工程設計取向 STEM 課程設計模式

工程設計取向之 STEM 課程應是一種跨學科的統整課程，以工程設 計為主軸，整合四種不同學科知識而成為一項整合性的課程與教學活動

（Morrison & Bartlett, 2009; Dugger, 2010）。因此，其課程規劃之核心概 念，是以工程設計為核心，讓學生有機會學習如何運用數學知識、科學 原、及藉由創造、設計、建模、發現、協作和解決問題等一連串系統性 的工程設計步驟，解決工程相關的問題或進行科技的創新發明（Sanders, 2009）。如 Kelley（2010）指出，STEM 課程應是以情境學習為驅動的齒 輪，藉由工程設計提供學生系統化的解決問題模式；在活動過程中融入 科學的探究以解決真實世界中的問題，並輔以數學相關知識的協助，以 完成工程設計過程中所需的運算（如圖 2-4 所示）。

圖 2-4. 情境教學、工程設計和科學探究互動關係圖 資料來源：出自 Kelley（2010）

為發展有效之 STEM 課程，許多學者皆提出不同的課程設計模式。

例如 Roberts（2013）針對科技教育跨學科整合性教學活動之設計，提出 了一套教學模式，此包含：(1)選擇：選擇一項能力指標為核心；(2)對準：

將核心的能力指標與社會相關問題相連結；(3)支持：針對核心的能力指 標列出相關的 STEM 能力指標；(4)教學：依循核心的能力指標進行教學；

(5)發展方案：引導學生設計和開發解決方案；(6)問題排除：找出問題並 加以修正；(7)評估：學生與教師共同評估所設計之解決方案是否能解決 相關的問題；(8)成果展示：由學生向同學、教師和公眾展示研究成果。

Lantz（2009）則是指出，在設計與研發 STEM 課程的過程中，應具備以 下要素：(1) 整體課程的設計應依循跨學科課程整合的理念；(2)以能力 指 標 (Standards) 來 引 導 整 合 性 課 程 設 計 所 需 的 哲 學 基 礎 ； (3) 使 用 Backward design（逆向課程設計模式）；(4)使用問題導向（problem-based）

以 及 學 習 表 現 導 向 的 教 學 與 學 習 （ performance-based teaching and learning）；(5)使用 5E 學習環來規劃課程單元和學習活動；(6)運用數位 學習科技輔助教學活動的實施；(7)同時應用形成性和總結性評量，並規 劃適切的評量規準（rubrics）。此外，從第三節之 STEM 課程內容組成分 析，及本研究階段二之訪談結果可知，Backward design（逆向課程設計 模式）、Informed Design 課程設計模式、以及 6E learning cycle 課程設計 模式等模式確實已廣為許多學者所採用。因此，以下將探討各項課程設 計模式之理念及內涵：

逆向課程設計模式

Backward design（逆向課程設計）是由 Wiggins 和 McTighe（2005）

於其所撰寫的 Understanding by Design 一書中所提出，目前已廣為研發 STEM 課程的科技與工程教育學者所採用。在過去，課程設計的流程皆

是先界定課程目標、而後撰寫具體的教學目標，其次規劃課程實施流程、

教材內容並選擇教學策略，最後再依據課程內容設計教學評量。而 Backward design 最主要概念，即是反轉傳統課程設計歷程，先設定最終 所欲達成的學習表現，而後依據學習表現規劃可確實量測的評量工具，

最後再依據評量的內容，規劃可幫助學生達成評量目標的課程內容與教 材（Wiggins & McTighe, 2005）。Backward design 流程與傳統課程設計歷 程之對照如圖 2-5 所示。

圖 2-5. 傳統課程設計 vs 逆向課程設計 資料來源：出自 Wiggins 和 McTighe（2005）

具體而言，Backward design 的課程規劃包含以下三大階段（Wiggins

& McTighe, 2005）（如圖 2-6 所示）：

1. 確認期望的學習結果（Identify desired results）: 在階段一的設計中，

教師需確定他們所期待學生在完成學習後，對課程內容應具備的理 解（the enduring understandings）。此一理解不僅是簡單的知識或技能，

標準課程設計流程 逆向課程設計流程

選擇教科書

撰寫教學大綱

撰寫或修改教材

準備投影片

發展測驗/問題

教學者為中心

制定廣義的學習目標

設定具體學習目標

設計形成性或總結性評量

發展學習活動

學習者為中心

而是更具有整體性的概念性知識、原理或程序性知識。為確認此具 體目標，教師應思考並列出數個重要的或引導性的問題（Essential Questions），這些問題應能幫助學生針對課程主題進行探究思考，或 是能幫助教師聚焦其教學於關鍵的核心概念。

2. 發展或選擇評量工具，以提供可接受的證據（Determine acceptable evidence）：在第二階段，教師需決定如何使他們的學生呈現他們的 理解，換言之，亦即決定評量的方式及工具。McTighe 和 Wiggins 認 為，當學生真正了解時，他們應該能夠展現以下六種具體的行為表 現：(1)能解釋，(2)能解讀，(3)能應用，(4)具有自己的觀點或想法，

(5)能感同身受，(6)具有後設認知能力。

3. 設計學習經驗與教學活動，使預期的學習成果得以達成（Plan learning experiences and instruction）：第三節階段，教師則規劃課程內容與教 學順序，並設計教材，其教學應以探究式學習(inquiry-based approach) 為核心，以引導學生了解應學習的內容。在設計學習活動時，教師可 依循 WHERE TO 的原則構思，其內容包含（Wiggins & McTighe, 2005, p.197-198）：

