以Maker理念融入能源科技教育教學心得分享
高雄師範大學科環所蔡執仲 高雄市立勝利國小 林芸芝、林宗正主任
如何進行與套裝教具不同的能源科技教育,對於現場教學而言,一直是重要的挑戰。在先前的教學中,以「風力發電機」為主題,純粹只是從網路搜尋資料中,得知這是有許多的材料包可供教學,因此選擇這個主題。本以為這是個容易進行的題材,與學生討論的過程中,令我驚訝的是孩子們提出許多的疑問,而這些問題是脫離既定的想法,並且有熱誠想要將這些教學模型應用於生活之中。此外討論的過程中,學生呈現出自己的想法,但是缺乏落實的實際行動,而這些觸動了教師嘗試讓學生,能夠成為maker製作出自己想要的作品,並且同時融入STEAM(科學-科技-工程-美學-數學)的跨領域應用,將學生將所學到的知識與技能,能落實設計出增加校園美感的風力發電機。
配合學校既有的Maker教育,提昇學生的實務經驗與技能,培養學生解決問題的能力,從過去只有教師「給予式」的教學,讓學生從單方面的「想」的學習模式,到現今「創意」與「實作」的「實踐」展現,這也能夠滿足教師的好奇心,孩子們能帶給教師什麼樣新的思維,又如何能利用現有的設備與空間,創造出什麼樣的可能性。
在教學初期,必須要教導學生基本的知識及操作的技能,包含學會繪圖軟體的使用。3D繪圖重視空間概念的展現,是將2D平面圖轉換成3D立體圖,對國小學生是一大考驗,學生會擔心自己的繪畫能力很差,會影響學習3D繪圖的學習,需要有相當的想像力和空間幾何的知識為基礎,但學生經由多方嘗試而突破某些關鍵點後,在螢幕中所呈現的圖像,除讓學生有成就感外,也能培養學生在3D幾何圖形的概念。
僅僅讓學生用視覺的方式進行討論,對整個教學而言,總是有無法解釋的地方與盲點,如何以簡易的方式,讓學生實地測試其想法是非常重要的。因此運用學校既有的3D列印機,列印出各個設計的部件並加以組裝,然後測試其實際產出的功能,所訓練的是學生的系統性思維。對教師與學生而言,有具體能夠討論的模型,可以提供測試的依據,而組裝後模型需要更進一步的加以修飾。在實際動手操作的過程,讓學生體會到順利運行的機械裝置,需要歷經不斷的測試,也必需承受失敗的經驗,而這些失敗的經驗,可化為持續學習的動力,因為承受失敗的本身就是對於成功的渴求。過程中,教師除了成為支持學生持續改造模型的力量外,還必須與學生相同扮演初學者的角色,在不熟悉或碰到難題的地方,師生間共同找出問題、研究變項、討論策略、精進作法等精緻化的學習過程,而這就是真正的學習。
有可供測試的模型,對於教學上可進行探究的教學,教師運用每個人所設計出來的模型,討論誰的模型具有最高的「價值」,從對「價值」的定義,可延伸出不同的研究變項,如誰的模型使用的材料最少、最堅固穩定、外型最具美感以及那個模型所能產生的電最多等,因此為了達到最「適」機器的定義,教師必須帶領學生進行科學性測試並進行實驗設計。
因此整個歷程中,所有風力發電模型都是學生自己討論,自己決定變項,自己繪畫設計圖,最後經由3D列印成品出來。
在設計期間,學生任何天馬行空的想法,都可以立刻添加上去;例如,討論扇葉造型時,孩子很天真的想要畫出鐵扇公主的芭蕉扇。我回答:這有什麼問題呢,只要畫得出來,任何形狀都可以嘗試,讓學生充分發揮其創造力與想像力。
實驗過程也能創造出問題解決的情境,在測量發電量的時候,發現模型和發電機無法完全相合,發電機軸心會隨著模型旋轉,導致影響發電效率,因此重新設計並繪出新的圖樣並加以輸出。3D列印的優點就是可重新組裝出新的模型,除立即修正錯誤外,還可加以驗證新想法的可用性。在解決問題的過程,參考網站上螺絲與螺帽的構造,設計新的螺紋組合,在發電機軸心放置螺絲,在模型的中柱修改成螺帽,只要兩者一轉一卡,既牢固又方便更換不同的部件;而為了確定尺寸,公差的換算就讓人困擾不已,只能用最笨的方法,列印出可能的尺寸,一個一個嘗試驗證出正確的數據,進行試誤學習。而這就是完整的探究歷程,討論出測試的變項,設計記錄的表格,運用儀器收集數據、整理數據、分析數據,在比較不同的數據後,找出問題、判斷問題影響程度、修正問題、然後重新加以測試,找出最佳的模型。
除了探究能力的培養外,最重要的是讓學生瞭解,學習的歷程與人生相同,總是會面對不同的困難,重點是碰到難題時,要以什麼樣的態度去進行思考,教學不再是給學生「成功」的經驗,而是讓學生有面對「失敗」的正確態度,面對失敗然後找出方法來解決問題。藉由能源科技相關議題進行教學,並輔以Maker教育的精神,學生能夠不再等待老師來「拯救」他們,而是願意拿起螺絲起子、斜口鉗、板手嘗試解決問題。以往教師也會憂心是否給孩子們太多壓力,但最後學生的表現常常會出乎意料之外,或許是因為平時為學生「做太多」,卻忽略他們其實可以做得更好,只是欠缺機會去驗證學習的成果。任何創意都值得被珍惜,任何錯誤都值得被重視,學習的重點是在於如何思考以及找出解決的方法,學生的興趣與信心,是可在過程中培養出來的。