盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 85 教育科學研究期刊 第六十四卷第三期 2019 年，64（3），85-118 doi:10.6209/JORIES.201909_64(3).0004
設計 STEAM 課程培養國小學生的
STEAM
素養：以「動物模仿獸」為例
盧秀琴
馬士茵
* 國立臺北教育大學 自然科學教育學系 新北市光華國小摘要
跨領域 STEAM 課程的專題研究能培養國小學生的 STEAM 素養，是全球的教育趨勢，也 是我國十二年國民基本教育的教學重點。本研究採個案研究法，以國小五年級一個班級共 28 位學生為研究對象，由三位不同領域的協同教師設計「動物模仿獸」的 STEAM 專題研究，教 導學生動物的特殊習性、撰寫 Arduino 設計程式、選擇材料組裝動物模仿獸；各組學生以兩個 月的時間撰寫 Arduino 程式操控感應器以模仿動物的特殊習性、畫設計圖、組裝動物模仿獸。 研究者蒐集 Arduino 學習單、動物模仿獸討論單、學習日誌、動物模仿獸作品、半結構式晤 談、教師省思札記等質性資料，進行編碼、分類與詮釋。研究結果顯示：一、各組學生能撰 寫 Arduino 程式去操控各種感應器，達到動物模仿獸身體顏色、叫聲頻率、改變發光頻率的效 果；二、各組學生從畫設計圖到組裝的過程，學會正確測量容積、選擇正確材料以組裝動物 模仿獸，呈現模仿獸的完整功能，以及具有特色的造型與質感；三、各組學生從 STEAM 專題 研究中培養 STEAM 素養，擁有跨領域的整合能力。關鍵詞： Arduino 程式設計、STEAM 素養、STEAM 專題研究、協同教學、動物模仿獸
通訊作者：盧秀琴，E-mail: [email protected]
86 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
壹、前言
一、研究的理念和重要性
隨著今日科技日新月異的進步，掃地機器人、智慧型手機、各種 App 程式的出現讓我們 享受便捷的科技產品，各種傳統式的職業與手工已逐漸被機器人或機器所取代。那麼，學生 在學校中所學習的課程內容能適用於將來的科技變遷嗎？教師究竟應該培育學生什麼樣的能 力，才能讓學生將所學得的知識迅速應用於科技日新月異的世界中？美國積極推動 STEM （Science, Technology, Engineering, and Mathematics）課程的改革（Herschbach, 2011; Toulmin & Groome, 2007），培養其全國國民的科學與科技素養；但教育學者認為藝術的價值與科學、科 技、工程、數學同等重要，在 STEM 課程中加入藝術元素能增進社會生活所需的人文思考（陳 怡倩，2017；Yakman, 2010, 2011）；於是 Yakman（2011）提出 STEAM（Science, Technology, Engineering, Art, and Mathematics）教育，Kamen 與 Maeda（2013）、Maeda（2013）則提出 STEAM 科技產品的發展，在 STEM 教育中加入藝術的教育理論，表現人類獨有的情感和創 意，打造機器人無法取代的創造力。STEAM 教育是結合科學、科技、工程、藝術及數學的跨 學科教學方法，透過一些相關聯的課程，將五大領域的知識結合起來，補強不同學科之間的 隔閡，讓學生在不同的課程或專案活動中，培養出跨界溝通的能力（呂秀蓮，2018；賓靜蓀， 2017；趙慧臣、陸曉婷，2016）。STEAM 素養是強調學生 STEAM 的讀寫能力，培養學生整 合 STEAM 知識以解決實務問題的能力，以及終身學習的知能和意識，使其能適應不斷發展 的社會需求（盧秀琴、洪榮昭、陳芬芳，2019；Zollman, 2012）。我國十二年國民基本教育（以 下簡稱十二年國教）的特色之一就是跨科、跨領域概念，自然科學領域重視「探究與實作」， 核心素養則強調提供學生探究學習、問題解決的機會，在自然科學領域中可融入數學素養， 鼓勵學生能運用圖表、邏輯思考、計算能力來呈現研發成果；可融入藝術素養，期望能培養 學生欣賞與美感，使其在解決問題中展現人性化的設計（教育部，2019a）。十二年國教也強調 科技領域的科技素養，透過運用科技、材料、資源，培養學生動手實作，以及設計、創造的 知能；透過科技領域的設立，將科技與工程之內涵納入科技領域之課程規劃，藉以強化學生 的動手實作，進行 STEM 等知識整合運用的能力，提供學生跨學科知識整合的學習，發展其 在科技與工程領域的設計、創新、批判思考等高層次思考能力（教育部，2019b）。而跨領域 課程需由不同領域的教師共同合作組成教學團隊，採取靈活的教學主題來指導學生、結合不 同領域的思考模式及專業知識和技能以創作出成品（Council of Arts Accrediting Associations [CAAA], 2009; Jacobs & Frickel, 2009）。研究者從事國小自然領域師資培育工作多年，深感國小自然領域的教材內容與現代進步 的科技相差甚遠，雖然國小的科學教育是讓學生發展多元潛能、培育積極的科學態度，但學
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生要如何去適應日新月異的未來世界？STEAM 教育應該是一個啟發，教師如能挑選學生熟悉 且有興趣的課程進行跨領域 STEAM 課程的專題研究，學生便能較適應科技化的未來世界 （盧秀琴等，2019；Lu & Chen, 2018）。目前，各級學校實施 STEAM 課程設計多數著重於雷 射雕刻、3D 列印等課程，較少應用於解決日常生活的問題；臺灣於 2019 年將「程式教育」納 入國、高中課程綱要，表示程式設計的重要性（蔡淑玲，2017）。國小的資訊課程多數教導學 生如何使用 Word 軟體和簡單的 3D 列印。事實上，程式設計相當重要，國小學生如果不學習 程式設計，恐怕將追不上科技產業的挑戰，無法正確使用科技產品。因此，本研究以「動物 模仿獸」的專題研究為例，於設計 STEAM 課程時，需要資訊教師教導學生 Arduino 程式設 計以操控 RGB 三色 LED 燈、蜂鳴器、紅外線感應等三種感應器來模仿動物的特殊習性，使 各組學生能思考如何操縱三種感應器去表現該動物的特殊習性。本研究選擇翰林版自然科五 下的「動物大觀園」單元進行 STEAM 課程「動物模仿獸」的專題研究，因為每種動物都有自 己獨特的習性及特殊構造，因此需要自然科教師引導各組學生認識該動物的特殊習性與構 造；為了使各組學生學習組裝動物模仿獸，需要美勞科教師引導其認識該動物給人的觸感和 視覺效果，藉此選擇適當的基座、材料來模仿該動物才能達到最佳效果；其次，在製作動物 模仿獸時，需要精準的測量和考量模仿獸的容積才能裝入三種感應器，所以自然科教師和美 勞科教師需引導各組學生如何精準測量與考量模仿獸所需要的容積，如此便學會了數學技 能。綜合以上能力並結合在一起，學生就建構了 STEAM 素養，故本研究採用三位不同領域的 教師協同教學，讓所有教師和各組學生形成緊密的協同關係，互相搭配合力完成教學與學習 活動，充分發揮教與學團隊的精神（盧秀琴等，2019；Baeten & Simons, 2016）。三位教師除 了分項教導表現「動物模仿獸」的各種技能外，其協同教學亦能培養各組學生組織及連貫各 種學科知識，找出不同學科觀點之間的共通點，無形中建構自己的 STEAM 素養，獲得解決問 題所需要的認知、技能與行動（Wynn & Harris, 2012）；學生在 STEAM 課程專題研究的歷程 中，為了解決所遇到的問題，自然而然地學會跨科概念、技能，進而培養 STEAM 素養。
