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十二年國教後中學科學教育的未來走向

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照片為102學年度國立台灣師範大學《科技與文創》課程師生合影

(本文同時刊載於 dr. i 部落格 Facebook

台灣的科技產業一向以代工業為主,這主要源自於70年代,全球半導體產業的興起。站在世界領導者地位的歐美國家,為了降低成本,將電子元件的製造和量產轉向亞洲,身處台灣的我們,受惠於因科技所帶來的富裕與生活便利,因此也特別注重科學教育。

然而,過去這40年來,在這樣的產業環境做為背景之下,我們的科學教育走在一條崎嶇的道路上。學校課堂上所教授的課程內容和教學方式,實際上皆以「取得學歷文憑」為目標而設計,並非以學生的健全發展為教育願景。學生也許能夠考進第一志願的學校,但是出了社會之後,很可能連基本的溝通能力都沒有,更不用說獨立思考,或是能「無中生有」的創造力。甚至,在很多台灣人的印象中,這些都是讀理工科的人們最缺乏的能力。

筆者從16歲在台灣念完高中一年級後,便因家父赴英工作而轉學就讀英國高中,一直到研究所畢業,再至德國攻讀博士,前前後後總共在歐洲待了有11年之久。從大學以來,我主修的科目為物理,因為對於科學的熱愛,並且親身體會到國外在科學普及上的成效,驅使我回國後開始走入人群 ,想要將科學知識推廣給社會大眾。

因緣際會之下,去年開始擔任國科會的特約文字編輯,以及在國立台灣師範大學物理系擔任兼任助理教授,讓我參與了很多科學普及和推廣的相關活動。其中,包括了幫國科會訪談許多熱心於推動科學教育改革的中學老師們,將他們的成果和理念統整起來。

訪問過這些老師們之後,我從他們十幾年來的經驗看到了很多的共同之處,這些包括了成功與失敗的經驗、現今教育體制的缺陷和未來應改革的方向。因此,本文想要把這些現象和想法統整起來,給從事科學教育工作或甚至社會人文方面的老師們參考,同時也給家長們一個「全人教育」的觀念:如果您想要為孩子長遠的將來和人生著想,而不僅僅是希望孩子在國中高中這短短幾年間拿到好成績,就應該停止將考試成績當作孩子學習和老師教學唯一僅有的評量依據。

接下來將敘述幾個未來科學教育演進的主要方向,最後再談談應該如何著手朝往這些方向改革。雖然,本文是以科學教育為主題,但是筆者認為文中大部份的內容也可以做為其他領域的教育相關人士的參考與借鏡。

科學探究

首先,讓我們來談談現在普遍的教學方法。以傳統的教學模式來說,老師在講台上授課,學生在座位聆聽抄筆記,這樣單方向的教學模式早已過時,不但聽者乏味,也很難抓到重點,往往一堂課有一半以上的時間都在放空,既浪費時間又消磨學生的學習興趣。

不過,倘若老師能以專題研究的方式,讓學生循序漸進,激發他們有系統地深入探究一個主題,則可以有效地透過學生的主動參與,培養解決這些問題的能力。這種「任務導向式」的學習模式,重點是讓他們親歷探索的整個過程。從一個題目開始,將問題「科學化」,而所謂的「科學化」,其實就是把問題具體地變成可以用科學技巧(包括實驗或計算)來解決。再來就是著手解決這些問題,運用課程內所學的知識和技巧來完成,最後,一個完整的專題必須要有好的總結,包括問題的解答與延伸思考等等,將數據和實驗結果變成有實際意義的文字或概念。

程度好的學生,老師甚至可以考慮讓學生自己去尋找題目,並且只給一個廣泛的情境,譬如說:老師指定「與動物的繁殖相關的題目」,學生可能會選擇做「小雞孵化的環境條件與過程紀錄」;「與交通有關的專題」,學生可能會研究「一個有效改善城市交通的方法」;「大自然中像是藝術的科學」,學生可能會用克卜勒定律透過不同的星球質量和距離,畫出美麗的行星運行軌道。

