鉗彎折約1公分，卡入後方溝槽中。 圖7.先對著背面較長的黑線，再往前依序按照斜線纏繞，完成後將圓棒取出。 組裝鐵絲(450mm) 圖8.將纏繞好的鐵絲裝入支架中，長端則利用尖嘴鉗彎折成L型，當成轉動的把手。 組裝鐵絲(120mm) 圖9.將裝好鉛錘的掛鉤掛上，並測試轉動時是否旋轉順暢，鐵絲有無保持在同一水平上(上下擺動幅度小)。 人偶繪製 圖10.在西卡紙上畫上人偶的草圖並著色，完成後用剪刀剪下，並用白膠黏在圓盤上(注意人偶必須畫到圖紙的底部)。 背景繪製 圖11.先在背板打上草稿，再利用繪畫工具上色，完成後安裝在支架後方的掛鉤上。 測試修正 圖12.將圓盤套在鐵絲上，測試舞者是否能正常前進後退、旋轉。 三、教學成果 本教學活動於某臺北市公立小學五年級共27名學生，進行POE探究與跨領域美感實作活動-旋轉舞者，此旋轉舞者課程，除了實作外，更重要的是學生進行探究的過程，藉由觀察並與之前經驗做結合，推理出其中的科學原理，進而激發他們的學習力與創造力，經過了六節課的實施，得到以下結論:1.活動目標方面，在教師的適當引導下，學生皆能完成屬於自己的旋轉舞者，並能有自行設計的創意表現。2.操作技能方面，學生在實作過程中都能積極參與，並且能注意工具的安全使用原則。3.情意態度方面，學生十分踴躍的發表自己的意見，也會與同學互相討論、交流想法，並熱愛本次的課程。 四、教學建議 根據本課程所實施的教學活動，可提出以下建議:1.在原理解說的部分，因為有些學生對於螺旋的概念並不是很清楚，建議可以多融入一些日常生活中的實際例子，幫助學生思考與釐清概念。2.工具操作的部分，發現在用尖嘴鉗彎曲鐵絲時有部分學生彎的不是很順利，有些會彎錯方向或是彎的不夠筆直，會有顯著的個體差異，建議教師每個步驟間放慢速度，確定大部分的學生彎折正確後再繼續進行下一步驟。3.設計舞者與舞臺時，發現女生的作品相較於男生而言，線條較多變化、色彩也較豐富，建議教師可以多加引導學生創意設計的部分，如遇到學生較沒想法時，教師可以提供學生創作的方向，並從他們喜歡的人、事、物尋問，藉此找到設計的靈感。 五、學生實作過程與作品 實作過程 圖13.學生實作過程:左圖為學生使用白膠組裝舞臺支架，右圖為使用尖嘴鉗彎折鐵絲。 學生作品 圖14.學生作品:左圖為女同學所創作的作品，右圖為男同學所創作的作品。可以發現左圖在舞者的設計上較具有美感，且背景的設計採用色彩疊加的方式，形成漸層的效果；而右圖在舞者的設計上使用的線條較為單一，且背景相較之下顯得較為單調。 圖15.學生在POE教學法中，透過預測、觀察旋轉舞者的運動過程，最後將可能的原因記錄在學習單上。 圖16.透過與日常生活中的經驗做結合，讓學生產生學習動機。 圖17.學生將設計的背景草圖記錄在學習單中。 參考文獻 喻薈融, 趙惠玲, 林小玉, & 李其昌. (2015). 美力跨界：跨領域美感教育之課程理論與實務初探. 國家教育研究院教育脈動電子期刊, 第二期, P.1-11. 附錄 何仁偉 國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系碩士班研究生

簡易ROV設計製作於108課綱

文/郭銘哲 壹、前言 108新課綱以「素養」做為課程發展主軸，提出「以終為始」的課程設計理念，強調教師應以學生的學習成效為標的，做為課程的教學目標，並據以擬定課程進行方式。另一方面，科技領域的STEM或STEAM的教學模式則強調結合科學(S)、科技(T)、工程(E)、藝術(A)、數學(M)等領域進行「探究與實作」的過程，並且透過實際的專題或成品製做，讓學生學習「工程設計思考」，進一步透過工程設計與專題製作的過程中，將STEM或STEAM的內涵融入其中。 在108課綱的課程架構下科技領域除了原有的必修課程之外新增了很多的選修課程，包含加深加廣的「工程設計專題」、「科技應用專題」、「機器人專題」「進階程式設計」等，但是除了這些直接與科技領域相關的加深加廣選修之外，其實尚有「校本課程」是一個發展特色課程的空間。本文即是以校本課程中的「海洋科技專題」為出發點，結合STEM與工程設計思考所發展的實作課程。 貳、海洋開發與ROV ROV(Remotely Operated underwater Vehicle)遙控操作水下載具，其鼻祖是(Unmanned underwater vehicles，UUV）無人潛航器，1953年法國人第米特里·瑞比克夫（Dimitri Rebikoff）發明了第一台UUV(無人水下載具,民109)。由此可見水下遙控操作的概念已經由來已久。實際上近二十年來由於各項海洋深度開發的需求，使得ROV與AUV的發展也突飛猛進。在傳統的海洋科技領域多集中在水上載具與水下聽音設備的開發，水下設備也以有人載具為主。但是隨著水下工作的深度越來越深，已超出人體所能承受的程度，背負水肺潛水裝置下潛的最大安全作業深度是39公尺，因此使得ROV的需求大增。 ROV主要用途包含有海洋探測、水下開發與水下設備檢測、海底油管、纜線佈放與檢測、海洋休閒娛樂等。ROV工作的深度與是否需要機械手臂或額外的動力裝置進行相關機能的操作，是不同用途的主要區別。現行的ROV普遍具有高亮度的水下燈具與高解析度的水下攝影裝置，透過連結的纜線將即時影像傳送到遠端遙控設備上顯示。 「如何抗壓」是影響水下操作設備設計的主要因素，每增加十公尺的水深所增加的「壓力」約等同一個大氣壓力，下潛至100公尺深度的ROV設計必須能夠抵抗至少10個大氣壓力。完整的ROV系統基本上需要具備：1.岸上操作平台(控制室或遠端遙控裝置)、2.纜線(臍帶)與絞盤、3.ROV下潛載具本體、4.岸上動力供應系統、5.佈放與回收裝置。隨著ROV的需求不同相關系統備也會有所增減。 浮力的產生是另一項要素，下潛深度小於100公尺的ROV浮力是以自身包覆式結構體所產生的排水量為主，但是包覆式結構體的抗壓能力視結構體強度而定。隨著水深增加，為了抗壓必須增加結構強度，材料的厚度，耐壓等級也需提升，成本也為之增加。潛航深度較深的ROV則採用開放式結構與固體浮力材料。常見的材料有化學泡沫複合材料、輕質合成複合材料、微珠(常用玻璃浮球、陶磁浮球與複合泡沫材料等三大類)的方式來製作(海洋新材料之深海浮力材料,民107)。固體式浮力材料產生的浮力，用以抵銷結構與設備重量，以期達到中性浮力。重要且不可接觸水的裝置，安裝在密閉的設備艙中並且灌滿「油」，利用油的可壓縮性較低，且再利用活塞與連通管原理，讓海水推動外部活塞調整密閉管內壓力與外界海水水壓，達到內外壓力平衡維持結構安全。 參、簡易ROV設計製作的教學 一、課程安排 本次海洋科技專題課程為每週一學分的教學時數，上課16週，實作(包含設計、製作、測試、修正、檢討等)過程大約需要至少三分之二課程時數，課程講述教學時間約4-6小時。 二、材料準備 三、學習歷程檔案與教學實況 因應108新課綱對學習歷程檔案的要求，以學習歷程檔案範例取代單純學習單。 評量： 建議可分為三大方向。 1.分階段製作進度評量(包含個人與小組的形成性評量)。 2.製作精細程度與是否完成功能(包含測試與競賽結果)。 3.學習單(學習歷程檔案)撰寫是否完整，主要授課內容與核心知識是否能夠呈現、是否發現問題並加以修正反省。 學習歷程(學習單)掃描 教學實況 肆、ROV中的STEM內涵 一、S：科學內涵 1.浮力計算 簡易ROV的浮力來自結構浮力與浮材。在設計階段，學生必須先測量與計算所使用的管狀結構材料(3/8吋PVC管)所可能產生的排水量。 以製作一個L型結構為例，使用1.長度15公分管徑三分(外徑19mm、內徑14.4mm)、2.三分管用90度彎管(外徑23.8mm、內徑18.2mm、銜接內孔長度28.5mm)。製作L行結構。 2.結構排水量(結構未鑽孔的情況下)： 15公分直管套入90度彎管後，露出長度為150mm-28.5mm=121.5mm。 90度彎管長度為長邊50.2，短邊25.8。 計算可得如前後開口為封閉狀態則所產生的排水量(體積)： 121.5X(9.5^2X3.14)+50.2X(11.9^2X3.14)+25.8X(11.9^2X3.14)=68235mm^3大約68立方公分=68g，依此計算方式可以求得所有管狀結構所產生的排水量以及動力艙的體積即可換算出結構排水量。 3.