二、研究目的與待答問題
本研究以個案研究法培育國小學生學習 STEAM 課程的專題研究，並以 28 名國小五年級 學生為研究對象，設計「動物模仿獸」的專題研究，期望各組學生能在創作一隻「動物模仿 獸」的歷程中培養 STEAM 素養。因此，本研究探討下列兩個問題：（一）STEAM 課程的專 題研究中，國小學生創作「動物模仿獸」的學習歷程與成效為何？（二）STEAM 課程的專題 研究中，國小學生 STEAM 素養的培養為何？88 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
貳、文獻探討
一、STEAM 教育理念與課程設計
STEAM教育理念與十二年國教課綱的核心素養都強調教育不應只停留在知識層面，而是 要培養素養─用知識來解決日常生活問題的能力（教育部，2019a）。STEAM 教育起源於 STEM教育，STEM 是將原本分散的各門學科自然組合成為統整課程，學生將學習不同學科知 識連結在一起的跨科概念，轉變成一個探究世界的實作課程，能夠由此推進改變世界發展的 實質性歷程（Allan, Mort, & Brian, 2008; Olds, Patel, Yalvac, Kanter, & Goel, 2004）；STEM 教 育能提升學生的學習動機與興趣、溝通與合作的技巧、擬定計畫與解決生活問題的任務、培 養創新與真實世界的接軌（Allan et al., 2008; Fang, 2013; Olds et al., 2004; Watters & Diezmann, 2013）。由於藝術的價值與 STEM 同等重要，尤其是追求美感和人文的需求，融入社會實踐 產生對在地文化的關懷（廖敦如，2018）；美國學者 Yakman（2011）提出 STEAM 教育，讓學 生在數學及科學邏輯的基礎上，藉由科技、工程及藝術的應用，以學習科學與技術內涵。Yakman （2010）建立的 STEAM 教育框架為五層「金字塔」，其中第三層是「STEM+A」，主要強調藝 術的滲透、人文的需求（Wynn & Harris, 2012）；第四層則強調 STEAM 教育在科學、科技、 工程、藝術與數學等跨學科的視角下，整合實踐方式去發現問題和解決問題（趙慧臣、周昱 希、李彥奇、劉亞同、文潔，2017；Long & Davis, 2017）。本研究著重於金字塔第四層的 STEAM 教育框架，即學生要活用知識和技能來解決生活中的問題，進行專題式學習（project based learning），在跨學科領域的教學架構下，學生可將重心放在特定議題上，練習用不同的觀點 切入思考，在多元發展下培養 STEAM 素養與同儕溝通的能力（盧秀琴等，2019）。STEAM 課 程的設計應具備五個精神，研究者將其整理為：（一）跨領域專題研究，打破科目框架；（二） 「動手做」的學習，實踐以學生為中心的價值；（三）生活應用，引發學生探究的好奇心； （四）解決真實世界問題，感覺自己有影響力；（五）五感學習：用眼去觀察，用耳朵、嘴 巴去聽和溝通，用心去思考，用手去實現（賓靜蓀，2017；簡佑宏、朱柏穎、簡爾君，2017）。 STEM 課程設計應提供學生較多設計、探究、分析、測試與綜合評估的學習機會，以建構更 完整的整合與應用能力（范斯淳、游光昭，2016）；STEAM 課程是以解決真實問題的探究 學習和以專題研究為基礎所設計的課程，藉由動手實踐想法與製作成品，強調學生在真實情 境中發展設計與解決問題的能力（柳棟、吳俊杰、謝作如、沈涓，2013）。教師要為學生未 來就業而設計課程，就必須使用跨領域的方式進行思考；學生接受 STEAM 教育有助於深入瞭 解數學和科學的關係（Yakman, 2013），亦有助於培養在真實世界應用跨學科概念去解決問題 的能力（Asghar, Ellington, Rice, Johnson, & Prime, 2012）。STEAM 課程屬於跨領域課程，需 由不同領域的教師共同合作組成教學團隊，透過跨領域的對話，教師可以汲取其他教師的經盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 89 驗或看見自己不足之處，促使教師專業成長，並提升教師教學與課程規劃的能力（顏佩如、 溫羚勻，2016）。而學生從 STEAM 課程的學習歷程中，也能獲得跨領域的核心能力，例如： 協同工作與小組進度，積極參與並評估該小組的進度；反思記錄，瞭解自己要怎麼學才最好， 並意識到他人的觀點；溝通交談，瞭解文化語言的差異與行為差異，促進討論的重要性；共 有知識基礎，瞭解個人的知識、專業的知識和普遍的知識等（Wilhelmsson et al., 2012）。
二、STEAM 素養
Bybee（2013）認為教育應有助於一個 STEM 文化的社會，擁有二十一世紀能力的普通人 才，培養其能專注於創新的研發。Bybee 認為 STEM 素養是培養學生能認識生活中的問題，瞭 解 STEM 學科如何塑造當前的物質、知識和文化環境，作為人類探究和設計形式的特徵，並 著重科學、科技、工程和數學的思想，以培養成為具建設性、關注社會和能進行反思的公民。 Zollman（2012）強調 STEM 素養是使用 STEM 讀寫能力來學習以滿足社會、經濟和個人的需 求；Tang 與 Williams（2018）呼應 STEM 素養是強調 STEM 讀寫能力的重要性，用以反應 STEM學科所需的共同能力、共同語言和認知技能，而這些技能在一門學科中引入或學習時， 可以在另一門學科中應用和加強。National Research Council（1996）定義 STEM 的科學素養是 對個人決策、參與公民和文化事務及經濟生產力所需要的科學概念和過程知識的理解。在國 際學生能力評估計畫（Programme for International Student Assessment, PISA）中測驗的科學素 養著重於學生能運用科學知識來辨識當前的社會問題、獲得新知、解釋科學現象，並形成證 據導向的結論（陳雅君、洪瑞兒、佘曉清、林煥祥，2016）。National Research Council（2012） 定義 STEM 的科技素養是使用、理解和評估科技的能力，以及開發解決方案和實現目標所需 的科技原則和策略。隨著時間的推移，應用科技塑造現今的社會，人們能夠在資訊媒體、報 紙上觀看或閱讀相關科技，並智慧地評估與使用於日常生活中以解決問題（Tang & Williams, 2018）。科技領域課程則著重於設計與製作的內涵，培養學生著重工程設計的內涵，整合 STEM 知識以解決實務問題的能力（范斯淳、游光昭，2016）。