「老師,你下次還有這個活動要記得告訴我喔!」是什麼樣的課程會讓學生上課時眼睛發亮,下課後如此意猶未盡?

國立臺灣師範大學學習科學學士學位學程的蔡孟蓉教授,主持「科技部科學教育培龍計畫」,與培訓的種子教師共同協力,在教育現場推廣以STEAM為基礎的機器人跨領域統整課程,探索「玩」科學的可能性,也讓機器人走進偏鄉,成為啟發更多孩子熱愛科學的工具。

怎麼教,讓科學更好玩?

曾任國中理化老師的蔡孟蓉表示,三十年前臺灣教育以升學主義掛帥,填鴨式的科學教育讓師生倍感挫折。「我的工作只是幫助學生得到好成績嗎?當年的我沒有辦法再繼續這樣教下去,因此出國留學,想看看國外的科學教育怎麼做。難道不能一邊玩一邊學習嗎?」

十年前,蔡孟蓉再度出國研究進修時,偶然看見自己的孩子在玩機器人,那專注的表情是她從來沒見過的,她發現機器人似乎能讓孩子更願意接近科學與科技。但機器人的價格驚人,不是每個家庭或學校都負擔得起。於是,七年前的夏天,她將機器人帶進偏鄉,在教育部「史懷哲教育服務計畫」的支持下試辦兩年「機器人夏令營」,也埋下日後執行科技部「機器人STEAM培龍計畫」的種子。

蔡孟蓉認為,不同難易、複雜程度的機器人可運用在國小、國中,甚至大學教育中。從設計機器人的過程中培養運算思維與問題解決能力,比直接學程式設計更有意義。
攝影/黃詩茹

當時,參加夏令營的是一群讓學校傷透腦筋的高關懷中輟生。起初學生意興闌珊,然而,隨著動手設計、測試機器人、挑戰機器人擂台賽,他們的眼睛逐漸亮了起來。最後連孩子們在社會局的輔導社工都來觀課,十分驚訝這些孩子在課堂中居然坐得住 ! 這樣的反應讓蔡孟蓉對機器人課程的影響產生了研究興趣。

半年後,她收到校長來信,感謝她幫學校救回一位中輟生,「學生從機器人課程中獲得自信和肯定,學習態度從此變得正向,開始願意回學校上課。」當時的深刻迴響讓蔡孟蓉相信,「學生的學習動機是有可能救回來的,關鍵在於怎麼教。」

於是,三年前申請科技部培龍計畫,她便進一步將機器人融入STEAM跨領域課程,希望藉此提升學生(尤其學業成就低落的學生)的科學學習動機。從種子教師培訓開始,向下扎根,持續將科技資源帶進偏鄉,再見孩子發亮的眼睛。

STEAM 教育夯什麼?5C能力怎麼教?

蔡孟蓉投入資訊教育時正是網路興起的年代,「網路改變了人們生活和學習的方式,從最初的電腦科技應用,到最近重視培養運算思維。其實科學、數學、程式設計的背後都存在運算思維,也就是解決問題的基本邏輯,這也是現代國民應該具有的基本素養。」

隨著科技日新月異,AI 人工智能崛起,勞動力逐漸被自動化機器人取代,人類與科技的關係進入史無前例的親密與焦慮。蔡孟蓉認為,與其害怕被取代,不如多了解機器人原理和設計,因為克服科技焦慮的第一步就是去接近、認識它。「從小就接觸並瞭解科技,目的並非人人都要成為工程師,而是培養一個與科技和諧相處的正向態度,並用這樣的態度妥善運用科技改善生活。」

這意味著打造科技創新世代需要的不再只是外在的「分數」。溝通協調(Communication)、團隊合作(Collaboration)、複雜問題解決(Complex problem solving)、批判性思考(Critical thinking)和創造力(Creativity),這五項內在的「21世紀5C關鍵核心能力」可能扮演更重要的角色。

這個理念也正符合全球STEAM課程的趨勢。除了科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Art)和數學(Mathematics)五大領域知識之外,STEAM課程其實更強調跨學科、真實情境與實作探究的教育理念。在這波國際浪潮影響之下,臺灣108新課綱也新增「科技領域」,重視「做中學」的探究精神,強調資訊素養和運算思維。

然而,運算思維和資訊素養要怎麼教?用什麼來教呢?

翻滾吧,機器人!

