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從數學、科學與科技(MST)整合理念探析博物館的科技玩具製作活動 

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Academic year: 2021

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從數學、科學與科技(MST)整合理念探析博物館的

科技玩具製作活動

王裕宏 國立科學工藝博物館科技教育組 研究助理 壹、 前言 由於九年一貫自然與生活科技學習領域強調學習應與日常生活相結合,學生 需將所學的知識運用於生活中,以解決問題或瞭解目前時事的發展趨勢,為增進 學生學習興趣,大多支持使用科學/科技/社會(Science/Technology/Society,STS) 議題之觀點,讓學生可從中瞭解科學、科技及社會三者的相互關係,進而能了解 社會文化脈絡 (靳知勤、陳又慈,2007)。而為彌補傳統以學科知識為主,及符合 除重視科學知識的描述,且應用於數學或科技的機會,1980年代發展出以數學、 科學與科技(Mathematics, Science and Technology, MST)三者整合的科際统整課 程,其實兩者的理念是一致的,唯其做法著重在以科技產品的觀點為主體,與STS 以社會文化脈絡的觀點稍有差異,但是由文獻及實施的案例發現MTS的發展尚未 如STS般的成熟(游光昭、林坤誼,2007)。 學校學習的需求幾乎以面對升學為主,傳統數學與科學的教學方法面臨了許 多挑戰,如在最新教育部發表的有關於2007「國際數學與科學教育成就趨勢調查」 (TIMSS),調查發現雖然國中小學生在數學及科學的表現都居全球前三名,但 是台灣學生「正向態度」與「自信心」成績低於國際平均,亦即「表現好,不代 表快樂學習」,且其年級越高、低分群越多,表示這些與台灣考試、升學制度帶 給學生壓力有關。因此,如何讓學生學得快樂且有成就?有些學者提倡藉由「玩 具」的製作且結合學校的課程來教學,就可以達到學習的效果,但是在制式環境 中有其相當多的阻礙及限制。因此,非制式教育環境的社教機構,尤其是科學性 的博物館,更應擔任起彌補學校教育不足的角色。本研究即透過文獻資料及案例 之分析,探究實施MTS統整課程的重要性,並在非制式教育機構-國立科學工藝 博物館(以下簡稱科工館)環境中,設計提供結合數學、科學及科技三者整合之

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科技玩具製作課程示例,進一步與學校的統整課程比較雙方之特色,期作為科學 博物館未來進行更廣泛更全面的统整課程設計之參考。 貳、 文獻探討 一、 數學、科學與科技三者課程统整的重要性 美國在 1980 年代發表了多項數學與科學教育改革的報告提出之後,數學、 科學與科技教育三者間的科際整合教學理念便逐漸受到重視,且認為過去的科學 教學方法是過時的,大多數的科學教學方法僅注重科學知識的描述,而缺乏提供 學生應用數或科技的機會,因此科技課程變成了連結數學與科學的重要學科(游 光昭、林坤誼,2007)。「科技」常被運用作為『科學』或『數學』兩者解決問題

的重要學科(Christiaans & Venselaar, 2005),若沒有了科技,很多數學問題或科 學的現象,很難呈現讓人了解,尤其是電腦的使用,利用電腦科技可以解決數學 上多方面的問題,如利用數學的數字來畫圖、表格的處理及利用模擬動畫表達科 學現象等好處( Lesh, 1990; Reid-Griffin & Carter, 2008)。

