科學積木遊戲教學對提升國中生科學問題解決能力之行動研究
國立臺東大學 教育學系教學科技碩士在職專班
黃文昌 willson318@gmail.com
摘要
本研究採用行動研究法，以科學積木為教材，輔以遊戲競賽，設計三個階段教學活動，藉由「研究、行動、再研究、再行動」的循環歷程，探討科學積木對國中生在科學原理的理解及問題解決能力，並對教師專業成長的影響為何？
學生對科學積木保有高度興趣，融入遊戲競賽更是激發學生的潛能。本研究結果發現學生在科學原理的先備知識不足下，無法快速解決所遭遇的科學問題，需要教師從旁協助，另外課程與舊經驗的結合及同儕關係容易影響到學生學習動機。教師在進行教學時建議使用攝影機連接單槍，使學生清楚教師對作品的講解內容，也可以節省時間，另外適時降低對學生作品的要求，從模仿中學習積木的組裝，進而要求其創新。
關鍵詞：積木、遊戲教學、科學問題解決
本研究以一所完全中學為例，藉由服務學校所申請的100學年度「高中職適性學習社區教育資源均質化實施方案」計畫，來推動科學積木課程做為學校特色教學創新，藉此探討科學積木遊戲教學對提昇國中生在科學問題解決之能力。
李哲迪（2009）綜合臺灣國中生在TIMSS和PISA的科學學習成果指出臺灣在科學教育上的學科知識內容表現優異，但科學學習自信心低落。在教學方法上，建議學生主動學習，以學生為中心，讓學生有更多時間投入學習活動（李哲迪，2009）。天下雜誌於2010年10月29日的「2010年教育特刊調查」對臺灣的國、高中生進行問卷調查，採分層比率抽樣法，學生是喜歡做實驗的，目前臺灣的教育普遍停留在書本傳授為主，未符合學生喜歡「動手做」的期待（吳挺鋒，2010）。
有學者的相關研究提出積木學習對學童在教育上有實質的意義，進一步對科學理解能力也有所提升，例如：創辦第一所幼稚園（1840）的德國教育學家福祿貝爾(Friedrich Fröbel, 1782-1852)是最早以積木做為幼兒活動媒介的教育學家(Wellhousen & Kieff, 2001)。Adams和Nesmith (1996)發現教師認為積木遊戲可促進兒童創造力、數學學習、自我概念及解題能力等。可見積木遊戲在教育上有其幫助，透過積木為教學媒介，容易引起學童的科學學習動機，促進相關科學能力。適逢政府大力推動十二年國民教育及高中職免試入學，研究者服務學校於民國100申請「高中職適性學習社區教育資源均質化實施方案」通過，計畫推動科學積木活動做為學校特色教學創新，以推廣科學積木活動並辦理相關研習及競賽，使學童可以做中學，從遊戲中了解科學相關原理，培養問題解決能力，使其在學校學習得到成就感。
研究者本身擔任自然與生活科技領域的老師，平日對科學相關領域有濃厚的興趣且喜愛動手做，而科學積木遊戲學習課程就是需要動手做，在實際參與過科學積木相關研習課程及本身利用閒暇時間自學後，覺得在組裝科學積木歷程中，很適合培養學童的問題解決能力。研究者目前擔任國一導師，以自己的班級做為研究對象，採用行動研究方法，紀錄及分析整理學童在動手做科學積木的過程中了解科學原理的程度為何，是否在問題解決能力上有提升，以自己班級做為研究對象可以方便觀察及記錄學童的改變，可以做為學校在推廣科學積木活動為特色教學創新歷程中的參考依據。研究者之前在服務學校有過5年行政歷練，往後進行科學積木課程活動的過程中在行政業務較為熟悉，與行政同仁互動也較為頻繁，並主動支援學校在推廣科學積木的相關活動，除了增加組裝積木的經驗外，對研究者可豐富本身的解決問題經驗。
本研究對象以研究者本身服務的學校國一生及協同教師兩位，國一生為研究者本身所帶的班級。李老師為自然與生活科技領域教師也是設備組長，屬本次均質化計畫的執行者；陳老師是電腦老師，平常熱心助人，觀察細微。
本研究的教材採用智高實業股份有限公司所發展的智高積木，主要以基本款當作本次研究的教材，額外搭配其他軌道組及能源動力組積木。
由於研究情境有所限制，故本研究不宜做過多的類推，但仍可在研究結果中，探討科學積木教學研究和科學積木課程設計及修改的歷程，以因應不同情境，提供教師作為教學上的運用。
本研究教材是蒐集科學積木相關資料及各大出版社出版的相關科學遊戲書籍或影音資料，以輔助課程不足部分。由於學校為非市區繁華之地，爲使大多數學生有更多的參與感，教材設計上需考慮學生易取得的材料或容易蒐集。