W：如何確定學生了解學習單元之目標方向（WHERE the unit is headed），以及學習各單元原因（WHY）。

H：如何在教學之初吸引（HOOK）並維持（HOLD）學生的學習興 趣。

E：如何協助學生具備（EQUIP）必要的經驗、工具、知識與認知，

以達到預期目標。

R ： 如 何 提 供 學 生多 次 重 新 思 考 （ RETHINK） 主 要 概 念 、 省 思

（REFLECT）實作歷程、以及修正（REVISE）工作的機會。

E：如何建構引導學生評估（EVALUATE）實作歷程並自我評鑑的機 會。

T：如何依照個別學生之才能、興趣、學習型態及需求量身定制

（TAILORED）學習活動。

O：如何組織（ORGANIZED）課程以優化學習的深度，而非膚淺的 涵蓋大範圍的學習範疇。

圖 2-6. Backward design 課程設計理念 資料來源：出自 Wiggins 和 McTighe（2005）

Informed Design 課程設計模式

Informed design 是一種具有教育哲學基礎的課程設計模式，其設計 理念是讓學生在投入設計歷程之前，提升其相關的先備知識與技能。在 這樣種情況下，學生可以運用在投入工程設計活動前所學到的先備知識 或研究結果，來實踐所構思的解決方案，而非僅是透過嘗試錯誤的方式。

1.確認期望的 學習結果

2.發展或選擇評量 工具，以提供可接

受的證據

3.設計學習經驗與教學 活動，使預期的學習成

果得以達成 主要概念

與能力

最終的評 量任務

學習事件

Informed design 課程中的設計活動課程強調引導學生應用數學與科學知 識來改善其設計表現，此教學模式之核心概念包含：研究、探究、分析、

以及學生與教師之間的溝通（Burghardt & Hacker, 2004）。

Informed design 課程每個學習階段都具有對預期的效果和實作表現 的評估，並依照評量結果在不同的時機點進行適當的修改。在工程設計 的歷程中，引導學生進行設計概念與條件限制的權衡是優化其設計結果 的必經歷程。此外，當學生所提出之設計方案不具備完整的概念知識支 持時，則必須引導學生重新審視。

Informed design 的課程依循傳統的設計歷程，但其與其他課程設計 流程最大的差異，在於對研究及探究的重視。為了提供學生工程設計的 基礎知識與能力， Informed design 著重在專題設計活動進行前，透過具 引導性的實驗或探究活動（Knowledge and Skill Builders, KSBs）來幫助 學生建構設計歷程中所需的知識與技能。具體而言， Informed design 的 設計流程並非單一、或單向的線性程序，而是一個反覆且靈活變動的迴 圈，其主要步驟如下（Burghardt & Hacker, 2004）：

1. 釐清設計規範與條件限制：充分且清楚的描述問題，注意條件限制 與設計規範。

2. 研究和探討問題：尋找並討論解決相同或類似問題的方式，找出相 關的問題或議題。完成一系列引導性的知識與技能建構活動，透過 這些系列活動之學習，學生應能辨識影響設計結果的變項，確實理 解並確實接收到相關的基礎知識和技能。

3. 發展備選方案：當產生第一個解決方案後，不要停止構思其他方案，

而是應從不同的角度對方案提出挑戰，並描述可能的替代方案。

4. 選擇並透過論證優化設計：依據設計規範與條件限制，針對備選方 案進行分析與排序。思考何謂最佳的設計、證明你選擇此一方案的 理由與依據。

5. 發展原型：依照解決方案進行建模，找出應修正的地方並進行修正。

6. 測試並評估解決方案：規劃並進行測試，蒐集並分析測試後所收集 的資料，並顯示此一設計方案達成設計規範與條件限制的程度。

7. 重新設計並修改解決方案：檢驗自己的設計，並觀察其他人的設計，

思考可以改善的部分，確認影響測試結果的變數，並嘗試透過科學 概念加以解釋、並進行修改。

8. 與他人說明及分享成果：完成設計歷程檔案，並透過簡報的方式呈 現專題成果。

6E learning cycle 課程設計模式

學習環的理念源自於皮亞傑的認知發展理論，是 1990 年代廣為人 知的科學教育課程設計與教學模式。5E 學習環是以建構主義觀點為基礎 所發展的教學模式，其教學階段包括：(1)參與（Engagement）：引發學生 主動參與學習的動機；(2)探索（Exploration）：經由討論、動手操作等探 索活動，建構共同且具體的經驗；(3)解釋（Explanation）：協助學生澄清 並理解相關科學知識，並發展程序性知識或技能；(4)精緻化（Elaboration）： 透過教師與同儕之間的互動與討論，建構並深化對知識的理解；(5)評量

（Evaluation）：對學生的理解進行形成性評量，同時引導學生進行自我 的評估等（Trowbridge & Bybee, 1990）。5E 學習環強調由學生自己建構、

解釋所學習到的新概念，透過教師適時引進新名詞或新的概念澄清，使

新舊概念能夠融合，並能應用於不同情境或擴展知識。

從 2004 年起，ITEEA 投入 Engineering by Design 此一工程設計取向 STEM 課程的設計。最初，Engineering by Design 同樣是採用 5E 學習環 的模式規劃其課程，然而在經過多年的發展以後，許多學者與教師認為 5E 學習環的模式無法充分的體現出工程設計的核心概念，因此，ITEEA 提出6E Learning byDeSIGN™ Model 的概念，將 e 納入 5E 學習環模式 中，而形成新的 6E 學習模式（Barry, 2014）。

6E 學習模式的目的，在於提供一個以學習者為中心的課程模式，其 可以融入設計與探究的理念，並能強調真實情境的呈現及工程設計的核

6E 學習模式的目的，在於提供一個以學習者為中心的課程模式，其 可以融入設計與探究的理念，並能強調真實情境的呈現及工程設計的核