家裡有孩子嗎?身為家長的您,會如何為即將上國、高中的孩子挑選玩具或課程呢?通常爸媽們都怕亂買玩具對孩子的成長適得其反,希望孩子在休閒娛樂之餘,能夠同時激發潛能。不過,除了購買樂高積木、拼圖或圖書之外,上一門製作機器人的課程,也能夠讓孩子在「科學」、「科技」、「工程」和「數學」各項學科領域都獲得顯著成長!

機器人不只存在於電影、小說之中,現實生活中經常可見機器人的協助,讓現代科技更為便捷,但大多數人可能覺得它很難學,甚至以為一輩子都操作不到。國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系的張基成教授,結合機器人學習與教育課程,藉由機器人跨領域統整學習,有效提升中學生的整合能力與知識。

「創新是我的第一考量,沒人嘗試過的,會令我想要全神投入。」張基成藉由機器人跨領域統整學習,有效提升中學生的整合能力與知識。
攝影/張傑凱

知識無窮無盡,求知精神開創新領域

雙親原就是中學教師的張基成,可謂是耳濡目染,很早就對教學有興趣,所以也朝同一方向前進。後來他就讀師範大學工業教育系,主修電機和電子,畢業後,張基成先至中學任職,「但覺得挑戰不太夠,想要更上一層。」他遂決心繼續進修,到大學一邊教書、一邊做學問。

張基成笑著說:「真的沒有太偉大,一切的奠基都只是有興趣,對教育有興趣,更在學問研究裡有著強烈的樂趣,只是這樣而已。不像其他科學家有決定的瞬間,譬如蘋果掉下來之類的,我是自然而然跟著興趣走,想要追究自己也能發現的真相、原理,就來到這裡了。」

張基成投身研究領域,源於少年時對如《牛頓雜誌》、《科學月刊》,乃至人文、歷史等課外讀物等的熱愛。萬事萬物的現象、內在法則在在引起他的關注,即使幾十年時光飛逝,張基成仍舊熱情不減。

他笑說:「當然困難是有的,喜歡研究是一回事,但把論文寫出來又是另一回事了,有時也會有挫折感。不過呢,我還滿喜歡挑戰的,已經有人研究或做過的題目,我就興趣缺缺。創新是我的第一考量,沒人嘗試過的,會令我想要全神投入。」

研究機器人學與科技應用教育結合後的影響,也是在如此思維下誕生的專題研究。張基成表示,其實相似的研究之前都有學者研討,他分析道:「但以前機器人教學課程容易偏重機器人本身的結構與組裝,很少融入科學與數學的原理以及工程設計的概念,大多都只是在講科技方面的操作。而且教學策略與學習成效有效與否也沒有受到相關的檢驗,這是比較可惜的。」

機器人教學課程以前容易偏重於機器人本身的結構與組裝,很少融入科學與數學的原理以及工程設計的概念,大多都只是在講科技方面的操作。
圖片來源/Pexles

另外,以往機器人當教具的成本較高,所費不菲,而且組裝也比較占用到課堂時間。「更重要的是,」張基成補充:「機器人具備的跨領域統整的優點沒有被完整地發揮。更不用說系統化的教學設計了,同樣也不足夠,畢竟融合了不同的學科,一般的教師也需要重新學習。」

因此張基成加入了STEM與STEAM的元素,藉由機器人激發學生跨科學習的潛力。然而STEM、STEAM是什麼呢?

STEM為科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)及數學(Mathematics)的縮寫,另外若再加入藝術(Art)領域,就是STEAM,張基成指出:「剛好英文本來就有這兩個單字,STEM意指植物的幹、莖、梗、柄,STEAM則是蒸汽之意。」饒富興味的是,STEM是培養現代能力的重要基礎與英文單字的意涵有巧妙共通點,而相比於硬學科的STEM,加入藝術的「STEAM」,較為柔軟,多少也符合了「蒸汽」的調性,彷彿有驅動前進的意味。

如今,重視STEM已是全球教育的主要趨勢,張基成認為該如何引領學生迎頭趕上國際潮流是作為教育者責無旁貸的目標,持續推新教育概念便是其中一環。而統整課程將零散分立的課程或學科加以關聯,改善傳統課程因學科的分化而流於零碎知識,乃至於與生活脫節的問題。

STEM(莖幹)是科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)及數學(Mathematics)的縮寫,另外若再加入藝術(Art)領域的A,就是STEAM(蒸汽)。
圖片來源/Pixabay(L)、Pixabay(R)