結構排水量(結構未鑽孔的情況下)： V=IR，使用市售Cat5e網路線對ROV馬達供電，電阻隨著網路線長度增加會使得ROV驅動馬達可以使用的電流減小，因此必須計算使用不同長度的網路線供電時，由線控器至ROV驅動馬達電流下降的情況，以及電壓與電流否在馬達最有效的輸出曲線中。 假設有兩條不同長度的網路線，其電阻值分別為2歐姆與2.5.歐姆，使用電壓為7.4V的鋰電池，計算其電流量如下：7.4=I x 2 得到I=3.7 7.4=I x 2.5 得到I=2.96 經由電流計算結果可以估算臍帶(連接纜線)最大可使用的長度為何?如果臍帶(連接纜線)過長，會因為電流太低導致馬達無法運轉。 二、T：科技內涵 1.機電控制 使用6P3段開關作正反轉控制，簡易ROV使用三個動力艙作三軸向運動的控制，因此也需要三個6P3段開關作馬達正反轉控制。下圖為6P3段開關作這反轉控制的接線方式。 電源開關控制使用3P兩段，並搭配開關安全蓋，緊急時安全蓋蓋上立即斷電。 2.ROV結構設計與繪圖 線控器因為要使用雷射切割因此需用電腦軟體繪圖，管狀結構部分利用手工剪切組裝即可，有尺寸標示的手繪三視圖及立體圖表示即可。 三、E工程內涵 1.PVC水管組裝 管狀結構組裝不需使用水管接著劑，直到經過測試完成確定已達最佳化不再更動才需要使用，實務上在製作完成後一定有需要修正的部分也就是工程設計中測試與修正，如果使用了接著劑將PVC管都黏住之後要進行修正就會很困難。這也是工程上模擬與測試的一環，讓學生了解在實際工程上需要面對的問題。 2.中性浮力：ROV必須達到中性浮力，才能夠穩定的上升和下沉。 3.正 浮：ROV必須達到正浮(以結構中心為準，水平面上的四個角落與水面的距離必須相等。 4.水密措施：密封馬達的膠捲桶必須確實防水密閉。 5.方向控制：螺旋槳的旋轉方向必須正確，且與機體的夾角必須正確。以免推進時偏離預定行進路線。 四、M數學內涵 在簡易ROV的製作過程中，數學計算部分多為較簡單的一般計算，但是如果是較為進階複雜的ROV控制，例如：具有感測與回授控制電路與程式時，就需要較為複雜的計算能力。 伍、結語 108新課綱所帶來的課程鬆綁與改變，讓科技領域相關的課程有了很大的空間進行推展。特別是除了原有的加深加廣課程之外，各校有許多開設校本課程或微課程的空間與時數，可以提供學生更多面向的探索與學習。科技發展越來越快速，因此科技教育的推展是讓台灣的下一代能夠持續保有競爭力的重要措施，而STEM或STEAM的教學模式可以讓學生真正將所學應用與融合，並且培養出實際動手解決問題的習慣與態度。加上工程設計觀念的導入，相信更可以強化學生有系統地解決問題的能力，培養出學生的科技「素養」。 這樣的「素養」能力當然不是一朝一夕立刻可以培養完成，但是相信透過不同年段(國中、高中)，不同的課程教學，相同的核心概念推動，經過一段時間的學習，我們可以讓學生建立起「科技素養」與「解決問題的能力」。 參考資料 1.無人水下載具 (民109,10月)。維基百科 2.海洋新材料之深海浮力材料(民107,12月)。中國腐蝕與防護網 郭銘哲 國立岡山高級中學生活科技教師

從兒童文學的作品中探索「穩定與改變」的概念

文/劉淑雯、鍾宇瑄 前言：「變化」有「常」，「常」中生「變」 生命從誕生的那一刻起，即開啟了一場科學之旅。我們從零開始，又以零為終，在看似平凡的週期裡，蘊藏著豐富的科學智慧，人的一生因科學而精彩，也因科學而創造出日常的不凡。 透過《分享書，談科學：用兒童文學探索科學概念》一書的介紹，讓我們戴上科學的新眼鏡，在茫茫的兒童文學書海中探索《新世代科學標準》的七個跨科概念，分別有形態（pattern）、因果關係（cause and effect）、構造與功能（structure and function）、尺度（scale）、系統與系統模型（systems and system models）、能量與物質（energy and matter）和穩定與改變（stability and change）。這七項概念和生活密不可分，以致於一般情況下我們難以察覺，但如今藉由科學之眼，我們得以一探究竟並將之分析解構。 本文欲以「穩定與改變」這項跨科概念進一步探討兒童文學的內涵，文中以小魯文化2008到2018年的得獎作品為主要分析文本，其次則按主題找尋了上誼文化公司、小天下、親子天下、采實文化、格林文化、青林出版社、前衛出版社、繆思出版社之相關主題繪本進行內容分析。 一、遇見「穩定與改變」 蝴蝶翩翩飛舞，蜜蜂遍地採蜜，整個自然界生生不息。這一切如果沒有科學的參與，我們難以想像，一隻亞馬遜河雨林的蝴蝶，偶然揮動幾下翅膀，會在二週後引起一場龍捲風；我們也不曾想過，若蜜蜂在這個地球上消失，人類只能再活4年。人們習以為常的自然生態系統，如今有何物在何時、何地掀起一陣波瀾，致使其他系統發生驟變？又或是按兵不動？種種疑惑，筆者將透過下列對於「穩定與改變」的說明，一一為您解答。 （一）什麼是「穩定與改變」？ 我們需要知道的事，在任何時刻，系統不是穩定就是正在改變中。穩定的狀態可分成兩種形式：一個系統，要不是處於靜態平衡（static equilibrium），就是處於動態平衡（dynamic equilibrium）。若用物品作比擬，靜態平衡系統就像一臺釘書機，而動態平衡系統就像是個時鐘。釘書機本身是一個穩定的系統，在人按壓它之前，它自己不會做任何的動作，處於靜態平衡。但時鐘則不同，不論是否有人為的操弄，它自己分分秒秒都在移動，但是一天過去，時鐘還是原本的時鐘。 圖1. 穩定與改變示意圖 （二）何時「穩定」？何時「改變」？ 究竟要如何分辨一個系統是穩定的，還是正在改變中？「尺度」就是一個鮮明的指標。若以「時間」之尺來看一個六歲的孩子，不論是一天或是一星期來看，孩子的模樣及行為似乎沒有太大的變化（穩定），這期間的改變用肉眼實在難以察覺。但若將時間尺度拉長至十年來看，便可以看出這個孩子已經是一位活力充沛的青少年了（改變）。在成長的期間，我們可能從掉牙、生理器官的成熟（動態平衡），察覺他/她（系統）正在改變中，一旦長出了新牙及生理器官發展完全，即代表此系統建立了一個新常態，而我們也知道，這可能只是暫時性的穩定狀態，因為孩子仍在成長。 再者，我們以「數量」之尺來看一間教室。一位學生今天因為生病不能來上學，意味著這個系統正短暫的改變中（動態平衡），等他恢復健康，回到學校上課之後，這個系統就又回到了穩定狀態。若我們將尺度放大至整個校園來看，今天兩三位學生缺席，可視為一動態平衡，系統是穩定的。但如今嚴重的流感侵襲，使得校園中的學生大量缺席，那此時，這個系統就暫時處於一個改變的狀態。 （三）如何維持「穩定」又如何促進「改變」？ 既然這個系統經常在穩定與改變之間轉換著，那麼影響系統穩定還是改變的機制或元素是什麼呢？答案是「能量與物質」。如同操場上的鞦韆，下課時間小朋友開心地坐在上面來回晃盪，能量穿梭在這歡聲笑語間。等到鐘聲一響，小朋友們都進到教室上課後，此時鞦韆沒有了能量（位能）與物質（小朋友），就恢復成穩定的狀態。為方便理解，筆者舉出書中兩個例子說明能量與物質的流動如何改變系統（如下表1）。 表1. 能量與物質的流動改變系統的實例 資料來源：整理自侯秋玲、張瑞玶、劉淑雯、黃譯平、駱儀芳、翁振成（譯）（2018：144）。 另外，筆者整理能量與物質改變系統示意圖（如圖2）說明能量與物質進入穩定系統（動態平衡與靜態平衡系統）之後，如何產生改變的歷程。最後，書中提供了穩定與改變思考架構圖（如圖3）幫助讀者快速的從兒童文學中找尋穩定與改變的足跡。 圖2. 能量與物質改變系統示意圖 圖3. 穩定與改變思考架構圖 資料來源：整理自侯秋玲、張瑞玶、劉淑雯、黃譯平、駱儀芳、翁振成（譯）（2018：145）。 二、看見「穩定與改變」 有了初步的認識以後，筆者續以科學之鑑找到下列繪本，發現其中的「穩定與改變」，並依照這些繪本的屬性，分為大聲吶喊（明顯可見穩定與改變特徵）與小聲呢喃（抽絲剝繭找尋穩定與改變特徵）兩系列的書籍，其列舉說明如下。 （一）大聲吶喊「穩定與改變」 在非虛構類的書籍中，彷彿配備放大鏡般，讀者能非常容易且清楚的看到穩定與改變。如以下兩種類型的書籍：一、任何和生命週期相關的書籍即是穩定與改變的展現。如《向日葵》一書呈現了向日葵從種子，然後長出葉子，開出了花，到最後枯萎凋零的完整生命過程，顯現一個系統經歷穩定與改變的循環。