Gonzalez與 Kuenzi（2012）定義 STEM 的工程素養是能夠有系統地、創造性地將科學和 數學原理應用於實際的目的，如高效能經濟的結構、機器、工藝和系統的設計、製造和操作 等；而在動手做的工程素養則著重於學生能理解工程設計，整合多門學科的知識應用於該工 程，要求選擇材料、使用技術能達到最完美實踐的結果（Hong, Hwang, Szeto, Tai, & Tsai, 2016）。STEM 的數學素養著重於學生能在各種脈絡裡形成、使用、詮釋數學的能力，包括數 學推理、解釋和預測現象（Lou, Liu, Shih, & Tseng, 2011）。Zollman（2012）對 STEM 的數學 素養增加說明，主要是識別、理解和參與數學的能力，對數學在個人當前和未來的職業生活 中做出有根據的判斷，關注和反思公民的生活。STEAM 教育則增加了藝術素養，主要強調藝 術的滲透、人文的需求；STEAM 的藝術素養著重於學生能引入藝術協助其他科目的跨領域學 習，經由同理心、確定問題、構思、原型、測試的過程進行設計創作（郭禎祥、陳瓊花、陳
90 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵 箐繡、蔡芷芬、陳建伶，2000）。「藝術」對於很多細節的東西是注重的，當製作成品的過程 中，把比例的美感、造型的美感、色彩的美感、結構的美感、材料的美感帶進來，成品不只 可以解決人的問題，還可以感動到人，創造出更高價值的產品（陳怡倩，2017）。從以上的論 述可以歸納 STEAM 素養是跨領域的統整能力，是培養學生整合 STEAM 知識以解決實務問題 的能力，根據 Bloom、Engelhart、Furst、Hill 與 Krathwohl（1956）的認知理論，依照學習難 度可將學習內容分為「知曉」、「理解」及「應用」三個層次，本研究中觀察學生從事「動物 模仿獸」的專題研究中，如何培養 STEAM 素養。
參、研究方法
一、研究設計
本研究採個案研究法，取消學科界限，使用 STEAM 課程設計，將所有學科內容整合到「動 物模仿獸」的專題研究。研究者尋找大臺北地區的大型學校，由正在研讀自然科學研究所的 自然科教師，協同其所任教班級的美勞科教師和資訊科教師，組成一個團隊，由研究者協同 這三位教師共同擬定教學目標、教學內容、教學方式與教學時間，將其整理成課程設計，說 明如表 1 所示。 表 1 「動物模仿獸」專題研究的課程設計 學習歷程 教學目標 教學內容 教學方式 教學時間 參與教師 動物的特殊習性 與構造 1. 動物的構造與功能 2. 動物之間如何溝通 3. 動物如何禦敵 章魚、恐龍、螢 火蟲、青蛙的特 殊習性與構造 利 用 動 物 影 片 引導教學、提問 與回答 兩節課 自然科教師 根據動物的特殊 習性編寫Arduino 程式設計 1. 編寫 Arduino 程式 2. 編寫感應器的迴路 3. 編寫多種感應器的 迴路 RGB三 色 LED 燈、蜂鳴器、紅 外線感應器 示範教學、練習 實 作 、 除 錯 指 導、創新設計 兩節課 資 訊 科 教 師、自然科 教師 設計「動物模仿 獸」與選擇材料 1. 模仿獸的設計圖 2. 模仿獸的材料 3. 模仿獸的基座 如何畫設計圖、 選擇基座與材 料、比例與對稱 圖片示範教學、 學生自由發表、 討論與建議 兩節課 美 勞 科 教 師、自然科 教師 組裝「動物模仿 獸」 1. 模仿獸表現該動物 的外形構造 2. 當有人或動物接近 時，模仿獸表現特 殊習性 1. 組裝模仿獸， 表 現 該 動 物 外形 2. 至 少 以 兩 種 感 應 器 表 現 模 仿 獸 的 特 殊習性 組裝模仿獸、討 論與解決問題、 滾 動 式 修 正 以 達到最佳化 兩 個 月 （課餘時 間進行組 裝 與 修 正） 自 然 科 教 師、美勞科 教師、資訊 科教師盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 91 「動物模仿獸」的專題研究為跨領域的統整課程，強調以學生為中心，由小組自行組裝 一隻「動物模仿獸」以表現該動物的外形構造與特殊習性。其中，（一）學科整合教學包含： 1.本研究的科學領域只教導章魚、恐龍、螢火蟲、青蛙的特殊習性與構造，不宜過度推論至其 他動物；2.本研究的科技領域只限於教導 Arduino 程式設計，使用 RGB 三色 LED 燈、蜂鳴 器、紅外線感應器模擬該動物的特殊習性，不宜過度推論至其他科技；3.工程與數學領域教導 如何畫模仿獸的設計圖、選擇基座和材料，同時學習如何測量、容積大小、比例尺等數學概 念；4.工程與藝術領域教導如何選擇材料來組裝動物模仿獸，注意動物四肢比例的美感、造型 的美感、色彩的美感、結構的美感。（二）實務教學製作「動物模仿獸」包含：1.各組模仿動 物的特殊習性去編寫 Arduino 的程式設計，解決感應器的表現與迴路問題；2.組裝動物模仿獸 時，注意其身體四肢的比例問題，選擇材料是否能表現該動物的外形，兩種感應器是否能放 進模仿獸的軀體內，並進行滾動式的修正以達最佳化；3.表現模仿獸的特殊習性時，注重感應 器的迴路是否正確表達，進行滾動式的修正以達最佳化，最後展示與說明。所有學生分成六 組，每組 4～5 人製作「動物模仿獸」的作品，各組「動物模仿獸」的模擬設計整理說明如圖 1所示。本研究分析各組的 Arduino 學習單、動物模仿獸討論單、學習日誌、動物模仿獸作品， 搭配半結構式晤談、教師省思札記等，探討國小學生製作「動物模仿獸」的歷程和如何培養 STEAM素養。 圖1. 國小五年級各組「動物模仿獸」的模擬設計。虛線代表各組可利用的感應器；實線則代 表各組所選擇要使用的製作材料。 需要 需要 需要 需要 可利用 可利用 組合完成 第二、四組 變色的章魚 警戒的恐龍 第三組 求偶的螢火蟲第五組 青蛙的領域宣示 第一、六組 章魚的 身體 RGB三色LED燈、紅外線感應器 恐龍的 身體 紅外線感應器 蜂鳴器、 螢火蟲的身體 RGB三色LED燈、紅外線感應器 青蛙的 身體 紅外線感應器 蜂鳴器、 保麗龍板、RGB三色LED燈、厚紙板、積木、 冰棒棍、布料、色紙、黏貼工具等製作 觸摸感應器、噪音感測器等製作 紅外線感應器、光敏感測器、 活動五、動物習性模擬設計 動物的習性
92 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
二、協同教學
