En-STEM 教學模組對學生概念知識學習的影響

本節主要在探討 En-STEM 教學模組，對學生概念知識學習的影響。

依據研究工具之設計，學生 STEM 概念知識之評量分為形成性評量與總 結性評量，是故，以下將先分析學生 STEM 實作單元學習單之成績，以 了解其機構 STEM 知識建構之情形；其次，再運用不同角度分析學生機 構概念知識測驗之表現，以了解其概念知識學習的成果。

STEM 實作單元學習單表現

STEM 實作單元學習單是學生在學習三項 STEM 實作單元（槓桿秤、

齒輪測距儀、凸輪玩具）時所需填寫的學習單。其設計分為機構基本知 識、探究實驗、挑戰思考等三個小單元，本研究透過評量三份學習單之 表現，做為學生學習過程中機構概念知識之形成性評量依據，以 3 分為 標準，進行單一樣本 t 考驗之結果，如表 4-1 所示。

表 4-1

一單元的活動。此導致部分組別在進行挑戰思考單元時較為匆促，而無 法確實完成學習單的記錄。

此外，在實施曲柄與凸輪玩具學習單元時，因考量學生專題製作所 需的時間，故此單元僅實施兩週的時間。因此，學生在進行探究實驗與 挑戰思考活動的時間較為匆促，也因此影響其學習單的記錄情形。然而，

整體而言，從學習單的分析來看，多數學生應皆能理解各 STEM 實作單 元所欲傳達之機構概念知識。

機構概念知識測驗得分概況

其次，為了解學生機構概念知識之改變情形，本研究運用相依樣本 t 考驗的方式，分析學生在「機構概念認知測驗」前、後測之表現，其結 果如表 4-2 所示。同時，透過長條圖的方式呈現其偏態與峰度的趨勢，

如圖 4-1 所示。

表 4-2

相依樣本 t 考驗（機構概念知識測驗）

機構概念知識 測驗子項目

Mean/SD (前測)

Mean/SD (後測)

前測−

後測

t

中階：科學及數學概

念應用 13.44/5.25 18.17/5.81 -4.74 -6.65**

高階：機構設計問題

分析 14.94/7.45 21.92/9.71 -6.98 -6.91**

總分 41.66/11.44 55.40/13.46 -13.74 -9.79**

註：總樣本數為 103 人。

透過考驗結果可知，En-STEM 教學模組能幫助學生顯著提升其機構 STEM 概念知識的學習。由表 4-2 可看出，低階的基本機構概念知識、

中階的科學與數學原理應用、及高階的問題預測與分析方面的進步幅度 都達統計顯著性。

圖 4-1. 機構概念知識測驗前、後測偏態及峰度圖

從偏態與峰度的分析圖（圖 4-1）來看，學生在基本機構概念知識 1 部分的前測成績呈現略微正偏態的趨勢，顯示多數學生的得分都集中在 中間偏低的區段，僅有少數學生得分較高；而在後測成績方面，其偏態 趨勢則轉為呈現負偏態的趨勢，並形成低闊峰的圖形，顯示整體學生得 分有所提升，但得分情況仍較為分散。

其次，在中階的科學與數學原理應用方面，學生之前測成績呈現低 闊峰的趨勢，表示多數學生的得分情況較為分散，但整體而言呈現趨向 常態分配的圖形；而在後測成績方面，其趨勢轉為呈現出明顯的負偏態 趨勢，代表多數學生的得分都集中在偏高的一端，僅有少數學生得分較 低。

再者，在高階的問題預測與分析方面，以高階部分的總分來看（44 分），學生之前測成績明顯呈現低闊峰的趨勢、並集中在偏低的一端，表 示學生得分的情形較低且較為分散；而在後測成績方面，其雖仍呈現低 闊峰的情形，而其平均分數已達總分的一半（21.92 分），且高分側的學 生人數亦有明顯的增加，顯示有較多學生的成績是朝高分一側移動，代 表學生在高階的問題預測與分析方面的表現有明顯的進步。

