En-STEM 設計模式與教學模組之省思與討論

在完成前述資料分析後，本節將綜合教學實驗之結果，省思階段三 En-STEM 教學模組之實施成效，進而整合三個階段之研究成果，針對本 研究所發展之 En-STEM 設計模式做進一步之優化調整與詮釋。具體而 言，本研究以研究之初所提到的問題為引，由教學實驗之結果反思整體 STEM 課程的之設計與實施，包含：(1)影響學生於 STEM 課程中學習表 現的關鍵因素為何？(2)如何規劃 STEM 實作活動，以更有效的協助學生 整合 STEM 知識並發展工程設計核心能力？(3)如何界定課程中的 STEM 知識範疇？

En-STEM 教學模組之成效與省思

影響學生於 STEM 課程中學習表現的關鍵因素為何？

由階段一的前導研究得知，影響學生於 STEM 課程學習及專題表現 之關鍵因素包含：預測設計歷程中可能遭遇之問題的能力，以及在遭遇 問題時分析成因並找出解決方案的能力。在經由階段三 En-STEM 設計 模式與教學模組的改良之後，歸納資料分析結果，影響階段三學生學習 與專題表現之關鍵因素，應在於學生之：(1)機構 STEM 知識應用、(2) 學習興趣/STEM 態度、(3)加工與製作技巧、及(4)發展方案、預測分析、

測試修正等工程設計核心能力。

各關鍵因素在整體工程設計歷程中是彼此環環相扣、相輔相成。雖 然在本次教學實驗之量化分析上，學生之機構概念知識測驗成績與其專 題表現無直接顯著的相關。然而，透過各項質性與量化資料分析仍可發 現，對於機構種類與運動功能有明確認知的學生，多能設計出複雜度較 高的機構玩具，亦較能解決製作過程中的問題。此外，約有半數的學生，

其機構概念知識測驗表現並不遜於專題表現較佳的學生，然而卻對於機 構玩具之設計缺乏具體想法，在遭遇問題時亦無法找出問題發生的原因。

這些學生在專題設計與製作過程中，大多未確實將數理知識或機構概念，

應用於工程設計歷程之系統性思考，而仍然採取嘗試錯誤的方式來解決 問題。換言之，若僅具有機構之 STEM 概念知識，卻不知如何將其連結 到工程設計的過程中，則仍無法將其活用於解決工程設計之問題（Kelley et al., 2010; Taraban et al., 2007; Sanders, 2009）。因此，不同 STEM 概念 知識的養成雖為工程設計的重要基礎，然而將 STEM 知識應用於工程設 計核心步驟的能力，方為連接 STEM 知識與工程問題解決的關鍵環節。

深入來看，發展方案、預測分析、測試修正等工程設計核心能力是 影響本次玩具專題表現的關鍵。如同階段一前導研究之發現，學生預測 設計歷程中可能遭遇之問題的能力，為影響其學習表現的關鍵因素。在 本次的教學實驗中，學生之機構玩具設計複雜度，與其整體學習表現呈 現明顯的相關性，此一結果展現出多數學生在實際進行成品製作前，能 發展出具可行性的方案，並對設計方案的設計與機構選用進行初步的預 測分析與思考。同時，由迴歸分析的結果亦可看出，學生對其設計構想 與機構應用的掌握程度，可預測其設計複雜度與製作精緻度。在工程設 計過程中，學生許多無效的問題解決方案或舉動，都源自於缺乏適切的 STEM 知識及預測分析能力（Crismond & Adams, 2012; Merrill et al, 2009）。 簡言之，由本次階段三教學實驗可看出，學生之工程設計的發展方案與 預測分析能力，源自其對於機構概念知識的理解，並影響其最終專題成 果的展現。

此外，學生在遭遇問題時分析成因並找出解決方案的能力，亦為影 響其學習表現的關鍵因素。由迴歸分析的結果可看出，學生若能有效的 解決專題製作過程中的問題，則可預測其成品之完成度與精緻度皆會較

佳。然而，由質性分析的結果來看，本次學生所遭遇的問題主要在於原 型建模過程中機構零件設計不佳及加工技巧的不足，而這些環節，則需 要更多設計製作相關的實作練習加以補強。此一問題，或可參考本研究 階段二所分析之 STEM 課程計畫，針對科學知識的探究、數學之測量與 計算應用、科技工具的使用、及工程設計的核心概念等面向規劃不同的 實作單元。但事實上，相較於國外之科技與工程教育課程時數，在臺灣 高中有限的課程時間內，如何規劃最有幫助之課程單元與教學時間分配，

實為發展 STEM 課程最為困難的關鍵。

除了概念知識、實作技能、及工程設計核心能力之影響外，學生之 學習興趣及對 STEM 的態度，更是教學過程中不可忽視的影響因素。無 論是由專題作品或口頭報告之分析，抑或迴歸分析皆發現，學生之學習 興趣明顯影響其專題成品之完成度。在國外相關研究中，提升學生對 STEM 領域之興趣，是推動 STEM 課程改革的主要目的之一（Bybee, 2013）。在本次研究中，雖未特別著墨於強化學生對機構學習的興趣，然 而從學生的學習表現可以看出，若能使學生透過實作活動累積有效的問 題解決經驗，則應能提升學生後續投入工程設計專題活動的信心與興趣。

