高瞻教師專業社群發展:發展新興科技生質能源學校本位課程之歷程 / 陳志魁、林唯潁

星期一 , 7, 9 月 2020 Leave a comment

高瞻教師專業社群發展:發展新興科技生質能源學校本位課程之歷程

陳志魁1、林唯潁2

國立苗栗高級農工職業學校

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       選擇「生質能源」作為苗栗農工的高瞻計畫主題,主要是因為考量學校位處苗栗農業大縣及「農工」特色的屬性。申請的高瞻計畫主題須符合「新興科技」,當時尋求替代能源議正方興未艾,生質能源開發正具有發展潛力,而且苗栗農工具有豐富農業及工業的相關資源,生質能源材料生產屬農科範疇,能源轉化屬工科範疇,不但能整合學校教學資源,亦能發揮教師們的專長。於是,在時任實驗研究組的林孟郁組長召集下,前圖書館主任陳有富老師、園藝科廖麗雅主任等參與討論的老師們共同訂定了「生質能源」為計畫發展的大方向。

    主題確定之後,孟郁組長開始招募有意願的夥伴加入計畫。當時單純憑藉一股熱忱組成的團隊,無論對「生質能源」或「課程開發」都是一知半解。生質能課程發展歷程歷時6年共三個階段:最初階段教師只能複製教授提供的知識,現學現賣地執行我們自以為是的探究教學;第二階段在實施一回合的課程後,教師們反思檢討並吸收融會專業知識,考量教學現場以及苗農學生的需求,設計出學校本位的教具、教案與教學活動;第三階段為循環教學後再次的精修,使其更符合引導式探究教學。開發團隊從最初的試誤摸索,到後來遵循專家學者帶領,穩定的按部就班發展,最後完成6套生質能源課程,包含完整的教材、教案、教具、實驗操作示範光碟與評量工具,其中的經歷與體驗深具傳承與反思的意義。 

  • 跨科整合的課程發展團隊,建立學校本位特色課程

    生質能源課程開發的過程並沒有想像中順利。參與的教師雖然各個學有專精,對於教學都有一定程度的經驗與各自秉持的理念,但對於新課程的開發,大家都是新手,沒有篤定的流程與具公信力的做法,只能模糊地想到什麼就做什麼,且戰且走。

計畫最初較明確的任務,在於各課程主題的制定。除了各種常見的生質能源外,還需要融入燃料與能源之間轉換的方式,才能完整呈現能源課題。我們制訂了以下6個課程主題: 生質酒精、畜產廢棄物產沼氣、微生物產氫、生質柴油、藻類生質能、微生物燃料電池,同時根據校內各類科的特性、校內資源、教師專長,以及盡量讓全校各科參與的前提下,分配每個課程給各科教師負責開發和教授,於是苗農跨科模式的課程發展團隊正式啟動。

苗栗農工有畜產保健科,實習牧場動物所排放之糞尿廢棄物經厭氣發酵所產出的沼氣可用以發電,由筆者(陳志魁)發展「畜產廢棄物產沼氣」課程;加工科可利用食品發酵產酒精,並有微生物養殖的專長,於是由謝文斌老師發展「生質酒精」課程,以及劉碧雲老師負責「微生物燃料電池」;電機科擅長能源轉換,由邱宇捷老師發展「燃料電池」課程;化工科教師熟悉化學製程方式,由羅維真老師發展「生質柴油」及「藻類生質能」課程;將有機廢棄物透過微生物分解轉化可產生潔淨能源「氫」,由生物專長的筆者(林唯潁)發展「微生物產氫」課程。苗栗農工開發之生質能源課程內容簡述如表1