而如何設計出一個好的 MTS 課程?Lomask (1996)提出 MST 的活動設計, 必須運用到科學的、數學的以及科技的知識,學生則要依活動的需求,透過紀錄、 觀察、測量甚至計算等,製作出最後的成品,而這些成品則可以被評量,歸納後 建議 MST 的活動需含有以下五種特質: (一)MST 的活動是強調事實與可靠的 對於科學方面,必須機會讓學生忙於發現問題、提出假設、探索解答與 收集資料,且能夠有效地解釋與呈現成果。對於數學方面,學生必須能 測量、組織、與詮釋資料,以發展模型或驗證數學。而對於科技方面, 學生必須能表現在需求及資源方面,能夠評估價錢及危險程度,設計與 建構解決模式,繪圖技術能力,測試解決問題的生存能力與呈現作品以 說服一般人。 (二)MST 的活動是重要性的 學生參與 MST 的活動經由關鍵的學校課程與專業訓練,能夠提昇學生 的思考與理解定理等好處,就如同一位新手運用這些獲得的知識解決問 題。

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(三)MST 的活動是具有吸引力的 MST 的活動可以有機會讓學生去發展,透過公開的方式讓他們表達成 果,尤其鼓勵利用團隊合作的方式去完成他們的作品。 (四)MST 的活動是容易接近與取得的 MST 可以有機會讓從事於有意義的活動,提昇學生的學習能力,讓具 有不同興趣與能力的人共同完成作品。 (五)MST 的活動是可以被評量的 MST 的活動創造出讓老師及學生有機會,檢核他們的作品,探討創作 的歷程,並提出改進的方法。 二、 MTS 課程理念結合「玩具」製作課程之學習成效 對於統整課程,學校為讓學生能夠引發學習的興趣,許多教師發展出不同屬 性的課程,很多研究案例發現學生藉由動手操作的學習方法,確實能提昇對於數 學、科學與科技三者學科的學習能力,也能同時讓學生了解其中之概念,但如何 變得有趣又好玩?近年來越來越多的學者提倡藉由「玩具」的製作且結合學校的 課程來教學,就可以達到學習的效果,而其課程的發展建議具有以下重要目的: 藉以提昇老師對於化學、或物理學科等學科的教學品質;學生可以透過玩具的操 作過程學習到基本的概念;玩具製作課程,其使用的觀念需與知識需與目前的學 校課程相關;藉以增加學校的動手做的活動;建立學生與老師之間的溝通聯繫與 互動機會(Taylor, Williams, Sarquis & Poth,1990)。以下為國內外學者舉辦玩具的 課程學習成效的示例: (一) Berlin& White (1995) 將國小學生分組,設計光的探索玩具學習課程,探 究光、溫度及週遭環境相互間的影響因素,其研究結果發現,其學習的 歷程中確實可以讓學生學習連結 MTS 三者的關係,學習如何面對問題及 提出構想,尋找具有邏輯與科學的證據,若再加上具有好的學習環境及 豐富的學習設施,學生亦能輸出更多的學習認知、情感的和與社會互動 的好處。

(二) Satchwell & Loepp (2002) 研究發現,國中學生經過參與動手做的活動後 不但可以連接 MTS 三者之間的概念,學生對於學業更有學習動機,也發 現透過實作的學習活動,能讓學生獲得一般日常生活中所接觸的科技實 體事物的概念,更重要的學校的科學或數學成績也相對進步。

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(三) 游光昭、林坤誼(2007) 運用電腦科技模擬的教學方式,針對國中學生開 發出學習製作紙製的滑翔機學習課程,經過 4 週 8 小時的短程實驗教學 後,研究發現其學習成效與傳統的生活科技課程的差異,雖未達到顯著 水準,但其教學的方式受到學生的歡迎。 (四) 王裕宏、張美珍、朱耀明(2008)利用專案式學習課程的特性,活動對 象為國中及高中學生,經過 5 天的時間製作一架能夠自我操控的遙控飛 機,透過概念圖的評量研究發現,經由動手做自我探知的方式,確實有 助於包含柏努力飛行原理知識的建構,有效提昇及釐清飛行科技概念。 三、 科學博物館為連結數學、科學與科技三者學科的最佳場所 MST 統整課程的教學型態是以多科注入的科際間整合方式進行的,且透過 實作的學習活動,能讓學生獲得一般日常生活中所接觸的科技實體事物的概念 (游光昭、林坤誼,2007)。但開發一個好的活動課程表現除學生之外,必需具 有好的教材、帶領的老師及教室氣氛良好與否均會影響學生活動的學習。尤其是 良好的學習環境,能夠提供足夠科學的及技術上的支援,與方便讓學生方便使用 工具的能力,這些教育的實施提供允許注入科技創造出有效的課程

