小學常識科stem教育的學與教及教學策略 · 自行或與友儕協作，識...
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小學常識科推行STEM教育的 課程規劃、教學法及評估模式工作坊(2016/17)
第二部份:
小學常識科STEM教育的學與教及教學策略
楊友源教授
楊志豪博士
科學與環境學系
工作坊流程
• 科學探究、運算思維與 STEM 教育的關係
• 跨學習領域STEM教育的例子與工具：
• Key Stage 1 - 虛擬實境 (Virtual reality)
• 活動一：製作Google Cardboard
• 活動二：VR 戶外教學
• Key Stage 2 – 三維打印 (3D printing)
• 活動三：以Tinkercad學習圖形及設計3D打印模型
• 活動四：以 Sketchup 設計椅子
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科學探究 • 傳統探究式科學探究:
1. 觀察及提問
2. 提出假設
3. 驗證假設（可融入 STEM 元素）
4. 分析及立論
5. 應用（可融入 STEM 元素）
6. 提出新問題，展開新的科學探究
• 以下為跨學習領域的科學探究模式：
• 模式一（主題式）：以個別學習領域中的課題為科學探究活動，並融入 STEM 元素
• 模式二（專題式） ：以專題研習讓學生綜合各學習領域，並融入 STEM 元素
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跨學習領域 STEM 科學探究 • 模式一（主題式）：
• 以個別學習領域中的課題為 STEM 科學活動的基礎，融入其他學習領域的相關學習元素
• 模式二（專題式）：
• 以專題研習讓學生綜合各學習領域的學習元素，設計出探究活動
科學
科技
數學
科學 科技 數學
專題研習
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運算思維及STEM教育(1) • 運算思維（computational thinking, 又譯作計算思維），是由數學、計算機科學及教育學者西摩爾·派普特教授（Prof. Seymour Papert）分別於1980 及1996 年提出
• 周以真教授（Prof. Jeannette M. Wing）在2006年再為運算思維定義：把一個問題及其解決方法以計算機（包括人腦或電腦）可有效執行的方法表達 [1]
• 周教授認為運算思維很有可能在 21 世紀中期成為一種所有人都會有的基本技能，有如讀、寫
• 2014 年，美國眾議院通過把計算機科學立入並成為 STEM 教育的其中一個領域；2016 年，美國總統奧巴馬再次提到計算機科學是一種基本技能，並大力撥款支持 K-12 年級的編程教育
Reference: [1] Wing, Jeannette (2014). "Computational Thinking Benefits Society". 40th
Anniversary Blog of Social Issues in Computing. 5
運算思維及 STEM 教育(2) • 不同學者對運算思維的定義有不同的看法
• 多數的運算思維定義都包含了以下部分：
• 拆解 Decomposition：把複雜的問題拆解成多個較容易解決、獨立的小問題，或一步接一步的小問題
• 例子：如何從這裡到海洋公園？
• 模式識別 Pattern recognition：識別一個問題中與其他問題或現象相似的地方
• 例子：如何走出迷宫?
• 抽像法 Abstraction：專注在重要的部分，忽略不相關不重要的部分；主要手段如建模
• 算法 Algorithm：設計出一步接一步的羅輯步驟，從而解決問題
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Reference: [1] BBC Bitesize, [2] The Open University, UK http://www.open.edu/openlearn/
建模和算法? • 建模：識別出最重要的規律，忽略不相關的部份，建成模型。再透過模擬進行探究，把現象重現，從而理解背後的原理並解決問題
• 例子：
• 算法：設計出一步接一步的羅輯步驟，從而解決問題
• 例子：到甚麼地方吃中午飯？
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當值
在學校吃飯 是
下雨 否
是 在學校吃飯
跟同事共餐 否
同事最喜愛的餐廳
自己最喜愛的餐廳
運算思維及 STEM 教育(3) • 運算思維還可以涵括一般的編程及計算機科學
• 除了上述的四個主要元素外，而其他比較統一的運算思維元素或表現方法還包括以下各種 [2] :
1. 收集數據，分析數據，表逹數據
2. 設計與發明
3. 模擬，除錯
4. 評估
5. 數據或科學視覺化等
• 這些運算思維的概念，可用在設計一些適合常識科第一及第二學習階段的跨學習領域 STEM 教學活動
• 以下我們將為大家介紹一些可用作開發跨學習領域STEM 教學活動、並有助學生發展運算思為的工具