1、苗栗農工開發之生質能源課程內容簡述

課程名稱 內容簡述
生質

酒精

以糖質或澱粉質為原料,利用微生物發酵的方式產生酒精,自組酒精蒸餾設備完成生質酒精純化,並配合燃料電池的運用,將酒精化學能轉換成電能。
畜產廢棄物產沼氣 藉由畜產廢棄物的厭氧發酵,產生沼氣並加以收集,並配合燃料電池的運用,實際將沼氣轉換成電能。
微生物產氫 藉由厭氧產氫菌的採集與發酵培養,收集生成的氫氣並加以驗證,再藉由氫燃料電池將氫氣轉換成電能。
生質柴油 以動、植物油或廢食用油(三酸甘油酯) 為原料,利用鹼催化的方式產生生質柴油,配合柴油發電機的使用,實際將生質柴油轉換成電能。
藻類

生質能

藉由操作藻類活化、主培養、架設藻類生質能實驗模組、紀錄吸光度及pH值變化等實驗流程,建構學生對藻類生質能的知能。
微生物燃料電池 藉由架設微生物燃料電池、自由菌種培養、紀錄並計算產電量、轉換培養基(如廢水)等操作流程,來建構微生物燃料電池的知能。


計畫初期教師們擘劃了理想的藍圖,規劃學生體驗從原料生產到能源製造的完整歷程。園藝科從種子開始培育,在學校種植了一片向日葵田,歷經開花、收種、榨油;森林科彭宏源主任研究油桐花,主任帶著學生從油桐開花時節與雌雄花同株異株的田野調查做起,從種植管理或基礎的生物學調查,到收取葵花子或油桐種子榨油的經濟應用,儼然是森林科及園藝科學生最佳的本位課程。後續與生質能源課程相結合時,可以葵花油或油桐子油做為原料,結合化工轉酯化技術成生質柴油,再以柴油發電機轉換成電力探討能源轉換率。接續性的課程除了切中計畫主題外,更是跨科學習的好題材。

然而在不影響現有課程的情況下,實際能實施生質能源課程的時數實在有限,前述由源頭取得原料的課程設計難以施行,團隊得進一步思索課程的取捨與更具可能性的執行方式。最後團隊決定以每週2小時的聯課時間,對全校招募對生質能源課程有興趣的同學,以社團的形式施行試驗教學,同時對開發的課程進行初步評鑑。每個主題課程設計4週共8小時的活動,而必要的連續性實驗觀察紀錄則利用放學或下時間額外進行。6種課程在社團分成AB兩班的情況下,以上下學期互換的方式進行。我們希望在盡量不影響學生常規課程的情況下,意圖讓學校裡最多科系的學生,接觸最完整的生質能源課程。達成這個共識後,所有的課程也朝著同樣的目標發展與設計。

  • 與大學端密切合作的專家諮詢,成為課程發展與教師成長的最大助力

     課程走向決定後,教師們便分頭進行自己的課程開發。高瞻計畫執行過程中有「專家諮詢」的環節,讓高中職教師們可向大學系所、研究中心的教授專家們進行課程諮詢。本校課程發展子計畫主持人為交通大學生化所曾慶平教授及教育所的王嘉瑜教授(現任國立臺灣科技大學數位學習與教育所)共同協助。本團隊子計畫教師們遍尋研究生質能源相關大學及研究單位,可貴的是,無論是大學系所端教授還是研究單位的專家學者們,皆無私相助、知無不言,使團隊教師們獲益良多。

    以筆者二人的專家諮詢經驗為例,「畜產廢棄物產沼氣」課程是向財團法人農業科技研究院動物科技研究所蘇忠楨博士(現任國立臺灣大學動物科學技術學系)請教。筆者拜訪時,蘇老師帶著我們觀摩他的研究設施,甚至無私地告訴我們,其實驗器具的設計理念,可無償提供給計畫使用。在校內建置完成後,教授還親自到學校來指導,審視實驗器材的組裝及操作過程有沒有問題。「微生物產氫」課程則就教於國立成功大學化學工程學系張嘉修教授。張嘉修教授是研發生質能專家,對藻類生質能及微生物產氫等研究有嚴謹的實驗支持,實驗室中各種人才都有,對我們所諮詢的問題,實驗器具、步驟都悉心解說。張教授甚至曾到校演說,傾囊相授。專家諮詢讓教師在專業知識、實驗流程及教具的研發,都得到寶貴的協助。

