112年永續能源跨域應用人才培育聯盟計畫教師增能工作坊 /范斯淳老師

Transcript

1. 112年永續能源跨域應用人才培育聯盟計畫 教師增能工作坊 跨學科STEM課程設計與教學實例 國立高雄師範大學 工業科技教育學系 范斯淳 副教授
2. 大綱 ▪ 跨學科統整課程的特質與模式 ▪ 如何設計？如何教學？ ▪ 跨學科課程案例分享
3. 跨學科統整課程的特質與模式
4. 統整課程 ▪ 是課程發展的一種類型，也是課程組織的一種方式 ▪ 一個經由演化而來的連續性的課程概念，是一種動態的 過程 ▪ STS→SSI（socio-scientific issues） ▪ MST→STEM→STEAM 4
5. ▪ 當科學技術或其產品被應用於社會時，因不同社會團體或個人從政治、經濟、 社會、價值、道德、倫理或健康等不同層面考量而持有難以達成共識的觀點 （道德兩難），因此造成了社會爭議，此類議題即稱之「社會性科學議題」 （陳國泰，2016）。 ▪ SSI 乃是 STS 模式的重建與進化，它不僅訴求在了解社會與科學、科技的互 動，同時也涉及個人哲學觀與信念系統的互動，尤其是對道德、倫理及文化 層面的省思（林樹聲， 2008）。 – 環境與生態保育議題（如：溫室效應、氣候變遷等）、倫理與道德議題（如：器官移植、 基因遺傳工程 等）、人體健康議題（如：基因食品、臍帶血與基因治療等）、能源使用 議題（如：核能運用、火力發電與氣候等）。 SSI （socio-scientific issues）社會性科學議題 陳國泰（2016）。社會重建主義的課程設計：以社會性科學議題（SSI）為例。國民教育學報，13，1-20 。
6. 一個STEM各自表述：STEM課程之詮釋 6 Bybee, R. W. (2013). The case for STEM education: Challenges and opportunities. Arlington, VA: NSTA Press.
7. STEM 教學模式 周芬美、段曉林 （2019）。以自我 效能激發策略融入 STEM統整活動對國 中學生STEM學習效 能之探討 圖片來源：wikimedia.org
8. STEM課程的特質 ▪ STEM課程通常具備幾項重要的特質： – (1)以真實世界的議題或問題情境為背景 – (2)以專題導向、問題導向、或探究式學習等形式為課程設計之主軸 – (3)具有明確的課程目標、內容範疇、及其所依循的能力指標 – (4)提供以學習者為中心的學習經驗 – (5)強調STEM各學科知識的連結與整合應用 – (6)重視邏輯思考、問題解決、批判思考等高層次思考能力的培育、 – (7)強調課程與職場的連結性 范斯淳、游光昭（2016）。科技教育融入STEM課程的核心價值與實踐。教育科學研究期刊（原師大學報：教育類），61（2），153-183。
9. STEM課程統整的思考 范斯淳、游光昭（2016）。科技教育融入 STEM課程的核心價值與實踐。教育科學 研究期刊（原師大學報：教育類），61 （2），153-183。 ▪ 依據統整性的概念規劃課程時，需關注的三大 核心要件： – 找出課程組織核心 – 打破學科領域界線 – 組織有意義、整合性的學習內容與經驗
10. 如何設計？如何教學？
11. 設計實作與科學探究的循環 11 Holodner , J. L., Gray, J. T., & Fasse, B. B. (2003) . Promoting transfer through case-based reasoning: Rituals and practices in Learning by Design™ classrooms. Cognitive Science Quarterly 3(2), 119-170. Learning by Design’s Cycles
12. 工程設計流程與STM的關連性 Yata, C., Ohtani, T. & Isobe, M. (2020). Conceptual framework of STEM based on Japanese subject principles. International Journal of STEM Education, 7(12). https://doi.org/10.1186/s40594-020-00205-8
13. 6E學習模式 Barry, N. B. (2014). The ITEEA 6E Learning by DeSIGNTM Model. Technology and Engineering Teacher, March, 14-19.