龍山國中的鄭志鵬老師就已經成功地舉辦了三次的「全國國中科學探究發表會」,提供一個好的平台來讓全國的學生們互相交流[1],近年來由台灣師範大學理學院長賈至達教授等人帶領推廣的「國際青年物理學家辯論賽」,都是提倡透過這樣的探究方式,學習科學的思考方法與態度。

手作學習

國內有一批熱心的老師在推廣手作科學教具[2,3]。與其說「教具」,不如單純地說是「科學玩具」。他們用隨手可得的素材,像是空的汽水瓶、橡膠水管和紙杯等等,用最低成本的方式,設計一套教具,不但在課堂上示範和解說,也讓學生們親手製作。

在2009年美國普渡大學(Purdue University)曾經做過一個研究[4],他們讓8年級生(相當於國中二年級生)學習人類活動對於水質的的影響,並將十個班級的學生分為兩組,第一組完全由閱讀教科書來吸收知識,第二組則以親手製作淨水器來學習。最後,兩組共126位同學接受測驗,其結果顯示,第二組的同學們對於知識的吸取明顯地比第一組要來得深入,尤其對於學習語言非母語的學生們來說,進步更是彰顯。

美國史丹佛大學的研究甚至顯示[5],當學習者親手操作過教具之後,比較有能力去理解理論,所以他們提倡「先探索」(Exploration first) 的教育模式,也就是說,在學生閱讀書籍來搞懂他們在做什麼之前,先讓他們用雙手自我探索,這與傳統「先理解,再操作」的學習模式是剛好相反的。學者們認為,動手作實驗或操作器材,可以讓學生對科學的理解更廣泛和深入,也更能使他們更廣泛地瞭解科學在社會的角色和創新應用[4]。

分組學習

許多我訪問過的老師都談及他們用分組的方式,讓每個小組自主管理,分工完成任務,讓組員之間相互幫助,並且強調共好。由於因為每位學生的性向、興趣和天賦都不同,譬如說,有些同學可能有美工方面的專才,但天生對於數字卻不敏感,那麼他可能擔任美工設計的角色;有的同學不喜歡動手,但喜歡閱讀,他可能就負責收集資料。簡單的說,這就像是個社會的小縮影,靠著不同的專才角色之間的互助和合作,完成一項工作。

透過自組學習團隊的方式,還可以訓練同學們的表達和溝通能力,和激發某些學生們的領導潛力。這些都是在傳統的個別學習方式無法接觸到的訓練,但是這些能力到了社會上卻是必備首要,甚至不遜於專業技術上的訓練。

解說學習

教育方式的演進,從最傳統的方式開始,到現在應該改革的方向,依照老師和學生的角色,可分成三個階段。最傳統的第一階段就是老師在台上教學,決定台下的學生要學什麼,而學生做到一字不漏的吸收,就可以拿滿分;第二階段,是以做報告的方式,自我探索,自主學習,也就是說自己當自己的老師;第三階段,是學生自己擔當小老師的責任,把自己學到的知識,對同儕或是學弟妹們講解。

新竹市光武國中由林茂成老師所帶領的「法拉第車隊」[6],以及台中市長億中學林宣安老師所帶領的「自然解說團隊」[3],在自主學習方面就是國內很成功的例子。

光武國中的「法拉第車隊」從成立至今已有7 個年頭,雖然車隊的名稱,給人的第一印象會是一個運動社團,確實這是他們的核心活動,但是藉由這樣一個車隊的形式,學員們學習了如何自己DIY組裝和維修單車,並且還配合戶外活動,到偏鄉的中小學,由車隊的學生們帶領當地同年紀或更年輕的孩童們學習趣味科學。

而長億中學的「自然解說團隊」雖然不是以運動為號召,但是形式上也有異曲同工之妙。團員們解說生活周遭的特殊景觀,例如台中石岡水壩與大安溪大峽谷的生態或地理知識等,清楚地導覽講解。經由這樣的過程,學生不但拓展了知識面,也在學習方法和態度上有所磨鍊,並且真的實際去應用。

許多歐美的研究均指出[7],學生在接受了一段知識訊息之後,倘若再嘗試使用自己的語言,重述解釋給自己或是他人聽,對於知識的吸收會有顯著的效益,而且不僅能夠記得更清楚,還能對於主題能有更深入的瞭解。這個無非就是一個先將知識內化的過程,同時也能強化學生的溝通能力,可以說是一舉兩得啊!