  • 鎖定高職實作特長,著重實驗教具模組開發

     雖然專家諮詢有如神助,但大量精深的學科知識需要教師們消化後再重組生成適合高職的內容。大學端著重的學術研究導向、給予精深的理論知識、嚴格的實驗條件與嚴謹的操作技術,實在不適合在高職的課堂操作。所幸我們在諮詢之初,已確立將課程的實施模式與課程重點鎖定於:強調實驗操作、課程從做中學、而課程開發則從研發教具入手,因此諮詢重點便多放在實驗操作的學習與器材設備的轉移。

苗栗農工高瞻計畫申請通過時,慢同期一年。當時申請計畫的多是明星高中,其中普通高中為數最多,他校又已起跑一年,如果遵循其他高中友校由學科理論為起點,專注書面教材的模式,本校似乎毫無競爭力。如何讓苗栗農工所發展的課程具有校本特色?讓團隊教師傷透腦筋。大家討論起苗栗農工的優勢,決定回到學校本位思考,苗栗農工是所職業學校,重視實務操作,著重課程與產業的連結。技職的學生多對抽象的理論較無耐心,但能動手實作的課程卻很能引發他們學習的動機。於是團隊決定拋開傳統以大量講述書面教材為開頭的課程設計,在課程一開始就直接進行實驗操作。結果顯示,這樣的教學設計實施於高職學生成效良好,而全套生質能源課程教具模組的開發(如圖1),也成了苗栗農工計畫成果的最大亮點。


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生質酒精教學示範模組                      生質柴油教學示範模組

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畜產廢棄物產沼氣教學示範模組        微生物產氫教學示範模組

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藻類生殖能教學示範模組                微生物燃料電池教學示範模組


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、苗栗農工開發之生質能源課程實驗教學示範模組

即便從專家學者處轉移了幾乎全套的實驗設備方法,回到校內,團隊教師們得再依原型做修改。要在教學現場操作,教具的實用性及實驗操作的嚴謹度都需要調整。以筆者經驗為例,「畜產廢棄物產沼氣」教具改良數次,原版為壓克力材質,發酵槽因材質限制需黏合製作,後來發現黏合處容易漏氣,厭氣發酵需要完全閉密的厭氧空間,便改造成玻璃的材質,因玻璃具可塑性讓發酵槽可一體成形,改善了漏氣問題。又因為發酵槽體積太大難以搬運,於是將體積變小。容量變小後,為了讓實驗更嚴謹,厭氣發酵的環境溫度需控制成恆溫,所獲得的數據會更精準,於是將發酵槽修改成雙層設計的,內層為反應槽,外層可接水控制溫度、藉以調控發酵環境溫度,教具的研發歷經數次修改以因應不同的教學需求(如圖2)。

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2、苗栗農工生質能源課程教具(厭氧發酵槽)改良史

與大學端的精密儀器相比,要在高中職課堂上進行教學實驗,同學分組操作時,至少需要六到七組的教具,教師除需控制教具成本外,還要簡化實驗步驟以利施行,才有後續推廣的效益。實驗步驟如經修改,還要花時間測試是否成功。又因部分實驗課程所設條件過於嚴苛,導致菌種培殖有困難度,所以必須放寬實驗設定條件。所以筆者曾花了半年時間找產氫菌,後因學生的實驗而有不同結果,再根據學生實驗的結果修正實驗步驟、修正發酵反應槽等,使其更接近能實施和推廣的課程模組,這又花了半年。

