工程設計流程對職前科技教師建構工程設計思考認知結構之影

為探究工程設計流程對職前科技教師工程設計思考之認知結構的影 響，本節首先將語意流程圖資料進行敘述性統計分析，了解職前科技教師 工程設計思考認知結構的差異。在量化方面，本研究參考 Bischoff 和 Anderson（1998）、Tsai 和 Huang（2002）、Dhindsa 和 Anderson（2004）

之分析方法，針對實驗組與控制組之職前科技教師在 STEM 專題本位學習 之鼠夾車實作活動的認知結構概念，進行平均數差異檢定之量化資料分 析，以了解兩組之職前科技教師在實作活動中對於工程設計思考的語意流 程圖量化資料間是否有顯著差異存在。再者，分別對於語意流程圖中之最 初直線連結數、最後直線連結數、錯誤陳述個數、最初迴歸連結數、最後 迴歸連結數、最初直線概念複雜度、最後直線概念複雜度、直線概念改變 量、迴歸連結數改變量和直線概念複雜度改變量，以作為認知結構的四個 向度中的「概念廣度」、「正確性」、「整合性」與「可得性」之量化分析資 料，用以分析學習者的邏輯認知結構。

然而，依據此一數據由於並未排除職前科技教師在工程設計思考之認 知結構方面的基本差異，故以下將採用共變數分析，以探究工程設計流程 教學法與問題解決流程教學法對職前科技教師工程設計思考的概念。

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一、 基本描述統計分析

為了解職前科技教師認知結構概念的各向度概況，包含認知結構四個 向度中的「概念廣度」、「正確性」、「整合性」與「可得性」，本研究先將各 構面出現的分布概況列示如表4-2。在後測的所有變項中，實驗組的平均數 都高於控制組。在「概念廣度」中可以看到實驗組的表現（M=27.53，

SD=9.75），高於控制組的表現（M=22.85，SD=8.79），可見相對於問題解決 流程的教學方式而言，職前科技教師可以透過工程設計流程的教學方式學 習到較多數量的概念。在「正確性」中，我們可以發現兩組的職前科技教 師在認知結構的錯誤陳述概念數，在教學前後都沒有差異性。因此，對於 實驗組或是控制組的職前科技教師而言，無論是經過工程設計流程的教學 方式或是問題解決流程的教學方式，學習所得的認知結構中都可能會避免 傳達出現迷思概念。

繼續沿用上一段討論的方式，認知結構「整合性」的相關結果分成兩 個部分，分別討論實驗組與控制組職前科技教師的：（1） 概念的連結 數：概念與概念之間的連結情形；（2）概念複雜度：整個認知結構的概念 複雜度。實驗組職前科技教師的表現（M=27.83，SD=9.73），高於控制組的 表現（M=21.79，SD=8.81），經過工程設計流程的教學方式所得到的認知結 構中概念與概念間的連結性明顯較優於傳統的問題解決流程的控制組，亦 即工程設計流程的教學方式相較於問題解決流程的教學方式而言，明顯有

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二、 實驗組與控制組認知結構概念在前測差異之情形

本部分旨在探討對不同組別變項之職前科技教師在工程設計思考概念 上的差異，包含認知結構四個向度中的「概念廣度」、「正確性」、「整合 性」與「可得性」。以實驗組與控制組為自變項，前測職前科技教師工程設 計思考認知結構概念為依變項，進行獨立樣本t 考驗統計分析，其結果整理 如表4-3：

表 4-3 不同組別職前科技教師工程設計思考認知結構差異比較

量表向度

實驗組（N=15） 控制組（N=13）

M SD M SD t值

概念廣度 11.20 5.71 13.31 5.74 -.972 正確性 0.00 0.00 0.00 0.00 N/A 整合性 10.00 5.89 12.20 5.80 -.991 可得性 1.10 2.03 0.77 1.54 .469

