研究背景與動機 - 高中工程設計取向之課程設計與實驗：跨學科STEM知識的整合與應用

本章共分四節：第一節闡述研究背景與動機，第二節說明研究目的，

第三節為名詞釋義，第四節則提出本研究之研究範圍與限制。

第一節研究背景與動機

跨學科 STEM 知識整合與應用能力的重要性

在高科技的現代社會中，當人們面臨複雜的科技問題情境時，其整合及應用跨科際知識的能力是非常重要的（Bybee, 2013; Havice, 2009）。從 20 世紀中以來，受到二次世界大戰及蘇聯發射第一顆人造衛星史波尼克 1 號（Sputnik I）的衝擊，美國及世界主要先進國家皆積極推動科學、科技、數學與工程等學科領域之教育改革，以強化科學及工程領域人才之能力與素質，及提升整體國民科學、科技、工程與數學（Science, Technology, Engineering, Mathematics, [STEM]）的素養，進而維持或強化國家競爭力（Gardner et al., 1983; National Governors Association [NGA], 2007）。K-12 階段學生之科學、數學、科技及工程等學科的學習表現，

被視為一個國家經濟發展的重要基礎，更是國家競爭力的展現。然而，

在 21 世紀的社會中，越來越複雜的科技、工程與社會議題廣泛的影響著全人類的生活，而這些問題都需要具有整合性的知識與素養來面對。從 1990 年代以來，許多的研究報告均警告，現行分科教學的教育體制，在培養學生知識整合及解決真實世界問題的能力上是不適切的（Bybee, 2013; NGA, 2007; National Academy of Engineering [NAE] & National Research Council [NRC], 2014）。因為，學生接受大量獨立的學科知識灌輸，但卻缺乏將其與真實生活連結與應用的機會，導致無法學以致用，

更缺乏靈活的問題解決能力。例如，Kelley、Brenner 和 Pieper（2010）

便曾發現，即使學生已經修習過進階的數學課程，但在工程設計的專題設計活動時，仍然只有應用非常少量的數學於解決問題的歷程之中。

Taraban 等人（2007）也指出，許多工程領域的學生缺乏應用高層次思考的靈活性，因而在專題設計的過程中，只能使用較低層次的概念知識來解決問題。因此，21 世紀人才之培育，不應該再強調填鴨式的知識背誦與記憶，而是要著重在建構學生 STEM 各學科知識的整合運用與靈活的問題解決能力（Toulmin & Groome, 2007）。換言之，新時代的教育應強調學科知識與實務應用的連結，著重在透過跨學科的整合應用；並藉由動手操作或專題式的學習，使學生體會到如何整合知識、運用工具及適當技能來解決真實世界中的問題（Sanders, 2009）。而這樣的改革思維也受到世界各國的重視，Ritz 和 Fan（2014）調查全球 20 個已開發及開發中國家投入 STEM 課程改革之情況，發現目前已有 16 個國家開始致力於推動 STEM 課程改革的相關措施，而其主要目的皆在於提升國家 STEM 相關領域研究人才及勞動力的素質，並強化學生投入工程領域之興趣。此外，該研究指出有半數以上的國家皆認為 STEM 教育改革的方向，應為強化跨學科整合性的 STEM 課程之設計與實施。

簡言之，為了回應目前分科教育體制下所造成的困境與憂慮，並幫助學生面對未來越來越複雜的科技與社會問題，STEM 教育改革的重點應在改善 K-12 階段 STEM 領域之課程設計、教學策略及教師的教學實踐，乃至於學生的學習經驗（Bybee, 2013）。美國科學教育界於 2013 年公布之 Next Generation Science Standards [NGSS]中，工程設計首次被納入為科學課程標準的一環，亦即將工程設計的理念提升到與科學探究同樣重要的層次，以幫助學生學習如何解決現代社會所面對的重大科學與工程問題（NGSS Lead States, 2013）。此外，美國的 National Assessment of Educational Progress [NAEP] 近年來亦涵蓋科技與工程素養測驗

（Technology and Engineering Literacy Assessment [TEL]），透過全國性的測驗來了解美國學生是否具備有科技與工程素養（National Assessment Governing Board [NAGB], 2012）。事實上，許多科學領域的研究亦已證實，工程設計取向的 STEM 知識整合課程，能提升學生概念知識的學習，

特別是實際應用科學與數學知識以解決問題的能力（Cantrell, Pekcan, Itani, & Velasquez-Bryant, 2006; Mehalik, Doppelt, & Schuun, 2008;

Schnittka & Bell, 2011; Wendell & Rogers, 2013）。

在過去二十年間，工程設計已成為科技教育教學與研究之重要議題

（Kelley & Kellam, 2009）。工程設計是一個決策及問題解決的歷程，其需要跨學科 STEM 知識的整合應用，以找出適切的問題解決方案或產出最佳化的產品。在 STEM 風潮興起前，科技教育的焦點其實便已逐漸轉向和工程領域結合，並發展成準工程取向（Pre-engineering）的科技教育課程。以美國為例，由於高中階段對工程感興趣的學生越來越少，因此，