二、傳記類的作品，亦讓讀者看到人物一生當中出現的穩定與改變。《改變世界的「想像力與創意力典範」：史帝夫．賈伯斯》書中描述賈伯斯求學時期的種種經歷，而後創辦蘋果公司、被公司解僱，最終回到蘋果公司，讓公司起死回生的轉折故事。 圖4.《向日葵》內頁圖畫及書封面 資料來源：出自黃郁婷（譯）（2017：10；14；15；22；23；31）。 焦點主題：河流 河流本身就是一個動態平衡系統，所以用河流來檢視穩定與改變是最好不過的題材了。下表2以《挪亞的方舟》和《讓湍河流走》這兩本書為例，進行簡單說明。 表2.以「河流」為題材的兒童文學作品解析穩定與改變 （二）小聲呢喃「穩定與改變」 此系列的書籍需以科學顯微鏡仔細觀察的方式，才得以察覺鏡下穩定與改變的世界，故為小聲呢喃。以虛構類的書籍為例，依不同的「時間」尺度，可分為「今天有點不一樣⋯」（短暫的改變時刻）、「個人生命里程碑」（改變生命的事件）和「歷史性的時刻」（將當前的系統丟進改變之中）三大主軸。關於該主軸與對應書籍節錄的內容分析，整理成下表3。 表3.虛構類書籍解析表 三、聽見「穩定與改變」 描述形態的語言文字通常都大聲吶喊著穩定，而提及形態被打破或崩解的表達方式，通常都暗示著改變，比如「我們正處於危機模式當中」。日常生活的對話中還有許多的例子，如下表4所示。 表4.穩定與改變在生活對話中的實例 資料來源：整理自侯秋玲、張瑞玶、劉淑雯、黃譯平、駱儀芳、翁振成（譯）（2018：154）。 接著，筆者欲從「書名」出現改變和「書中」暗示穩定與改變兩部分，說明如何就書的封面和字裡行間找到穩定與改變的足跡。 （一）「書名」出現改變 透過上述在生活中的例子，也能幫助我們找到書名裡有改變的書籍。以下茲就書名直接出現「改變」字眼、出現「特殊事件」及暗示「能量或物質流動」三者，進一步分述如下： 1.直接出現「改變」字眼 像是《一秒鐘的改變》和《去投票吧！：做出選擇，創造改變》這兩本書。《一秒鐘的改變》這本書利用驚人的大數據和衝擊性的圖片告訴小朋友，短短一秒鐘之內，地球上受到多少的破壞？浪費了多少的資源？另外，在總統大選前夕出版的《去投票吧！：做出選擇，創造改變》，以生活中的大小事物出發，帶領孩子勇於做出選擇，表達自身的想法，讓孩子了解投票和選舉，從而培育民主素養。 2.出現「特殊事件」 《福島來的孩子》一書，就描述了福島核災事件如何剝奪當地居民的生活。而《綠島人權燈塔》則是講述了白色恐怖時期的故事。 3.暗示「能量或物質流動」 有《超級大塞車》、《大熱天！》、《路易被吃掉了！》等書的書名可以非常清楚的看出能量與物質正在或已經轉移，讓讀者期待看到一個正在或已經改變中的系統。 （二）「書中」暗示穩定與改變 有時，我們在書中也可以找到許多具有改變性的語言文字，像是「驚喜（surprise）、再見（good-bye）、學習（learn）、回到（returned）、走了（gone）、離開（leave）或新的（new）」等。 結語：我思故我在 在分析「穩定與改變」這個章節的過程中，筆者拿起放大鏡和科學的顯微鏡親身發現、觀察、研究與歸納這個圖文縱橫的世界，以科學的方式與視角走過自然科學探究與實作的歷程，大量閱讀文本之餘，亦反覆琢磨著該如何訴諸於文字的表達與撰寫。現在想來，108課綱中所強調的跨領域、跨文本的教學或學習方法，就是希望學生能體驗這樣的過程，進而達到獨立思考與終身學習的能力。 自然科學一直是許多人最害怕的科目。但神奇的是，在繪本內容分析時，藉著語文這扇輕舟，我能盡情的在自然科學的大海中肆意遨遊，探索寶貴的科學知識，是一場悠然自得的旅行。旅行總有終點，學習永無止境，曾經走過的風景，任何我們覺得精彩絕倫的故事，不就是從一個系統的穩定或是突如其來的改變開始的嗎？ 誌謝 再次感謝小天下、小魯文化、上誼文化公司、青林出版社、采實文化、前衛出版社、格林文化、親子天下和繆思出版社授權及提供精美繪本封面照片，為推動科普繪本助力！ 參考資料 五味太郎（2002）。誰吃掉了？。臺北市：上誼文化公司。 金炫辰（譯）（2012）。改變世界的「想像力與創意力典範」：史帝夫．賈伯斯（原作者：南庚完）。臺北市：小魯文化。 幸佳慧（2012）。希望小提琴。臺北市：小天下。 林硯芬（譯）（2016）。鱷魚和長頸鹿4：勇敢的一家人（原作者：Daniela Kulot）。臺北市：采實文化。 周佩穎（譯）（2016）。超級大塞車（原作者：大村知子）。臺北市：小魯文化。 侯秋玲、張瑞玶、劉淑雯、黃譯平、駱儀芳、翁振成（譯）（2018）。分享書 ，談科學：用兒童文學探索科學概念（原作者：Valerie Bang-Jensen、Mark Lubkowitz）。臺北市：華騰文化。 郝廣才（2009）。一秒鐘的改變。臺北市：格林文化。 張桂娥（譯）（2017）。大熱天！（原作者：木曾秀夫）。臺北市：小魯文化。 郭振純（2018）。綠島人權燈塔。臺北市：前衛。 許慧貞（譯）（2013）。男孩湯（原作者：蘿莉絲．蕾辛斯基）。臺北市：小魯文化。 黃郁婷（譯）（2017）。向日葵（原作者：荒井真紀）。臺北市：小魯文化。 葉昀（譯）（2014）。挪亞的方舟（原作者：海茲．雅尼許）。臺北市：繆思。 游珮芸（譯）（2014）。福島來的孩子（原作者：松本猛、松本春野）。臺北市：玉山社。 楊茂秀（譯）（2005）。讓湍河流走（原作者：Jane Yolen）。臺北市：青林。 劉清彥（譯）（2019）。去投票吧！：做出選擇，創造改變（原作者：Mark Shulman）。臺北市：親子天下。 戴淳雅（譯）（2012）。路易被吃掉了！（原作者：John Fardell）。臺北市：小魯文化。 劉淑雯 臺北市立大學師培中心助理教授 鍾宇瑄 臺北市立大學學習與媒材設計學系課程與教學研究所研究生

融合STEAM理念，創發「自製扭蛋機」課程

文/鄭雁翎、黃琴扉 一、前言 迎上5G時代，不僅網路速度倍增，知識更新的速度越來越快，為了讓教育改上時代的變化，於是108課綱有了很大的改革，其新課綱課程發展主軸即鎖定核心素養，著重培養學生在生活情境中真實運用知識的學習表現(國家教育研究院課程及教學研究中心，2015)。1986年美國國家科學委員會(National Science Boar, NSF)發表《塑造未來：透視科學、數學、工程和科技的大學教育》（Shaping the Future: New Expectations for Undergraduate Education in Science, Mathematics, Engineering, andTechnology），提出了由科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)整合的STEM教育的綱領，建議培養優質科技人才、工程師以及數學家等，來提升國家競爭力（Bybee, 2010; NSF,1996），這樣的理念與核心素養培育的價值觀符合，也因此在當代成為教學策略的顯學。而STEAM正是STEM教育綱領外再加入A(Art)藝術領域，其中的意涵除了打破跨領域的疆界外，更期許將批判精神帶入藝術領域，並將藝術靈魂融入傳統生硬的科學領域，使科學與人文藝術更加融合，而培養全人素養(意涵參考自藝術整合與STEAM研究院)。除此之外，Art(藝術)的意涵也包含了倫理、創意、情意、態度等較內隱化的人文素養，STEAM的理念正是期待未來的學生，能在問題解決中展現面對問題的態度與情懷、解決問題的跨領域統整知識與技能，以及如何確實應用在生活中(Yakman, 2019)。 總結而言，STEAM倡導核心概念包含跨領域、動手做、生活應用、解決問題、五感學習，強調自我探索與自主學習，其教育意涵強調現實層面碰到的問題，並非單一學科或某方面特長的領域，因此建議教學策略以跨領域主題式為出發點，並輔助實作作品或其他多元方式呈現學習成果。聖地牙哥大學(University of San Diego)的Lathan博士(2020)也指出，許多專家都認同STEAM(由STEM衍伸而來)是21世紀教育的重要核心，因為STEAM的教學模式可以增進學生統整知識與技能，並用以解決問題、提高獲得資訊的能力，並且知道在下決策之前，如何整合及評價證據。 