第二章 文獻探討
第一節 STEM 取向教學
第二章 文獻探討
本研究為解決學生較少統整及應用其他科目所學相關知識於實作 活動，及面臨升學選擇時不夠瞭解自我性向的問題，故研究者設計機構 相關之STEM領域知識教學於國中生活科技課程，進行機構玩具實作活 動。希望能藉由STEM取向的機構玩具教學活動，使學生瞭解並應用數 學、科學知識、簡單的工程概念及操作技能。以學生在教學後進行《國 中新編多元性向測驗》中之機械推理性向測驗結果，與學生設計與製作 的過程，以及其他班級的測驗結果，探討STEM取向之機構玩具實作活 動對於學生機械性向之影響。因此，本章針對相關的文獻與理論進行說 明及探討，第一節為STEM取向教學，第二節為機構與機構玩具，第三 節為性向與機械性向，以及第四節行動研究的設計與實施。
第一節 STEM 取向教學
STEM取向教學是透過科學(Science)、科技(Technology)、工程 (Engineering)、數學(Mathematics)四個領域的課程統整教學，強調跨領域 的融合及應用，培養學生的適應能力(Adaptability)、複雜的溝通能力 (Complex communications skills)、非常規的問題解決能力(Non-routine problem solving)、自我管理的能力(Self-management)，及系統思考(System thinking)等二十一世紀重要的能力(Bybee, 2010b)。
本節將對STEM取向教學的發展及STEM取向之科技教育進行文獻 探討。藉由STEM取向教學之文獻探討，瞭解STEM課程的發展後，研究 者將於機構玩具實作活動中實施STEM取向教學，將機構之科學、數學 原理及知識、科技及工程概念融入至教材中，使學生能學到系統化的知
10
識，應用知識設計並製作作品，從中培養知識統整、團隊溝通與合作、
系統思考，及問題解決之能力。
一、 STEM取向教學的發展
STEM取向教學最早起源於90年代由NSF提出，曾經以SMET的形式 存在，因音似SMUT(淫穢作品)，後來將漸受到重視的Technology及 Engineering放到Science與Mathematics中間，以三明治的主菜作為意象，
代表科技與工程教育的重要性，更名為STEM(Zuga, 2007)。現在STEM 已經常被用來作為有關一個或多個領域的任何事件、政策或做法的通用 標籤(Bybee, 2010b)。
近年來美國致力推行STEM教育，透過跨學科的方式，運用科學、
科技、工程、數學的學習來連結學校、社區、工作與世界的發展，以增 進國民之STEM素養與基本工程素養，提升國家競爭力(Tsupros, Kohler
& Hallinen, 2009)。在這科技發展迅速之時代，國家競爭力是國家一個重 大課題，National Governors Association[NGA](2007)於美國相關研究報告 書中指出STEM課程統整模式培育學科整合之素養與能力，對於美國提 升經濟競爭力與創新能力有密切的相關性。Zuga(2007)亦指出，STEM整 合教育在國家安全、經濟及福祉上扮演重要角色，透過科技問題，應用 科學與數學，可以使國家公民在作為消費者、選民時，能有豐富的見識 做明智的決定；作為工作者時，在工程和其他科技領域之職涯與事業選 擇上能學到更多。由此可知，STEM對於國家未來發展的重要性，特別 是在專業人才培養上，對於經濟發展之影響甚大。
美國早期曾有過以TMS、M+S+S(+MST)、MST、的科技統整模式 發展，到現今的STEM取向教學，皆是希望透過科際整合模式的學習，
提供學生相關專業知識，使學生統整數學、科學、科技理論與實務的經 驗，培育其創造力(方崇雄、游光昭、林坤誼，2008)。Wicklein和Schell(1995)
11