在總分方面，學生之表現，由前測集中在 40~50 分的區間，得分趨 勢分散，僅有 5 位學生得分高於 60 分的情形；轉為於後測時共有 35 位 學生之得分高於 60 分以上，且得分趨勢集中，多數學生成績皆落於 50~70 分的區間。由此可見，學生於各子項目之表現皆有明顯的成長，而其中 成長較為明顯的部分，即是中階的科學及數學概念應用、及高階的問題 預測與分析。

機構概念知識測驗答題情況分析

除前述之描述統計外，本研究進一步從各題項之答對百分比來看學 生之答題表現，以深入探討學生對機構知識的理解情形。如表 4-3 所示，

學生於前測答對率較高的是齒輪相關的題目，此應是國中理化科已有相 關課程，因此對齒輪轉速之換算較有基礎的概念。除此之外，其他題項 之答對率多皆低於 50%，代表多數學生不熟悉其他機構知識。

而在參與教學實驗後，多數學生之答題正確率皆有提升（如表 4-4 所示），在機構基本知識方面，學生後測答錯率較高的問題多是未被設計 為 STEM 實作單元之機構，如皮帶傳動、摩擦傳動等。這些機構雖同樣 為學生進行玩具專題時可能運用的機構種類，然而本研究僅有約 15 節 課之時間限制，故在 STEM 實作單元的設計上，僅能選擇最為常用的機 構為主題（連桿、齒輪、凸輪）。其他種類的機構在教學過程中雖亦有簡 單的說明、並提供學生額外的參考資料，但倘若學生未積極主動參閱相 關資料，則對這些機構的概念可能仍較為模糊。從另一個角度來看，則 更能確認 STEM 實作單元規劃之重要性。

其次，在中階的科學及數學概念應用方面，由後測分析可以看出多 數題項之答對率高於 50%，代表學生對於機構相關之科學與數學概念亦

有所成長。然而，在曲柄連桿的應用計算上答對率仍是略低，其原因可

表 4-4

小結

綜合第一節之分析結果，階段三學生於機構概念知識的表現可歸納 如下：

1. 從學習單之分析來看，多數學生應皆能理解各 STEM 實作單元所教 學之機構概念知識，並完成相關的實作活動與設計挑戰，以累積後 續工程設計專題所需的知識、經驗與能力。

2. 在課堂時間與器材輔具有限的情況下，部分學生在進行探究實驗與 挑戰思考的過程可能受到影響，而無法深入的探索與思考。

3. 在測驗分數方面，學生之各子項目平均分數皆有所成長，透過相依 樣本 t 考驗結果可知，其低階、中階、高階各項測驗成績改變之幅度 皆達到顯著差異，代表學生在學習完 En-STEM 教學模組後，其機構 概念知識有顯著的提升。

4. 從學生之答題表現來看，在教學實驗後，學生之科學及數學概念知 識及機構設計問題分析的表現皆有明顯的提升，顯示本研究之 En-STEM 教學模組可有效強化學生的 En-STEM 概念知識，與分析設計問 題的應用能力。

本研究之結果，與國外多數以工程設計為主軸之 STEM 教學實驗結 果相呼應。如同許多研究所證實，運用工程設計概念設計之 STEM 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（劉一慧，2012；Cantrell et al., 2006; Mehalik et al., 2008;

Olivarez, 2012; Schnittka & Bell, 2011; Wendell & Rogers, 2013）。

更進一步來看，如同許多工程與科技教育領域之所學者指出，其課 程設計之關鍵，在於針對重要的數理知識及工程設計核心能力，規劃可

有效強化的教學策略、活動及輔具。例如運用數位虛擬建模或實體模型 的方式提供學生具體的工程設計範例（Clark & Ernst, 2008; Schnittka &

Bell, 2011）、針對科學及數學知識規劃獨立之教學活動（Burghardt &

Hacker, 2004）、或在專題活動前就關鍵的工程設計步驟設計獨立之學習 單元（Dixon & Brown, 2012; Moore et al., 2013）。換言之，以本研究之研 究結果來看，En-STEM 教學模組中的 STEM 實作單元，確實可幫助學生 理解機構相關的 STEM 知識，並強化其問題分析的能力。