差異化評量

前面提到了分組學習中,鼓勵組員們依照不同的興趣和專才做分工,每位學生的個性、資質和興趣都不同,這表示未來的教育制度,對於不同性向的學生們,必須都是友善的。這點除了應該表現在前述的學習方式和過程中,更應該表現在評量的方法和制度上,也就是儘可能地多元化。也許有些學生會畫畫,有的會跳舞,這些多元化才能都應該在學校評量中能被凸顯出來,並且給與學生相等的鼓勵。

掌舵者的省思:老師自主權的加強、評量制度的改進、新一代師資的培訓

未來的方向很明確,我們也看到了走在多元化教育最前線的很多先例,但是如果全台灣的學校都要起而效尤,有幾個重點方向是必須要優先改進的。

首先,在制度層面上必須給學校老師更多的自由空間和自主權,安排適合學生的課程內容與活動,而這些內容與活動,都會因地區而有所不同。記得曾經到屏東縣某所高中做過演講,該學校的原住民比例占了80%以上,教務主任跟我說,他們普遍數理方面的科目都很弱,但是對於音樂、藝術和舞蹈方面的事物就特別有興趣。雖然那次演講的主題是與科學相關,但當我講到著名的台灣原住民舞蹈家布拉瑞揚時,大家的眼睛都為之一亮,反應突然變得很熱烈。

而在同一場演講,同行的主持人問了在場的一位同學:數學、生物和理化中,他最擅長的科目是什麼?他回答說:「數學。」但是,當接下來被問到數學考最高分是幾分?他的回答讓我們差點從椅子上面跌下來:「35分。」可以想像其他自然科學的成績是多麼地慘不忍睹。

如果這位學生會因為數學和自然科學方面的科目表現不佳,而無法進入好的大學享有好的教學資源,那麼台灣就很可能錯過了下一位布拉瑞揚。

所以給學校老師更多的自主權,決定更適合學生的教學內容,是讓他們「適性發展」的必要條件之一。 舉例來說,校方表示這些學生沒辦法在教室內坐太久,那麼多安排戶外學習課程;或是一些從舞蹈的觀點講解力學,色彩的觀點講解光學,那麼學生的注意力和吸收能力想必會有很顯著的提升。而以一個中央政府的角度來說,很難能夠做到差異化的教學內容,所以在適當的範圍之內,這個自主權應該下放到地方學校。

教學的內容和方式如果改進了,接下來的問題就是評量方式與標準,這就是第二個必須改進的重點方向。評量制度和標準,必須更多元化,無論是學術專長或是技術專長,都能夠反應在分數中,這些包括:做書面或口頭報告、做作品和分組學習成績等等,與紙筆測驗的方式並重。

幾位曾經接受我訪談的傑出老師們,都異口同聲的對於評量制度的僵化表示無奈。我常會問他們同一個問題:「在採取這樣新式的教學方法後,學生的在校成績有沒有進步?」老師們的回答卻都是非常類似:「沒有,但是如果這樣的教學,不會讓學生的成績退步,而且讓他們上課時更專心、更投入,而且不睡覺,那麼何樂而不為呢?」

這也就很明確地凸顯出現有評量制度的明顯缺陷,為什麼學生在課堂上更投入學習、更專心聽,卻沒有被成績分數反應出來?也因為這樣的情況,這些對教育改革很熱心的老師們常常會覺得很喪氣,家長們覺得孩子在做一些對成績沒有幫助的事情,學校也覺得應該多讓學生練習試卷解題能力,在這種背腹受敵的情形下,還能堅持做他們認為對的事情,顯得格外地令人欽佩。

前述很多改善的作法,都基於讓學生「適性發展」的原則,這個過程中很重要的就是老師對於學生能力和個性的判別能力,和對於外界社會時下的現實環境是否有足夠的瞭解,才能進而對學生做出有用的建議,所以,老師的培訓將顯得格外重要,特別當老師自主的權利變大的時候,這是第三個重點方向。