十二年國民基本教育課程綱要強調的「核心素養」與STEAM教育的核心觀念符合，強調改變學習思維、引導孩子主動學習活用知識，多注重學習過程，強調如何學和培養孩子人格特質，從興趣出發導入學習等。不同於傳統式教育，「探究」和「實作」（Inquiry & Practice）是從上課過程中學習與找尋問題，無論是觀察現象、蒐集資訊，都會使發現的問題更聚焦、更明確；在規劃與研究、論證與建模時，都會使問題更具體、更合理、更符合邏輯；最後統整表達分享、剖析問題，闡述得更明白、易瞭解、有說服力，甚至能夠解決排除疑難。換句話說，「探究與實作」正是培養學生發現問題、探索、及提升解決問題的能力與素養（陳竹亭，2017），並透過實作過程中，觸發學生的好奇力、學習力、知識力、創造力、挫折力、勇氣力、表達力、溝通力、邏輯力、合作力、耐壓力、好勝力、積極力及領導力。 承上所述，本文研究團隊設計結合了STEAM及探究與實作課程，以「自製扭蛋機」為主題，引導學生找尋材料、思考3D立體空間的轉換、激發外觀設計創意、測量扭蛋機內外鍵角度與大小及輪軸和摩擦力間的動力等關係，以下針對本團隊開發的扭蛋機教具以及教學策略進行細部說明。 二、扭蛋機教具開發與教學策略分析 STEAM教育藉由實作課程讓孩子拿回學習主導權，把學習經驗回歸於孩子自身的自主學習意識，主動且更有意願地投入學習；本團隊開發扭蛋機課程，以生活應用學習，使學習內容和生活周遭的素材連結，激發孩子的好奇心和探索力，學習把知識應用在生活中，結合生活中會遇到的問題，從面對問題的過程中學習做出有意義的決定，也可從中驅動學習動機，培養自信和獨立。以下，先針對扭蛋機材料(如圖1)及製作步驟進行陳述(如表1)，再針對STEAM概念與課程核心進行陳述(如表2): 一、使用材料 每人需準備: 紙箱、空寶特瓶(600ML，圓筒狀為佳)、剪刀、美工刀、膠帶、透明塑膠板、彩繪用具。以上任何材料都可用別的媒材替代。(如圖1) 圖1.自製扭蛋機材料 二、扭蛋機製作步驟(如表1) 表1 扭蛋機製作步驟 三、在扭蛋機的教學策略上，本團隊結合STEAM的跨域精神，設計相互搭配的課程活動，活動主要架構如2所示。 表2、STEAM概念與課程核心 四、課程實施經驗與結論 本研究課程融入科技玩具主題的製作，設計使用生活常見媒材，可有效提學生的升學習興趣並與生活常見媒材聯結，透過教學引導學生學習觀察事物及學習提問，從課程中發現問題、解決問題。進行自製扭蛋機課程時發現，學生對老師依賴性很高，對自己較沒信心、害怕失敗，因此教師上課過程中需建立學生的信心，給予適當的鼓勵。製作作品過程中常發生尺寸測量有偏差使旋轉扭無法轉動、扭蛋無法順利滾動、黏貼不夠牢固，過程中會解體等問題。因此教師須耐心講解每個步驟，並落實設計組裝。本課程在實施過程中發現，大多國小中年級學生在使用工具時(如:刀具、膠帶等)，因力氣不足，較無法順利操作使用；而多數國小高年級學生，較能夠自行組裝，甚至有更豐富的想像力去設計扭蛋機裡外結構與外觀。建議後續研究者可針對不一樣的簡單機械原理去設計更進階的扭蛋機。 參考文獻 1.國家教育研究院課程及教學研究中心(2015)。十二年國民基本教育領域課程綱要-核心素養發展手冊。臺灣：國家教育研究院。 2.國家教育研究院(2018)。十二年國民基本教育領域課程綱要-議題融入說明手冊。臺灣：國家教育研究院。 3.陳竹亭（2017）。探究與實作的課程評量。取自 http://probe.ceec.edu.tw 探究與實作的課程評量。 4.葉栢維(2017)。STEAM理論融入國小科技實作的活動設計：橡皮筋動力車向前衝。科技與人力教育季刊，4(1)，63-75。 5.黃琴扉、蘇子珺(2018)。五分鐘完成的STEM簡易科學實驗－自製炸彈包。科學研習月刊，58(3)。 6.黃琴扉、李易澄(2020)。音樂摩天輪STEAM創意課程。科學研習月刊，59(5)。 7.Bybee, R. W. (2010). The teaching of science: 21st century perspectives. Arlington, VA: National Science Teachers Association Press. 8.Lathan, J. (2020). Why STEAM is so important to 21st Century Education. 20201120 9.Yakman, G. (2019). STEAM-An educational framework to relate things to each other and reality. 20201120 鄭雁翎 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

科普活動報導－2020高中生太空酬載研習營

文/趙吉光 今年在新型冠狀病毒的肆虐下，正憂心是否能持續舉辦營隊活動。好在國內疫情控制得當，在符合防疫規定的情況下，我們順利在2020/7/20-2020/7/24之間舉辦「2020高中生太空酬載研習營」。舉辦的目的是希望能提供國內高中生實際動手學習參與太空科學任務的機會，以推廣太空科技教育，扶植國內太空科技人才。此次首度由社團法人臺灣太空科技學會主辦，由國立中央大學（以下簡稱中大）太空科學學系（以下簡稱太空系）承辦。希望對太空科技有興趣的學子能經由本營隊的學習認識太空科技，未來可考慮報考唯一以太空科技為重心的中大太空系。 活動沿革 本營隊延續過去中大研發處的「高中生暑期參與實驗室研究活動」（2010-2013）、中大桃竹苗區域教學資源中心的「高中生參與探空火箭任務」（2012-2014）、中大太空科學研究所（簡稱太空所，2015-2017）與國家實驗研究院國家太空中心（簡稱太空中心，2017-2019）的「參與人造衛星任務」，迄今中大太空所已連續承辦10年，參與學員已達420名。過去任務訓練完畢後，還會安排帶領表現優異的學員補助參加國內的探空火箭發射活動（見圖一），如探空八號（2013/6/5於屏東九鵬基地飛試，中大補助）、探空九號（2014/3/26於屏東九鵬基地飛試，中大補助）、探空十號（2014/10/7於屏東九鵬基地飛試，中大補助），或是國外的運載火箭發射活動（見圖二），如福衛五號（2017/8/25於美國范登堡空軍基地發射，太空中心與桃園市教育局補助）、福衛七號（2019/6/25於美國甘迺迪太空中心發射，太空中心與桃園市教育局／青年事務局補助）。 報名來源 過去三年在太空中心的主辦下，每年可吸引70-80人次報名。此次只在粉絲專頁以無付費方式推廣，又無法提供任務訓練後的參訪活動，此次營隊完成報名人數僅有52名，學員分別來自25所高中（22所公立高中、3所私立高中）。其中男女比例為32：20名。年級分布為41名高一生、11名高二生。區域分布為28名來自北北基、4名桃竹苗、16名中彰投、2名雲嘉南、1名高屏、1名東部與離島。申請者須貼寫申請表（基本資料、參加動機、過去特殊表現）與提供現階段（學期）成績單，經評分後（申請表80%、成績單20%）選出40名同學，男女比例為24：16。 課程內容 在為期5天的密集學習課程（見圖三），上課時間為每天上午8:00至下午17:00，共40小時。上課地點在中大太空系的健雄館。除白天上課外，晚上亦開放學員在教室練習實作（至晚上21:00結束）。除此之外，還在第二、三、四天正式課程結束後，增加參觀中壢特高頻雷達站、參觀S-band地面接收站與任務操作中心、聆聽中大太空科學與科技研究中心劉正彥主任演講「臺灣太空科技發展」。課程內容如下表： 營隊的課程主要是學習如何自製電漿量測儀器，完成量測儀器的電路板，在太空電漿模擬艙測試是否可正確量測電漿訊號。營隊會以組為單位，每4人一組，共分10組，按照報名順序、男女均衡、非同校為原則進行分組。每組配有已安裝好各項軟體的筆記型電腦、NI ELVIS III、NI myRIO、測試電路板、電路板焊接組等裝備，也鼓勵學員自備筆記型電腦上課。課程講義皆可自中大校園網路下載電子檔案。學員須將五天所學內容彙整至小組心得發表，以簡報方式向營隊報告（見圖四）。同時須完成個人心得報告，在營隊訓練完畢一個星期後繳交，可自由發揮。通過學習評估者（學習成效，如提問、練習、小組心得發表60%、出席狀況20%、個人心得報告20%），可獲頒中大太空科學與工程學系2020高中生太空酬載研習營的結訓證書。 