透過帆船機器人STEM跨領域整合課程與教學，提升學生STEM跨領域知識與技能、STEM態度與認知、及STEM興趣與生涯選擇

109年03月25日

【本報導由科技應用與人力資源發展學系　張基成授研究團隊提供】 　　因應工業4.0時代的來臨，教導中小學生認識機器人及與之共處，實為重要。然而，目前中小學機器人教育存在以下問題：(1)課程較偏重單一學科的教學設計，較少經過系統化的跨領域統整及整合設計；(2)教學活動大多偏重機器人元件的組合與操作，較少科學原理的探究與工程設計的最佳化過程；(3)成果評量偏重於實作技能與是否達到作品的功能，較少著重於跨領域整合能力與高層次能力的培養。為了減少上述問題，張基成教授研究團隊透過整合概念的課程與教學設計理論，設計並發展出機器人STEM跨領域整合課程與教學計畫，並透過任務導向式教學與專題導向式學習，來提升學生的STEM跨領域知識與技能、對於STEM的態度與認知，及對於STEM的興趣與未來生涯選擇的傾向。   　　隨著工業4.0時代的來臨與機器人技術的成熟，機器人的應用已深入各行各業與居家生活，因此，教導中小學生及早認識機器人原理與應用，以適應與機器人共處的環境，實乃重要。目前中小學機器人教育仍存在以下問題：(1)課程較偏重單一學科的教學設計，較少經過系統化的跨領域統整及整合設計；(2)教學活動大多偏重機器人元件的組合與操作，較少科學原理的探究與工程設計的最佳化過程；(3)成果評量偏重於實作技能與是否達到作品的功能，較少著重於跨領域整合能力與高層次能力的培養。為了減少上述問題，此研究透過整合概念的課程與教學設計理論，設計並發展出機器人STEM跨領域整合課程與教學計畫，並透過任務導向式教學與專題導向式學習，來提升學生的STEM跨領域知識與技能、對於STEM的態度與興趣，及對於未來STEM生涯選擇的傾向。這個具有理論基礎的課程與教學計畫，可以作為其他研究者或教師發展機器人課程與教學的參考。 　　張基成教授表示，現有的課程中大多都是使用陸地上行進的機器人，並有部份為空中飛行的，但國內非常少或甚至沒有用於水上行進的機器人。加上我國四周環海之地理特性，學生有必要具備海洋活動的素養，因此選擇水上行進的帆船作為機器人應用的標的。另外，由於傳統的樂高教學套件較昂貴，因此我們選擇近幾年許多人使用的Arduino進行機器人教學實驗，Arduino是一種開放式晶片控制器，可與許多軟硬體相匹配，其電子零件體積小且較便宜。  　　張基成教授與高中老師合作，進行了數次教學實驗，分別採用任務導向教學方法或專題導向學習策略來進行機器人課程與教學活動，讓學生自製帆船機器人的船體與風帆。其材料是採用容易取得且價格低廉的巴爾沙木、珍珠板及厚紙板，船的桅杆則使用免洗筷或細木棍，機構連桿使用鐵絲，最後再加入Arduino晶片控制器與相關的電子零件，譬如感應器、光敏電阻等，讓學生分組共同組裝成帆船。組裝完成之帆船可以讓使用者透過可程式控制器（即可以寫程式）在風吹的情況下，控制其直線前進、左或右斜進、左或右轉、或停止等。學生可使用手電筒或任何光源，驅動帆船機器人可自動感測光源的方位讓航行方向改變，並能根據風向的變化自動調整帆面角度，乘風而行（如下圖）。在教學過程中，讓學生探究帆船相關的科學原理（浮力、帆的受力），應用科技與實作（感測器、控制器及設計程式），進行工程設計（問題解決、建模、模擬、最佳化），及使用數學原理進行運算（浮力及排水量的體積計算、三角函數），並透過任務導向或專題作品的實作，來整合上述知識與技能。 　　張基成教授表示，以上活動是一個有趣而生動的教學內容，絕大多數學生也都顯示出高度興趣與動機。我們進行了單組學生前、後測與兩組學生的量化統計比較的實驗研究，一組學生為STEM整合的課程與教學、另一組為傳統未整合的課程與教學。透過訪談、教室觀察、學生實驗報告蒐集質化資料，並結合前述部份量化資料，進行混合式研究。研究結果顯示，帆船機器人STEM跨領域整合課程與教學，能提升學生STEM跨領域的知識與技能、對STEM的態度與認知、及對STEM的興趣與未來生涯選擇。這些成果都已陸續發表於國內外知名學術期刊及國際研討會，並獲得不錯的迴響。