本研究進行 STEAM 課程的專題研究，共有三位教師進行協同教學，參考十二年國教課程 綱要及所要培養的 STEAM 素養，聯合設計 STEAM 課程與使用的教學策略或方法（協同教學 模式請參見表 2）；主軸是由自然科教師提出動物的外形構造與特殊行為，讓其他教師根據此 需求去指導各組學生進行設計與製作「動物模仿獸」。 表 2 「動物模仿獸」專題研究的協同教學模式 STEAM課程 十二年國教課程綱要 STEAM素養 教學策略或方法 Arduino 程式設計 模仿動物的特殊行 為，如警戒叫聲 提供學生探究學習、問 題解決的機會並養成相 關的技能 強調 STEAM 讀寫能力， 在 一 門 學 科 中 學 習 技 能，可以在另一門學科中 應用 蟬遇到危險時，鳴叫頻 率加快，如何撰寫蜂鳴 器 程 式 來 表 達 聲 音 加 快？ 觀察某動物的外形 構造，畫出模仿獸 的設計圖和選擇材 料 運用科技工具、材料、資 源，培養學生動手實作能 力 著重於設計與製作的內 涵，培養學生設計的思考 模式 青蛙的外形構造具備坐 姿的特徵，如何畫出設 計圖？哪種材料能表現 青蛙皮膚？ 根據模仿獸的設計 圖，實作一隻動物 模仿獸出來 能 運 用 圖 表 、 邏 輯 思 考、計算能力於探究研 究的學習中 有系統地將科學和數學 原 理 應 用 於 實 際 的 目 的，如製造和操作等 選擇什麼基座才能表現 章魚的身體？章魚八隻 腳如何呈現才能表達正 確的比例？ 完成組裝動物模仿 獸，強調動物模仿 獸特殊行為的表現 強化學生的動手實作， 進行 STEAM 知識整合 運用的能力 學生能理解模仿獸的特 殊行為，整合多門學科的 知識來動手做模仿獸 雄 螢 火 蟲 發 光 頻 率 改 變，如何計算頻率的改 變？在相同時間亮的次 數有不同嗎？ 持續修正已達動物 模仿獸的最佳化設 計與呈現 培養學生欣賞與美感， 在解決問題中展現人性 化的設計 製作成品過程中，將比 例、造型、色彩、結構的 美感帶進來，創造出高價 值產品 基座選擇錯誤無法表現 該動物的外形構造時要 怎麼辦？考量其他動物 看看 三位教師利用課餘時間，一起指導各組專題製作「動物模仿獸」，包含：編寫 Arduino 程 式操控感應器以模仿動物模仿獸的特殊習性，畫出動物模仿獸的設計圖、選擇材料、組裝身 體與測試特殊習性等，歷程兩個月；三位教師進行數次的討論，皆學習 Arduino 程式設計、組 裝麵包板、操控感應器，以便隨時引導學生解決所產生的問題。盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 93
三、研究對象
本研究採個案研究，從新北市某大型國小五年級中挑選一個班級共 28 位學生為研究對 象，其中男生 13 人，女生 15 人，不宜過度推論到其他班級。研究對象已學過動物單元概念， 亦學過電腦課 Scratch 的教學，故能應用 Scratch 設計遊戲，對於積木式的程式設計有些基礎。 晤談學生最喜歡上美勞課，其次是自然課與電腦課，最後是數學課；全班學生都喜歡動手操 作，因為製作過程有趣好玩，當面對需要解決的問題時，多數學生會和朋友及小組討論以解 決問題，顯示該班學生在面對問題時有一定的問題解決能力，足以設計與製作「動物模仿獸」； 此外，各組推薦一位同學接受半結構式晤談。四、研究工具
（一）Arduino 學習單
Arduino學習單（參見附錄一）使用於學生學習 Arduino 面板及擴充模組的積木式程式設 計，共分為六個部分：1.認識 Arduino 麵包板；2.Mblock 操作；3.RGB 三色 LED 燈；4.蜂鳴器； 5.紅外線感應器；6.練習程式設計。（二）動物模仿獸討論單
動物模仿獸討論單（參見附錄二）使用於學生學習設計與組裝動物模仿獸，共分為六個 部分：1.我們要製作的動物是什麼？2.我們要製作的動物有什麼特殊習性？3.需要用到什麼感 應器來表達動物的特殊習性？4.為了模擬動物的特殊習性，請畫出該動物的 Arduino 程式設計 積木；5.將你們設計的動物名稱填入雲朵中，並在方格中填入牠有哪些身體部位，以及我們可 以用哪些材料來製作動物模仿獸？6.畫出動物模仿獸設計圖。（三）學習日誌
學習日誌使用於學生進行專題研究時的學習記錄，是依據 Kolb（1984）的經驗學習理論 編製而成，包括：1. What？─我們學習了哪些知識和技能？2. So what？─專題中，我們學習 了哪些 STEAM 素養？3. Now what？─遇到問題時，我們如何解決？五、資料蒐集與分析
本研究所探討的研究問題、資料蒐集與資料分析方式說明如表 3；並以扎根理論進行編碼， 各種質性資料檔案、編碼方式及代表意義整理如表 4。研究者經過多次會議，並輔以三角檢證 及內容分析法等，逐字逐句地整理所有資料檔案，歸納出背後所代表的意涵，完成質性資料 的分析與形成主張。其中，內在效度的建立為三位自然領域的師資培育教授和三位自然科資 深教師，共同閱讀所有質性資料，給予分類和說明，達到一致性的共識為止；外在效度的建 立則由以上六位成員將各種質性資料加以整理、分析歸納、解釋描述，透過三角校正持續比94 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵 表 3 研究問題、資料蒐集與資料分析方式 研究問題 資料蒐集 資料分析 STEAM 課程的專題研究中， 國小學生創作「動物模仿獸」 的學習歷程與成效為何？ 1. Arduino學習單 2. 動物模仿獸討論單、設計圖、 作品 3. 學習日誌、半結構式晤談紀錄 4. 教師省思札記 1. 分析 Arduino 學習單內容 2. 作品拍照與分析所有內容 3. 進行半結構式晤談紀錄、學 習日誌、教師省思札記分類 並詮釋結果 STEAM 課程的專題研究中， 國小學生 STEAM 素養的培養 為何？ 1. Arduino學習單、動物模仿獸討 論單、設計圖、作品 2. 學習日誌、半結構式晤談紀錄 3. 教師省思札記 1. 所有質性資料進行分類與 編碼 2. 綜合學習日誌、半結構式晤 談紀錄、教師省思札記的三 角檢證，形成主張 表 4 質性資料檔案的編碼與代表意義 質性資料檔案 編碼舉例 代表意義 Arduino學習單 LS-1-1 LS代表學習單，第一碼數字代表組別，第二碼數字代表學生 編號 動物模仿獸討論單 DS-1-1 DS代表討論單，第一碼數字代表組別，第二碼數字代表學生 編號 學習日誌 LT-1-1 LT代表學習日誌，第一碼數字代表組別，第二碼數字代表學 生編號 動物模仿獸作品 ARP-1 ARP代表作品，數字代表組別 半結構式晤談紀錄 Int-S-1-1 Int代表晤談，S代表學生，第一碼數字代表組別，第二碼數 字代表學生編號 教師省思札記 TN-T-1 TN代表札記，T代表教師，數字代表教師編號 對，最後形成主張，用以詮釋國小學生製作「動物模仿獸」的「學習歷程」及「培養 STEAM 素養」所產生的意義。
肆、研究結果與討論
一、國小學生實作「動物模仿獸」專題研究的學習歷程與成效
（一）編寫 Arduino 程式設計操控感應器以模仿動物的特殊習性（結合科技與科學）