(Csikszentmihalyi&Wolfe, 2000; Reid-Griffin & Carter, 2008)。對制式學習的學校組 織而言,組織的氣氛、學校資金與硬體設備充足、行政人員配合度皆會影響學生 MTS 課程的發展(湯誌龍,1999)。為了強化與補足現代教育的不足,在面對 21 世紀從事科學與技學的教育規劃者,無不積極進行課程的改革,提供多元的環境 及活動培養學生學習的興趣。國內的科技教育學者專家也大都主張透過教學活動 方式來增強學生的科技能力,如強調教學活動設計,主張以訓練學生思考及解決 問題能力為方向,重視探索與體驗的實際操做課程(王光復,2007)。儘管多元 化的學習,一般學生並不會將平常在學校所學到的知識應用在日常生活中,也不 會將日常生活的知識用在學校中,也就是說,大部分的人並不會將所學到的知識 在不同學科之間相互運用,所以一個好的學習歷程或課程關鍵所在,就是必須設 法提供適當的學習情境,好讓學生能夠有機會使用他們所學的知識去實際體驗其 成效(Berryman, 1991; Bransford & Vye, 1989)。因此,身為科學博物館的非制式 社教機構,因為具有開放性的教育理念與多元化的展示或活動型態的特質之故, 也在相同的教育理論架構下,可以發展出學校教育難以達成或條件欠缺部分加以 著手設計不同的活動內容。

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一般博物館向來被視為人類知識的寶庫,具有豐富的蒐藏品,提供多樣化的 展示與學習活動,其學習情境非一般學校環境可達到的,尤其是配合展示物件或 展示主題所設計的教材教具,以及教育活動等等,仍可作為教學之用,輔助學校 教育之不足(張美珍、朱耀明,2004)。有別於學校提供的科學教育,在科學博 物館中的學情境中具有多樣性與富彈性之設計(安奎,1989)。如具有大型的展 示品或教具可供研究及參觀,不定期的舉辦各種國際性的教育活動及學術研討會 等,再加上近年來學生利用假期到校外參加研習課程的人數越來越多,而為吸引 學生博物館往往必須設計出能讓學生親自動手操作、可探索或競賽方式的特色活 動,提供學生不同於學校的學習。因此,在活動的設計與構思,事先必須透過嚴 整的專案規劃,才能達到活動的預期成效。 參、 科學博物館的科技玩具製作課程示例 — 「蟲蟲危機」動力機械車 科工館暑假期間推出的動力機械車創作夏令營活動,係結合館內動力機械展 示廳資源及以強調「動手做」為活動主軸的形式,由學員自主進行創造思考。而 研習課程內容,主要由中華創意發展協會、台灣師範大學教授與國立科學工藝博 物館教育研究人員共同編製,並歷經教學試驗,以確定教材內容。講師以輔導的 角色,運用引導方式鼓勵學員以競賽為目標,對於作品自行提出修改及創意方案。 一、 研習活動簡介 (一)活動對象:國中組學生 (二)活動時間:每梯次為一整天。 (三)課程內涵:本活動安排的課程內容包含提供學生學習工具的使 用、齒輪與馬達機構的組裝運用、及創意造型設計等。學生在 完成科技創作作品後預期能: 1. 學習構想與設計作品的能力 2. 學習如何正確使用手工具 3. 結合學校所學的科學原理 4. 學習問題解決的策略:遇到困難→發現問題→問題原因分 析→對策假設與驗證→解決問題。 課程內容設計重點在於協助學生察覺和試探科技,以便具備科技概念, 期望學生能進一步研習科技知能、運用科學知識、精確的數學計算、培養獨