註：^*p<.05

由表4-3 可以發現：在實施工程設計流程與問題解決流程的教學方式之 前，實驗組與控制組職前科技教師的「概念廣度」平均數各為11.20 與 13.31、「整合性」平均數各為 10.00 與 12.20、「可得性」平均數各為 1.10 與 0.77，變異數同質性的 Levene 檢定皆未達顯著，「概念廣度」為（F=.067，

p=.797）、「整合性」為（F=.036，p=.851）、「可得性」為（F=1.095，

p=.305），表示這兩個母體的離散情形無明顯差別。而由假設變異數相等的 t

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值與顯著性，「概念廣度」為（t（26）=-.972）、「整合性」為（t（26）

=-.993）、「可得性」為（t（26）=.469），發現考驗結果皆未達顯著，表示兩 個組別的職前科技教師在工程設計思考的認知結構上並無明顯差異。

三、 工程設計思考對概念廣度、正確性、整合性與可得性的影響 本部分旨在探討對不同組別變項之職前科技教師在工程設計思考之認 知結構概念上的差異，包含認知結構四個向度中的「概念廣度」、「正確 性」、「整合性」與「可得性」。由表4-4 的資料分析結果可知，在概念廣度 之 F 值（F=2.905）、正確性之 F 值（N/A）、整合性之 F 值（F=2.817），以 及可得性之 F 值（F=1.295），皆未達顯著水準，表示接受虛無假設，無法 宣稱母群體變異數不等，亦即共變項（工程設計思考之認知結構概念）和 依變項（概念廣度、正確性、整合性、可得性）不會因自變項各處理水準 不同而有所差異，顯示符合組內迴歸係數同質性假設，因此可以進一步進 行單因子共變數分析（ANCOVA）及事後比較。而在正確性方面之 F 值無 從顯示，顯示違反組內迴歸係數同質性假設，無法進行共變數分析，因 此，無法進行分析比較。

表 4-4 組內迴歸係數同質性檢定結果分析摘要表

來源 SS df MS F

概念廣度 225.925 1 225.925 2.905

正確性 0.000 0 N/A N/A

117 前測交互作用項的F（1,24）=2.905，p=.101；在整合性中，組別與前測交 互作用項的F（1,24）=2.817，p=.106；在可得性中，組別與前測交互作用 項的F（1,24）=1.295，p=.266。表示滿足組內迴歸同質性假設，因而進行

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共變異數分析後，僅考量不同教學法是否會直接影響認知結構的概念。

從表 4-5 中可以得知，在認知結構的「正確性」方面，由於概念數皆為 0，因此，變異數與迴歸分析無法產生連結，無法針對交互效果進行檢驗，

在實驗設計上，亦無需控制混淆變項影響力。「概念廣度」共變數分析的二 個水準平均數各為 27.53、22.85，調整後的平均數分別為 27.50、21.72；

「整合性」共變數分析的二個水準平均數各為 27.83、21.79，調整後的平均 數分別為 27.81、20.64。然而 Levene 的變異數同質性檢定為不顯著，「概念 廣度」為 F（1,26）=1.653，p=.210；「整合性」為 F（1,26）=1.587，

p=.219，未達顯著水準，成立同質性假設，表示這兩個組別的離散情形皆不 具有明顯差別。而「可得性」共變數分析的二個水準平均數各為 2.80、

0.62，調整後的平均數分別為 2.65、0.65，然而 Levene 的變異數同質性檢 定為顯著，F（1,26）=11.207，p=.002，達顯著水準，違反同質性假設，表 示這兩個組別的離散情形具有明顯差別。

另外，組內迴歸係數同質性考驗的結果則顯示，獨變項與共變項的交 互作用項，「概念廣度」為F（1,24）=2.905，p=.101；「整合性」為 F

（1,24）=2.817，p=.106；「可得性」為 F（1,24）=1.295，p=.266，皆未達 顯著水準，表示各組內的共變項與依變項的線性關係具有一致性。