為了讓學生模仿該動物的特殊習性，教師引導各組回答動物模仿獸討論單的問題：1.我們盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 95 要製作的動物是什麼？2.我們要製作的動物有什麼特殊習性？3.需要用到什麼感應器來表達 動物的特殊習性？4.為了模擬動物的特殊習性，請畫出該動物的 Arduino 程式設計積木。資訊 科教師示範教學後，整理各組 Arduino 程式模擬設計（如圖 1 所示），如第二、四組「變色的 章魚」可利用紅外線感應器、觸摸感應器，表示章魚知道敵人靠近產生 LED 混色光的變色反 應以驚嚇敵人（DS-2-1、DS-4-3）；第一、六組「青蛙的領域宣示」可使用紅外線感應器感應 其他雄青蛙靠近，產生蜂鳴器的鳴叫反應宣示牠的領域地盤（DS-1-2、DS-6-4）。接著，各組 學生編寫 Arduino 程式設計來模仿動物的特殊習性，一邊操作 Arduino 麵包板，一邊撰寫 Arduino學習單。例如，第一、六組「青蛙的領域宣示」設計蜂鳴器組裝說明如圖 2 所示， Arduino學習單的撰寫如圖 2 的步驟說明，最後都能達到目標（LS-1-1、LS-6-2）。 1. 連接蜂鳴器與電路板。 2. 將電線連接任意一個三孔連接處（腳位 0～ 13）。 3. 點選機器人模組，拖曳 Arduino 主程式按鈕到 程式編寫區。 4. 點選控制選項，拖曳重複 10 次按鈕到程式編 寫區，根據需求更改重複次數。 5. 點選機器人模組按鈕，拖曳播放腳位 9 音調為 C2節拍為二分之一到程式編寫區。 6. 點選控制選項，拖曳等待 1 秒按鈕到程式編寫 區。 7. 模擬雄青蛙鳴叫編寫程式。 圖2. 第一、六組「青蛙的領域宣示」設計蜂鳴器組裝說明 各組編寫 Arduino 程式設計模仿動物的特殊習性，選擇最快達到目標的第二組和無法達到 目標的第三組作為舉證，說明如圖 3 所示。第二組設計「變色的章魚」模仿獸，根據撰寫的 學習日誌可以發現，他們使用紅外線感應器、觸摸感應器、RGB 三色 LED 燈等感應器；當小 組發現迴路不通的問題時，進行討論並詢問教師以解決問題，最後以數位腳位 10 控制紅外線 感應器、數位腳位 5、6、9 控制 RGB 三色 LED 燈發光，在沒有感應到敵人時，章魚模仿獸 呈現閃爍的膚色；當紅外線感應器感應到紅外線輻射時，代表有敵人靠近，章魚模仿獸的 RGB
96 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵 第二組Arduino學習單（LS-2-1） 第三組Arduino學習單（LS-3-3） 圖3. 第二、三組模擬動物特殊習性的Arduino學習單 三色 LED 燈就發會出混色光，皮膚快速變色以達到嚇阻的功效（LT-2-3）。第二組的程式設 計撰寫沒有錯誤，但自然科教師提醒，自然界中一般章魚在休息時不會呈現閃爍的膚色，而 是以保護色來呈現，閃爍的膚色不利於章魚生存（LT-2-5）；資訊科教師引導第二組學生修改 程式設計，當未偵測到紅外線輻射時，章魚模仿獸呈現白色膚色（LT-2-5）。第三組原本製作 「青蛙的領域宣示」，但因為使用寶特瓶做身體的基座，產生身體比例不對稱的問題，在美 勞科教師引導下改以製作「警戒的恐龍」（LT-3-2）；因為恐龍的特殊習性是遇到敵人靠近時 會加快鳴叫頻率以嚇阻敵人，和青蛙雷同，也是使用蜂鳴器（LT-3-2）。第三組以數位腳位 3 控制紅外線感應器，當感應到紅外線輻射時代表有敵人靠近，並以數位腳位 4 控制蜂鳴器以 A4音調鳴叫，但第三組的恐龍模仿獸在感應到敵人後，鳴叫頻率並沒有改變，無法達到嚇阻 敵人的效果（LS-3-3）；資訊科教師說明第三組的程式設計有錯誤，前後控制蜂鳴器的腳位不 一致，電腦無法判讀和控制蜂鳴器，經過資訊科教師引導與修正，最後也達成目標。 整理其他四組的 Arduino 程式設計都發現有迴路不通的問題，探討主要原因是程式設計涉 及一個 Arduino 擴充模組時，學生可以維持一個腳位訊號控制一個模組，但當設計到兩個或以 上的 Arduino 擴充模組時，很難維持一個腳位訊號對應一個模組的作法，學生必須寫出一個腳 位訊號控制兩個模組，或是寫出多個腳位訊號，就會碰到控制模組訊號不一致的問題。以資 訊科教師的省思札記做說明： 因為學生沒有寫程式設計的經驗，邏輯思考和迴路較不足，我必須一組一組地教和 協助除錯，後來兩位教師也學會了就幫忙各組除錯。（TN-T-2）
盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 97
（二）畫出「動物模仿獸」設計圖與選擇材料（結合科學、工程與藝術）
美勞科教師示範設計圖教學後，三位教師引導各組畫出「動物模仿獸」設計圖，自然科 教師提醒動物的外觀特徵，美勞科教師引導如何構圖，提醒學生注意模仿獸體型和腳的比例； 各組學生一邊設計「動物模仿獸」，一邊回答動物模仿獸討論單的問題（5.將你們設計的動物 名稱填入雲朵中，並在方格中填入牠有哪些身體部位，以及我們可以用哪些材料來製作動物 模仿獸？6.畫出動物模仿獸設計圖）。在三位教師引導下，六組都完成設計圖和選擇製作的材 料（如圖 1 及表 5 所示）。 表 5 各組製作動物模仿獸的設計圖與選擇製作材料 組別 「動物模仿獸」設計圖 選擇製作材料 第一組 青蛙 模仿獸 第二組 章魚 模仿獸 第三組 恐龍 模仿獸 （續）98 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵 表 5 各組製作動物模仿獸的設計圖與選擇製作材料（續） 組別 「動物模仿獸」設計圖 選擇製作材料 第四組 章魚 模仿獸 第五組 螢火蟲 模仿獸 第六組 青蛙 模仿獸 從表 5 分析各組所繪製的「動物模仿獸」設計圖可發現，第五、六組模仿討論單的「參 考範例」做設計，為分成上層、中層、下層的設計圖，上下層設計該「動物模仿獸」的外觀 基座，中層則放置該模仿獸的感應器；其他四組則選擇自行設計款式。第一組設計青蛙模仿 獸要有柔軟的身軀，沒有放基座，其他五組都選擇使用寶特瓶當作身體的基座，在寶特瓶中 裝置該模仿獸的感應器。六組的設計圖中都能呈現該「動物模仿獸」的外形構造，章魚屬於 軟體動物門的頭足綱，所以第二、四組的章魚模仿獸設計圖著重於頭部和八隻腳，其中第二 組將章魚模仿獸放置在四驅車上，利用四驅車來加快行走速度。最後，自然科教師提醒第五 組再仔細觀察螢火蟲三對腳的著生位置，應該長於胸部下方，不會分散在身體的軀幹；後來 第五組修正設計圖，將三對腳集中在胸部下方生長。
盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 99 此外，從表 5 分析各組選擇材料表現「動物模仿獸」的基本構造有：眼睛、嘴巴和腳， 其他的依照各組需求自己填寫。第五、六組選擇畫出眼睛，其他四組選擇使用假眼；第一、 三、五、六組選擇不呈現嘴巴，第二組使用瓶蓋，第四組使用毛根呈現嘴巴；腳的部位比較 多樣化，第一、五、六組選擇用吸管呈現青蛙或螢火蟲的腳，第二組選擇使用描圖紙呈現章 魚腳柔軟的感覺，第三組選擇使用輕黏土呈現恐龍的腳，第四組則選擇使用毛根呈現章魚的 腳，可見各組有自己的鑑賞力。其他選擇材料分析：第一組想要表現青蛙柔軟的感覺，選擇 毛根做身體基座，使用布料表現青蛙的皮膚，使用塑膠袋去呈現其他器官；第六組則選擇寶 特瓶當作青蛙模仿獸的基座，使用超輕土去裝飾皮膚，並在屁股裝置燈泡和紅外線感測器； 第二組想要表現「變色的章魚」，考慮到 RGB 三色 LED 燈變色需要搭配透光材質製作身體， 故選擇透明寶特瓶製作章魚頭部的基座，並用寶特瓶的瓶蓋製作章魚的嘴，使用剪成小顆粒 的吸管黏在腳上當作吸盤，放置在四驅車上協助滑行；第四組也是製作「變色的章魚」，但 不同之處是選擇紙板包裹身體，使用磁鐵去表現章魚腳上的吸盤；第三組想要表現「警戒的 恐龍」，選擇杯子做基座，利用輕黏土和杯子做身體的外形和底座；第五組想要表現「求偶 的螢火蟲」，選擇寶特瓶做基座，利用輕黏土做身體外形，然後用超輕土做皮膚，並在屁股 上裝燈泡。
（三）組裝「動物模仿獸」（結合科學、科技、工程、藝術與數學）