如何規劃 STEM 實作活動，以更有效的協助學生整合 STEM 知 識並發展工程設計核心能力？

如前所述，影響學生專題成果的主要因素不僅有 STEM 概念知識的 應用，其實作技能、工程設計核心能力、與對 STEM 課程的態度，皆是 重要的關鍵。由本研究結果可知，在工程設計取向之 STEM 課程中，實 作單元之設計確實是幫助學生整合 STEM 知識，並發展工程設計核心能 力之重要媒介。如同 Burghardt 和 Hacker（2004）所指出，具引導性的

實驗或探究活動能幫助學生逐步學習工程設計相關之 STEM 知識，避免 學生在開放性的專題導向課程中感到不知所措。以此反思，本研究認為 在 STEM 實作單元中，除引導學生了解 STEM 相關知識外，亦需著重

「工程設計概念」之融入與實踐。

由分析國外之 STEM 課程及本研究實際之教學經驗可知，實作單元 可分為「探究實驗」及「設計製作」兩大取向。然而，在規劃實作活動 之時，其學習單元之設計應具有靈活性。以階段三所發展的 STEM 實作 單元為例，這三個單元是以機構玩具最常應用到的機構為主題，先引導 學生自行探索機構相關基本知識，而後針對其相關之科學原理設計探究 實驗活動，並依據後續專題設計中可能的應用變化，設計挑戰思考活動。

因此，各單元中皆涵蓋有科學概念知識的探究分析、數學的測量記錄、

以及機構設計問題解決的進階思考。

換言之，STEM 實作活動之設計應以學生在專題中容易遭遇的問題 為出發，思考可能發生問題之工程設計步驟，再找出解決問題關鍵之 STEM 知識，進而規劃出具有「探究實驗」及「設計製作」概念之系列 實作單元。具體而言，本研究認為在設計 STEM 實作單元時，應注意以 下三項要點：(1)應涵蓋學生專題常用之 STEM 知識；(2)應展現 STEM 知 識於預測分析、建模測試、問題分析與解決等關鍵歷程的應用；(3)應聚 焦於學生設計與製作過程中可能遭遇的問題。

在此同時，依據階段二分析國外 STEM 課程內容所得之啟示，STEM 實作單元所運用的教學策略，需能幫助學生：(1)「探索」專題（問題）

中隱含的 STEM 知識；(2)「詮釋」抽象的數理概念；(3)「練習」相關的 STEM 操作性技能；(4)「測試」STEM 知識在不同設計情境中的反應；

(5)「連結」特定 STEM 知識於相關的問題情境之中；最終，得以(6)「應 用」STEM 知識於工程設計歷程中。

如何界定課程中的 STEM 知識範疇？

STEM 課程中各學科知識範疇之界定，是發展 STEM 課程時容易被 忽略的關鍵步驟。在國外相關研究中，多數 STEM 課程皆是藉由 STEM 各學科相關之課程標準或能力指標來界定，然而往往會過於廣泛或流於 形式（Asunda, 2012; Custer & Daugherty, 2009）。如同 Stohlmann 等人

（2012）所指出，在設計 STEM 課程時，應聚焦於 STEM 連結性、關注 學生的迷思概念、了解學生的能力，方能使課程聚焦在核心的概念或主 題之中，並展現出有意義的知識連結與應用。

具體而言，如圖 4-11 所示，結合前述之 STEM 實作活動設計要點，

本研究認為在聚焦 STEM 知識範疇時，應可依循以下四個步驟進行：(1) 依據課程主題，參照相關能力指標，界定學生可理解之 STEM 知識範疇；

(2)依據專題主題，聚焦相關的 STEM 知識內容；(3)模擬學生專題之工程 設計歷程，找出可能遭遇之困難與關鍵的工程設計步驟；(4)聚焦關鍵工 程設計步驟所蘊含之科學概念、數學分析、科技應用或實作技能。這四 項步驟應為循環檢核的歷程，如此一來，應能找出的關鍵 STEM 知識，

進而發展具體的「探究實驗」或「設計製作」取向實作單元。

圖4-11. 工程設計取向STEM課程內容發展概念圖

En-STEM 設計模式之調整

整體而言，反思本次教學實驗之成果，本研究認為工程設計取向 STEM 課程之核心理念與目標，應在於「強化學生之 STEM 知識於工程 設計中的連結與應用，發展學生工程設計核心能力，進而提升對工程領 域之學習興趣」。因此，EnSTEM 課程設計之關鍵思維，需著重「提供學 生直觀且具體的探究實驗、實做技能練習與工程設計思考經驗，藉以強 化學生之學習信心及對於關鍵 STEM 概念的理解，同時引導學生連結 STEM 概念知識與專題製作歷程可能遭遇的問題」。其中，如何篩選

STEM 知識內涵及發展有意義的 STEM 實作單元，即為兩項不可忽略的

圖4-12. 工程設計取向STEM課程設計模式（En-STEM設計模式）

一、選擇課程

En-STEM 教學目標

2.界定 STEM 知識範疇

選擇課程主題

1. 選擇課程主題：工程設計取向 STEM 課程之主題可選自於「特定 工程領域重要基礎知識」、「時下重大科技議題」、或「特定 STEM

1. 選擇課程主題：工程設計取向 STEM 課程之主題可選自於「特定 工程領域重要基礎知識」、「時下重大科技議題」、或「特定 STEM