    改造,再改造,是團隊教師的心血結晶,也是課程成型的關鍵。

  • 生質能源課程結合探究能力和科學素養的養成,課程修正以適應學生的差異化

    如同教師們對生質能議題從一知半解到了解其脈絡,進而設計課程,這歷程中所運用的是教師們的科學素養,我們憑藉自己的科學素養探索新興科技,留心時代變遷,並觀察與思考新興科技如何改變人類生活,又對人類與生態造成哪些影響。新興科技會依時變遷,而科學素養是我們理解世界、應用知識,因應變遷的能力。我們期望讓學生從課程中體驗並養成科學素養,以適應未來瞬息萬變的世界。但如何將探索新興科技的歷程以及科學素養的養成,轉化成為可實施的課程,又是進一步的難題。

    苗農高瞻課程是以「生質能源」為題材,以學生學習為中心設計教學活動,並以引導式探究為教學策略進行教學。透過一系列強調不同學習重點的實驗教學活動設計,期望培養不同層面的探究能力。經由合作學習的過程,提升學生溝通協調與實際解決問題的能力,提升高中職學生之科學素養。能源議題可延伸探討科技發展對生態的影響,更是引導學生關注社會議題與建立世界觀的啟蒙。

課程既然以學生學習為中心,教材在編撰上需有適度的彈性與延伸性,方便教師因應不同程度的學生調整教學活動設計。各課程教材皆分成基礎篇及應用篇。基礎篇涵蓋了完整課程的理論與知識,作為學生初步認識課程的基礎,進一步由此深入。應用篇包含了教具模組的建置與實驗流程,同時搭配操作教學光碟,作為學生實際操作的與探究學習的依據。搭配符合不同能力指標的對應教案、學習活動以及評量試題,供教師參考使用。每個課程各單元均採模組化設計,有利於推廣與融入國內現階段之高中職相關課程。

  • 引導式探究教學的徹底執行,激盪出有別於傳統教學的火花

即使是有多年教學經驗的教師,面對只在修習教育學程時課程上聽過、教科書上看過的各種教學法,若不是親自施行過幾回,認真的思考反覆辯證過,對於各種教學法僅僅停留在字面的意思上,看似清楚明瞭,真正執行起來卻又模糊不清似是而非。如同我們執行高瞻計畫一期時對「探究式教學」的懵懂認知一樣。最初大家心想,既然以學生自行探索為主,教學活動只需便簡單明瞭:只給學生課程主題及討論題綱,由學生自行查閱資料、討論答案、上台發表。當次課堂的教案簡單,教師輕鬆,但學生忙亂慌張、東拼西湊應付發表,最後落下一句:生質能源課程好難,教師也感到挫敗。還好課程才開始就發現問題,我們急忙做了修正。

面對生質能源這樣嶄新的議題,實在不適合以全面開放的形式由學生自由探索,於是我們嘗試進行「引導式探究教學」。引導式探究教學須依學生能力的不同,開放不同程度的探索空間,在課堂上給學生適當的引導,建議學生查詢特定方向的資料,在限定的範圍內裡學生摸索。如此按部就班的探究新知,較不會讓學生產生挫敗與無力感。

生質能源的每個課程皆分成兩個階段進行。第一階段為學科知識的初步建立,透過教師的引導與說明,學生團隊合作收集資料、上台報告分享,共同建立基礎知能。第二階段以產生生質能的實驗為主,引導式探究的教學模式依然適用。科學實驗即包含了各種變因設計,不同變因會產生不同的結果。學生可進一步學習「控制變因和操縱變因」、「形成假設」、「設計實驗」、「形成圖表」、和「提出結論」等探究能力。學生可依教師的實驗設計進行,也可以自己設計實驗選擇不同的操縱變因(如圖3)。因為在課程中有了掌控權,所以須對實驗流程了然於胸。在6套生質能源課程中,不同課程的教學目標分別著重不同探究表現,讓學生上完6套課程後,可以養成完整的科學探究能力。例如:生質酒精課程著重於實驗設計、形成圖表的能力養成,而微生物產氫課程則著重於形成假設、提出結論的能力養成。微生物產氫課程中,學生於實驗操作過程常不按牌理出牌,偶有巧思,自選地點採集產氫菌,教師因勢利導,引導學生思考改變了什麼?影響了什麼?甚至依照學生的實驗數據修改了課程原本的操作流程。學生經過親身探索與獨立思考的學習,所學得的能力更深刻更能內化,也增強了學生的自信和成就感。