本研究的科學積木教材為智高積木，智高實業公司成立於1976年，多年來以Gigo自我品牌製造及開發多元性、教育性及富功能性的新產品為經營主軸。榮獲台灣青年創業協會頒贈最佳創意獎及台灣精品獎，並成立智高教學中心與德國、日本、法國、美國等知名玩具公司：KOSMOS、Celda、BUKI、Gakken均有合作。以「教材玩具化、玩具教材化」的想法，讓小朋友體會「做中學」的樂趣，藉由遊戲中學習到科學知識。（賴鴻洲，盧宏男 & 劉福田，2009）
智高積木元件和其他品牌積木最大不同之處，在於它是屬於框架(frame)式的結構積木，可以按自己的需求組合建構模型；以10mm為基數的零件設計，形成軸向自由度的延伸，方便使用者組裝。框架的每一個圓孔以8mm(7.94mm)為基礎，以凹與凸的配合部分，也是傳動軸的支撐部分，所以可以輕易的找到需求的組裝尺寸。另外智高積木合乎機械原理的各種傳動元件與動力來源元件，可以容易地建立符合需求的動態(dynamic)結構。林文彬（2011）認為智高積木的最大特色就是組裝模組化，在跟法國Celda公司合作後，發現智高積木模組很適合用在自然科學的講解，學校教師也利用智高積木做為實驗教材，並寫成教案，兩者相輔相成。
關於科學遊戲的定義，楊蕎安（2006）指出科學遊戲是一種科學活動，是遊戲形式之一，就是將科學活動與遊戲做結合，但他不像嚴謹的科學實驗，也不像隨意的遊戲，總之，科學遊戲需包涵科學原理及過程中所需運用的科學技能。許良榮（2004）認為科學遊戲的重要在於讓參與者覺得有趣，並有高度的參與意願，是一種蘊含科學原理或科學概念的原理。
黃嬿樺與賴慶三（2009）指出，進行科學遊戲教學時，為引起學生興趣，可以與日常生活結合，教師先示範一次，兒童再模仿，不需急著說出其科學原理，透過探索可以培養正確的科學方法。
綜合以上所述，科學遊戲教學就是把科學活動變成遊戲活動的教學，藉由遊戲的趣味性，引起學生學習動機，引導其對科學概念的理解（黃嬿樺 & 賴慶三, 2009）。而本研究所使用的教材科學積木正符合以上學者所述，透過人見人愛的積木組裝，引導孩子探討科學原理，一開始教學時研究者一樣先示範一次，學生透過模仿的歷程，了解積木如何組裝，進一步培養科學原理的概念。
本研究場域為研究者本身服務學校，研究對象為研究者所帶領的國中班級及參與研究夥伴，還有研究者本身。
研究者服務的學校是一所位於屏東縣屏南地區的完全中學，因城鄉落差之影響，學業成就普遍低落。適逢學校申請100學年度教育部高中職均質化計畫，擬購買科學積木透過特色教學創新，提升學生在學習上的成就感，經研究者蒐集資料結果，可利用科學積木來促進學生在科學問題解決能力。
本研究對象為研究者本身的導師班級國一新生為研究對象，以S型常態編班而成，班上男生有16位、女生有12位，包含原住民男生5位、女生2位，全班人數共28位。合作夥伴為科學積木推動團隊的教師及校內執行相關業務之行政人員。服務於任教學校的國中部5年，任職期間5年擔任學校資訊組長，但在教學現場時常感到無助，學生的學業成績普遍不佳，期望學生可藉由科學積木活動瞭解科學原理。研究者本身為推動科學積木活動團隊一員，由於研究者也是第一次接觸科學積木，故以行動研究的方式去探討科學積木促進學生科學問題解決能力之影響及發展出適合教師的教學策略。
本行動研究資料蒐集分為量及質的資料，其中量的資料有簡單機械學習成就測驗、問題解決能力自我檢核表；質的資料有學習單、產品設計表、問題解決表等評量檔案，觀察記錄、訪談內容、錄影錄音、參與夥伴建議及研究日誌。
研究者採用施能木（2008）所編製的「簡單機械學習成就測驗」在教學活動前施測，透過前測成績做S型常態分組，每組4人，共七組。
研究者採用宗欣儀（2007）修訂自李曉菁（2003）的「問題解決能力自我檢核表」做作為測量學生問題解決能力自我檢核的工具。透過問卷的主要指標「釐清問題」、「尋求資源」、「產出可能的解決方法」、「決定最佳解決策略」、「採取行動」、和「評鑑結果」了解學生的問題解決的歷程為何。
研究者在教學活動進行的教室架設DV攝影，並備有照相機，記錄學生學習狀況，另準備錄音筆利用空閒時間訪談學生，並製作逐字稿。學生評量檔案有學習單、產品設計表及問題解決表，以了解學生在科學積木教學活動的歷程中學習狀況。研究者記錄包含研究日誌，教學活動觀察記錄，設計教學活動的省思日誌及參與相關研習活動的紀錄。