共變項效果的檢驗則發現，「概念廣度」為F（1,25）=1.974，p=.172；

「整合性」為 F（1,25）=2.026，p=.167；「可得性」為 F（1,25）=4.955，

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p=.035，皆未達顯著水準，表示共變項對於依變項的解釋力沒有統計意義，

但是由於ANCOVA 的目的在控制共變項的影響，減低誤差變異量，調整共 變項的平均值差異，因此即使不顯著，仍有其存在的實務意義。

組間效果的考驗亦未達顯著水準，「概念廣度」為F（1,25）=2.532，

p=.124；「整合性」為 F（1,25）=3.927，p=.059；「可得性」為 F（1,25）

=2.699，p=.113，表示不同的組別影響認知結構的概念廣度、整合性與可得 性，皆未達顯著差異。

事後比較的結果則指出接受工程設計流程（平均概念廣度分數為

27.50）未顯著較接受問題解決流程（平均概念廣度分數為 21.72）的職前科 技教師高；接受工程設計流程（平均整合性分數為27.81）顯著較接受問題 解決流程（平均整合性分數為20.64）的職前科技教師高，顯示工程設計思 考的流程需要加強到一定的程度才有助於認知結構的整合性學習；最後，

接受工程設計流程（平均可得性分數為2.65）亦未顯著較接受問題解決流 程（平均可得性分數為0.65）的職前科技教師高。

四、 職前科技教師的工程設計思考認知結構之後測差異分析

此部分將針對不同組別變項與教學方式後測，職前科技教師工程設計 思考認知結構之構面的差異分析。表4-6 採用獨立樣本 t 檢定，分別探討職

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合性」與「可得性」之差異實際顯著程度為低至中等。

由於前述之認知結構向度考驗結果皆未達顯著，因此，此處採用Tsai

& Huang（2002）所提出之四個認知結構向度，其後續分析為透過其質性轉 換成量化資料的方式呈現。表4-7 即分析實施工程設計流程與問題解決流程

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直線概念複 雜度

0.00 0.00 0.00 0.00 0.929 0.18

註：^*p<.05

1. 概念廣度：

經過工程設計流程與問題解決流程的教學方式之後，兩組之「最初直 線連結數」與「最後直線概念數」t 值分別為 1.440 和 1.902，在統計上均未 達顯著差異水準，進一步比較其平均數，發現兩組在「最初直線連結數」

與「最後直線概念數」上，教學成果皆為實驗組大於控制組。

進一步分析達顯著差異水準項目之實際顯著程度，「最初直線連結 數」與「最後直線概念數」的 Cohen’d 值分別為 0.28 與 0.37，因此，兩組 經過工程設計流程與問題解決流程的教學方式之「最初直線連結數」與

「最後直線概念數」之差異實際顯著程度為低。

實驗組與控制組經過教學後之「最初直線連結數」的平均數為 13.73、

11.31，與「最後直線概念數」的平均數為 15.13、11.54，兩個組別變異數 同質性的 Levene 檢定皆未達顯著（F=.138，p=.162）、（F=2.076，

p=.068），表示這兩個母體的離散情形無明顯差別，表示兩個組別之職前科 技教師在經過不同的教學方式後，於後測成績雖無顯著差異，但是實驗組 的成績不但有大幅地提升且較控制組的成績優越。

2. 正確性：

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兩組職前科技教師認知結構「正確性」的相關訊息可以由語意流程圖 的「錯誤陳述概念數」獲得。在經過工程設計流程與問題解決流程的教學 方式之後，因為兩組職前科技教師的「錯誤陳述概念數」之標準差皆為0，

所以無法計算 t 值，亦無法計算在統計上是否達顯著差異水準，因此兩個組

所以無法計算 t 值，亦無法計算在統計上是否達顯著差異水準，因此兩個組