「我們不可能直接讓孩子去學複雜的AI科技,只是進電腦教室寫程式又很無聊。」蔡孟蓉認為,「機器人就是很好的開始,它看得到、摸得著,能引起學生的好奇心,又能加入電學、運動力學、光學、熱學和感測的概念。這些生活中看得到的東西,為什麼不讓學生先玩一玩,再把相關的科學概念帶進來呢?」

蔡孟蓉說明,機器人不一定具有「人形」,只要具備機構、動力、控制、互動和智能這五項要素的自動控制系統,便符合機器人的定義。「我把機器人當作教育的媒介,整合STEAM五個領域的學科內容。各科老師進行協同教學,學生從設計機器人的過程就能學到很多知識。測試程式時,每做一次參數的設定修改,就會看到機器人有些小小的改變,這中間有學習參與、同儕討論,又能發揮創意。」

活用機器人五大學習要素:機構、動力、控制、互動和智能。學生親手製造能自動測試土壤濕度的無人種植自動灌溉裝置。
教案出處/新北市蘆洲國中種子教師田智婷、王振庭的「創意生活+」,繪圖/翁筠婷

原本興趣缺缺的學生,變得參與踴躍、積極發問。孩子天馬行空的創意,常讓老師感到驚嘆,就有種子教師回饋,「常發現學生為了解決問題渾然忘我,不知道已到下課時間,這是最美的教室風景。」

從教學者轉換為研究者,如何提升學習動機一直是蔡孟蓉思索的問題,而機器人正是她結合研究與實務,相信未來將會大有可為的答案。但她也說,「以機器人結合STEAM教育,是以學生為中心,由下而上(bottom-up)的探索式學習,完全不同以往的課程設計概念,對教師而言是很大的挑戰。」

尋找夥伴,種子老師的花漾挑戰

面對這波教育革新,首當其衝的是教學現場的教師們,尤其課程、教材、設備、評鑑方式都是挑戰。

「要設計出一個將科技融入教學的課程,除了教師本身具備的學科內容知識、教學知識,還需要基本的機器人知識,和如何將機器人融入學科的機器人教學知識。」因此,蔡孟蓉以工作坊課程培育種子教師,帶領他們參觀機器人實驗室、設計教案、組裝實作及小組合作學習。

蔡孟蓉的桌上都是學生親手設計的機器人,有貓頭鷹造型的仿生機器人、自動灌溉機器人、酒精噴霧機器人,同時啟動真是熱鬧極了!
攝影/黃詩茹

蔡孟蓉表示,「機器人STEAM培龍計畫」最大特色在於合作專案都由第一線老師由下而上提出,並在學校支持下執行。「其實本科的教學內容和方法難不倒在職教師,他們會遇到的困難是如何找到志同道合的夥伴?如何和其他領域的老師合作教學?單打獨鬥進行跨領域教學是很困難的,而這個計畫就是提供老師支持和資源,陪伴他們解決問題的夥伴和管道。」

「其中有位種子教師是國中美術老師,完全沒有摸過機器人,她和學生一起從零學習。自己先學習自走車設計,再把光與色的原理融入教學,然後與生物老師合作設計認識生態系的系列教案,最後連校長和資訊老師都來看她上課。」

所以,非理工科系的老師是否也能勝任?蔡孟蓉認為,老師只需要了解機器人的五大要素和基本科學原理(如紅外線、光感應),再透過與其他領域的老師共同合作即可。因此,願意學習新事物的開放態度和良好的溝通協調能力,在她看來才是最重要的。

透過機器人結合美術和生物的「生態Follow Me!」教案,利用自走車的設計過程,融入光與色的原理,帶領學生認識豐富的森林生態。
教案與海報出處/新北市積穗國中種子教師杜旻華、蕭國財的「生態Follow Me!」,攝影/黃詩茹

田野間的機器人STEAM,創造有意義的學習

至今,蔡孟蓉成功輔導許多機器人跨領域課程教案,包含關注地球永續發展的「四軸救援隊」、強調團隊合作的「機器人擂台賽」、結合校園畢業季的「LED電子相簿」、融合人文藝術的「空氣鋼琴音樂劇」等。

許多教案更有意識的結合社區生活、偏鄉議題、發展學校本位的特色課程。例如彰化二水國中的「田野間的STEAM」專題課程,結合生物、公民和資訊科技,學生親手製造自動測試土壤濕度的無人種植自動灌溉裝置。同時,引導學生思考家鄉農業發展所遭遇的人口老化、土地荒廢,以及如何提升在地農產品質,打造數位農業等問題。