研究者採用三角檢定法，夏林清（1998）指出三角檢定法是綜合觀察、訪談組合而成，就是在一特定情境中的資料由三個觀點蒐集而成，如：本研究以教師的觀點、學生的觀點及參與教師的觀點。研究者將不同來源的資料加以整理並進行分析，從研究者（日誌、觀察記錄）、教學過程（錄影、相片、錄音）、學生（學習單、檢核表、評量表、問卷、訪談）、協同教師（觀察紀錄及建議）等資料進行三角檢定，避免研究者的過度主觀而降低本研究的信度。
本研究量的資料以電腦套裝統計軟體SPSS進行相依樣本T檢定，並搭配學生評量檔案、觀察紀錄、研究日誌及訪談等質性資料加以佐證。
本研究所使用的教材媒介科學積木研究者本身未曾接觸，在正式進行教學活動前，參與了相關科學積木活動及研習，熟悉科學積木的結構及操作，以利教學。
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時間 |
教學對象 |
課程內容 |
結論 |
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2011.08.10 |
高二學生 |
「誰是機關王」 1.機關王介紹 2.從最簡單的機構玩起來 3.創意設計 4.注意事項 5.動手試試看 |
1.學生玩得很起勁。 2.感覺影片播放的太久。 3.男生在玩積木的表現普遍較好，遇到問題也比較能靠自己解決。 |
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2011.12.08 |
教師 |
「科學積木種子教師研習（上）」 1.機關王的由來 2.各國機關王比賽介紹 3.設計機關王的目的 4.創意思考教學 5.簡單機構動起來 |
1.普遍引起老師的興趣。 2.理工背景的老師表現比較好。 3.可能時間不夠，鮮少見到創新的作品。 |
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2011.12.09 |
教師 |
「科學積木種子教師研習（下）」 1.單擺機構及槓桿的實作 2.軌道的組合 3.滑輪組的應用 4.氣壓水動的介紹 5.機關連動的設計 |
1.由於很多老師沒參與到上一梯研習，導致課程無法完整延續，講師大多複習上一梯次的內容。 2.小組討論很熱絡，大家覺得課程有趣且刺激。 |
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時間 |
教學對象 |
課程內容 |
結論 |
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2011.09.05 |
國一生 |
1.機關王的由來 2.美國機關王的影片介紹 3.各國機關王影片介紹 4.台灣機關王的介紹 5.氣壓水動車的展示 6.太陽能車的介紹 |
1.影片的內容有引起學生的注意。 2.透過實體作品展示可以提升學生對課程的興趣。 |
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2011.11.19 |
國中生 |
1.機關王的介紹 2.積木元件的介紹 3.簡單機構的實作 4.彈珠軌道的運用 5.過關宣言機關的實作 6.分組競賽 7.作品分享 |
1.大部分學生很專心在看影片。 2.細部講解時最好可以架DV連接單槍直接投射到白幕，使學生更清楚明白。 3.最好搭配有經驗的師生，協助小組來解決問題，尤其在關卡與關卡間的連動。 |
本研究的科學積木遊戲教學活動共分為三個階段，依序為簡單機械動起來、能源動力大作戰、誰是全能機關王，每個階段中的單元課程時間為每週一的第5、6節，共100分鐘。
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單元名稱 |
時間 |
課程內容 |
評量 |
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認識科學積木 |
2節 （100分鐘） |