三位協同教師共同引導各組學生製作「動物模仿獸」，流程為設計圖→組裝操作→修正 設計圖→再組裝操作→完成動物模仿獸組裝等滾動式修正，六組皆完成「動物模仿獸」的設 計和組裝（如圖 4 所示）。從圖 4 分析第一組製作「青蛙的領域宣示」，使用毛根製作青蛙 的骨架，裡面放置感測器，但毛根太軟無法固型，造成青蛙站不起來，所以模仿獸不太像青 蛙，使第一組感覺有些沮喪（LT-1-2）；在教師引導下，第一組改用毛根製作青蛙模仿獸的四 肢，表現青蛙有三隻腳趾，利用模仿獸腹中的紅外線感應器、蜂鳴器能感測雄蛙的接近而鳴 叫進而宣示領域行為（LT-1-4）。第六組也是製作「青蛙的領域宣示」，他們使用寶特瓶做青 蛙的基座，發現基座太高無法蜷曲坐立，不像青蛙的姿勢；修正成使用上下開啟的禮物盒去 製作青蛙的基座，用吸管做腳外包超輕土呈現三個腳趾和青蛙坐立的姿勢，並使用不同深淺 的綠色超輕土製作青蛙上下身的皮膚，很有層次感，同時，捨棄原本不做嘴巴的設計，跟大 家一樣使用假眼裝飾模仿獸的眼睛，造型很好看（LT-6-1），並將蜂鳴器裝在嘴巴位置以模仿 蛙鳴，組裝的紅外線感應器藏身於禮物盒中，「青蛙的領域宣示」組裝有達成目標。 第二、四組都是製作「變色的章魚」。第二組想要表現章魚的柔軟體感和變色反應，所 以改用描圖紙包裹寶特瓶基座當作頭身，並用捲曲的描圖紙製作八隻腳，然後把紅外線感應 器、RGB 三色 LED 燈裝入寶特瓶的頭身中，表現柔軟體感和變色反應；他們修正的地方是聽 從美勞科教師的建議，使用藍色玻璃紙去裝飾嘴巴，比較喜感（LT-2-2），並將模仿獸放置在 四驅車上表現出章魚能快速地行動，「變色的章魚」組裝有達成目標。第四組最初使用厚紙100 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
第一組（ARP-1） 第二組（ARP-2）
第三組（ARP-3） 第四組（ARP-4）
第五組（ARP-5） 第六組（ARP-6）
盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 101 板製作章魚的基座，發現透光性不佳無法看到 RGB 三色 LED 燈的變色反應，於是學習第二 組改用描圖紙包裹寶特瓶當作章魚基座，也使用淡藍色圖畫紙去裝飾嘴巴；他們原本使用紅 色毛根當作章魚模仿獸的八隻腳，但毛根太細，和章魚身體的比例不對稱，進行修正後模仿 第二組改用描圖紙做腳，將描圖紙捲成筒狀用膠帶固定於身體周圍，做成上粗下細的八隻腳， 也將模仿獸放置在四驅車上表現出章魚能快速地行動（LT-4-3），但第四組模仿獸八隻腳的質 感較硬，感覺不出章魚的柔軟度。 我們設計時使用紅毛根做八隻腳，但實際組裝章魚時，愈看愈怪，比例都不對，大 家同意拆掉改用第二組的描圖紙做腳，但要不一樣就做成筒狀去黏身體，結果腳看 起來好硬。（Int-S-4-1） 第三組原本要做「青蛙的領域宣示」，但做基座的「手搖杯」太長，與青蛙體型不相 符，決定修正成製作「警戒的恐龍」模仿獸，較符合身體的比例長度；由於第三組在不同 時段使用輕黏土製作模仿獸的身體，綠色輕黏土混色有色差，造成身體上下有不同的色調 （LT-3-3）；在美勞科教師引導下，加上紅色輕黏土圍巾繫於頸部以弱化身體上下的色差，並 塑形三角形脊狀以強化恐龍的造型，將紅外線感應器、蜂鳴器置放於手搖杯身體內，組裝的 「警戒的恐龍」有達成目標（LT-3-4）。第五組製作「求偶的螢火蟲」，著重於螢火蟲尾部的 發光頻率，選擇使用透明寶特瓶做基座才能順利看見尾部發光，在自然科教師引導下，修正 為螢火蟲模仿獸的頭部、胸部、腹部用不同顏色呈現以表現昆蟲的特徵（LT-5-2）；頭部用紅 色毛根裝飾一對觸角並凸起保麗龍裝飾眼睛，胸部使用棕色吸管表現三對腳，並使用紅色、 粉紅色透明卡紙製作上翅和下翅，以表現螢火蟲有兩對翅膀，腹部採用黃色玻璃紙包覆，內 部裝有紅外線感應器，並選擇 RGB 三色 LED 燈裝在尾部當作發光器（LT-5-4）；組裝的「求 偶的螢火蟲」有達成目標。
二、國小學生實作「動物模仿獸」培養 STEAM 素養的分析
（一）各組學生編寫 Arduino 程式設計模仿動物的特殊習性，能有效處理多重迴路
問題
各組學生開始編寫 Arduino 程式設計模仿動物特殊習性時，出現很多迴路錯誤的問題，例 如，程式編寫一個地方出錯，整組程式就跑不出來。 程式設計無法使青蛙模仿獸產生鳴叫，因為程式設計有錯誤，控制蜂鳴器的腳位原 先以數位腳位 7 控制鳴叫，但當感應到紅外線後卻以數位腳位 9 控制蜂鳴器鳴叫， 造成電腦無法判讀蜂鳴器。（LT-1-1）102 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵 在三位教師引導下，各組學生能知曉與理解更多迴路關係後，優秀同儕能教導該組的同學處 理迴路問題而解決困難。 利用蜂鳴器編寫程式，組長教我們控制如何打節拍的頻率，我們認識二分之一、四 分之一、八分之一節拍後，就能調整鳴叫頻率由慢變成快節奏的寫法，表達青蛙的 鳴叫聲改變。（LT-6-2） 資訊科教師認為「Arduino 學習單」確實能引導學生理解如何編寫 Arduino 程式設計；自然科 教師則認為要讓學生練習多重迴路的邏輯思考。 在學習單討論，能理解紅外線感應器、蜂鳴器、RGB 三色 LED 燈等多重迴路的編寫 與測試，確實能培養資訊素養。（TN-T-2） 要結合動物特殊習性去編寫各種感應器的程式設計之前，需要給學生練習編寫多重 迴路的機會，訓練邏輯思考才能建立數位訊號對應的一致性概念，就能培養 STEAM 的讀寫能力。（TN-T-1） 最後，各組學生便能編寫 Arduino 程式設計去表現動物模仿獸的特殊習性，並能理解與應用 Arduino程式設計和多重迴路的關係。 我們學會操作 Arduino 麵包板後，能應用它來讓恐龍接收到紅外線感應器馬上產生迴 路，讓蜂鳴器發生鳴叫聲產生迴路，所以叫聲愈來愈快。（Int-S-3-5） 我原本擔心各組編寫 Arduino 程式設計會產生困難，但資訊老師有一個範本提供學生 跟著做，六組學生一邊撰寫 Arduino 程式設計，一邊組裝 Arduino 麵包板，各組也學 習多重迴路問題，最後都成功組裝所需要的多個感應器和多種迴路。（TN-T-1）
（二）各組學生藉由畫「動物模仿獸」設計圖，能理解容積測量的重要性，思考模
仿獸的比例與對稱問題
美勞科教師和自然科教師利用「動物模仿獸討論單」引導各組學生畫出「動物模仿獸」 設計圖，提醒各組要設計的是立體圖，必須考慮各種感應器要能裝入模仿獸的身體內，選擇 基座需考慮「容積測量」的問題。結果有三組沒有考慮到這一點，面臨拆掉重做的窘境。盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 103 原本我們用小的寶特瓶做基座，結果紅外線感應器放不進去，也無法黏住兩對大翅 膀，後來重新測量所有感應器的容積大小後，重畫設計圖，更換大寶特瓶做基座。 （LT-5-2） 各組學生藉由畫「動物模仿獸」設計圖逐漸理解「容積測量」的重要性，必須確實測量 各種感應器的大小與加成，選擇對的基座才能成功組裝模仿獸。有些組別畫設計圖時沒有思 考模仿獸的比例與對稱問題，如第三組原本設計「青蛙的領域宣示」，卻選擇「手搖杯」做 青蛙的基底，手搖杯太高無法做成青蛙的坐姿，在美勞科和自然科兩位教師引導下，改選擇 製作「警戒的恐龍」而解決問題；第四組設計的章魚因上身用寶特瓶太胖，下身用毛根做腳 太細，結果上下身體非常不對稱，經過思考後，改用透明紙捲成紙筒來做八隻腳，解決上下 身體對稱的問題，而且黏很高，不會卡到下面的輪子。此外，只有第五、六組的設計圖有畫 出模仿獸內部的構造圖，有助於後續的組裝，其他四組只著重於模仿獸的外形構造，缺乏「容 積測量」的考量，後續滾動式修正非常多。 我引導各組學生畫設計圖時提醒要注意動物的容積測量，自然科教師提醒學生要仔 細觀察動物的外形構造和特殊習性，最後只有兩組根據範例畫出內部組裝設計圖， 所以組裝模仿獸比較順利，但最後各組學生都能確實測量感應器容積選擇對的基 座，在基座裡面填裝所有的感測器。（TN-T-3）
