探討氣候變遷與調適之強降雨議題教學

~以STEM 教育融入高中探究與實作課程為例

古建國

臺北市立大學應用物理暨化學系 教授

一、 前言

每年五、六月梅雨季節來臨，總會一掃四月之前缺水所帶來的不便，然而若此時遇到西南氣流帶來水氣，兩股合擊，強化梅雨鋒面威力，劇烈強降雨往往帶給臺灣一個噩夢。今年(2017年)六月初這股合擊鋒面首先空襲北台灣，從基隆市出發沿著北海岸之大武崙地區一路到石門、三芝，繞到淡水與竹圍一帶都成淹水重災區。根據中央氣象局統計，這波暴雨刷新了新北市21年來及基隆市41年來的梅雨紀錄，北台灣部分地區累積雨量超過600毫米，一天雨量占台灣全年平均雨量四分之一。接著鋒面南下侵襲中臺灣與南台灣，在北返北臺灣……，長達二週降雨帶來不少震撼與反思，天氣變化將不斷縮短人們對它的驚嘆!
    我們調適好我們心情了嗎?
    我們準備好面對了嗎?
    新課綱即將在一、兩年後開始實施，如何將面對問題融入我們課程中，讓這些學生做好心理準備，好好面對一場環境變遷 

    的挑戰。

圖／氣象應用推廣基金會

二、 談12年國教新課綱

現行自然科學課程綱要相關問題，包含八項科學素養項目過多，國中教育階段師資分科培訓但教科分科編輯，各單元缺乏跨科連結整合；高中99 課綱缺少「科學探究能力」之描述，偏重知識概念，教科書內容以及教學模式也多以科學知識概念學習為目標，缺乏科學探究方法的學習設計。

12年國教新課綱規畫將朝向科學素養的培養，注重與日常生活之聯結，尤其加入科學概念發展與新興科技的連貫統整，而探究與實作為科學學習方法。以「科學探究」與「科學的態度與本質」取代原有認知、技能、情意，並安排跨科「自然科學探究與實作課程」4 個必修學分，連貫 9-10/11 年級的自然科學素養導向學習，以科學概念的「主題」與「次主題」，並輔以「跨科概念」。(資料來源: 教育部~107課綱-自然科學課程手冊~精簡版)

十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要關於氣候變遷議題，尤其在高中地球科學加入學習內容有各種不同的氣候變遷模式的研究(ENb-Va-1)、氣候變遷的推估與未來衝擊充滿了不確定性(ENb-Va-2)與人類對地球環境變遷的因應與調適 、有可能避免災害發生(ENb-Va-4)等，其中對災害與水資源的調適方法認為可採用海綿城市的建構進行教學，透過以學生為主體的科學探究實作課程與配合戶外教學的參訪。藉由主題式的課程主題-氣候變遷輔以多元化、學生為主體的課程設計，讓學生獲得加深加廣的專業知識外，亦能獲得科學探究實作與批判思考的能力。 (資料來源: 教育部~107課綱-自然科學課程手冊~精簡版)

十二年國民基本教育課程綱要中，科技領域為新設之領域，由國民中學階段開始實施，涵蓋生活科技與資訊科技兩學科，以符合國際潮流和學生需要。生活科技課程在國中階段著重於「創意設計」，培養學生的創意與設計能力，高中階段則著重在「工程設計」，強調藉由工程設計的專題製作活動，提供學生跨學科知識整合的學習（如科學、科技、工程及數學，簡稱STEM），並藉此發展其在科技與工程領域的設計、創新、批判思考等高層次思考能力，國中階段之課程著重於培養學生利用運算思維與資訊科技解決問題之能力，高中階段則逐步進行電腦科學探索，以了解運算思維之原理而能進一步整合應用，其中程式設計方面包括程式設計的概念、實作及應用。(資料來源: 教育部~十二年國民基本教育科技領域課程綱要研修Q&A)

三、 STEM教育

美國國家科學委員會（National Science Board，簡稱 NSB）於1996年對學校、地方政府、工商業界和基金會等針對未來發展需要推動科學（Science）、科技（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）-STEM的教育。尤其美國亦發現STEM能提升學生解決問題能力。2006年布希總統於國情咨文中提出美國競爭力計畫，持續培養具有STEM素養的人，以確保全球競爭力，因此投入大量人力與資金，推動STEM教育。之後歐巴馬總統於2009年簽署美國振興及投資法案，仍繼續環繞以STEM教育提升未來國家競爭力。反觀臺灣99課綱，高中課程數學、物理、化學、地球科學與生物等學科採各專任教師進行分科獨立，再加上升學考試以筆試成績為主的選才方式，跨領域整合教學幾乎難以落實在學校教育中。
    如何強化STEM教育師資?
    如何培養學生跨領域學習?
    針對新課程跨學科整合教學，我們準備好了嗎?

四、STEM教育走入高中探究與實作課程

以地球科學中氣候變遷為例(見表1)，我們從科學與數學角度將氣候變遷的相關概念加深加廣；科技部分培養學生撰寫程式能力以設計雨量偵測器，在透過Google map 收集學校周邊區域地形圖，設計透水鋪面或防洪池，以符合新課綱中的設計科學探究實作，以落實學生主體與動手做教學方式，最後加入主題式論證課程，訓練學生批判思辨能力。

表1 STEM教育走入高中強降雨議題之探究與實作課程

 以氣候變遷議題中強降雨議題進行探究與實作課程教學，其教學流程如下:
1.發現問題
我們可以根據某次強降雨報導或電影部分強降雨劇情，引導學生發現強降雨危害與所造成災害。
2.釐清問題思考因應方法
學生就強降雨成因與類型進行科學解析與大數據資料分析，藉此思考我們調適之道，並引導學生製作雨量偵測器。
為了解雨量變化趨勢，可以連上中央氣象局網站~觀測資料查詢系統(見圖1)。

3.變因探究
雨量偵測設定受到不同降雨量大小有關，所以探討雨量偵測器感應點與放置地點，可達到雨量警報器最大效益。探究變因包括雨量偵測放置高度與疊沙包或架擋水牆需要時間關聯性；或思考偵測器放置位置與周邊透水鋪面設施或防洪滯洪池多寡對偵測器設定的關係等。
4.探究與實作
欲製作雨量警報器，可以結合資訊課所學程式撰寫，製作雨量警報器，見圖2。

另根據Google map 收集學校周邊區域地形圖，設計透水鋪面或防洪池，並預估降雨量與這些設施防洪能力，最後再預估這些工程所需成本。
5.分析與討論
進行分析所收集資料並進行這些防洪效益。
6.分享與回饋
各組分享設計與製作成果，其他組別給予回饋，最後討論調適之道與因應策略，並思考行動綱要作為努力方向。