Reference: [2] S. I. Swaid (2015), Bringing computational thinking to STEM education,
Procedia Manufacturing 3, P. 3657 – 3662 8
• 虛擬實境是一種模擬真實世界的視覺、聽覺、甚至觸覺的技術
• 主流虛擬實境中的三維視覺主要由頭戴式顯示器對左右眼投射有視差的現象，製造出立體效果
• 大部份的頭戴式顯示器都設有陀螺儀，可感應視覺方向，相應調整畫面，使用家透過改變視向以改變虛擬實境中的觀察角度
• 部分虛擬實境技術結合了其他技術如動態識別、語音識別等，再加上數據手套等三維操作器，容許用家與虛擬實境進行互動，達到身歷其境的感覺
Key Stage 1 - 虛擬實境
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觀察虛擬實境的工具
• 可用於觀察虛擬實境的頭戴式顯示器早於1968年出現，並經過不斷改良及革新
• 早期的虛擬實境技術大多應用於電子遊戲，而且價錢昂貴；及後技術普及化，而且價錢趨向大眾化，虛擬實境便被應用到不同的用途上，如訓練或教育
• Oculus VR 是一間美國虛擬實境公司，於2012年成立，研發出價錢普及化的頭戴式顯示器，如Oculus Rift；該公司於 2014 年被 Facebook 以 20 億美圓收購
• 於 2014 年，Google推出以咭紙及透境、再配合智能手機，製作出的頭戴式顯示器，稱為 Google Cardboard；因為其成本非常低，VR 的技術及應用得到全面普及化
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活動一：製作Google Cardboard • 虛擬實境有助提高學生對學習 STEM 科目的興趣，乃 STEM 教育的其中一個重要目的
• 因為虛擬實境不難理解，利用虛擬實境學習是一個適合第一學習階段的跨學習領域 STEM 活動
• Google Cardboard 的製作能令學生體會到科學與工程及科技結合的效用，是一個 STEM 的例子
• 我們將製作 Google Cardboard，再配合智能手機及不同的手機應用程式，輔助學生在虛擬實境中學習常識科的科學及環境元素
11 Hyperlink: https://vr.google.com/cardboard/manufacturers/
虛擬實境教學：手機應用程式
Cardboard Cardboard 操作介紹
Discovery VR 不同場景的動態VR (Discovery Channel
母公司開發)
Anatomyou: 3D Human Anatomy 人體內部構造
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Titans of Space
太陽系VR
VR Planetarium
(Android only)
Planetarium VR
活動二：VR 戶外教學 • Google expeditions 可讓我們在課室中以虛擬實境進行戶外教學
• 老師可於應用程式中以領隊角色領導學生觀察虛擬實境中的指定物體及作解釋
• 例子:
• 其他VR戶外教學的程式:
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Google Street View
可以VR看到不同的影點，包括香港。
Google Camera 可以智能電話拍攝全境途。
例子 年級/課題 教學重點 能培養什麼技能?
活動一：製作Google
Cardboard
Key stage 1
(一至三年級)
日常生活中的科學與科技
了解科學及科技可幫助我們解決問題
識別常用的物料(如咭紙、透鏡、橡皮圈、磁石等)及其在Google Cardboard中的用途
在 VR 學習活動中，欣賞產品的功能及外觀
對了解不同產品如何製作、運作表現好奇心和興趣
以日常物料設計及製作人工物品
進行仔細的觀察、簡單的量度
自行或與友儕協作，識別問題及設計可行的解決方案
共通能力
運用資訊科技能、解決問題能力、協作能力
活動二：VR 戶外教學
Key stage 1＆２
(一至六年級)
(跨學習領域)
日常生活中的科學與科技、健康與生活、人與環境、社會與公民
課題如親親大自然、香港的天氣、認識香港、認識世界、身體的奧秘、認識太陽系(第二學習階段)等
透過VR觀察不同國家及地區的自然和人文環境，及描述其特徵
透過VR作仔細觀察並進行對環境的科學探究活動
觀察難以以實境觀察的科學及大自然現象，如海底生物、人體結構、天體活動等
觀察不同時代、不同背景、
不同文化的地方及其特徵
細心觀察周遭的環境，及識別一個環境中的特徵
識別不同社會上的風俗、習慣及傳統
透過電腦及相關設備取得資訊
共通能力
運用資訊科技能、明辨性思考能力
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虛擬實境在教學上的優點
• 學生足不出戶，便可利用虛擬實境觀察世界各地的不同景點，不受地域及資源限制，避免了戶外教學或長途旅程所遇到的危險及問題
• 對比靜態或二維影片，學生可在虛擬實境中自行探索，進行科學探究
• 虛擬實境可避免了學生在二維圖片或影片中產生的錯誤理解，這對理解複雜的科學概念尤其重要