課程特色 相較於現今暑期大學營隊，本營隊主推讓學員專注在學習內容，因此完全沒有團康與聯誼活動。事先申明本營隊的課程繁重，若對於程式撰寫、專業軟體使用、動手做實驗排斥者，請勿嘗試申請。學員在自我介紹或個人心得報告有時也會提到，他們就是排斥有團康的大學營隊，本營隊便是提供不同的出口。也正因為希望學員能專注學習，本營隊選擇校外飯店的雙人房（過去營隊也曾住在校內的中大會館），非一般大學營隊提供學生宿舍的多人房能比擬。能將學員繳納的費用都花在學員身上，也比較符合主辦單位非營利的性質。此外，本營隊是由教師主導營隊的各項活動，研究生或較資深的大學生擔任部分的課程講師與助教，而非全由大學生主導營隊活動，也會讓學員家長較為放心。 若仔細查看課程內容，相信絕大多數有教學經驗的人，都會覺得本營隊的課程與實習內容太多且難，學員在短短幾天內絕對無法充分理解與吸收。當初課程的設計是讓中大太空所的研究生新生能在短期內瞭解實驗室的各項軟硬體設備，進而早日發掘學習方向與檢驗是否能適應實驗室生活。學習內容包羅萬象，幾乎將太空酬載實驗室的所有裝備都拿出來演練。一般正常的的課程，一定會考慮學員程度，以學員對新知的吸收能力而調整課程難易度。本營隊的課程恰好相反，完全不管學員是否可在短期內完成理解或吸收，當下就透過實作或練習題來驗收。 學習歷程 當認真求學的高中生遭遇到本營隊的學習內容，會產生以下反應：首先課程強度太高，學員一開始會不知所措，以為大家都聽得懂，只有自己不懂。詢問其他學員後，才發現大家都一知半解，大家只好硬得頭皮問講師與助教或是上網查資料，再與其他學員相互討論。而後發現習作太多，無法在當天的課堂時段就完成，必須在課後花更多的時間與同組學員一起嘗試與討論。幾天下來學員的體能與學習專注力會緊繃到極限，只靠當初的滿腔熱血硬撐著，但開始體認到接下來必須要分工合作，讓各學員主導自己最擅長的內容，否則大家都無法在時限內完成所有習作。這正是本營隊想要塑造的學習氣氛，讓學員放棄本位主義，各學員都有機會交互扮演發動機或螺絲釘的角色，除了要同組學員共同合作也需跨組學員相互幫忙，這也是執行太空任務最重要的精神之一。我們不清楚這種做法是否有學理的依據，僅從過去的觀察發現，不要小看高中生的學習與合作能力，在適當的指引下，還是有團隊可達成學習目標。 未來方向 幸運的是，絕大多數的學員還是肯定本營隊帶給他們的正向衝擊，每年還會有好幾名學員報考中大太空系，最後也成為我們的研究主幹。當然本營隊還是會遇到學習不適應的學員，也反應與預期的學習內容不同，原先想學習太空科學的現象與研究，哪知變成電機／機械營，在此我們僅能向他們說聲對不起，我們在學員的學習性向篩選會更留意。但即使如此，今年學員們還是非常努力，都順利獲得本營隊的結訓證書，他們正向的回饋成為我們繼續辦理「太空酬載研習營」的動力。明年我們會擴大與太空系老師的合作，增加「太空科學研習營」與「立方衛星研習營」，以滿足國內高中生探索太空科技各面向的需求。 圖一、高中生暑期參與實驗室研究活動（2010-2013）與高中生參與探空火箭任務（2012-2014）的活動剪影。 圖二、高中生參與參與人造衛星任務（2015-2019）的活動剪影。 圖三，2020高中生太空酬載研習營的活動剪影。 圖四，2020高中生太空酬載研習營小組心得報告。 趙吉光 國立中央大學太空科學與工程學系教授

深耕女力科學-「傑出女科學家」桌遊推廣成效初探

文/陳萱、黃真瑱、呂玉環、蘇萬生 圖/陳萱、黃真瑱 圖1曾曉琪老師、科教館蘇萬生博士和金華國小一年四班女生 我是女生，我努力。我是女生，我可以。 在現今的社會環境中，性別不平等的事件仍層出不窮，雖已有相關的制度與法規來規範，但要真正落實，還是需要人們有性別平等的觀念意識，所謂平等，是希望每個人不管是在社會、家庭都能受到平等的對待；而在一些特定領域裡，性別刻板印象尤為明顯，但專業是不分性別的。在現今的時代，有很多女性傑出人才為這個社會做了許多貢獻。因此，本文將介紹關於推動女性傑出人才活動意涵及推廣活動，期望可以幫助人們建立性別平等的觀念意識以及透過向下紮根的教育，消除小朋友自幼可能存在的性別偏見，以降低女性在數理化相關領域處於劣勢的情況。 一、推廣「傑出女科學家」桌遊之重要性 科技部為因應我國推動性別主流化政策，推動我國「性別與科技」研究與相關政策的發展，自2011年起至今徵求了三期計畫，希望以「智庫」的方式提供科技部「性別與科技」的相關政策建議。其第三期計畫(現持續進行的計畫)為銜接第二期計畫的成果，將兩大理論概念-「性別平衡」與「性別化創新」，轉化為兩大具體目標-「性別友善」與「知識創新」，其計畫由長期關注性別與科技研究的學者所組成的跨領域團隊來執行，希望將學術領域結合社會科學與理工科技，從多元與互補的角度切入，來達到促進科技領域性別研究規劃推動之目的。 此外，科技部亦有「女性科技人才培育計畫」及「鼓勵女性科技研究計畫」，其目的為針對我國女性於STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics) 領域的學習以及參與現況，提出促進措施與活動或出版設計，希望藉以提升女性對於學習科學的興趣，並增進女性參與科學及從事科學工作，根據科技部科學技術統計要覽等相關統計資料，全國高等教育部門研究人員男女性別比例約67：33，申請科技部專題計畫男女性別比例約76：24，顯示約有三分之一女性研究人員的研究量能尚具發展空間。女性在科學及技術領域研究的實力堅強且具貢獻，但常因受到不同階段的外在挑戰，而不斷從研究領域流失，因此，為了擴大女性研究量能，科技部自107年度起特別規劃徵求「鼓勵女性從事科學及技術研究專案計畫」，希望能藉此擴大女性研發能量，提升我國整體科技發展動能。 二、「傑出女科學家」桌遊推廣目的與內容 配合108課綱新趨勢，12年國教總綱裡主要核心為素養，此意旨人們為了適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力和態度。師大教育心理與輔導學系教授兼心測中心主任陳柏熹表示(王一芝，2019)，「將知識、能力、態度三者合一，就成為孩子未來面對快速變遷世界所需要的素養。」桌遊學習即結合了此觀點。 （一）「傑出女科學家」桌遊推廣目的 「臺灣STEM築夢女傑知多少」桌遊為國立臺灣科學教育館(以下簡稱科教館)與臺北市立大學師資培育及職涯發展中心助理教授劉淑雯合作開發，以臺灣女性科學家的專業及生平貢獻為主題，讓參與者在一邊遊玩的同時，不僅可以更認識臺灣的女性科學家，也可以學習相關知識，希望可以提升女性對科學相關領域的興趣以及消除對於性別的刻版印象。 （二）「傑出女科學家」桌遊內容 此桌遊有「人物卡」、「事蹟卡」及「幫助卡」三種卡別，人物卡又分了四大領域的女科學家，分別為理科、工科、生科和社科，不同科別以不同顏色牌卡標示，事蹟卡為各科領域女性科學家相對應的事蹟，而幫助卡則是介紹遊戲的相關玩法(如圖3)。此桌遊建議人數為一組3-5人，適合年齡在10歲以上，哪位小朋友先收集到3位科學家的事蹟卡（9張）即可獲勝。而在收集完一位科學家的生平事蹟時（3張事蹟卡），要分享該位科學家的生平故事。 （三）「傑出女科學家」桌遊遊戲規則 在遊戲開始前，先挑出特定領域的人物卡及事蹟卡，並將挑出的人物卡全數攤開於抽牌區（事蹟卡）四周，每人手中共有4張手牌及1張幫助卡，於每回合可執行一個動作，但在回合結束後，手中牌卡須維持4張。接著遊戲開始，首先，每人拿一張人物卡放於自己的積分區（最多不可超過3張），接著從抽牌區抽出一張事蹟卡，再從手牌中丟出1張事蹟卡於積分區或棄牌區，或者從他人的棄牌區拿1張事蹟卡，再從手牌中丟出1張事蹟卡於棄牌區或丟其他事蹟卡於積分區（此牌不可為剛剛拿取的事蹟卡），再者，也可詢問任一玩家有無自己想要的事蹟卡，若有，彼此要互相交換相同數量的事蹟卡，若無，即結束此回合(劉淑雯、魏誠佑，2018)。 三、「傑出女科學家」桌遊實施情形 科教館邀請了臺師大超導體實驗室陳鴻宜教授和曾曉琪老師於晨光時間入班說故事，主題為「臺灣女性傑出科學家」，對象為金華國小低年級的學生。