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立思考、及解決問題的能力。本研究以非制式環境的科學博物館為實施場 域,透過博物館對外招生,將其報名上課的學員分組,每組並有一位小隊輔 老師協助,其與學校的 MTS 統整課程相對應表如下表 1 所示。此外,為求 能將科學、數學、及科技等相關知識更具體的表現,研究者將統整課程的內 容,及研習活動內容所蘊含之科學、數學及科技原理,彙整後其相對應表如 下表 2 所示。 表 1:學校與科學博物館的科技玩具製作課程比較表 學校課程 科學博物館課程 運用講義或影片介紹動力機械 車的數學、科學及科技原理 運用展品、講義及影片介紹動力機械車的數 學、科學及科技原理 依規定的尺寸設計動力機械車 透過分組,輔導設計出不同的動力機械車 依老師規定的進度進行製作 學生為主,小老師為輔的製作方式 與相關的數學、科學及科技原 理比較分析,老師協助問題解 決 透過案例及相關數學、科學及科技原理比較 分析,尋求師長或學生自行問題解決 與同校或同班同學相互競賽 與來自不同學校之學生相互競賽 表 2:「蟲蟲危機」動力機械車活動課程內容與其內含的原理類別對照表 原理類別 課程內容 z 科技原理 工具使用及介紹 z 認識工具:手搖鑽、尖嘴鉗、手工鋸、熱熔 槍、榔頭等 z 工具使用:包含鋸切、砂磨、鑽孔、粘接及 潤滑等 z 科技原理 材料介紹 z 認識材料:密集板、冰棒棍、馬達、偏心齒 輪、減速齒輪、平齒輪、大齒輪、蝸桿等 z 科學原理 動力系統組裝 z 平齒輪、偏心輪、大齒輪及鐵桿組裝 z 齒輪盒及齒輪組組裝 z 科學原理 z 數學原理 z 科技原理 前後身軀、連趕及曲柄及外型設計 z 數學原理 組裝及測試

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原理類別 課程內容 z 科學原理 z 科技原理 z 運動流暢 z 扭力/速度的搭配恰當 z 摩擦力的強化 z 重心平穩性及攻防性之操作調整 z 電池串聯及並聯如何影響作品 z 改變電池極性如何影響作品 z 競賽直線競速:作品進行直線速度比賽 z 拔河競賽:作品互相拔河測試扭力 z 鬥蟋蟀:作品透過前端武器進行攻擊或防禦 肆、 「蟲蟲危機」動力機械車課程分析 一、 數學原理方面 在國中組設計蟲蟲危機作品時,除了必須算出精確的各部位的尺寸外,運用 國中數學課本所提三角形的兩邊個長相加要大於第三邊邊長,兩邊合必須大於第 三邊的原理,以及作品配重時必須計算重心的位置,因此強化這兩個數學原理的 運用及理解,將有助於學生在製作蟲蟲危機作品時妥善運用數學原理來解決行走 的問題以及進行競賽時獲勝的關鍵因素。除了基本的數學概念介紹之外,中午休 息時間更利用影片及過往的案例方式以解說數學的概念,使學習者能夠透過生動 活潑的動畫以學習數學的概念(如圖1)。 蟲蟲危機動力機械車-運用三角形及重心 原理來解決行走問題 簡單機械展示品 -介紹三種槓桿及重心 之原理(科工館四樓動力與機械展示廳) 圖 1:動力機械車活動與展示廳展品中有關數學原理對照圖