越來越多的美國科技教師加強科技教育課程的「設計與製作」，並融入工程設計概念使學生能更確實的將所學的各種知識與技術應用在活動中

（Lewis, 2004）。結合科技教育與大專工程教育概念的「工程設計課程」

逐漸成為科技教育課程的主軸。換言之，近代科技教育之目標，已走向運用設計活動，來幫助學生獲得靈活的解決問題的能力和培養良好的 STEM 素養（ International Technology and Engineering Educators Association [ITEEA], 2007）。而隨著近代 STEM 課程改革的趨勢興起，

工程設計取向的課程更成為能扮演落實 STEM 跨學科整合理念最適切的角色。

跨學科 STEM 知識整合課程的核心：工程設計

在跨學科 STEM 知識整合的課程設計中，工程設計的實作活動被視為實踐 STEM 知識整合的主要途徑。然而，跨科際的學習其實並非一種新興的教育理念，從 1980 年代起，統整課程(Integrated Curriculum)的理念便不斷被教育界所討論，也形成了許多不同的整合模式。但無論是何種形式的整合，其重點皆是期望能打破傳統學科的藩籬，引導學生整合應用所習得的知識，培養新時代所應具備的能力及素養。從 STEM 各學科的本質來看，科技是人類為滿足需求所設計出的產物，而工程則是設計及研發科技產物的過程，其需要整合科學原理與科技技術，並透過數學來輔助設計、測試及改良的歷程，以獲得最為適切的成果（Berry et al., 2004; Pinelli & Haynie, 2010）。因此，STEM 教育改革的思維，本身同樣具有跨科際學習的本質。然而，如同 Bybee（2013）所指出，STEM 教育改革與過去教育改革最大的差異，在於反應了世界公民必須面對的全球性挑戰、對於環境及相關議題看法的改變、及對於 21 世紀勞動力需求的改變。此外，由國外諸多現行之 STEM 課程計畫可以看出，STEM 課程多是以工程領域為科際整合的主軸，此點亦是 STEM 與過去諸多教育改革最大的差異。

以美國目前幾個重要的 STEM 課程計畫為例，Project Lead The Way 是以工程領域的專業知識為背景，強調促進批判性思考、創造力、及培養解決問題的能力等目的，並透過專題導向的課程引導學生統整課堂所學，以解決真實世界的問題（Project Lead The Way [PLTW], 2012）。

Engineering by Design™是以科技素養標準、以及全國性的數學、科學標準（Standards）為依據，透過專題製作的活動，應用 6E 學習環理念來引導學生了解工程設計的歷程與方法（ITEEA, n.d.）。其他，如 Engineering the Future、The Infinity Project 等課程，亦皆是應用工程設計專題為主軸

之整合性課程，透過介紹工程相關職業之工作內涵，促進學生對工程領域之興趣與理解（Engineering the Future, 2007; The Infinity Project, n.d.-a）。

由此可見，跨學科 STEM 知識整合課程的核心，多是以工程設計的程序為主軸，藉由目標性的問題解決或專題設計活動，提供學生一個可真實連結課堂所學與現實世界挑戰的學習機會。藉此促進學生養成發現、

探索和解決問題的能力，使其成為具有問題解決與批判思考能力的現代公民（Sorenson, 2010）。具體而言，工程設計取向之 STEM 課程能藉由真實世界的問題為學習情境，帶動整體學習的齒輪，由工程設計提供學生系統化的問題解決模式，同時融入科學的探究，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分析，使跨學科的知識產生連貫性的交會（Kelley, 2010）。

跨學科 STEM 知識整合課程的迷惘與困境：科技教育教學的省思 STEM 教育看似具有明確的目標，但從現今世界各國的實施方式及相關研究可以發現，大眾對於 STEM 教育的詮釋仍是眾說紛紜。其主要原因，在於 STEM 具有高度學科整合的本質與特性，且 STEM 課程多強調問題解決、創造／創新、批判思考等高層次思考能力的培養。是故，

課程發展、教材設計、教學策略等環節的規劃，都是影響 STEM 課程成敗的關鍵因素。由目前的 STEM 教育相關文獻可看出，科學、科技、工程與數學等學科彼此之間，甚至在學科之中對於 STEM 課程詮釋的理念與實施方式皆相當多元，STEM 可被視為單一學科（如：科學、數學）

的強化，亦可被視為跨學科取向的專題活動，或整合四個學科發展成為全新的課程（Bybee, 2013; Morrison & Bartlett, 2009）。縱使在科技教育

或工程教育領域之文獻中，對於應如何設計及實施 STEM 課程的看法亦是相當分歧。換言之，雖同樣是透過工程設計的歷程進行學習，在課程中各學科應扮演的角色為何？整體課程如何規劃？又應透過何種教學策略來實施？此外，學生能學習到的成果為何？又該如何測量？這些問題皆存在著許多爭議。如同 Asunda（2012）所指出，STEM 課程過於廣泛的知識內涵及缺乏連貫性的內容，容易造成課程標準建立不易、教學內容與教學方法之界定與規劃不易、及教學評量實施困難等問題。Custer 和 Daugherty（2009）亦提到，具有高度整合性的 STEM 課程是一個相當龐大的知識結構，其往往造成師資培育課程規劃與教師專業發展的困難。此外，Williams（2011）亦指出，科技教育在學校推動 STEM 課程時，極可能遭遇許多現實的挑戰，包含：難以撼動的學校時間表和課程

在文檔中高中工程設計取向之課程設計與實驗：跨學科STEM知識的整合與應用 (頁 15-23)