• 從虛擬實境中可看到難以觀察的自然現象，如細小的分子結構、龐大的星體運動、或難以到達的人體內部結構
• 隨著虛擬實境技術的發展，利用虛擬實境教學或進行訓練將會越趨普及
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CT-bone ®
3D 打印骨骼
Key Stage 2: 3D 設計及打印 • 最早的 3D 打印技術始於 80 年代
• 3D 打印技術一般指打印三維物體的積層製造過程 (additive manufacturing)，有別於如激光切割技術等切削製造過程 (subtractive manufacturing)
3D 打印觸立屋
3D 打印日晷
3D 打印高跟鞋
3D打印的例子:
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3D打印過程 • 有別於 2D 打印，大部分 3D 打印要經過以下步驟
1. 建模：要打印三維物體，首先要建立 3D 打印模型；建立 3D 打印模型有以下兩種方法：(i) 電腦輔助設計 (CAD – Compute-aided design)，(ii) 三維掃描
2. 打印：由電腦繪圖程式產生的 .STL 3D 模型檔案，經過錯誤收正後（以確保3D模型為有效固體而非個別平面），便可在 3D 打印機中打印
3. 完成：部分 3D 打印技術需要把多餘或支撐物料從打印後的成品移除
不同份量的支撐物料會導致不同的打印時間 17
不同的3D打印技術 • 大部分市面上的3D打印機都以熔融沉積成型方法
(FDM-Fuse deposition modeling) 打印三維物體；熔融沉積成型意指把熱熔性材料加熱熔化後，把其製成所需形狀
• 不同的3D打印機可打印出不同特性的的三維物體，例如己混合兩種 (或多種) 不同顏色的物體，或以可溶解支撐物支撐懸臂或中空部分的三維物體
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工程設計循環
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發問
需要與限制?
意念
設計
做出不同的設計，並從中篩選出最好的設計
製作
利用合適物料及技術，依照設計圖製作
測試
能否達到預期效果?
改進
尋找不足及改進
產品
活動三：以Tinkercad學習圖形及設計3D打印模型
• Tinkercad 是一個繪畫3D模型的免費網上平台，電腦不用安裝任何輕件 (平版電腦亦適用)
• Tinkercad 內置了不少幾何立體圖形，可供小學生學習立體圖形之餘並進行設計，融合STEM教育中的數學及工程元素；立體圖型均具有準確尺寸，可供學生計算體積
• 選擇Export，再選擇輸出STL檔便可在3D打印機中打印
• Tinkercade 中的不同立體圖形:
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活動四：以 Sketchup 設計椅子 • 由 Google 研發的 Sketchup 是另外一個十分流行的免費電腦輔助設計(CAD)應用程式，可供使用者自由下載 (Sketchup Pro 則是較為專業的收費版本，被很多設計師及電腦繪圖師廣泛使用)
• 免費版本的 Sketchup 己足以應付教學上的需要
• 有別於Tinkercad，使用前需要在電腦上安裝Sketchup
• 它操作簡單，十分適合第二學習階段的小學同學進行STEM設計活動
• Sketchup 的 3D Warehouse 內收集了其他用家上傳或設計的三維物體，可直接下載部件供學生進行科學探究
• 在Sketchup 中安裝 STL add-on，再在完成設計後選擇Export STL，便可在3D打印機中打印設計
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例子 年級/課題 教學重點 能培養什麼技能?
活動三及活動四：三維打印
Key stage ２
(四至六年級)
日常生活中的科學與科技、人與環境
知道設計循環的概念及其應用
了解一件工具的設計及製成， 需考慮功能及美感的要求
靈活運用數學中的不同立體圖形
簡單的量度、體積的計算
應用設計循環解決問題
運用不同的物料設計和製作模型， 並測試所製成模型的功能及特性
探索物料的特性及其適用性
使用工具及應用科技時遵守的安全規則
組合不同立體圖形造出工具
共通能力
創造力、數學能力、解決問題能力、協作能力運用資訊科技能
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總結
• 虛擬實境是一種模擬真實世界的視覺、聽覺、甚至觸覺的技術
• 利用虛擬實境，學生足不出戶便可觀察世界各地的不同景點，不受地域或資源限制，避免了戶外教學或長途旅程所遇到的危險及問題
• 3D 打印技術一般指打印三維物體的積層製造過程
• 利用3D打印，學生可透過建立3D 打印模型體會到 STEM 教育中科學及數學與科技及工程的結合
• 老師可利用以上工具設計出跨學習領域 STEM 教育活動
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