認識科學積木相關元件，學會組裝及拆卸科學積木。 |
學習單 問題解決表 產品設計表 訪談 錄影 研究日誌 |
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單擺動起來 |
2節 （100分鐘） |
透過科學積木的組裝認識單擺運動及不同形式的呈現。 |
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槓桿的應用 |
2節 （100分鐘） |
透過科學積木的組裝了解槓桿原理及不同型式的呈現 |
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彈珠軌道（上） |
2節 （100分鐘） |
透過科學積木組裝成彈珠軌道，讓彈珠從軌道滑下來準確地彈跳至另一軌道，了解高低位能的差異。 |
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彈珠軌道（下） |
2節 （100分鐘） |
透過科學積木組裝彈珠軌道，再應用相關科學原理使從低處滑落的彈珠帶動高處的彈珠。 |
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小小機關王 |
4節 （200分鐘） |
小組分工合作，以科學積木設計關卡，透過彈珠滾動及科學原理來啟動層層機關。 |
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單元名稱 |
時間 |
課程內容 |
評量 |
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認識滑輪、 鍊輪及齒輪 |
2節 （100分鐘） |
透過科學積木的元件，認識滑輪、鍊輪及齒輪，並了解其在科學原理上的應用。 |
學習單 問題解決表 產品設計表 訪談 錄影 研究日誌 |
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電動車 |
4節 （150分鐘） |
透過科學積木的組裝車子模型並加上積木馬達元件，了解車子運動的原理。 |
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太陽能車 |
2節 （150分鐘） |
藉由太陽能板積木元件取代車子的電動馬達，了解太陽能車運動的原理。 |
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氣壓水動車 |
2節 （200分鐘） |
藉由氣壓水動馬達取代車子的電動馬達，了解氣壓水動車運動的原理。 |
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單元名稱 |
時間 |
課程內容 |
評量 |
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誰是全能機關王 |
2節 （100分鐘） |
學生依據研究者所給的比賽規則上網蒐集資料並做小組討論、小組形成共識後，大家分工合作完成各自機關並結合在一起，透過不斷的修正及討論來完成作品。 |
學習單 問題解決表 產品設計表 訪談 錄影 研究日誌 |
本研究旨在探討科學積木對學生的科學問題的分析與解決、研究者在教學上所遇到的問題及解決辦法及問題解決能力自我檢核表分析結果。
學生在學習科學積木過程中，雖然國小學習過相關科學原理，時常出現因科學原理無法應用而了解導致問題重重，例如：槓桿的應用課程中無法將槓桿原理運用在積木中，小小機關王活動因為槓桿的支點位置影響機關的穩定性，馬達車無法啟動，因為齒輪比觀念不清楚。
解決方法：透過學習單加強科學原理的觀念，並與同學分享作品一同解決所遇到的困難，教師重複講解相關科學原理，讓學生有更多時間解決問題。
學生對力的方向考慮不周密，導致作品時常會左右搖晃，或者測試時零件掉落，大多因為作品不夠堅固。
解決方法：透過回饋機制，讓學生從失敗中成長，並事先提醒該注意事項。
一開始採用簡單機械學習成就測驗前測成績前測成績做S型分組，一共分為7組，雖然高成就學生在短時間內解決所遭遇問題，但是因為同儕的關係，導致高成就學生無法影響低成就學生，導致低成就學生學習動機低落。