14. STEM課程設計模式 ▪ 科技教育的STEM課程宜以重大科技議 題、新興科技發展、或工程領域基礎知 能為太陽齒輪，帶動整個學習歷程的情 境 ▪ 工程設計為外齒圈，每個步驟皆引導著 整個工程問題解決的學習歷程；中間透 過科學探究、數學分析、及科技技術來 做為連結與傳動的行星齒輪。 范斯淳、游光昭（2016）。科技教育融入STEM課程的核心價值與實踐。 教育科學研究期刊（原師大學報：教育類），61（2），153-183。
15. A Framework for Implementing an Engineering- Focused Curriculum（實施工程設計導向STEM課程之架構） Fan, S. C., Yu, K. C., & Lin, K. Y. (2020). A Framework for Implementing an Engineering-Focused STEM Curriculum. International Journal of Science and Mathematics Education. Advance online publication. doi.org/10.1007/s10763-020-10129-y
16. A Framework for Implementing an Engineering-Focused Curriculum Fan, Yu, & Lin (2020).
17. 課程發展步驟 ▪ 教師在發展以工程設計為主軸的STEM課程時，可參考一下步驟進行規劃與實 施： 1. 選擇課程主題 2. 界定STEM知識範疇 3. 分析學習困難 4. 規劃「探究實驗」或「設計製作」學習活動 5. 發展評量工具 6. 安排教學流程 7. 檢核整體課程規劃
18. ▪ 在規劃STEM課程主題時，可以： – (1)運用問題導向的情境式課程設計，呈現時下重大科技議題， 強化學生知識學習與真實世界的連結性； – (2)運用專題導向的課程設計，呈現特定工程領域的樣貌，以引 發學生探索工程領域的興趣； – (3)運用探究導向的課程設計，呈現特定STEM學科知識，以協助 學生理解傳統教學中容易產生學習困難或迷思概念的知識。 課程主題與學習途徑的選擇 Fan, Yu, & Lin (2020).
19. ▪ 教師在研發STEM課程時，可透過以下步驟來確認應聚焦之 STEM知識內涵： – (1)依據專題主題，詳列相關的STEM知識內容； – (2)參照課程目標及相關能力指標，依據教學對象之程度限縮STEM知識 範疇； – (3)模擬學生專題歷程，找出學生可能遭遇困難之工程設計關鍵步驟； – (4)聚焦關鍵工程設計步驟所蘊含之科學概念、數學分析、科技應用或實 作技能，確認是否為預期之學習重點。 教材內涵：聚焦明確之STEM知識範疇 Fan, Yu, & Lin (2020).
20. 以機械手臂為例 ▪ 依據所選擇之專題 主題，先嘗試廣泛 的列出相關的學科 知識，包含：科技、 科學、數學、工程、 甚至藝術或社會等 領域。 游光昭（主編）（2020）。素養導向系列叢書：中學生活科技教材教法。臺北：教育部。
21. 以機械手臂為例 ▪ 依據教學對象，參 考課程綱要之學習 內容，釐清學生之 先備知識，進而聚 焦本次課程所應教 學的知識範疇。 先備知 識 1.對槓桿原理、簡單機械有基本的認識。 2.對於尺規製圖有基本的繪圖經驗。 3.具備利用網路蒐集並分析資料的基本能力。 與課程 綱要的 對應 學習 內容 生N-IV-1科技的起源與演進 -科技產品演進的起源、發展歷程及影響因素。 生P-IV-1創意思考的方法 -創意發想的技巧及傳達構想的方式。 生P-IV-2設計圖的繪製 -常用繪圖工具的認識與使用。 -平面圖、立體圖的繪製，尺度標註的方式。 生P-IV-3手工具的操作與使用 -常用手工具功能與安全注意事項。 -常用手工具的加工處理方法。 生A-IV-2機構與結構的應用 -常見機構之種類、原理與應用。 生S-IV-1科技與社會的互動關係 -日常生活科技產品使用與社會的互動關係。 游光昭（主編）（2020）。素養導向系列叢書：中學生活科技教材教法。臺北：教育部。
22. ▪ 為協助學生具體連結重要的概念性知識與實作能力，在規劃工 程設計活動時，教師必須規劃一系列有意義、有邏輯的學習經 驗，以幫助學生理解、釐清並強化科學、科技、工程與數學的 關連性，使知識和課程主題（專題/問題）產生有意義的連結 學習活動：規劃有意義的「探究實驗」與「設計製作」實作活動 Fan, Yu, & Lin (2020).
23. ▪ 「探究實驗」式的實作活動，著重在科學原理的探索 或驗證，並聚焦於科學原理、數學分析與運算的應用。 ▪ 其目的在於幫助學生透過數學測量與運算、或科學實 驗等方式，理解課程主題相關的概念性知識。 – 觀察確認問題所在 – 記錄與分析資料 – 反思概念知識選用之正確性 – 藉由客觀的數據進行溝通 Inquiry and Experiment Learning Activities 「探究實驗」式的實作活動 Fan, Yu, & Lin (2020).
24. 凸輪運動軌跡分析 探究實驗 藉由觀察並記錄由不同凸輪（凸輪 A、凸輪 B、凸輪 C）所帶動之從動件（指針）移動軌跡，了解不同凸 輪的應用。 比較 試運 能。
25. 車體建模分析 Position 1 = 20 centimetres Position 2 = 105 centimetres Position 3 = 180 centimetres
26. 車體建模分析 Time, t (seconds) Position on track (cms) Change in distance (cms) 0 20 - 0.5 105 85 1.0 180 75
27. 紙音響擴音功能測試 瑞祥高中曾琪恩老師
28. ▪ 於「探究實驗」實作活動中，其教學策略之應用 應著重在幫助學生： – 「探索」問題中隱性的STEM知識 – 「詮釋」抽象的數理概念 – 「連結」特定STEM知識於相關的問題情境中。 Teaching Strategy in Inquiry and Experiment Learning Activities 「探究實驗」實作活動中的教學策略 Fan, Yu, & Lin (2020).
29. Design and Making Learning Activities 「設計製作」式的實作活動 • 「設計製作」式的實作活動中，聚焦於科技軟硬體的 應用及實作技能的訓練。 • 其目的在幫助學生理解如何運用相關的實作技能，將 抽象的科學原理與設計概念具體化，進而能應用於設 計方案之中。 ▫ 將抽象的科學原理具體化 ▫ 熟悉特殊科技產品的功能 ▫ 材料的認識 ▫ 工具與設備操作使用 Fan, Yu, & Lin (2020).
30. 30 運用橋樑模擬軟體，輔助學生進行建模與分析
31. 無刷馬達建模測試及最佳化 臺北市立成功高級中學尤丁玫老師
32. 運用可改進模型，引導 學生學習如何權衡與最 佳化 ▪ 目標：設計一個最佳的自來水管路，所有水龍頭處的水壓至少為 10 psi( 定義 為1磅力在1平方英寸面積所產生的壓力 )，淨預算 3,000 美元 ▪ 建造這個管路系統的房子只有一層樓，三個水龍頭，從城市供水60 psi。 由學生小組扮演“自來水公司”，競標安裝管道系統 ▪ 贏家為最低成本並能滿足水壓的公司 ▪ 要求各小組在對次優種子模型進行設計更改之前對其進行評論
33. 水龍頭：水龍頭 A 為 42 psi，水龍頭 B 為 5 psi，水龍頭 C 為 0 psi。 水龍頭 A 的水壓非常高，而水龍頭 B 和水龍頭 C 的水壓低於 10 psi 。 次優模型的總成本為 3,057 美元，超過了設定為限制條件的 3,000 美元預算
34. ▪ 在「設計製作」實作活動中，其教學策略之應用 應著重在幫助學生： – 「練習」相關的操作性技能 – 將知識與設計構想透過「原型建模」加以實踐 – 「測試並分析」STEM知識用於不同設計情境中的結果 – 「應用」STEM知識於工程設計歷程中 Teaching Strategy in Design and Making Learning Activities 「設計製作」實作活動中的教學策略 Fan, Yu, & Lin (2020).