老師首先用投影片介紹了臺灣五位傑出的女性科學家以及她們的事蹟貢獻，分別為研究物理理論計算的周美吟院士、研究超導、半導、磁性超晶格的郭瑞年教授、研究類固醇功能調控、斑馬魚發育等的鍾邦柱院士、研究輸血醫學、血液病理的林媽利醫生以及研究女性主義、性別平等的蔡麗玲教授，這些研究的範疇包括物理、計算機、醫學、社會科學、生物不同領域，非常令人敬佩。 在介紹的過程中，孩子主動問了好多問題，例如什麼是「超導」?什麼是「半導」?這些看似不易回答的題目，曾曉琪老師發揮專業用了很淺顯易懂的方式回答孩子，「超導」就是「超級會導電」，「半導」就是「一半會導電」，結果孩子就懂了，還有「晶圓片」、「usb」等提問，老師也非常有耐心的一一回答孩子們的問題。 （一）有獎徵答引發學習動機 接著，老師為了測驗孩子們的記憶力，用有獎徵答的方式，透過相關專業領域的圖片詢問孩子相對應的分別為哪一位女性科學家，孩子們不僅非常踴躍回答問題，回答的也很正確，顯示了孩子對學習的興趣及專注力。最後，在孩子們對臺灣女性科學家有初步的認識後，擇另外一天的晨光時間，老師帶領孩子進入桌遊教學。 （二）桌遊卡牌配對加深記憶 情緒記憶指出人們常處於不同情緒之中，如高興、難過、激動、消沉、憤怒等等。在不同情緒狀態下，對訊息的記憶過程可能也會不太一樣，在情緒良好的時候，對某些訊息的記憶可能會較深刻，因此，此時可能會提高對某件事的興趣，也會使人們更容易接受訊息、記住訊息(情緒記憶，MBA智庫百科)。相比一般課堂上的單一聽講，小孩子在「玩」的過程中，情緒大多會較開心，桌遊學習結合了「寓教於樂」，把原本需閱讀的大量文字作了簡化，在以娛樂性的活動方式，與文本要學習的知識進行結合，此不僅可以增加孩子對學習主題的興趣，也能讓孩子在學習知識的過程中印象會更深刻。 圖2.曾曉琪老師向學生們介紹臺灣女性科學家的事蹟貢獻。 圖3.曾曉琪老師用有獎徵答方式詢問小朋友相關專業領域的圖片為哪一位女性科學家。 圖4. 曾曉琪老師上課投影片，向孩子們介紹卡牌種類。 圖5.尋找自己的事蹟卡中是否可配對到自己所拿取的女性科學家。 圖6.透過桌遊學習，可讓孩子學習人際互動及表達溝通等能力。 （三）臺灣傑出女科學家系列影片給予正向啟發 為了能更擴大以及延伸推動女性科技人才向下紮根，幫助孩子更進一步地對女性傑出人才有更深入的認識。因此，在孩子們透過曾曉琪老師的入班說故事、遊玩桌遊之後，對女性傑出人才有了比較為初略的認識後，老師從網站上搜尋了臺灣六位傑出女科學家系列的影片於課堂上播放給學生觀看。 分別為第三屆臺灣傑出女科學家獎得主，研究B型肝炎及C型肝炎病毒領域的吳妍華博士；第三屆臺灣傑出女科學家獎得主，新生兒膽道閉鎖的專家、嬰兒大便卡的發明者張美惠博士；第四屆臺灣傑出女科學家獎得主，改寫台灣地震理論的馬國鳳博士；研究類固醇功能調控、斑馬魚發育等的鍾邦柱院士；研究超導、半導、磁性超晶格的郭瑞年教授以及第五屆台灣傑出女科學家獎得主，研究甲殼類疾病及免疫學的羅竹芳博士。 此系列影片不僅搭配曾曉琪老師在課堂上介紹過的傑出女科學家，也額外補充了四位女科學家的介紹影片，希望能藉此更加深學生的印象，影片裡詳盡介紹了傑出女科學家的成長歷程、專業研究領域以及她們所付出的貢獻，雖然影片提到的有些內容對低年級的孩子而言可能較為艱澀難懂，在理解力上面會稍微有一些挑戰，因此要一一為學生們解說，並且從孩子觀看影片和聽解說的過程中，可以看出學生對那些領域產生興趣，此不但可以培養孩子進一步將興趣發展至生活中，也能達到對於所要教導給孩子們的知識具有正向功能。 圖7.老師於課堂上播放《傑出女科學家系列-鐘邦柱博士》的介紹影片。 圖8.老師於課堂上播放《傑出女科學家系列-張美惠博士》的介紹影片。 （四）「傑出女科學家」桌遊結合繪畫比賽 經過晨光時間的入班說故事、臺灣女性傑出人才影片介紹及玩桌遊活動後，趁著小朋友記憶還較深刻之際，舉辦了一個小型的繪畫比賽，希望可以鼓勵學童認識女性傑出人物，擴大及延伸推動女性科技人才的功能，加強建立學生了解女性傑出人物的奮鬥事蹟，期望透過繪畫比賽的整個過程，促使學生發揮創意、可以更深切體認女性科技人才培育的核心價值，並身體力行於生活中。 繪畫不僅是一種藝術才能，它對情感思維的發展過程也有推動作用，它可以幫助孩子表達內心情感、提高觀察能力、發揮想像力創造力以及提供孩子的記憶力。繪畫也是孩子最直接、自由及便捷的情緒表達方式，他們會通過自己的親身體驗以敏銳的觀察力，豐富的想像力，把所見所聞以不同的繪畫方式做表達，雖然有時我們會看不太懂孩子的畫，是因為我們跟孩子的想像力、認識能力有落差，我們可以詢問孩子畫的是什麼，但不要急於批判，否則可能會因此扼殺孩子的想像力，孩子多會按照自己的興趣、意願來隨意塗抹顏色，在他們眼裡，世界是非常豐富多彩的，不受固定格局限制的他們能注意很多大人無法注意到的細節，有時孩子的內心甚至比大人還敏感細膩，這些都是孩子對觀察能力的表現(Aimee媽媽育兒分享，2017)。 此外，對孩子來說，記憶效果的好壞，取決於二種原因，一為受到外界事物特點的影響，越直觀、鮮明的事物，孩子會越容易記住；二是會受到孩子興趣的支配，有濃厚興趣的事物就會越容易記住(Aimee媽媽育兒分享，2017)，因此，當孩子對繪畫產生了興趣，並搭配所要教授的知識應用於繪畫中，對孩子的學習也會帶來正向的影響力。 圖9.女性傑出人物繪畫作品 圖10.女性傑出人物繪畫作品 圖11.女性傑出人物繪畫作品 圖12.女性傑出人物繪畫作品 四、「傑出女科學家」桌遊推廣目的與內容 （一）透過傑出研究者的啟發 2004年，傑出人才發展基金會特別邀請了52位不同領域的女性學者，包括中研院院士、傑出人才講座得獎人及國科會傑出研究獎得獎人，集結成一本書，名為《傑出女性學者給年輕學子的52封信》，期望透過她們的人生經歷，帶給年輕讀者有所啟發(李遠哲、蕭新煌，2004)。 （二）舉辦傑出女性人才短講 學校可以多辦理女性傑出人才的短講，讓學生了解，不管是任何領域，都不應該存在性別之分，改寫台灣地震理論的女科學家馬國鳳表示「不需要去強調女性有甚麼不能或男性有甚麼不能，因為每個人都有不同的特質在裡面」，相信只要有熱忱並且不畏艱辛，每個人都有機會為這個世界貢獻一份心力，以此希望透過向下紮根的教育，可以消除許多既定的性別刻板印象，鼓勵更多女性投入STEM領域發展。 （三）舉辦女性人才親職講座 除了向下紮根之外，父母也能透過參加傑出女性科技人才親職講座的方式，了解傑出女性科技人才，許多孩子自幼的性別刻板印象，可能也源自於自身的原生家庭，因此，父母的教導極其重要，孩子除了透過在學校的教育外，若家長可以從小幫助孩子灌輸正確的觀念，對於孩子的學習及推廣傑出女性人才的目的均會帶來正向的影響。 （四）課堂帶領傑出女科學家系列繪本小故事 「繪本」，是一種以圖畫為主、文字為輔，甚至為完全沒有文字只有圖畫的書籍。通常以大量圖畫來呈現，強調視覺效果，以版面大而精美的插畫來強調情節主題，藉此引發兒童觀賞及閱讀興趣為目的(繪本教學，教育百科)。對於兒童來說，由於認識的字還不是那麼多，如何不用太艱深的詞句就能將想授與的知識傳達給兒童並使其了解，繪本便是一種好方法。繪本的題材非常多元，且多使用孩子可以解讀的詞彙及熟悉的語句結構，簡淺的文字加上細膩的插圖(慧心學堂，2015)，往往可以吸引兒童的目光，使其既能學習又能達到教育的目的。希望未來可以繪本的方式，向孩子們介紹更多的女性科學家，以跨領域的教學，像是數學、科學、工程等，讓孩子不侷限在單一領域。老師也希望讓孩子不只認識臺灣的女性科學家，還可以多認識外國的女性科學家。此外，學校若有晨光媽媽說故事的時段，老師也希望可以跟晨光媽媽配合，找一些關於女性科學家的小故事作介紹，以藉此搭配課程，讓孩子們能更熟悉更印象深刻。 參考文獻 科技部補助性別與科技相關規劃推動計畫網站。 王一芝(2019)。108課綱新趨勢：全球教改都在推「素養」，台灣做對了嗎。天下雜誌，685期。 劉淑雯、魏誠佑(2018)。「臺灣 STEM 築夢女傑知多少」桌上遊戲研發與推廣。台灣教育評論月刊，7(10)，頁130-143。 情緒記憶-MBA智庫百科。 Aimee媽媽育兒分享(2017)。畫畫能帶給孩子什麼？談談繪畫對幼兒成長的影響和重要性。親子-每日頭條。 詞條名稱：繪本教學。教育百科。 慧心學堂(2015)。教育科普：兒童繪本的教育意義和功能。親子-每日頭條。 李遠哲、蕭新煌(2004)。傑出女性學者給年輕學子的52封信。天下文化。 陳萱 國立臺灣科學教育館推廣組計畫工讀生 黃真瑱 臺北市立金華國民小學教師 呂玉環 國立臺灣師範大學教育學系博士候選人 教育部人事處專員 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯

能源教育議題課程的發展與實踐 －科普素養的向下紮根

文/黃真瑱、陳世文、蘇萬生 圖/黃真瑱 圖1.全國科學探究競賽-「這樣教我就懂」，國小組參賽作品「輻照食物照過來」獲入選獎，圖中由左至右是金華國小一年四班學生趙之瑜、劉沂凝、劉曼亞及曾振富校長。 壹、前言 能源是人們日常生活中不可欠缺的要素，在十二年國教課綱中也被列為重要的教育議題，希望增進學生對於能源基本概念的認識，培養學生對於能源的正確價值觀，並養成日常生活中節約能源的思維、習慣及態度。由此可見，學生對於能源的認識是相當重要的科學素養。為了能夠有效在校園中推動能源議題的實施，培養學生對於能源教育議題的學習素養，國立臺灣科學教育館自109年度起著手進行科技部專題研究計畫(原子能合作代辦研究計畫)－「培育學生之核能素養-網路專題式學習之取向」，透過原子能委員會提供之數位影音資源，結合學校晨光時間設計能源教育主題式教學，並鼓勵學生參與2020年全國科學探究競賽及行政院原子能委員會形象公仔設計徵選活動，以培養學生對於能源議題有更深入的瞭解與體認，也提供其他學校未來推動能源教育議題課程發展與實施之參考。 貮、課程設計理念 由於臺灣的天然資源短缺，能源發展受到許多限制，因此認識能源對於國人是相當重要的議題，社會大眾應對能源發展有更正確與深入的認知。臺灣目前電力來源主要分成四大能源類型，根據民國107年度發電佔比為例，火力發電的比例最高，佔82.2%，核能發電次之，佔11.4%，而再生能源發電為4.9%，抽蓄水力發電僅1.4%，其中社會大眾對於核能發電議題討論最多，尤其是大家聽到核能輻射時幾乎是「聞輻色變」，擔心核能對於人類身體、自然環境、社會安全造成危害。核能發電雖然是大家耳熟能詳的用詞，但多數人對其卻相當陌生，因此存在許多好奇的問題，例如核能是怎麼來的？它是怎麼發電的？核能輻射是什麼？核能發電也可能對於人類與環境產生影響，例如輻射線對於人體及環境有危害嗎？如果發生核能災害的時候該怎麼辨？輻射線在我們的日常生活有什麼應用呢？核廢料該怎麼處理？核電廠老舊除役後應該怎麼辨？能源轉型是什麼？這些問題涉及到許多科學原理、生活環境影響的層面，也是我們在擔心核能輻射可能造成的危害背後，應該瞭解的核能知識，我們也有必要在學校科學教育中讓學生瞭解這些與核能相關的問題，在學校課程中推動能源教育，幫助學生建立對於核能的正確價值觀。原子能委員會網站(www.aec.gov.tw)拍攝了一系統有關核能的影片，這些影片提供對於核能科學知識與輻射防護的瞭解相當豐富的教學資源，這些影片教學資源若能連結學校課程，相當有助於培養學生對於核能的科普素養，讓學生對能源教育議題的內涵有更深入的瞭解與體認。 參、課程主題與教學目標 根據前述的課程設計與發展理念，本文構思培育學生核能科普素養所應具備的三個主要課程向度：包括「核能知識」、「生活應用」、「環境影響」，並從原子能委員網站所提供的系列影片中，挑選與這三個主要向度相關的課程主題，如表一所示，「核能知識」、「生活影響」、「生態環境」每個向度各有三個主要的課程主題，因此整個系列課程共計有九個與核能相關的課程主題。 根據此三個課程向度所訂定的主題擬訂教學目標，因此各課程主題的教學目標如下，預期學生在上完這些課程之後，能對於核能能源議題有深層之理解。 一、「核能知識」向度的教學目標 （一）能初步瞭解核能發電的原理 （二）能初略和輻射線的種類與臺灣核電廠的現況。 （三）閱讀與瞭解原子能相關科學家的故事。 二、「生活應用」向度的教學目標 （一）能知道放射線在生活、科學及醫療上的應用。 （二）能瞭解核災事故發生時該有之行動與處置作為。 （三）能瞭解能源轉型的議題與生活之間的相關應用。 三、「環境影響」向度的教學目標 （一）能瞭解放射線對人體與環境的影響。 （二）能瞭解核廢料的處理方式與環境之間的相關性。 （三）瞭解核電廠除役的目的，並加深對能源轉型的概念。 肆、課程主題實施方式 在109年1至2月份，研究者共同規劃課程主題、研擬教學目標，以及彙整教學影片，討論課程實施之次數與方式，接著在109年3月至6月期間，每周利用學校晨光時間實施1個課程主題，實施的對象主要是國小低年級學生共計29名。課程實施方式分別說明如下： 一、「核能發電原理」主題實施方式 （一）引起動機：請學生觀察三張有關「火」的圖片（營火晚會、升火、燭火)，並說出自己看到圖片哪些線索。最後統整圖片線索，歸納圖片的共通性，並說明能源與能量的關係。 （二）學生觀賞「核能發電原理」影片後，教師進行提問，使學生瞭解核能電廠結構與發電原理。 （三）請學生閱讀學習單（見圖2）的內容，閱讀後進行填答(圖3)。 圖2.核能發電原理單元之學習單 圖3.學生閱讀學習文本內容 （四）影片概念統整：教師說明核電廠的發電原理主要是利用爐心冷卻水吸收核分裂的熱量，加熱循環水，循環水所產生的蒸氣帶動渦輪機產生發電。例如，核子動力潛艇、航空母艦也是相同原理。 二、「輻射線的種類」主題實施內容 圖4.「輻射線的種類」影片觀賞 （一）引起動機：學生觀賞「原來如此－你知道輻射有幾種?」教學影片（如圖4）。 （二）影片提問和統整：輻射可以依照能量的高低分成「游離輻射」和「非游離輻射」。游離輻射如X光、伽瑪射線等，非游離輻射則如微波、無線電波等。 （三）生活中的輻射： 1.腦力激盪：桌上放置一杯礦泉水和一杯微波過的溫紅茶，詢問學生這兩杯水會有輻射嗎? 2.桌上放置一根香蕉和一個御飯糰，詢問學生這兩樣東西也會有輻射嗎? 3.兩人一組討論：黑板上布置多張食物的圖片，讓學生分組討論看看哪些食物會有輻射。請各組一位同學上台分享哪些食物有輻射，並且說出理由。 4.延伸活動：觀賞影片「原來如此第3集-食物中有輻射嗎?」、「原來如此第8集-你覺得飲用水有輻射嗎?」。 5.延伸活動統整：原來食物和飲用水中都有天然輻射，只是劑量很小，不足以影響人體健康。 三、「原子能科學家小故事」主題實施內容 圖5.介紹倫琴的故事 （一）介紹科學家倫琴的故事：請學生觀賞影片「《名言啟示錄》著名物理學家系列：倫琴願我的發現能更好地服務全人類」(如圖5) （二）影片提問：影片中的故事介紹哪位科學家?他發現了什麼?他的發現對我們有什麼幫助? （三）介紹科學家赫畏希的故事：閱讀「核醫之父」。 （四） 文本提問：請簡單說赫畏希的故事、赫畏希的發現對我們有什麼幫助? 四、「放射線在生活、科學及醫療上的應用」主題實施內容 圖6.輻射食物與輻照食物 （一）引起動機：請學生欣賞影片「探索頻道-天外煞星」，從伽瑪射線引導學生思考放射線對生活、科學、醫療上的應用，內容包括： 1.核醫：診斷用核醫藥物，因為用量極少，病患所受的輻射量小，不會產生任何傷害；治療用核醫藥物，必須有足夠的輻射量，殺死癌細胞，所以病患所受的腫瘤局部輻射量較大，但全身輻射劑量不會太高，為了治病，仍然可以接受。 2.皮膚敷料研究，利用膠原質和牛之膠質及矽橡膠等材料，製成暫時燒燙傷敷料。 3.掃描與X射線一般診斷X射線的過程。如胸腔攝影，利用X光管球所發生之放射線穿過身體到底片上，將組織構造影記錄在底片上，這就是放射線照相，所照底片經沖洗後由放射線專科醫師判讀診斷。 4.民生應用：農業上利用輻射照射改變基因，改良農作物，增加收成產量或使花卉植株矮化照樣開花，也可照射害蟲，如果蠅；木材經照射後結構轉強，用於製造槍托；普通玉石經照射後顏色增艷提高價值；農產品照射後可以延長保存期限，如馬鈴薯、大蒜不會發芽；醫療器材照射後達到消毒滅菌效果；考古學利用輻射進行年代測定，如碳–14定年法；工業上利用輻射進行非破壞檢測，例如飛機機身裂縫檢測、輪船水櫃或油櫃存量檢測等。 （二）延伸活動觀賞影片：播放「原來如此第17集-食物照射會不會殘留輻射」、食品照射。 （三）概念統整：教師引導學生討論統整概念內容，讓學生瞭解適當的運用輻射能量來照射食品，可以達到抑制發芽、殺蟲滅菌、防腐保鮮的效果，不含放射 性，不破壞原本的天然養分。另外，許多醫療器材也是運用輻射照射來達到滅菌的效果在生活、科學及醫療上都可以為人類帶來正向的影響。(如圖6) 五、「輻射安全與核災事故的行動與處置」主題實施內容 圖7.