清華STEAM學校課程發展與實施

王子華1、蔡寶桂2

1 國立清華大學教育與學習科技學系教授兼任竹師教育學院副院長

2 新竹縣教育研究發展暨網路中心課程督學

壹、清華STEAM課程理念

       為因應高等教育產業轉型之人才培育，國立清華大學竹師教育學院自民國107年6月起推動「清華STEAM學校」計畫，將認同理念之K-12學校，組成「清華STEAM學校」聯盟，推動K-12跨領域教育，使K-12學生得以在探究、設計思考與實作之教學活動設計下，獲得跨領域學習和解決日常生活問題之學習經驗，並且能培養其運算思維（computational thinking）與程式設計能力，以及獲得科學（Science）、科技（Technology）、工程（Engineering）、藝術設計（Art）與數學（Mathematics）素養。為達成上述目標，清華STEAM學校課程設計，將以日常生活問題的解決與連結為核心，並回應108新課綱各年段學生應學習之科學與數學概念，同時藉由科技、工程與藝術設計元素，提高學習者學習興趣。所有發展完成的課程皆經試教並藉此建立適當之評量機制，且參與「清華STEAM學校」聯盟之K-12學校，皆需要有固定的時數全面實施清華STEAM學校課程教學。

    「清華STEAM學校」課程之教學活動基本架構，主要參考「5E學習環(5E learning cycle) (Trowbridge & Bybee, 1990)，以及美國Stanford史丹佛大學之「d.school」以及知名設計公司IDEO 執行長Tim Brown提出的「設計思考(design thinking)」的理念，共包含五個教學階段：「參與」、「探索」、「解釋」、「精緻延伸」、「評鑑」，而每個階段都有其教學活動重點（圖1）(王子華、林紀慧，2018)。以下將另外介紹課程實施範例。

圖1：「清華STEAM 學校」課程教學活動設計(王子華、林紀慧，2018)

貳、新竹縣推動STEAM教育─城市螢火蟲案例

       以下案例從清華STEAM學校課程教學設計5E教學階段進行說明：

一、「參與」階段

       此階段主要是基於學生日常生活經驗的教學情境營造，引動學生對於主題的學習動機，且透過核心問題，有系統的引導學生進行學習主題的之探究。

       透過一系列的問題探討：為何全台的旅客要大老遠的跑到內灣呢？為何只能到內灣賞螢火蟲呢？兩兩比較「過去及現在」、「一年十二個月」、「城市和鄉下」哪一項的螢火蟲比較多，以及可能造成的原因為何？引發學生關注影響螢火蟲生存的因素，再透過討論資料的分類、比較與彙整，聚焦空氣、陽光、水質、溫度與植物等可因素。然而在引起動機的教學實踐聚焦出核心元素之後，學生突然有感而發的說：「如果城市也有螢火蟲就好了！」，當下打中了課堂中所有人的心，於是後續聚焦「城市螢火蟲」的議題上 (圖2)。

圖2：從引起動機的問題討論聚焦到影響螢火蟲生存的核心問題之上

二、「探索」階段

        此階段包含聚焦在核心問題的探索與問題之定義，並且透過腦力激盪想出各種問題可能解決方案。

        針對學生在第一階段的核心問題，思考可具體採取行動的方案，激發學生由空洞的「不要興建太多的大廈」、「不要排放廢空氣」之口號，轉而聚焦探索問題為：「製造人工螢火蟲」、「製造空氣清淨機」「製造出一種觀察螢火蟲的機器」。並進一步定義問題，但因學生習慣回答而非提問，所以教學時得提醒學生用問句─問問題的方式來呈現，使得原本的「去挖土、買螢火蟲喜歡的東西！」、「要有水、植物的地方，螢火蟲才會來。」轉為：「怎麼做螢火蟲喜歡的地方？」、「如何得到乾淨的水？」等。最後再藉由學習單的設計，讓學生上網查詢相關的資訊，包含用甚麼指標？乾淨的數值應該是多少？以利後續的程式設計(圖3)。

圖3：聚焦問題與行動方向的問題定義

三、「解釋」階段

       此階段主要是針對第二階段之問題的各種解決方案的具體規劃，包含方案引導、引出與向同儕說明方案設計的理由。

       將探索階段的一系列問題，先畫設計圖(圖4)，再進一步思考且篩選出：「哪一些問題需要透過程式設計來解決？」再利用三個關鍵問題「要知道什麼(what)」(參數)、「什麼時候(which condition)做動作」(條件)、「做什麼動作(action)」(指令)，幫助學生將問題轉為具有程式思考之架構(如圖5)。例如，「如何把空氣過濾乾淨？」轉為「空汙指數超過105以上會發出聲音」，三個問題的解析討論後，修正「是否」應修正為「>」，「將髒空氣過濾乾淨」修正為「發出聲音」、「啟動風扇」等。此外，也利用數學比例概念，從實際螢火蟲的大小為基準，以及人工製作螢火蟲所需設備空間大小，達到仿生獸的目標。

圖4：從聚焦問題中萃取出需要透過程式設計來解決的問題

圖5：透過三個關鍵問題將定義問題釐清為程式思維的表徵與Microbit程式

四、「精緻延伸」階段

        此階段包含最適當解決方案之決定、方案實作以實際解決問題（「參與」與「探索」階段的問題），以及遷移以解決相似問題。

        歷經整個學習歷程後，五組學生進行方案選擇時，分別有兩組選擇了「人工螢火蟲」、「空氣清淨機」和一組選擇「製造出一種觀察螢火蟲的機器」。也對此方案在課堂教室環境布置中，將方案組合為：一組人工螢火蟲與空氣清淨機放置在教室中，而另一組則擺進觀察箱中，以利學生在方案實作與環境布置後的長期觀察體驗，發現更佳的方案遷移構想。

圖6：空氣清淨機與螢火蟲成品擺設在教室進行長期觀察

五、「評鑑」階段

       整個課程進行的過程，皆以形成性評量之觀點，隨時蒐集學生學習成果並做為教學策略調整的參考；最後，從總結性評量的觀點，讓學生展現其方案與問題解決成果的展現。

        整體而言，「清華STEAM學校」的核心精神為「STEAM教育常態化，可以在學校正式課程中實施，所有學生都有均等機會可以獲得高品質STEAM教育，以達成跨域人才在地培育與在地就業發展的目標」(王子華、林紀慧，2018)，限於篇幅無法仔細介紹「清華STEAM學校」的課程與教學活動，歡迎對於「清華STEAM學校」有興趣的教師與學校與我們聯繫，也歡迎認同「清華STEAM學校」課程設計理念的學校踴躍參與「清華STEAM學校」聯盟。

參考文獻

      王子華與林紀慧(2018)。「清華STEAM學校」推動創新數理人才在地培育機制。科技部科學教育實作學門計畫電子期刊，第12期。引自：https://esep.colife.org.tw/12/journal