35. 跨學科STEM課程的案例分享
36. 用科學概念進行設計 案例分享—蛋蛋飛車 車身安全結構設計
37. 蛋蛋飛車實做活動 ▪ 一、活動目標 – 製作一台具有安全結構，能保護車上乘客（蛋）安全的蛋蛋飛車 ▪ 二、製作限制 – 僅能使用老師提供的材料進行製作 – 乘客（蛋）必須能夠上下車，乘客（蛋）僅能使用毛鐵絲固定 ▪ 三、材料 – 底板、鐵絲、竹籤、車輪、吸管、西卡紙、蛋殼 ▪ 四、測試方式 – 以滑坡方式模擬汽車碰撞實驗，運用慢動作錄影分析車體及黏土雞蛋變形情況 ▪ 五、製作時間：1-1.5小時 活動設計：程永潔、包芷寧、陳柔君
38. 測試方式 以滑坡方式模擬汽車碰撞實驗，觀察車體變形情況及雞蛋破損情形
39. 汽車如何保護乘客的安全？ https://www.youtube.com/watch?v=b3AZlH8_8U U
40. 成品示例 花蓮生活科技第二專長班學員：黃崇軒老師
41. 成品示例 花蓮生活科技第二專長班學員：林藝暐老師 ▪ 科學知識的應用？
42. 用數學推理輔助設計 案例分享—液壓手臂
43. 任務說明 ▪ 運用指定的材料，在裝置底板上（約18 × 300 × 300 mm木心板）製作一個「液壓裝置」， 並將此裝置放置於規定位置後，由受試者控制 液壓裝置從「取物區」中依序抓取物件，放入 水盆沾濕，而後再放置於「置物區」對應編號 之位置中。 ▪ A區放養樂多、B區放乒乓球、C區放海綿。
44. 常見的作品形式 https://sites.google.com/site/empowerteacher/107生活科技 科教師第二專長學分班實作測驗-實測範例影片/液壓手臂
45. 問題挑戰 ▪ 如何讓液壓手臂旋轉幅度超過90度？ –注射筒大小(以10ml為例)：最短100mm，最 長170mm(最大伸長量70mm，但可能受到 材料厚度影響而略短) https://sites.google.com/site/empowerteacher/107生活科技 科教師第二專長學分班實作測驗-實測範例影片/液壓手臂 https://www.youtube.com/watch?v=9cdi8ISqIZ0
46. 運用數學解決問題 ? 70
47. 旋轉盤
48. 用設計實踐科學概念 案例分享--線控車
49. 線控車實作活動 ▪ 利用規定的材料，製作一台線控車（內含搜集 裝置，車身最長40 cm x 最寬40 cm x 最高40 cm，車身正投影需位於起始區內）。 ▪ 線控車由起始區出發，克服路障的阻礙，於3 分鐘內，移動3 種目標物至指定的區域。 ▪ 哪一種目標物要放到哪個指定區域可自行安排， 但不能混放。 ▪ 目標物之正投影進入指定區域範圍內靜止不動 超過3秒即算得分，一個目標物只會計分一次。
50. 應用科學知識進行設計 馬達正轉 馬達反轉 M M M M ▪ 簡單的科學原理，但 要如何有效的應用？
51. 成品示例 ▪ https://www.youtube.com/watch?v=zX8 DlDK5cZ4 ▪ 問題在哪裡？
52. 成品示例 ▪ 運用了哪些設計巧思？ 花蓮生活科技第二專長班學員：黃崇軒老師
53. 成品示例 ▪ 運用了哪些設計巧思？ 花蓮生活科技第二專長班學員：楊媛婷老師
54. 案例分享--藍芽音箱 （高中工程設計STEM專題課程）
55. “ 工程設計學習進程教學模組： 聲聲Mind創意留聲機專題 瑞祥高中曾琪恩老師設計
56. 課程設計與行動研究歷程 於108學年度之高一生活科技必修課程實施， 每週一節(50分鐘)，為期一學年，共40週。 上學期實施20週之手機擴音箱工程設計專 題（How角響起），並依據教學結果調整 第二階段之課程設計 下學期再實施20週延續之音響工程設計專 題（電磁動磁咚）。
57. 課程實施概況 瑞祥高中曾琪恩老師設計
58. 學生學習歷程檔案示例：界定問題 • 藉由問卷和訪談的實施，從使用者的觀點思考，對界定 問題有更深的實踐與著墨。 瑞祥高中曾琪恩老師設計
59. 學生學習歷程檔案示例：預測分析 • 由學生依據各組的設計，自行完成預測分析之實驗規劃及測試等歷程。 瑞祥高中曾琪恩老師設計
60. 學生學習歷程檔案示例：建模 • 因作品是為了別人而做，學生更願意主動花心思補充所需的背景知識；作品複雜度有 提高，展現出詳細的測試與修正歷程。 瑞祥高中曾琪恩老師設計
61. 學習歷程檔案分析：最佳化 瑞祥高中曾琪恩老師設計
62. 結語 ▪ 跨學科（STEM）課程發展與設計的關鍵 – 掌握學習目標 – 連結真實議題與生活經驗 – 確認課程中STEM知識的角色 ▪ 先備知識、學習內容、需用到但尚未學到的知識 – 不拘泥於統整形式與學科數量 – 安排適切的學習鷹架（實作活動）建構知能 – 重視Hands-on與Minds-on的平衡 – 運用多元評量（e.g.歷程檔案）引導學習並檢核教學設計
63. Thank you! Question, Please.