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小組合作蒐集資料            自行組裝實驗器材        上台發表實驗結果

3、苗栗農工生質能源課程引導式探究教學課堂情況

引導探究式教學讓師生都沉浸在探索科學的歷程中,教與學會因師生的投入而有所變動,吸引人思考、接納變化。教師在觀察與記錄學生探究與合作的過程中,發現了許多令人振奮的現象:學科表現能力中等的學生,竟有著整合團隊帶頭發想的特質;數理科目表現優秀的學生,因為看文獻的速度慢過同組同學,開始認真上國文課;理論課總是坐不住想睡覺的學生,在額外時間的實驗觀察總是第一個到的。學生種種正面的表現深印在教師的心裏,成為老師往後在教學路上不斷自我改革、創新教學的初衷與動力。學生經過了半開放且循環數次的教學方式引導,不再一昧依賴教師給予,開始建立自己解決問題的能力與自信。學生從每個步驟都要鉅細靡遺問過老師否則不敢動手,進步到看到實驗器材會先自行觀察了解原理,再問出有深度的問題。最後參與課程的學生多數能將議題延伸發展成科展作品、參展比賽,探究教學的成效不言而喻。

  • 開發精準評鑑認知能力與探究能力的評量工具,兼顧質性與量化評量

    苗栗農工開發的生質能源課程深受教授們認可的原因之一,在於我們針對了各課程原先設定的教學目標,發展出精準對應的評量試題。評量試題分別針對不同單元的學科知識,與不同層次的探究能力指標設計試題。例如:生質酒精課程的目標在養成學生實驗設計的能力,評量中就會設計需要進行實驗設計的情境試題,例如檢測學生是否了解控制與操縱變因,來評估學生實驗設計的能力,同時量化學生的學習成效。同時我們在課程進行中會實施課堂觀察及抽樣訪談。我們也設計了開放性試題,在課程實施後以問卷的形式讓學生填寫,作為質性評量的依據。

評量工具的順利開發,除了歸功於專家教授們有系統的指導推動,苗農團隊中進行課程評鑑的教師群更是功不可沒。在各課程發展的同時,負責課程評鑑的教師已同步規劃出評鑑工作的流程,促使相關評量工具的產生。評鑑工作包括了:於課程前,進行學生前測;課程中針對師生進行課堂觀察記錄;課程結束後,整理和分析學生的問卷與訪談紀錄;以及學生總結性的後測結果分析。這群課程評鑑的教師是課程發展的舵手,藉由他們回饋學生評量的分析結果,我們才能一次次的檢視及修正教材內容、教學活動和評量試題,讓課程更趨於完備。

  • 教育路上有隊友相隨走得長遠,看見學生的需要為最終信念

在強調教師專業的現今,課程開發已然教師所必備的能力之一。無論你是如何謹慎地遵循某個課程發展的理論模式,在漫長的過程中仍常會有失焦、偏離方向、甚至窒礙難行的時候,此時團隊的支持或專家學者的提點就顯得可貴且必要。苗栗農工為開發生質能源課程所建立的教師專業成長社群,以及進行專家諮詢所連結起的資源網絡,便是最珍貴而永續的收穫。課程主題也許會換,計畫經費也許會斷,但團隊與教授們共同建立的能力與信念永遠存在。好比我們堅信永遠要以學生的需要作為優先考量,持續思考:什麼是現今學生必須學,對未來有幫助的能力?什麼教法才能讓學生學得會、記得久?在教育的路上秉持如此信念,學生也必能擁有獨立判斷、解決問題的能力,才能立足於日遠千里、瞬息萬變的未來。

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