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二、 科學原理方面 在進行馬達組裝時,介紹各種齒輪的運作原理,例如介紹與示範何謂減速齒 輪?何謂偏心輪?何謂平齒輪等,大小兩個齒輪結合後,如何將會影響其轉速? 在完成作品後,需運用摩擦力的原理,才能讓蟲蟲危機機器車行進,因此學生透 過加上少許的砂紙來增加摩擦力。另外,進行拔河競賽時,需考量如何加上適當 的重量及重心的原理,才能獲勝?這些問題皆是學習者會遇到與解決的問題,而 這方面的先備知識除了老師的介紹外,透過科工館內的動力與機械展示廳,參觀 與操作大型齒論的互動式展示品及影片介紹就可以獲得答案(如圖2)。 蟲蟲危機動力機械車-結合不同齒輪之動 力系統 齒輪展示品 -介紹各種不同的齒輪及嚙 合時互動之情形(科工館四樓動力與機 械展示廳) 圖2:動力機械車活動與展示廳展品中有關科學原理對照圖 三、 科技原理方面 在科技原理方面主要介紹工具的應用、作品結構的基本組成以及作品的設計 形式等三項原理,瞭解這些基本結構有助於學生在考量數學及科學的相關概念 下,做出最佳的作品設計。如認識各種材料性質及工具的正確使用方法?如何設 計出與眾不同的創意成品?找尋不同解決問題的方法- 尋求團隊的協助?尋求 師長的幫忙?自行找尋資料解決?等(如圖 3)。

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蟲蟲危機動力機械車-完成作品後藉由直線及拔河測 試比賽,了解各項原理影響因素。 圖 3:「蟲蟲危機」動力機械車完成圖 伍、 結論與建議 由於科學博物館所扮演特殊社會功能角色,以及在普及科學教育的重要地 位,其最主要的目的為提供我們有科學知識和了解科學如何影響我們生活的博物 館。但對於科學博物館透過展示及活動如何詮釋數學、科學及科技三者的關係? 研究者提出以下結論與建議: 一、 展示方面 科學博物館不像美術館,展式的物件或單元內容常常受到科學社群的嚴格檢 驗,大體上有兩派的不同見解,一派認為科學博物館應致力於推銷科學知識,以 促進新的科技發展;另一派認為應詮釋科學發展和科技新猷,藉以引發大眾重視 這些發展所引起的問題。因此,科學博物館在強調科學或科技的發展,恰如其分 (洪楚源,2002)。但是數學在科學博物館的地位常常被忽略,不受到重視或是 放任獨立於其他學們之外,其實數學在各不同領域都有其應用與貢獻,不只是科 學技術領域,其他如商業、政治、藝術各領域內皆然。洪楚源 (2002)進一步利 用「數學展示」案例說明,美國於 70 年代完成「Mathematics」數學展示,內容 及品質均有很高成就,但安置在加州科學工業博物館中,顯得與其他展示格格不 入,沒有任何關聯。因此,數學不應規劃成一個獨立的展示,若能從展示設計中 著手,使數學與科學及技術之間緊密融合,而非獨立學科的展示,讓參觀民眾從 中獲得完整知識,提昇國民的科學素養及達到展示教育目的。

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二、 活動方面 學校推動的統整課程並非要取代分科課程,而是要彌補分科課程的不足,結 合現有的學科教材與學生活經驗,設計統整的主題學習。一方面既可促進學習內 容的意義化、簡化、內化與遷移,另一方面又能發揮教師的專業,頗能符合當前 的教育情境與改革需求,因迫於升學及無權威性的定義,以致統整課程經常流於 源源不斷的教育口號(游家政,2000)。而科學博物館的統整課程,是強調動手 做利用開放式的環境使學生有較多的深入探討,尋求問題的根源,且能讓學生感 受到擁有學習的主控權與動機。經研究者透過活動觀察,透過在科學博物館的環 境中舉辦活動,學生較有機會統整在各學科所學習到的知識;也可透過實際的設 計活動、討論、思考、判斷,進而培養學生高層次的思考能力。 對於活動的評量方面,學生們利用課餘時間參加博物館所舉辦的課程,在經 過教育人員所設計的培訓課程後,學生的數學、科學與科技概念是否因而成長? 雖有從事小隊輔的助教從旁協助,但其講師的角色是否與學校的教師相同?建議 對於活動歷程的部份應可加入多元影響因素加以深究。

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