因為全球化,世界也愈來愈複雜多變,人也要學習更多面性地迎接、面對。張基成強調,其教育機器人研究的特殊性,就在於融入STEM、STEAM,他嚴肅地說道:「單一學科的教法比較侷限,傳統的教育方式一直難以激發包含批判思考、創造思考與問題解決等內在的高層次認知能力。唯有跨學科的整合,才能養成學生的獨特性、競爭力,甚至藝術鑑賞素養。」

帆船機器人前往教育現場的進行式

進入工業4.0時代(或稱生產力4.0、第四次工業革命),且AI(Artificial Intelligence的縮寫,意為人工智慧)技術成熟,讓機器人的教學變得更有可能實踐。現階段,中小學的機器人課程以加裝輪子或走路型的陸地機器人居多,強調積木或機構組裝。偏少的機器船模型,也較常見遙控或快艇型式,尚無以帆船機器人為主的課程。

張基成眼神發亮:「既然沒有人做,我就特別有興趣。而且水面上的機器人比陸地上的,有不同的層面和科學領域要考量。」

於是他計畫以某高中一年級數個班級的學生為對象,由兩位教師進行任務導向的教學,學生採分組合作學習方式,每2位1組,讓學生可以在合作中完成作品。關於課程的順序設計,張基成侃侃而談:「我們主要從三個面向去著手,一是帆,二是船體,三則是自動控制──三個概念。」

僅僅是一個帆船機器人,其中蘊含的學識,便涵蓋著四大領域的多種原理。
照片提供/張基成

團隊首先針對帆的阻力與升力科學原理進行數學運算,再讓學生設計並製作船帆。進而介紹船體的排水量、浮力與重心等科學知識。並著重船體該如何設計得以減少更多阻力等關鍵,以及負責操控方向的船舵,這些技藝同樣都帶有物理、數學計算,然後才是船的製作和水上測試。另外還要加入結合電子電路、機器人控制器、感應器、伺服機等電子零件的自動控制操作與應用,及控制程式的撰寫等等。

張基成選擇Arduino UNO為機器人的控制器,透過教學的設計與安排,讓參與機器人課程的學生必須完成各種任務。例如調整並設計帆面、讓風帆車能順風或側風前進,進行帆船船體與測試,並學習重心、浮力與船舵的操控,認識及測試電子元件、輸入輸出裝置及控制器,設計及組裝能夠自動旋轉角度並能正確驅動的連桿機構。種種凡此,最後學生讓帆船機器人能順利在水中自動乘風航行,且能夠控制轉彎的方向。

每一種任務都包含著許多不同學科的知識-阻力、升力、重力、浮力、電流、電壓等,且需具備使用剪刀、螺絲起子、三用電表、控制程式等工程物件的技能。數學上也要瞭解面積、體積、浮力、三角函數、數值轉換等演算方式。科技應用部分更不用說,舉凡電線線材、電阻元件、發光二極體、可變電阻、光敏電阻、伺服機、旋轉電位計等都是會接觸到的配備。

張基成表示:「僅僅是一個帆船機器人,其中蘊含的學識,便涵蓋著四大領域的多種原理。」比起傳統課堂教學,機器人的實作,更容易引起學生的好奇與投入。也因為是親手操作,切身體會也就更能認識進而記憶。另外,帆船機器人的顏色、形體等設計,也會讓學生激發創意,培養藝術養成,「STEAM」就悉數到位了。再加上,最後會讓學生製造的機器人進行水上航行競賽,更有玩樂感,減少學習上的枯燥乏味,讓孩子在心情愉悅的環境下自然成長。

課後張基成比較學生課前和結束後的四大種測量項目-帆船機器人STEM知識測驗(含跨域整合)、帆船機器人STEM技能評量、帆船機器人STEM統整課程之態度與興趣、課程滿意度等,從數據來看,的確大幅提升學習成果。

張基成的語氣裡帶著自信:「如此一來,他們不但實地操作了帆船機器人的設計和製作,更因此培養了相關的STEAM知識,帆船機器人的實作經驗與STEAM統整的過程,也提升了學生對科學、科技、工程、數學及藝術的態度與興趣。」

採訪撰文/沈 眠
編輯/張傑凱
攝影/張傑凱

研究來源
張基成(2013)。高中生dSTEM之教育機器人課程的設計與高層次能力的發展。延攬科技人才 (延攬博士後研究人才)。
張基成(2013)。高中生dSTEM之教育機器人課程的設計與高層次能力的發展。專題研究計畫 (一般研究計畫)。
張基成(2014)。高中生dSTEM之教育機器人課程的設計與高層次能力的發展。延攬科技人才 (延攬博士後研究人才)。
張基成(2015)。高中生dSTEM之教育機器人課程的設計與高層次能力的發展。延攬科技人才 (延攬博士後研究人才)。