那麼比起傳統的老師,新一代的師資必須具備什麼不同的特質呢?簡單的說,這些包括了:(一)雙向溝通的能力,必須能聆聽學生的想法和感受,而不是一味地告訴學生自己的想法;(二)判別學生專長和性向的能力,這樣才能透過教學內容的安排,來讓學生適性發展;(三)引導學生學習的能力,讓他們瞭解課堂上所學的知識或技能,與自己的生活或未來生涯有什麼正面的影響,充分瞭解學習的動機;(四)激勵學生的能力,當個學生的啦啦隊,讓學生在遇到挫折時,對學習的熱情不減少。附帶一提,我認為曾經在學校以外工作經驗豐富的老師,會比較瞭解社會上所需要的人才之多元,在安排教學內容上,也會比較能考量到多元性。所以,新一代的老師,也應該豐富自己的生活,唯有開拓自己的視野,學生的視野才會跟著寬廣。

從傳遞科學知識到傳遞科學精神

近年來全球社會、經濟和產業的變化迅速,伴隨著資訊傳遞工具的革命,老師的角色已經從一位知識傳授者,變成一位引導者、激勵者和課程內容監督者;從教學過程的主角變成配角,而主角則變成學生本身,越給學生主導權,他們越能夠用適合自己的模式去學習,熱情也能延續得更久。

有趣的是,雖然本文所提到的教育是以科學為主,但是上述提到的所有老師,都表示參與這些學習活動並且表現優異的學生,很多上大學後並非都選擇理工科系就讀,而他們自己回想起來,透過這樣的學習方式,讓他們訓練了好的溝通、領導、做事的方法和分析能力等等,是一般在課堂上學不到的。所以,我們中學的科學教育不應該是以教育每位學生成為工程師或數字工作者為目標,而是更廣泛地讓學生學習科學的思考方法和態度,並且能夠透過實際操作來學習。

未來十二年國教的實施,是勢在必行的一件事,筆者認為這是一個很好的時機來審視現在教育制度的現況,思考能夠做什麼配合與改進的方案。

教育的改革是一條漫長的路,似乎永遠也到不了終點,但是我們必須朝對的方向走。很幸運的,在這一兩年來我看到許多如文中所提的成功案例,很值得政府機關、老師們和家長們借鏡,希望藉此一文能夠達到拋磚引玉的效果,讓更多人一起為台灣下一代的教育努力。

 

參考文獻:

  1. 劉辰岫。〈科學探究從小開始 – 鄭志鵬老師〉。《科技大觀園》(2013)網址:http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Feature/C/0/15/10/1/774.htm
  2. 劉辰岫。〈讓學生動手做科學 – 王德麟老師〉。《科技大觀園》(2013)網址:http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Feature/C/0/15/10/1/420.htm;劉辰岫。〈科學創意社學的推手 – 謝甫宜老師〉。《科技大觀園》(2013)網址:http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Feature/C/0/15/10/1/629.htm;劉辰岫。〈從雲端打開學生的眼界–謝隆欽老師〉。《科技大觀園》(2013)網址:http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/Feature/C/0/15/10/2/546.htm
  3. 劉辰岫。〈從傳遞科學知識到傳遞科學精神 – 林宣安老師〉。《科技大觀園》(2013) 網址:http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Feature/C/0/15/10/1/993.htm
  4. “Exploring the Effectiveness of an Interdisciplinary Water Resources Engineering Module in an Eighth Grade Science Course” Int. J. Engng Ed. Vol. 25, No. 1, pp. 181, 2009
  5. “SimSketch: Multiagent Simulations Based on Learner-Created Sketches for Early Science Education”, IEEE TRANSACTIONS ON LEARNING TECHNOLOGIES, VOL. 6, NO. 3, JULY-SEPTEMBER 2013
  6. 劉辰岫。〈用單車學科學 – 林茂成老師〉。《科技大觀園》(2013) 網址:http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Feature/C/0/15/10/1/419.htm
  7. Chi, M. T. H., de Leeuw, N., Chiu, M.-H., & LaVancher, C., “Eliciting self-explanations improves understanding”, Cognitive Science, 18, 439 (1994); Ploetzner R., Dillenbourg P., Praier M. & Traum D., “Learning by explaining to oneself and to others”, In P. Dillenbourg (Ed) Collaborative-learning: Cognitive and Computational Approaches. (pp. 103-121).

關於作者

dr. i

小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience