研究背景與動機

第一章 緒論

十二年國民基本教育科技領域綱要中，高中生活科技課程以「工程設 計」為主軸，強調導引學生注重創新思考潛能之啟發，和程序規劃及流程 執行之訓練（國家教育研究院，2014），探討科技與工程知識與技術運用於 解決問題當中，以培養學生的工程設計思考，奠定學生終身學習之基礎。

然而，以往的科技師資培育課程並未培育教師工程設計思考，故本研究著 重在探討STEM（science, technology, engineering, mathematics, STEM）專題 本位學習活動對於職前科技教師工程設計思考（engineering design

thinking）的影響，以藉此落實未來高中生活科技課程的理念。本章內容將 分別闡述本研究之研究動機與目的、研究限制與待答問題。共分四節，第 一節為研究背景與動機，第二節為研究目的與待答問題，第三節為研究範 圍與限制，第四節則是重要名詞釋義。茲分別敘述如下。

第一節 研究背景與動機

生活科技課程目標在於協助學生了解科技，以及科技對個人、社會的 影響，同時也致力於培養學生應用科技、解決問題的能力（國家教育研究 院，2014）。而培養學生工程設計思考除了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，並且能實際安排完整的工作內涵。除 此之外，更期望藉由學習工程設計思考，培養學生探討科技概念於工程上

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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。

因此，工程設計思考可以說是當今科技教育培養學生解決問題與創新設計 的重要學習內涵。

近年來，面對強大知識經濟體的進步與衝擊，美國工程及科技教育認 證委員會（Accreditation Board for Engineering and Technology, ABET）將工 程教育的設計規範，視為美國工程計畫的國家標準（ABET, 2000）。因此，

ABET 對於工程教育方面提出許多應用與綜合教育改革計畫，其中最重要的 就是工程科系畢業的學生所應達到的標準核心能力，包含（ABET, 2013）：

（1）了解生物學和生理學，應用進階的數學能力（包括微分方程與統 計）；（2）透過科學、工程解決工程界面中存在問題的能力；（3）從社會系 統與生態中量測資料，即解讀現實生活中工程數據的能力；（4）在跨領域

（multi-discipline）系統之間解決與互動相關問題的能力。

由此可看出工程設計思考為培養學生具備問題解決的能力以提升其國 際競爭力的重要因素之一，亦是大學科技與工程教育當前面臨的重要課 題。因此，成立足夠的師資培育機構以及培養富有工程設計思考的職前科 技教師，成為日益重要的趨勢。

隨著生活科技的課程內容具體化與「動手做」的議題漸受重視，為探 討工程設計的範圍及基本應用，工程設計思考成為啟動未來創新的重要角 色。然而工程設計思考之教學方式在科技領域的教學中，又以專題本位學

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習（project-based learning, PBL）為主要推動的教學模式，專題本位學習的 歷程為一具有挑戰性的問題與行動，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）。相較於傳統以教師 為主導角色的方式，學生更能透過教師引導的學習過程中，從真實的經驗 學習，以科技作為認知工具，創造個人的知識。因此，本研究想要從專題 本位學習來著手進行涵蓋工程設計思考的課程活動，以培養學生主動探 索、發現並了解，藉以訓練學習者應用知識解決問題的能力。

目前專題本位學習的教學法已漸漸在其他教育專業中推廣開來，因 此，本研究將透過此教學系統應用在STEM 實作課程當中，並建構工程設 計思考之活動課程內容，進而評估其實施成效。STEM 為整合科學

（science）、科技（technology）、工程（engineering）及數學

（mathematics）領域的教學知識，而透過 STEM 專題本位學習活動可以引 發學生整合不同的學科，進而利用各學科中的相關知能來解決問題，近年 來，亦有許多學者提出將STEM 跨學科的知識結合成為一整合性的專題本 位學習活動，並經研究證實能有效提高學生學習成效（羅希哲、蔡慧音、

曾國鴻，2011；Laboy-Rush, 2011；Sally & Jaumall, 2010；Stohlmann, Moore

& Roehrig, 2012）。因此，本研究以 STEM 教育為基礎，利用專題本位學習 模式，設計一個真實性的活動，藉由動手實作的過程中，進行問題的探索

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與知識建構，探討此課程發展方式對於職前科技教師工程設計思考的影 響。

學生於教學活動中統整科學、科技、工程及數學的動機，促進學生提 升思考能力，激發創意概念，解決當前所面對的問題，是發展 STEM 專題 本位學習活動的重要關鍵（National Science Board, 2009）。然而，工程設 計思考的提升便從主動探究問題開始，藉由整合各學科的知識而構築創新 的思維模式，進而培養問題解決的能力與意願。因此，研究者欲研究職前 科技教師在經過工程設計流程的方式來進行 STEM 專題本位學習活動的教 學課程後，對於工程設計的認知思考結構以及概念改變的情形，和經由傳 統問題解決的教學方式所學習之成效是否有所差異。

為探究學習者的認知發展（cognitive development），需記錄其吸收知識 時的認知方式以及解決問題的思維能力，Tsai 和 Huang（2002）提出五個 構面來分析認知結構，分別為（1）概念廣度；（2）正確性；（3）整合性；

（4）可得性；和（5）訊息處理策略，藉以了解學生概念結構中所存在的 知識內容。然而，綜觀工程設計思考的認證，大都是以測驗成就或二階段 測驗作為教學後的評量依據，雖可得知學生在教學後所能暫時記憶的成 果，但卻無法了解真正的學習成效。為了要掌握認知結構的思考過程，語 意流程圖（flow map）展現了認知結構的思考過程，利用循序性的模式進行 回憶，以及表達基本上相互關聯的組織（Tsai & Huang, 2002）；再運用語意

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流程圖析法（flow map method），按照受訪者回憶事件的順序及其構成的網 絡聯繫而形成圖像（Anderson & Demetrius, 1993），助於觀察職前科技教師 對於工程設計思考的進步與培養。因此，研究者想要透過語意流程圖析法 的分析，了解職前科技教師藉由STEM 專題本位學習活動的教學後，對於 工程設計思考知識結構的各個向度之影響。

所以本研究旨在了解職前科技教師工程設計思考認知結構和訊息處理 策略的現況，並於教學實驗中探究工程設計流程對於職前科技教師工程設 計思考之認知結構和訊息處理策略，是否能促進其教學成效，以增進職前 科技教師工程概念上的整合與應用。最後，對於標竿個案職前科技教師的 認知結構表徵進行探討，以提供職前科技教師在發展工程設計思考概念上 的參考。

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