「在課堂中討論真實的生活議題,就是學理上所說的『有意義的學習』,學生一輩子都不會忘記,這樣的學習效果可能比準備一次考試收穫更多,而且運用更高階的學習能力。」

「田野間的STEAM」專題,結合生物、公民和資訊科技的跨領域課程架構。
圖表出處/胡淑華、蔡孟蓉 (2019)〈國中機器人STEAM跨領域課程發展研究:以彰化縣二水國中培龍計畫為例〉,表格美化/翁筠婷

蔡孟蓉從研究數據中發現,學生參與機器人課程後,不僅對科學的學習動機與學習成就有所提升,運算思維與高階認知思考也都有顯著提升。此外,學生也意識到運用程式設計能讓生活更方便,而且各科並非各自獨立,而是能相互應用。

種子教師們更驚喜發現,孩子的口語表達、人際互動也有了改變。有學生回饋,透過小組合作,他學會溝通和傾聽,「對方的意見也要採用,不能只有自己的想法,有時各退一步,反而有好的契機出現。」解決問題的過程中,學生經歷成功的喜悅、失敗的煩惱,還有堅持到底、解決問題的成就感。最後,每週都期待課程到來,甚至會問「為什麼一週只有一次機器人課程?」

科技防疫背後的資訊素養

面對知識爆炸、網路資訊俯拾皆是的時代,蔡孟蓉認為,「現在最需要的學習能力是如何從複雜的網路世界中搜尋、篩選、判斷資訊。背後需要的邏輯思考和運算思維,這是學校教育應該為下一個世代準備提供的課程,也就是資訊素養的主要內涵。」

例如這波新冠肺炎疫情,臺灣的科技防疫有目共睹,蔡孟蓉說:「我認為這應該和全民的資訊素養有關。因為臺灣是一個資訊流通快速的社會,資訊科技使用的普及率高,國民教育水平比較一致。而且在民主開放的社會,民眾早就習慣衝突訊息,經常練習衝突訊息的判準。」

雖然STEAM教育正夯,也不乏坊間課程和社團,但蔡孟蓉認為,要進入學校正式課程仍充滿挑戰和變數。「不見得資源多的學校就能實踐得很好,關鍵還是在老師如何設計課程和引導學生。機器人STEAM課程的老師不只是講者,也是資源提供者、輔導者、協助者和合作者,陪伴學生解決問題,尊重孩子的創意。」因此,如何建立一套合理的教師評鑑機制也是促進中小學教育工作者專業成長的重要關鍵。

蔡孟蓉頗有感觸地說,「這些師資培訓和實驗課程三年推展下來,目前還只是撒下種子的階段,要等待開花結果並再次傳播種子,才能看到具體成效和影響。」未來,她希望培育更多機器人STEAM種子教師,並透過實務導向研究,持續評估由下而上的機器人STEAM跨領域課程發展模式的可行性。

採訪撰稿/翁筠婷
編輯/黃詩茹
攝影/黃詩茹

研究來源
蔡孟蓉(2017-2020)。以STEAM機器人跨領域統整課程提升中小學生二十一世紀關鍵能力 (科學教育培龍計畫)。科技部專題研究計畫(任務型計畫-總類)。
趙嘉浩、梁至中、蔡孟蓉(2017)。機器人課程教材鷹架對高中生未來關鍵學習能力的影響。數位學習科技期刊,9(3),95-114。
Tsai, M.-J., Wang, C.-Y., & Hsu, P.-F. (2018). Developing the Computer Programming Self-Efficacy Scale for Computer Literacy Education. Journal of Educational Computing Research, 56(8), 1345–1360.
胡淑華、蔡孟蓉(2019)。國中機器人STEAM跨領域課程發展研究:以彰化縣二水國中培龍計畫為例。數位學習科技期刊。11(4),51-75。
蔡孟蓉(2020-2023)。中小學在職教師機器人STEAM跨領域專業發展研究:運算思維和設計思維及機器人教學內容知識所扮演的角色,科技部專題研究計畫(一般研究計畫)。
朱元楷、梁至中、蔡孟蓉(2020)。中小學教師將機器人融入教學的態度、信念、動機及與機器人教學內容知識間的關係。數位學習科技期刊。12(2),75-97。