前導研究

本節主要敘述階段一與階段二前導研究之研究背景、目的、研究設 計、及主要研究結果與省思，以做為發展階段三教學實驗研究之基礎。

階段一前導研究：STEM 教學模組教學實驗 研究背景與目的

因應國內外科技教育改革對於工程教育及 STEM 課程改革的重視 與趨勢，階段一前導研究主要的目的，在於依據 STEM 課程統整概念 嘗試設計一套 STEM 教學模組，藉以了解 STEM 知識整合理念應用於 臺灣高中科技教育之可行性，並探索其在課程研發、教學實施過程中 可能遭遇的問題。

研究設計與實施

階段一的前導研究先分析國外 STEM 課程改革相關文獻，再以國 內現行之科技教育課程為基礎，設計一套以機構設計為主題之 STEM 教學模組。而後，透過準實驗研究之教學實驗，探討高中學生（實驗 組為 171 位高一學生、控制組為 161 位高二學生）在接受 STEM 教學 模組的教學後，其概念性知識、程序性知識及高層次思考能力的改變。

在教學前，本研究先運用自編之機構概念性知識測驗（前測）及 標準化的批判思考測驗，了解學生先備之 STEM 概念知識與高層次思 考能力，而後再實施為期 10 週之教學實驗，在教學實驗過程中，運用 學習歷程檔案記錄學生工程設計專題之製作歷程，以做為了解其程序 性知識表現的依據。在教學實驗後，再透過自編之機構概念性知識測

驗（後測）與自編之機構高層次思考測驗，來了解學生 STEM 概念知 識之改變，及高層次思考的表現。同時，亦透過深度訪談的方式，訪 談協助實施教學實驗之教師與參與課程的學生，了解實施 STEM 教學 過程中所遭遇的問題與困難。

STEM 教學模組

此 STEM 教學模組是以機構設計為主題，模組中含有四個機構概 念知識教學單元、以及一個機構玩具專題製作活動。整體教學時間約 10 週，每週兩節課，共 20 小時的時間。前四週實施四項教學單元，後 六週則由學生進行專題設計活動。在四個教學單元中，教師先應用電 腦模擬與實體模型的輔助，引導學生了解在機構設計與運作過程中相 關之 STEM 概念知識。同時，透過動手實作活動，引導學生了解如何 組裝教學單元主題的機構模組，以達成教師所指定的運動方式。最後，

再由教師提問，引導學生針對機構的應用問題進行再設計，建立進階 的問題解決能力。教學單元中 STEM 知識連結之範例如圖 3-2 所示，

各教學單元之說明則如表 3-1 所示。

圖 3-2. 前導研究 STEM 教學模組架構

載重平台

平行 連桿

配重

科學

‧靜力學

‧力學平衡

‧力與力矩

‧重心

科技

‧槓桿秤發展史

‧創意設計

‧問題解決程序

‧計算機輔助設計

（CAD）

數學

‧測量

‧幾何

‧三角函數

‧空間坐標系

（平行連桿運動軌跡模擬）

工程

‧平行連桿機構

‧機構設計、運動模式與力量分析

‧工程設計核心概念（條件限制、最佳化、

預測分析）

（電腦輔助設計與模擬）

表 3-1

研究省思

透過階段一的前導實驗研究顯示，STEM 教學模組確實能幫助學 生在工程設計的過程中，理解並應用整合性的 STEM 知識。然而在整 體課程的設計與實施上，仍有許多有待改進之處。例如：多數學生在 應用 STEM 概念知識時，仍是依照一個模糊的科學概念來引導其修正 的方向，而未確實的將數學分析應用在設計歷程中。此外，透過訪談 及觀察分析亦發現，學生之實作技能、空間能力、後設分析能力、甚 至是態度皆是可能影響其工程設計表現的重要因素。是故，此一 STEM 教學模組，雖具有初步的教學成效，但在落實整合性 STEM 課程的教 學理念方面，尚有應修正、精進之處。

整體而言，從階段一前導研究中發現，在規劃 STEM 課程的過程 中，仍有許多問題有待進一步的探究與釐清，例如：STEM 各學科所 扮演的角色為何？如何具體釐清及界定 STEM 各學科知識的內涵與比 重？教師應透過何種教學策略方能更有效的協助學生強化 STEM 知識 的應用？影響學生工程設計及問題解決表現的關鍵因素為何等。換言 之，關於整合性 STEM 課程設計的教育理論基礎、在臺灣科技教育中 推動 STEM 課程的理念與主軸、適切的課程設計模式、可用的教學方 法、甚至是如何提供教師所需的專業發展協助等環節，皆需審慎規劃。

因此，也形成進行階段二研究之基礎。

階段二：STEM 課程推展模式研究 研究背景與目的

經過階段一之前導研究，本研究認為若想在國內推動有效且有意 義的 STEM 課程教學，必須對於整合性 STEM 課程之哲學基礎、課程 設計取向、教學策略與評量方法等面向有更深入的理解，方能找出適 切的實施方式。在過去十年間，美國是主要推動 STEM 教育的國家，

並已累積許多值得參考之課程規劃與教學實踐經驗。因此，本階段之 目的在於深入了解美國的科技教育界如何設計及推展 STEM 課程，借 鑑其課程設計模式與實施經驗，反思階段一前導研究之結果及臺灣科 技教育需求，作為提出階段三改善 STEM 教學模組設計之依據。

