跨學科 STEM 知識的整合理論

於探討 STEM 教育改革理念、整合式課程之相關理論基礎、及工程設計 歷程與核心能力。

其次，「第三節 美國 STEM 課程之內涵與特性分析」及「第四節 工 程設計取向課程設計模式」，為階段二研究之重要內涵。其聚焦於剖析國 外 STEM 課程之內涵、特性、及課程設計模式，以做為階段三後續研究 之基礎。

最後，在進行階段三後續研究前，本研究針對影響學生學習之相關 因素及國內之研究現況加以分析，完成：「第五節 態度對工程設計取向 課程學習的影響」、及「第六節 國內相關研究」等節，以做為研究結果 分析與討論之參考。

第一節 跨學科 STEM 知識的整合理論

STEM 教育之目的與理念

STEM 是一種學習的途徑（learning approach），用以幫助學生建構整 合性的科學、科技、工程和數學知識與技能，使其具備 21 世紀的競爭力 及 STEM 素養（Maryland State Department of Education, 2012）。Bybee

（2013）曾指出，STEM 教育之目的在培養學生具備有 21 世紀的就業能 力，以面對全球化的經濟與環境變遷挑戰。美國 NRC（2011）指出，STEM 改革具有三個主要目標：(1)提升 STEM 領域研究與就業的人數，同時強 化弱勢族群的 STEM 學習參與；(2)提升 STEM 就業人員的能力；(3)提 升學生的 STEM 素養。更進一步來看，NAE 和 NRC（2014）歸納各項 STEM 研究發現，美國 STEM 教育之目標可歸納為五種面向：(1)培養 STEM 素養、(2)建構 21 世紀的競爭力、(3)STEM 相關職業的勞動力準 備、(4)提升學習興趣與參與意願、及(5)發展 STEM 跨學科知識連結的能 力。深入思考其關鍵可發現，根本的解決之道，仍在於改善 STEM 課程 之設計與實施，使學生能獲得有意義的學習經驗，方能引發學生主動學 習的意願，進而提升其學習成效。

換言之，STEM 教育的重點，聚焦於透過各種整合性的教學與學習，

來改善科學、科技、工程與數學各領域之課程設計、教學策略、教師的 教學實踐、及學生的學習歷程（Bybee, 2013）。從科學、科技、工程及數 學之學科本質來看，科學著重在引導個人具備對於科學知識與科學概念 的認知，培養科學探究以及獨立進行客觀決策的能力、同時能夠從科學、

技術的角度了解科學議題或發展；科技重視的是能培養使用、管理、評 鑑科技的能力，其中包含有科技選用、問題解決以及批判思考與決策能 力；數學著重在引導學生能有能力判斷及理解數學在生活中所扮演的角

色，能透過邏輯的思維，做出有憑據的客觀判斷，並透過數學協助達成 解決問題的需求；而工程則是著重在應用人類所擁有的科學與數學知識，

透過設計達成材料、工具與自然力量的運用，適切的解決問題並滿足人 類的需求（Asunda, 2012; American Association for the Advancement of Science, 1993; Daugherty, 2009）。NAE 和 NRC（2014）指出，STEM 跨 學科知識連結的能力意指幫助學生藉由整合多個學科的知識，來形成一 個核心的概念與宏觀的視野，使其 STEM 相關知識體的結構能更具有統 整性及寬廣度，而非僅侷限於過去單一學科的理解。

跨學科課程統整理論

如前言所述，STEM 教育改革展現出跨學科知識整合學習的特性。

然而跨學科的學習並非一種新興的教育理念，從 1980 年代起，著眼於傳 統填鴨式的分科教育所導致的學用落差及學習動機低落，統整課程

（integrated curriculum）（或稱課程統整 [curriculum integration]）的理念 便不斷被教育界所討論。從基本定義來看，Beane（1997）認為，課程統 整是一種課程設計理論，其重點在於透過教師及學習者的合作，透過重 要議題或問題打破學科界限，強化個人與社會之整合。而 Fogarty（1991）

則指出，課程統整是一種課程設計的概念，依據統整性的概念所規劃之 課程，應包含：「找出課程組織核心」、「打破學科領域界線」、及「組織 有意義、整合性的學習內容與經驗」等三大核心要件。換言之，課程統 整之重點在於期待教師的課程設計能打破傳統學科的藩籬，以學習者為 中心，引導學生整合應用所習得的知識，以面對真實情境中的問題，進 而能培養出高層次的思考能力及素養。

然而，Drake（1998）曾指出，統整課程具有複雜性與多樣性，在不 同學科及不同學習場域中皆可能有不同的統整模式。如 Fogarty（1991）

所言，課程統整包含垂直統整、水平統整、及環狀統整三種向度，垂直 統整代表由 K-12 不同學習階段學習內容的連貫性，水平統整代表相關 學科領域知識的連結與加廣；而環狀則代表透過價值觀、概念、議題、

問題等主題，來整合不同學科的知識。Beane（1997）則指出，課程統整 的形式包含四種範疇：(1)經驗統整：透過真實經驗的反思以建構學生的 認知基模；(2)社會統整：以重要社會議題為核心，統整相關知識的學習；