解決方法：第二階段課程將各組學生做微調，讓每個學生在各組都有至少有一位同儕關係良好的夥伴，以提昇學習興趣。
研究者原本想激勵學生創新作品，儘量做出與示範作品不一樣的成品，但學生往往因為要創新導致問題重重，作品無法產出，挫折感倍增。
解決方法：為使學習興趣延續，研究者降低對學生的要求，允許學生模仿示範作品，但鼓勵從模仿過程中創新作品。
由於本研究科學積木教材購買經費為100學年度高中職適性學習社區教育資源均質化實施方案所提供，但由於縣政府作業時程問題導致經費無法如期在教學進行前核撥下來。
解決方法：學校以其他計畫相關經費，購買3箱基本款科學積木，6箱能源動力組，3塊木製底板，再以學校名義向國立科學工藝博物館借用10箱基本款，6箱能源動力組，17塊底板，已因應課程需要。
學生在製作科學積木很需要提供協助，雖然學校辦理兩場科學積木自然領域種子教師研習，但自然領域教師普遍課務繁忙，平日支援科學積木教學上其困難。
解決方法：降低對學生作品要求，提供積木說明書供其自學，找尋其他領域教師且有興趣參與者協助。
研究者所服務學校為第一次推動科學積木課程，全校師生皆為第一次接觸該積木，因此在積木組裝熟悉度不夠，有時無法立即給予學生最佳回應。加上借用的部份積木零件不敷使用，學生使用替代材料，導致困難度增加，例如：製作彈珠軌道活動中，使用超長條積木製作軌道最為普遍，但向顆工館借用的積木不足供應，學生需使用替代材料，又因師生對教材熟悉度不夠，增加困難度，導致學生產生挫折感。
解決方法：研究者同意學生2至3人一組，以克服材料不足及提昇成就感。
本研究使用的科學積木零件眾多，單基本款零件有48種，組裝時使用到很多小零件，例如：結合鍵、鬆結合鍵、C型軸扣等，而且作品機關在動作實需注意很多小細節，例如：科學原理的應用，結構的穩固性等。坐在後面的學生常常有聽沒有懂，研究者需要花費2至3倍時間到各組重複講解。
解決方法：研究者為了使學生更清楚示範作品的講解，連接攝影機至單槍投影機，以現場同步影像讓後面學生可以看著投影布幕來了解上課老師的課程說明，又可以節省講解時間。
經過三個階段課程，學生問題解決能力自我檢核表方面除「釐清問題」、「尋求資源」及「產出可能的解決方法」在相依樣本t檢定中有顯著差異，其餘「決定最佳解決策略」、「採取行動」、和「評鑑結果」皆無顯著差異。
吳挺鋒（2010）。科學教育 決勝未來。天下雜誌，460，70-75。
李哲迪（2009）。臺灣國中學生在TIMSS及PISA的科學學習成果表現及其啟示。研習資訊，26(6)。
李曉菁（2003）。「問題探討式」班會模式之實驗研究（未出版之碩士論文）。國立花蓮師範學院（現為國立東華大學），花蓮。
宗欣儀（2007）。問題導向學習應用於班會活動以提升學生問題解決能力之行動研究（未出版之碩士論文）。國立東華大學，花蓮。
林文彬（2011）。遊戲100年。觀 • 臺灣，10，48-50。
施能木（2008）。應用樂高教學方案在國小生活科技課程對學童創造力影響之研究（未出版之博士論文）。國立台灣師範大學，台北。
夏林清（1998）。行動研究方法導論。台北市：遠流。
許良榮（2004）。從科學遊戲到科學教學。國教輔導，44(2)，6-11。
黃嬿樺、賴慶三（2009）。科學玩具遊戲教學對國小三年級學童「空氣」單元學習的影響。科學教育，318，2-16。
楊蕎安（2006）。趣味科學活動融入自然與生活科技學習領域教學之研究（未出版之碩士論文）。國立臺北教育大學，台北。
賴鴻洲，盧宏男 & 劉福田（2009）。專題製作 - 智高篇A（初版）。台灣：台科大。
Adams, P. K., & Nesmith, J. (1996). Blockbusters: Ideas for the block center. Early Childhood Education Journal, 24(2), 87-92.
Wellhousen, K. & Kieff, J. (2001). A constructivist approach to block play in early childhood. Australia: Delmar.