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清華STEAM學校課程發展與實施

國立清華大學教育與學習科技學系教授兼竹師教育學院王子華副院長 04/10/2019 763 點閱

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。引自:https://esep.colife.org.tw/12/journal

 

 

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