標竿職前科技教師的工程設計思考認知結構

程設計流程後的工程設計思考認知結構表徵，與一般職前科技教師的現況 有何差異。研究者將進行訪問具有良好認知結構之構面分析，以便分析其 認知結構各構面之間的相關性，而後深入探討出色之職前科技教師，如何 在工程設計流程之教學方式後，做出符合工程設計思考之標竿概念形成，

以及如何組織良好工程設計思考的認知結構，並解析工程設計思考應具備 之元素、知識編纂與儲存，進而作為學習標竿。

一、 工程設計思考認知結構之發展－以職前科技教師標竿學習為例 有關個案的篩選，主要基於Atman 等人（2007）之論點，擬定五項考 量，說明具有工程專業領域知識的專家，在使用工程設計思考的方式與思 維層面上，是如何優異於工科出生的學生：（1） 能界定問題的範圍

（problem scoping）；（2） 執行計畫以實現目標（project realization）；（3）

產生替代解決的方案（alternative solutions generation）；（4） 訂定標準作業 流程（distribution of activity over time）；（5） 解決與優化品質（solution quality）。

因此，本研究篩選三位職前科技教師之語意流程圖個案來進行分析。

1. 第一個個案為 ED1 職前科技教師，在進行工程設計流程之教學方式

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之前，ED1 職前科技教師僅能在一開始“運用工程的概念進行思考，再繪 製設計圖和進行實作”直接切入將要執行的計畫，但是經過後測如圖 4-1 語 意流程圖，ED1 職前科技教師已能透過建模來界定問題與完成設計的初步 構想，由工程角度處理科技的問題，實際問題的解決方法，以及對於資源 的處理方法。而由於工程設計是一項複雜的過程，必須考量問題的限制或 滿足許多抽象條件的需求，ED1 職前科技教師在前測時僅能闡述“一直重 複實作、測量、檢討與修正到再製，直至達到設定的目標”，未能訂定自 身的作業流程。完成一個設計並非單純的描述、呈現設計方法，而是於設 計的過程中，表達腦中思考的內容（Dym & Little, 2004），所以從 ED1 職前 科技教師其語意流程圖的概念來看，在後測時“建模測試可以在中途解決 有問題的設計”，能學習工程設計上所應用的知識原理，亦能清楚地表達 創意與構想，並且實際安排完整的工作內涵。從工程流程來進行程式設計 的指令，進行科技解決問題，而後進行建模與構想測試，“經過學習累積 後，未來就會遇到營建、運輸等較大型的工程建造”，有解決問題以致最 終擬定完整流程以進行工程評鑑，可以說是應用於未來大型建設的工程設 計思考架構。

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圖4-1 職前科技教師 ED1 的工程設計思考之語意流程圖

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2. 第二個個案為 ED4 職前科技教師之語意流程圖，如圖 4-2，由於工 程設計的流程是提升產品品質與創新的重要關鍵，就一般的設計工作大致 上可以包括幾個階段：目標分析、目標決定、尋找解法、分析解法與決定 解法（蔡錫錚等，2007）。對比其前測“若進行伯努力定律的實驗，就很多 的公式、理論要去理解”，尚未規劃及進行製作，可以發現後測“第一個 步驟是去確認需求”、“蒐集資料產生構想之後，要找一個最好的構想，

才能順利達成目標”、“透過建模找出一個最佳的構想之後，就是重新設 計”以及“要去溝通討論過程可不可行，透過大家一起想，才能找出一個 相對最好的方案”，整理出 ED4 職前科技教師的工程設計思考認知結構，

大致符合工程設計流程的製作步驟。

此外，工程設計思考亦包含透過指導與自學，進行工程探究或設計與 實踐過程，讓職前科技教師針對與科技有關議題進行專門研究或創意製 作。在後測“老師要引導學生，讓他知道整個專題當中會需要用到的科學 知識和數學技巧”等，符合 Gagne 等人（1992）認為學習者的內在學習歷 程理論，需透過教師提供學習輔導的主要功能，建議或主動提供有效的編 碼方式，以協助學習者將接收到的刺激轉換成有意義的形式，而由於刺激 愈有意義，則便愈容易儲存在長期記憶內。ED4 職前科技教師之語意流程 圖，可以知曉其不但能照著工程設計流程的方式與邏輯進行思考，亦能透 過課堂中的反思與測試後的實作調整，進行工程設計思考的知識內化。

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圖4-2 職前科技教師 ED4 的工程設計思考之語意流程圖

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3. 第三個個案為 ED12 職前科技教師，其在前測已經能界定問題的目 標與範圍，“先決定一個題目，然後決定好題目再去想它的目的”，在圖 4-3 後測的概念亦可發現，“界定完問題之後決定一個初步的構想，不管是 創意與否或是可行性與否，符合這四大領域界定出來的都可以”，可知 ED12 職前科技教師善於整合工程知識來應用科技與解決問題。後測中亦呈 現“以前問題解決會去找尋成功的經驗；現在比較重要的是界定好問題 後，透過 STEM幫助思考這個問題”，可以看出此受訪者汲取 STEM 學習 的教學理論，藉由複雜且真實性的專題計畫，以透過探索式的方法從事問 題的探究，認知結構中亦使用科技工具幫助其知識的建構與呈現