（三）各組學生選擇製作材料，理解材料之間的搭配要能表現出動物造型、色彩、
結構的美感
各組學生開始選擇製作材料時，在「材料選擇的適切性」及「材料搭配的一致性」上產 生迷思，主要是學生沒有這方面的經驗，選擇材料都是經驗談，如第一組選擇使用綠色尼龍 布製作青蛙皮膚，但尼龍布不夠硬無法讓青蛙站起來，結果青蛙的毛根骨架都疊在一起；經 過美勞科教師教導布的延展性、硬度與纖維的關係後，第一組改選擇較硬的卡其絨布製作青 蛙皮膚，撐起青蛙的毛根架構，內有足夠的空間裝置各種感應器。在美勞科和自然科兩位教 師的引導下，六組學生逐漸學會考慮該動物的外形構造而選擇正確恰當的材料，使材料搭配 產生一致性，並表現動物造型、色彩、結構的美感。 我們原本選擇保鮮膜作為章魚模仿獸的皮膚，毛根作為模仿獸的附肢，但毛根和保 鮮膜的粗細質感差異很大，美勞老師建議可以使用描圖紙取代保鮮膜，用捲曲的描 圖紙做腳，看起來比較一致性；我們覺得有道理就修正過來，全部使用描圖紙做章 魚外形，果然色彩和結構都很協調。（LT-2-2）104 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵 此外，各組學生組裝動物模仿獸時，學會互相模仿而更換材料去組裝動物，讓動物造型、 色彩更具美感，如第四組放棄厚紙板和毛根，模仿第二組改用描圖紙作為章魚模仿獸的皮膚 和八隻腳。 厚紙板無法呈現章魚的變色反應，我們決定拆掉重做，模仿第二組使用描圖紙來製 作章魚的皮膚和腳，但要跟第二組不一樣，所以我們用描圖紙包裹毛根去做章魚的 腳，要表達對稱性所以把八隻腳做短，並且黏高一點，不會卡到下面的輪子。 （Int-S-4-2）
（四） 各組學生組裝「動物模仿獸」，體驗精準測量並考量正確概念，才能展現動
物模仿獸的最佳化設計
各組學生在組裝動物模仿獸的過程中逐漸體驗精準測量的重要性，所有動物配件如果測 量錯誤就要拆掉重做；其次，組裝感應器的方位也很重要，要怎麼裝置那些感應器才能清楚 地偵測到紅外線與表現動物的特殊習性，這些學習都能提升他們的 STEAM 素養。 我看到各組製作動物模仿獸，剛開始拆拆裝裝，例如：螢火蟲翅膀、青蛙毛根骨架， 他們終於學到要精準測量才可以順利組裝在一起，不是隨便畫、隨便剪就可以安裝 上去，這能培養他們跨領域的 STEAM 素養。（TN-T-1） 三位協同教師組成專業社群協助各組學生組裝，碰到組裝問題時馬上進行專業對話，引 導學生正確的概念與技能，如自然科教師提醒第五組學生螢火蟲的外形構造應該有頭、胸、 腹部，三對腳和兩對翅膀是著生於胸部的，讓學生的學習一次到位。 我們畫螢火蟲設計圖時，沒有注意外形，結果三對腳分散在軀幹，一對翅膀也是裝 在軀幹上，經過教師的指正後，才使用不同顏色表現螢火蟲的頭、胸、腹部，並把 三對腳和兩對翅膀裝在胸部。（LT-5-3） 美勞科教師提醒第三組使用紅色輕黏土做圍巾，修飾恐龍身體上下不一樣的色差，並提 醒各組學生都能正向思考，要對自己的作品有信心；第六組一開始就選擇使用禮物盒作為基 座，有較多時間做細部的製作，青蛙模仿獸表現達最佳化。 美勞教師加入引導讓各組學生都能欣賞自己，第一、六組都是做青蛙模仿獸，第六 組的青蛙模仿獸表現最佳化，但第一組的卻站不起來，美勞老師鼓勵他們思考自製 青蛙模仿獸的優點，將來可以發展成提袋，變成青蛙的文創產品。（TN-T-2）盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 105
三、綜合討論
（一）各組學生編寫 Arduino 程式設計，面臨多重迴路、頻率概念不清楚的問題
各組學生學習用三種感應器去表達動物的特殊行為，當學生學習一個腳位時沒有問題， 例如：紅外線感應器感應有其他動物或掠食者靠近，但當需要用到兩個腳位時就會產生問題； 動物模仿獸的紅外線感應器感應到危險時，要使用蜂鳴器鳴叫，且頻率要愈來愈快，則程式 編輯會產生混亂；當有多重任務時，三位協同教師必須拉長時間指導多重迴路的編寫，學習 歷程中發現優秀的同儕也能指導組員修正迴路問題，獲得學習。各組學生面臨的另一個問題 是對於「鳴叫頻率、閃光頻率」概念不清楚，由慢轉變成快會寫成由快轉變成慢；這時三位 教師或同儕會搭鷹架，實際練習打拍子，說明單位時間內要拍幾下代表多少頻率。這次的創 作動物模仿獸，讓各組自行編寫 Arduino 程式設計與組裝麵包板操控感應器以模仿動物的特殊 習性，變成是解決真實問題的探究學習，要在真實情境中發展 Arduino 程式設計的編寫能力與 解決問題的能力（柳棟等，2013）。各組學生從編寫 Arduino 程式設計與組裝麵包板操控感應 器以模仿動物的學習歷程中，確實發揮用眼去觀察，用耳朵、嘴巴去聽和溝通，用心去思考， 用手去實現的五感學習（賓靜蓀，2017；簡佑宏等，2017）。范斯淳與游光昭（2016）認為， STEM 課程設計應提供學生較多設計、探究、分析、測試與綜合評估的學習機會，以建構更 完整的整合與應用能力。本研究發現，各組學生編寫 Arduino 程式設計以模仿動物的特殊習 性，確實從自行設計中學習概念、探究、分析與測試，獲得科技與科學整合和應用的能力。（二）各組學生畫設計圖組裝動物模仿獸，面臨容積測量與材料搭配協調性的問題
各組學生剛開始畫設計圖時，沒有精準地測量感應器容積大小而選擇適合的基座，結果 有三組學生面臨感應器裝不進動物模仿獸的身體內，或者比例不對而從原本做青蛙模仿獸改 成做恐龍模仿獸的窘境。研究者建議美勞科教師應該多花一節課介紹立體的容積測量、基底 選擇與對稱性知識，各組學生面對這些是新嘗試，必須建構足夠的認知，理解動物的立體構 造，才能應用在設計模仿獸上。呼應 Bloom 等（1956）的認知理論，依照學習難度可以將學 習內容分為「知曉」、「理解」及「應用」三個層次，因此，當各組學生建構足夠的容積測量、 基底選擇與對稱性知識後，才能理解青蛙模仿獸屬於坐姿，要像第六組使用盒子當作基座才 能表現出青蛙的坐姿與對稱性。其次，各組學生沒有建構充足的材料與質感的協調性知識， 單憑經驗去選擇動物模仿獸的材料而造成很多不協調、不對稱的問題，三位協同教師設計 STEAM課程時，可以列舉更多不恰當的例子去說明原因，如毛根的硬度無法架構起青蛙的身 體骨架，此時就需要硬纖維的卡其絨布幫忙支撐，截長補短。如此各組學生才能從知曉、理 解的層次去評估問題的主要根源後，培養整合 STEM 知識以解決實務問題的能力（范斯淳、 游光昭，2016；National Research Council, 2012）。106 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