核事故介紹 （一）引起動機：介紹歷史上核災事件，如蘇聯克什特姆核廢料爆炸事故、英國溫斯喬火災、美國三哩島核洩漏事故、蘇聯車諾比核事故、日本福島電廠核災事故等。(如圖7) （二）腦力激盪：請學生相互討論並分享發生核災事故時，應該要做些什麼? （三）請學生欣賞影片：「原來如此第14集-聽到核災警報第一件事要做什麼?」、「原來如此第24集-發生核子事故一定要疏散嗎?」。 （四）主題概念統整：教師統整影片內容，讓學生瞭解核事故發生的行動與處置，聽到核災警報要做：儘快到室內，進行掩蔽，暴露在室外的食物和飲用水不可食用。服用碘片。打開收音機，聽政府機關指示並預做疏散準備。疏散取決於兩個重點：「事故有多大?」、「距離核電廠有多遠?」。 六、「能源轉型的意義與影響」主題實施內容 （一）文本閱讀：請學生先閱讀能源轉型科普文本。(如圖8) （二）提問與討論：最貴與最便宜的發電方式分別是什麼?還有什麼其他的發電方式也是便宜的? （三）簡報介紹：新能源型態包括海浪發電、地熱、風力、太陽能、生質能、潮汐、海藻……等。 （四）欣賞影片：觀賞「20160430【消失的國界】逆境生創新！荷蘭追求綠色共識-全國奇想拼創業/李天怡主持/三立新聞台」 （五）概念統整：教師引導學生統整概念，瞭解能源轉型的步調快慢，與氣候變遷的步調快慢，兩者互相是因果關係。氣候變遷的影響越激烈，越有助各國政府、產業、企業採行加速能源轉型的作為；相對地，各國政府、產業、企業採行更積極的能源轉型作為，則有助延緩氣候變遷對生活環境之影響。 圖8.學生閱讀能源轉型科普文本 七、「輻射線對人體與生態環境的影響」主題實施內容 圖9.學生觀賞「輻射對人體影響」影片 （一）引起動機：黑板放置7張圖片，分別為過量的輻射對人體、動物、植物的圖片。詢問同學從圖片中看到了什麼。導引出輻射過量對人體、動植物的影響。 （二）有關過量輻射的影響： 1.腦力激盪：請學生思考過量的輻射會為環境和生態帶來什麼污染和問題，自由發表。 2.簡報介紹：輻射過量會為環境和生態有什麼影響。 （三）有關適量輻射的影響： 1.腦力激盪：請學生思考適量的輻射會為人體和環境帶來什麼影響和幫助，自由發表。 2.影片欣賞：請學生欣賞影片：「原來如此第9集-輻射如何傷害人體」。 （四）概念統整：背景輻射不會造成人體影響。 （五）其他有關生活中輻射的疑問： 1.腦力激盪：醫院照X光會殘留嗎?孕婦照口腔X光會有影響嗎?站在機場行李X光機旁，你會擔心嗎? 2.分組討論：兩兩一組討論上述3個生活中會遇到有關輻射的疑問，並分享討論結果。 （六）解答疑問影片：請學生觀賞影片：「原來如此第6集-醫院照X光會殘留嗎?」、「原來如此第7集-孕婦照口腔X光會有影響嗎?」、「原來如此第11集-你會擔心站在機場行李X光機旁嗎?」。(如圖9) （七）概念統整： 1.讓學生瞭解輻射不是病毒，傷害我們人體的方式是造成細胞內DNA的損傷，人體有高效能的修復機制，一般天然背景輻射是不會對我們人體造成傷害的。 2.讓學生瞭解過量的輻射的確會造成人體及環境的災害，所以更要注重核能的安全問題。 八、「核廢料的問題與處理」主題實施內容 （一）引起動機：請學生欣賞影片：顛覆你想像的「核廢料」！ （二）瞭解核廢料貯存方式：請學生觀賞影片「原來如此－你知道什麼是乾式貯存設備？」 （三）概念統整：教師引導學生瞭解乾式貯存的科學意義。 九、「核電廠的壽命與處置」主題實施內容 （一）腦力激盪：想一想，核能電廠除役和一般工廠拆除有什麼不同?拆除需要多少年? （二）欣賞影片：請學生欣賞影片：「懶人包-甚麼是核能電廠除役」、「原來如此－核電廠除役作業要花多少年」。(如圖10) （三）概念統整：教師統整影片概念，幫助學生瞭解核能電廠除役的時間大概要花費25年，其中準備期8年，開始拆廠12年、偵測3年、恢復2年。核能電廠的運轉會產生輻射汙染物質，拆除前要先偵測汙染狀況，才能拆除。 圖10核電廠除役 伍、學習成果的展現 一、參加全國科學探究「這樣教我就懂」競賽活動 學生學習前述課程之後，共同討論訂定主題「輻照食物照過來」，並且繪製「輻照食物照過來、糟糕發芽了、我有好辦法、輻射食物大不同、一樣美味一樣健康」的圖畫，並且錄製參賽影片，參加「這樣教我就懂」競賽。結果獲得入選佳績。(如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15) 圖11.輻照食物照過來 圖12.糟糕發芽了 圖13.我有好辦法 圖14.輻射食物大不同 圖15.一樣美味一樣健康 二、參加「原能會原子能公仔設計徵選」競賽 圖16.原子能公仔 學生除了參加全國科學探究「這樣教我就懂」的競賽活動之外，也參加原能會所舉辦的原子能公仔設計甄選競賽活動，讓學生認識公仔的意義與設計要素，進而設計原子能公仔作品，參賽過程需經過三個程序，首先原子能委員會會將所有設計圖進行海選，接著第二階段為網路投票，佔總分的20%，最後階段為原子能委員會聘請專家進行設計圖的評選，佔總分的80%。學生在競爭激烈的競賽中，獲得佳作之佳績。(如圖16) 陸、結論及建議 本文從課程設計與教學實施過程中，幫助學生瞭解有關能源議題的相關知識與應用，並且引導學生參加相關競賽活動，學生從對這個議題感到相當陌生，最後能夠學習成長，並且從競賽參與過程中獲得學習成就感，相信對於學生在瞭解能源教育議題上有正向助益，最後本文彙整以下幾點主要結論與建議，提供給日後有興趣實施相關課程的教師作為參考。 一、課程教學需「滾動式修正」 核能這個議題是比較生硬的，如何將比較生硬的主題轉化成有趣且能讓低年級的孩子可以有簡單的概觀相當重要，因此，教師則需要在教學時不斷的修正，調整學生能聽得懂的內容。約三至五分鐘的影片教學佐以簡單的活動最為適當，每一次上的內容不一定要多，但要持續。 二、核能場域實地參訪 教學上，學生雖可透過影片瞭解有關核能相關議題，但是若能輔以現場訪查，相信更能增進學生的學習成效。未來若能補助中小學學生申請配合參觀核電廠、核醫製藥中心、輻射照射廠、放射性廢棄物電漿熔融處理設施、影像醫材成果展示室、核醫藥物鑑定分析實驗室、乾式貯存運轉測試中心、解除管制量測實驗室、放射影像實驗室、小型風力機設計評估實驗室等，讓學生開拓核能知識視野。 三、辦理相關核能競賽活動 舉辦與核能相關的跨領域競賽，可以讓學生經由先瞭解核能知識，再將知識轉化成競賽內容，例如：海報、標語、繪畫、程式遊戲、寫作和影片製作等。另一方面，也可以規畫多樣的核能相關活動，例如：辦理親職講座、科普園遊會和科普展覽等，競賽活動可增加課程的動態性與競爭性元素，讓學生不會對於生硬的議題內容感到無趣，同時也能讓學生增加學習成就感，因此能源教育議題的實施應搭配競賽活動，增進學生學習成效。 參考資料 一、影片參考來源： 1.核能電廠-結構與反應爐 Fission Reactor Structure 2.原來如此第3集食物中有輻射嗎 3.原來如此第8集你覺得飲用水有輻射嗎 4.原來如此第10集你知道輻射有幾種 5.原來如此第6集醫院照X光會殘留嗎 6.原來如此第7集孕婦照口腔X光會影響胎兒嗎 7.原來如此第9集輻射如何傷害人體 8.原來如此第11集你擔心站在機場行李X光機旁嗎 9.神秘52區 10.原來如此第14集聽到核災警報第一件事要做什麼 11.原來如此第24集發生核子事故一定要疏散嗎 12.探索頻道-天外煞星gamma ray 13.原來如此第17集食物照射會不會殘留輻射 14.食品照射 15.顛覆你想像的「核廢料」！ 16.原來如此第20集你知道什麼是乾式儲存設備 17.懶人包-甚麼是核能電廠除役 18.原來如此第21集核電廠除役作業要花多少年 19.消失的國界20160430【消失的國界】逆境生創新！荷蘭追求綠色共識 20.《名言啟示錄》著名物理學家系列：倫琴(二)願我的發現能更好地服務全人類 二、科普小文章參考來源： 1.科普小文章1：核能發電廠 2.科普小文章2：閱讀表格比比看，誰省錢?台灣電力公司 3.科普小文章3：核醫之父 行政院原子能委員會網站/原子能知識/原子能教室/原子小故事/核醫之父 黃真瑱 臺北市立金華國民小學教師 陳世文 國家教育研究院教科書研究中心助理研究員 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