（Milentijevic, Ciric & Vojinovic, 2008）。

而科技概念於工程上的實施與應用，後測除了應按照所規劃之工程設 計程序，也需將創意與構想以實作呈現，“初步構想會依小組的不同，透 過數學知識的計算”、“測試後發現長度可能符合標準可以過，可是車子 會偏掉，再回到知識領域來看看偏掉的原因”，可以觀察出ED12 職前科技 教師能探討科技概念於工程上的實施與應用，按照所規劃之工程設計程 序，將創意與構想以實作呈現。亦符合從具有挑戰性的問題與行動開始，

經由主題設定、決策與方法設計、執行研究計畫等實務步驟，整合專案中 相關的資源進行自主學習，並且最後需完成真實產品與發表的學習過程

（Blumenfeld, 1991）。

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圖 4-3 職前科技教師 ED12 的工程設計思考之語意流程圖

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二、 職前科技教師標竿個案教學前後之認知結構分析

茲將職前科技教師標竿個案的認知結構語意流程圖依據上述之規則，

計算各樣本之語意流程圖量化資料，列表 4-17：

表 4-17 職前科技教師標竿個案認知結構概念整理表（n=3）

研究構面 ED1 ED4 ED12

前測 後測 前測 後測 前測 後測 概念廣度 12.00 24.00 12.00 38.00 21.00 34.00 正確性 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 整合性 10.90 22.96 10.90 36.97 19.95 32.97 可得性 0.00 0.00 0.00 12.00 6.01 8.00

由表 4-17 可以發現：經過工程設計流程之教學方式後，在「工程設計 思考」的概念中，職前科技教師標竿個案在「概念廣度」的相關因子的表 現均大幅地成長，ED1 教學前 12.00 進步為教學後 24.00、ED4 教學前 12.00 進步為教學後 38.00、ED12 教學前 21.00 進步為教學後 34.00，顯示職 前科技教師標竿個案在經過學習活動後，概念廣度有明顯增加。較多數為 前測時不會對於問題先進行界定，而後測時因為有了釐清題目之範圍，因 此增加了許多在計畫執行時應該要有的概念，而從應該要延伸的行動目標 中，更進一步增加概念的廣度和個數。

在「正確性」的概念中，錯誤陳述概念數前後測則均為 0.00，印證吳 穎沺、蔡今中（2005）推測職前科技教師在教學後都沒有錯誤概念敘述之

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論點。

在「整合性」的概念中，職前科技教師標竿個案的亦平均值亦大幅地 上升，ED1 教學前 10.90 進步為教學後 22.96、ED4 教學前 10.90 進步為教 學後36.97、ED12 教學前 19.95 進步為教學後 32.97，可見職前科技教師標 竿個案在整合性方面，透過學習後在概念連結及關聯密度方面均有長足的 進步。三位標竿職前科技教師在經過工程設計流程之教學方式後，大部分 在概念的連結上擅長作業流程的規劃，從實作目標開始思考到材料選購、

條件限制、製作流程等，因此，後測對於整體的工程設計思考概念，在訂 定標準製作作品的流程上，產生特別廣泛的概念連結與整體一致性。

最後觀察「可得性」的概念中，可以發現職前科技教師標竿個案雖於 前後測成長的幅度較少，ED1 教學前後均為 0.00、ED4 教學前 0.00 進步為 教學後12.00、ED12 教學前 6.01 進步為教學後 8.00，但相較於接受問題解 決流程之教學方式的職前科技教師，標竿個案較擅長運用本身的後設認知 能力檢視自己先前的陳述並加以補充。從後測語意流程圖可以發現，因為 標竿職前科技教師經過兩次的教學活動，已能持續不斷地嘗試去計畫、檢 驗、監督、選擇、修訂、評估等活動，但由於實施之單元實作間隔時間不 夠久遠，以及尚未即時儲存於職前科技教師的學習經驗當中，因此，在對 於任務、目標等因素尚未熟悉的程度下，前後測的數據差異幅度較小。

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三、 職前科技教師標竿個案教學前後之訊息處理策略分析

茲將職前科技教師標竿個案的訊息處理策略語意流程圖依據上述之規 則，計算各樣本之語意流程圖量化資料，列表 4-18：

表 4-18 職前科技教師標竿個案訊息處理策略概念整理表（n=3）

研究構面 ED1 ED4 ED12

前測 後測 前測 後測 前測 後測

定義 0 2 0 3 0 2

描述 5 9 4 13 9 11

比較或對比 0 1 1 2 2 2

推理 1 0 1 3 1 3

因果解釋 0 0 0 1 0 1

由表 4-18 可以發現：在工程設計流程之教學方式前後，職前科技教師標竿 個案在語意流程圖訪談中，使用「定義」概念的次數，ED1 教學前 0 次進 步為教學後 2 次、ED4 教學前 0 次進步為教學後 3 次、ED12 教學前 0 次進 步為教學後 2 次；使用「描述」概念的次數，ED1 教學前 5 次進步為教學 後 9 次、ED4 教學前 4 次進步為教學後 13 次、ED12 教學前 9 次進步為教 學後 11 次，可見教學後標竿個案使用低階訊息處理策略的比例有所提升，

可以推論在教學後，除了較能以工程的用語去述說工程設計思考的概念之

可以推論在教學後，除了較能以工程的用語去述說工程設計思考的概念之