（三）三位協同教師要如何設計 STEAM 課程，才能發揮協同教學的功能？
三位不同領域的協同教師根據「動物模仿獸」專題設計 STEAM 課程，教學時採用兩兩搭 配教學，最後三位教師協同引導各組創作；當各組學生遇到問題或困難時，隨時補位指導， 例如：第二組學生設計章魚休息時呈現光彩奪目的 LED 色光，自然科教師應解釋章魚休息時 呈現保護色才對，可避免掠食者攻擊；自然科教師感覺各組學生選擇材料不協調、不對稱時 應提出反應，透過美勞科教師的舉例與教導，使各組學生和教師都能同時學會相關的知識。 STEAM課程屬於跨領域的課程，由不同領域的教師共同教學時，教師可以汲取其他教師的經 驗以彌補自己原本不足之處，促使教師的專業成長（顏佩如、溫羚勻，2016）。本研究三位協 同教師進行本次「動物模仿獸」的專題教學時，每個星期定期討論，針對各組學生遇到的問 題提出解決方案，有建構知識、觀摩作品、引導思考等教學策略，並且記錄在教師省思札記 中，彼此也獲得跨領域的學習，充分發揮教與學團隊的精神，分工合作，互相學習，如自然 科教師從資訊科教師那裡學會 Arduino 程式設計與組裝麵包板操控感應器；美勞科教師從自 然科教師那裡學會很多動物外形構造與特殊習性的常識。這些都符合協同教學的精神，溝通 交談，促進討論，讓這次的協同教學獲得成功的經驗（黃永和、莊淑琴，2004；Robinson & Schaible, 1995）。伍、結論與建議
一、結論
（一） 學生進行 STEAM 課程的專題研究，學會編寫 Arduino 程式設計、畫設計圖、
組裝動物模仿獸，表現該模仿獸的特殊功能
本研究共六組學生在進行 STEAM 課程專題研究的學習歷程中，學會編寫 Arduino 程式設 計、組裝麵包板操控感應器以模仿動物的特殊行為。其次，各組學生學會畫動物模仿獸的設 計圖，能挑選適當的材料去組裝動物模仿獸，最後成功表現該模仿獸的特殊功能。（二）STEAM 課程的專題研究能培養國小學生的 STEAM 素養
本研究共六組學生進行 STEAM 課程的專題研究，他們喜歡跨領域的多重學習，各組學生 編寫 Arduino 程式設計模仿動物的特殊習性，能有效處理多重迴路問題；藉由畫「動物模仿獸」 設計圖的過程，能理解容積測量的重要性，思考模仿獸的比例與對稱問題；選擇製作材料， 理解材料之間的搭配要能表現出動物造型、色彩、結構的美感；組裝「動物模仿獸」，體驗 精準測量並考量正確概念，才能展現動物模仿獸的最佳化設計。盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 107
二、建議
（一） 結合不同領域的協同教師進行 STEAM 專題研究，較能引導學生獲得正確概
念與技能
現行的教育制度中，各領域的教師大都進行專業教學，對於非專業領域的素養並不充足， 無法以一人之力進行跨領域的 STEAM 課程設計與教學。本研究由三位不同領域的協同教師設 計「動物模仿獸」的 STEAM 專題研究，每個星期由不同領域的教師進行跨領域的討論與對話， 發現能增進教師專業成長，適時提醒學生應該注意的事項，如螢火蟲的外形構造、章魚的保 護色、選擇材料表現章魚的柔軟度等，建議 STEAM 專題研究要結合不同領域的協同教師進行 STEAM專題研究，選擇固定時間進行討論與對話，較能引導學生獲得正確概念與技能。（二） 設計類似「模仿獸」時可增加「基座、材料選擇與搭配」教學，培養學生的
美感與欣賞力
經過 STEAM 專題研究發現，各組學生在「選擇基座、材料的適切性與搭配的一致性」等 因素上遭遇很多困難，主要是學生沒有相關的學習經驗。因此，建議進行類似「模仿獸」的 STEAM課程設計時，三位協同教師可以針對主題進行討論與設計，增加「基座、材料選擇與 搭配」的教學，並和各組學生做焦點團體對話，引導學生理解如何搭配才協調而沒有突兀感， 培養學生的美感與欣賞力，將來可更進一步追求美和人文的需求。（三）國小學童學習 Arduino 與 Scratch 程式語言需要資訊科教師配合教學
在十二年國教課程綱要中，學習 Arduino 與 Scratch 程式語言屬於國中階段科技領域課程 綱要的範疇，在國小階段非必要學習；因此，想在國小階段訓練國小學生使用 Arduino 與 Scratch 程式語言設計去操作模仿獸或綠建築等，就特別需要資訊科教師教導 Arduino 與 Scratch 程式 語言設計，以免造成學生學習的困難。國外的 STEAM 課程學校多有提供產學合作的機會，建 議未來在設計 STEAM 課程時能融入產學合作，增進學生學習的延續性。誌謝
本研究感謝科技部的經費支援（計畫編號：MOST105-2511-S-152-010-MY3、MOST108- 2511-H-152-003-），並感謝三位國小協同教師的課程指導，以及本研究對象五年級個案班級 的學生，協助實驗處理、施測、訪談等資料的取得，特此致謝。108 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
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盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 113
附錄一 Arduino 學習單
一、認識 Arduino 麵包板
二、Mblock 操作
點選機器人模組，如果成功連線會亮綠燈，失敗會亮紅燈。 用途： 用途： 腳位編號：_____～_____ 用途： 用途： 腳位編號：___、___、___、 ___ 用途：114 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
三、RGB 三色 LED 燈
1. 使用四孔腳位。 2. 連接在腳位 、 、 、， 連接三色 LED 燈。 3. 注意 5、6、9、GND（接地線 Ground） 四孔連接線分別的顏色，GND 線一定要 連接在相對應位置。 4. 利用光的三原色合成出各種顏色。四、蜂鳴器
1. 連接任意一個三孔連接處（腳位 0～13）。 2. 調整蜂鳴器的鳴叫頻率，並調整鳴叫次數及間距，模擬動物鳴叫。五、紅外線感應器
1. 移除紅外線感應器上的圓蓋。 2. 注意 UCC（高電位）、OUT（輸出）、GNG（低電位）分別代表的顏色。 3. 將 UCC、OUT、GNG 分別連接到電路板上的 5V、單孔腳位、GND。盧秀琴、馬士茵 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 115 UCC和電路板上的5V連接，GNG和電路板上的GND連接， OUT在任意單孔腳位上擇一連接 資料來源：https://goods.ruten.com.tw/item/show?21712575931654
六、練習程式設計
蜂鳴器＋紅外線感應器 RGB三色LED燈＋紅外線感應器 舉例 舉例116 設計 STEAM 課程培養 STEAM 素養 盧秀琴、馬士茵