研究設計與實施

在階段二的研究歷程中，本研究以階段一前導研究之結果為基礎，

發展半結構之訪談大綱。而後，親自聯繫並個別訪談 11 位美國科技教 育領域 STEM 課程專家，藉以了解及分析美國科技教育界如何闡述 STEM 課程之教育哲學、發展其課程設計、及推展其教學活動。受訪 之 11 位學者分別任教於 Arkansas State、Colorado State、Illinois State、

Maryland State、New York State、North Carolina State、Ohio State、

Pennsylvania State、Utah State 以及 Virginia State 等十個州的大學院校。

這些學者所任教的科系皆是科技教育或 STEM 教育相關系所，且於該 系所中從事 STEM 教育相關研究工作。

為建構研究之信效度，在訪談大綱發展之初，先委請國內一位資 深科技教育學者協助確認訪談大綱與研究目的之關連性，而後再與美 國一位資深科技教育領域教授進行多次的討論與修正，以建構訪談問

題之內容效度。經討論修正後的訪談大綱，分為「一、STEM 課程的

1. How do you individually define STEM Education?

2. Explain your thoughts on the use of “Technology Education”

or “Technology & Engineering Education” in STEM education reform?

3. What overall outcomes or competencies do you seek with the design of K-12 STEM programs?

4. What are the key difference in teaching STEM programs and other technology education programs?

STEM 課程的設 計與實踐

5. Are there educational philosophy and/or theories that have guided your work in developing your STEM education programs?

6. What are examples of content/units of instruction you use to construct the curriculum for K-12 STEM programs you are designing? Why did you choose these?

7. How you used Science, Technology, Engineering, and Mathematics K-12 standards in developing STEM programs and activities?

8. Are there particular instructional practices/strategies that you use to assist in delivering STEM concepts to learners in K-12 STEM programs?

9. What are the primary problems you see in implementing STEM curriculum programs involving technology education?

訪談所得之資料是採取質性的方式進行編碼、分析與詮釋。結合 訪談逐字稿、STEM 相關文獻、研究過程中受訪者所提供之參考資料，

及美國資深科技教育領域教授之檢核，進行研究結果之剖析、歸納與 驗證。

此外，本階段亦廣泛蒐集美國工程設計取向之 STEM 課程，並分 析其課程主題與教材內涵、學習導向、教學策略、教學流程規劃、及 教學輔具應用與教學評量規劃等面向，藉由深入了解國外現行 STEM 課程的樣貌，做為後續改良教學模組與教學單元設計之參考。

主要研究結果

透過訪談內容的分析，在 STEM 教育之核心理念方面發現，不同 領域、不同學科、甚至不同教育階段對於 STEM 教育的詮釋皆不盡相 同，而這其中主要的差異來源，在於 STEM 學科之間橫向連結的強弱，

及整合過程中角色的分配。從科技教育的角度來看，實用主義、進步 主義以及做中學的理念應是 STEM 課程的核心教育理念，其本質應為 統整課程（integration curriculum）的概念，而工程設計則是整合性 STEM 課程的主軸。

進一步來看，在課程設計方面，多數學者認為 STEM 課程的課程 統整模式，應是在個別學科中應用不同的教學模式或策略，結合實作 的活動（工程設計活動）來強化學生應用 STEM 知識解決問題的能力；

然而部分學者則認為 STEM 應透過不同學科教師彼此之間的協同教學，

方能真正提供學生跨學科的學習經驗。學者們對於 STEM 課程設計所 採用的方法是多元化的，其中較常被提及的課程設計模式，包含：能 力指標導向（standards-based approach）、逆向課程設計模式（backward design model）、知情設計模式（informed design model）、問題導向學習

（problem-based learning）、專題導向學習（project-based learning）、探 究式學習（inquiry-based learning）、學習表現導向學習（performance-based learning）、及 5E 學習環（5E learning cycle）等。

在教學策略方面，整合性 STEM 課程應著重在如何強化學生科學 與數學知識的學習與應用。換言之，在教學策略的規劃上，教師必須 著重在針對工程設計活動中數學與科學知識的應用，設計更有效、更 具體、且更具針對性的教學策略及學習活動來輔助。可行的策略包含：

設計良好的學習歷程檔案、先備 STEM 知識與技能建構單元、數位視 覺化模擬與設計、合作學習、2D/3D 數位建模與實體建模、及時（Just-in-time）數學與科學學習等。

最後，在師資培育與教師專業發展方面，所有學者皆同意教師的 準備不足及缺乏實施整合性 STEM 教學的信心，是目前推動 STEM 課 程最大的問題。因此師資培育機構應檢視其課程架構，思考增加 STEM 專業知識課程與修改教育專業科目的必要性。同時教師專業發展課程 需協助現職教師強化對於整合性 STEM 課程之理解，尤其是工程方面 的專業知能。

研究省思

如圖 3-3 所示，傳統科技教育課程與 STEM 課程之間的存在有一 些關鍵性的差異，而關鍵即在於教學設計過程中「教師自身對 STEM

如圖 3-3 所示，傳統科技教育課程與 STEM 課程之間的存在有一 些關鍵性的差異，而關鍵即在於教學設計過程中「教師自身對 STEM