(3)知識統整：以問題為核心，透過問題解決的歷程來發展、組織與詮釋 知識；(4)課程設計統整：以學科核心知識所形成的脈絡為主軸，發展涉 及該知識的學習活動，以建立與真實問題解決的連結。Drake（1998）認 為，統整課程的研發與實施是一個漸進式的歷程，最終常見的課程統整 模式通常可歸納為以下三種：(1)多學科整合(multidisciplinary)：由若干學 科透過一個共通的主題或議題加以連結，在同一段時間內，由不同學科 各自教學。(2)跨學科整合(interdisciplinary)：由若干科目透過一個引導的 問題、共通的概念焦點、或是交叉學科的標準，建立學科教學內容之間 的連結性，進而達到統整的效果。(3)超學科(transdisciplinary)：學習活動 之設計完全打破學科界線，從真實的生活情境出發，學科的學習則是隱 藏在學習歷程中。具體而言，如同 Fogarty（1991）所歸納的，統整課程 的設計可概分為以下三大類，共計 10 種不同的形式（如圖 2-1 所示）：

1. 單一學科內部的統整：(1)分立式（fragmented）：傳統的分科 課程設 計，由各科獨立教學。(2)聯立式（connected）：學科分立，但透過議 題或問題，強化學科內部知識與技能之連貫性及連結。(3)窠巢式

（nested）：在單一學科內，針對某事件、現象或議題引導學生進行 多層面、多角度的思考與觀察。

2. 跨學科的統整：(1)序列式（sequenced）：重新安排不同學科本身之課 程議題順序，使各科在同一段時間所教學的內容能產生關連性。(2) 共有式（shared）：在具有互補性質的學科之間（如科學與數學），由 教師透過共有的概念進行協同教學的規劃。(3)張網式（webbed）：主 題取向，但仍保有學科本位的統整方式，先選出具有意義的主題，而 後從各學科中篩選出相關的學科知識內容。(4)線串式（threaded）：

以重要的後設認知能力或社會技能做為學習主題，進而再串連各科 的學習活動。(5)整合式（integrated）：以課程主題為主軸，去學科本 位的統整模式，強調打破學科界限，直接抽取與課程主題相關的重 要概念。

3. 以學習者為核心的統整：(1)沉浸式（immersed）：著重在學習者自身 內 在 的 統 整 ， 由 學 習 者 自 動 自 發 ， 個 別 建 構 而 成 。 (2) 網 路 式

（networked）：透過自主的文獻蒐集與閱讀，及與相同領域的研究者 的互動或參與研究，自己主導學習歷程的統整與精進。

圖 2-1. Fogarty 的 10 種課程統整模式 資料來源：出自 Fogarty（1991）

對 K-12 階段的學生及教師而言， STEM 課程可採取兩種組織方式，

一是以特定學科為主的課程設計，另一則是跨領域統整的課程設計

分科式 關連式 巢窠式 單一學科內部的統整

序列式 共有式 張網式 線串式 整合式 跨學科的統整

沉浸式 網路式 以學習者為核心

的統整

（Herschbach, 2011）。以特定學科為主的課程設計是以單一學科為基礎，

再輔以相關的 STEM 知識內容；另一種跨領域統整的課程設計，則是打 破傳統各學科的形式與架構，採取專題導向的課程架構，將相關的 STEM 知識依據課程主題重新整合與重組。Bybee （2013）歸納許多報告後，

提出九種呈現 STEM 整合性課程觀點，包含：(1) STEM 等於科學（或數 學）單一學科；(2) STEM 意指科學和數學兩個學科；(3)將科技、工程、

或數學納入科學課程中，作為解釋科學應用的範例；(4) STEM 為四個對 等但獨立教授的課程；(5)科學與數學為獨立的學科，但藉由額外的科技、

或工程專題活動連結科學與數學原理；(6) STEM 為四個學科所進行的協 同教學；(7) STEM 為結合二到三個學科而設計一個新的課程；(8) STEM 單一學科的科學探究或問題解決導向專題活動，其中四個學科彼此提供 重疊或互補的相關知識；(9) STEM 是一個完全跨學科統整的課程或專題 計畫，參與的學生必須具備基礎的科學、科技、工程與數學等學科知識。

小結

綜上所述，課程統整是一種以學習者為中心的教育理念，強調有意 義的學習，以及具有連結性的知識架構，進而幫助學生建立解決或反思 真實世界問題的能力。統整課程的設計模式具有高度的多樣化及複雜度，

並沒有固定的形式可言，可依據教師教學理念與教學目標不同，甚至教 學對象或教學場域的不同，產生不同的組織方式。從 STEM 各學科本質 的差異來看，為符合學科之教育目的與特性，以科學教育之「探究思考」

為主軸的 STEM 課程，較常採用聯立式、張網式、或窠巢式的整合模式。

意即在科學課程中適時納入工程設計的實作活動以作為解釋科學應用 的範例，或是藉由額外的科技、或工程專題活動，來連結科學與數學原 理。

而以科技及工程教育之「工程設計」為主軸的 STEM 課程，則偏向 共有式、張網式、整合式、或沉浸式的統整課程設計。此類型的統整課 程，是以一個工程設計問題來引導專題活動的進行，並由 STEM 四個學 科彼此提供重疊或互補的相關知識；或更進一步的，規劃打破學科界限 的跨學科整合性課程或專題計畫。在這樣的課程中，參與的學生必須具 備基礎的科學、科技、工程與數學等學科知識，同時能夠主動學習、積 極探索專題計畫所需的 STEM 知識。

而以科技及工程教育之「工程設計」為主軸的 STEM 課程，則偏向 共有式、張網式、整合式、或沉浸式的統整課程設計。此類型的統整課 程，是以一個工程設計問題來引導專題活動的進行，並由 STEM 四個學 科彼此提供重疊或互補的相關知識；或更進一步的，規劃打破學科界限 的跨學科整合性課程或專題計畫。在這樣的課程中，參與的學生必須具 備基礎的科學、科技、工程與數學等學科知識，同時能夠主動學習、積 極探索專題計畫所需的 STEM 知識。