即提出MST科際統整模式是具有教育意義的，因為MST科際統整模式提 供一個問題解決之情境，使學生在此情境中進行高層次的思考與學習，
經由此適當的情境脈絡可以使學生將所學的不同領域知識進行學習遷 移。另外，布希總統在2002年提出的《沒有孩子落後法案》(No Child Left Behind，NCLB)，增強全國的閱讀、數學及科學教育，在數學與科學的 課程中，融入科技與工程的學習，落實整合性的STEM教學，重視數學、
科學教師的培育，目的在於提升高素質的教學狀況，提升學生科學與數 學的成績表現，積極矯正孩子之間的落差(Sanders，2008)。文獻資料中 顯示出整合式教學的重要性，除了使學生統整不同領域之知識與實務經 驗，也能進行高層次的思考與學習，使其達到學習遷移。
二、 STEM取向之科技教育
美國科技教育由工藝教育轉變為科技教育，近年來再轉型為準工程 及STEM教育(范斯淳、楊錦心，2012)。推動準工程及STEM教育，多以 專題式教學或問題解決導向教學為主，培養學生工程設計、STEM整合 以及問題解決的能力，其教育理念與欲培養之素養能力，以及每階段連 貫性完善的課程規劃，一直以來是為臺灣科技教育的參考典範(林坤誼，
2003；范斯淳、楊錦心，2012)。推動美國科技教育之主要學者Bybee(2010a) 提出推動STEM教育的第一步，是澄清STEM的核心價值，並建立STEM 素養作為學校課程目標，且指出推動STEM教育，在2020年的展望是可 以解決國家當前面臨到的無數挑戰。Zuga(2007)指出科技教育的廣度與 獨特性能使學生建立科技與工程基礎的最好方法，而NSF與NAE對 STEM整合教學的推動，更提供了學校科技教育的發展機會。美國致力 推行之STEM教育中，首重科學與數學的學習，以科技情境作為整合之 教學，使學生能統整不同領域之知識與實務經驗，以提升國家競爭力 (Tsupros, Kohler & Hallinen, 2009)。由此可知，科技教育是對於推行
12
STEM整合教學策略的最佳所在，發展STEM取向之科技教育教學活動即 是現在與未來科技教育的重要方向。
然而，欲發展整合式的科技教育，必須跳脫傳統的教學模式，
Ihde(1997)提出學習科技除了傳統的如何製作、操作機器等技術性知識外，
更須包含理論性科技知識，也就是科技背後的物理、化學及電子等原理 與知識。另外，Drake(1998)指出統整課程並非只是將不同的領域的知識 放在一起後，學生就能夠自行將所有知識進行統整，更舉以多種跨學科 的教學模式為例，如問題導向學習、情境式學習、合作計畫模式及事實 概念框架等，使得統整課程能真正落實統整的意涵。由此可知，STEM 取向之科技教育，已非以往的試誤學習模式或手工訓練模式，而是必須 嘗試統整與設計、製作產品的相關數學與科學原理，以作為其改良或創 新的依據。
STEM取向教學一直以來都受許多國家歡迎並廣泛使用，也從傳統 的STEM教學改良至具有系統性的STEM取向之整合教學。除了美國之外，
英國科技教育重視「建模」與實務導向的學科，具有統整性的課程規劃，
推動科際整合教學以連結相關領域的知識概念，使學生運用知能解決實 務問題(張永宗、魏炎順，2004；張勤昇、蘇伊鈴，2007)；香港則希望 透過STEM取向教學能建立學生穩固的知識基礎、提升學習興趣、強化 學生綜合並應用知識與技能的能力，培養學生創造力、合作與解決問題 的能力，最終目的在於培養不同層面具備不同能力的多元人才，以加強 國際競爭力(香港課程發展議會，2015)。臺灣學生在國際上科學與數學 的表現良好，不同於美國須增強此方面的教師培育，而是過度著重在學 習科學、數學等學科的知識，而缺乏實務應用這些科學、數學等學科知 識的能力(林坤誼，2014)。因此，臺灣的STEM取向教學應以臺灣學生所 欠缺的部分作加強，教師須設計出使學生能實現學科知識於實作之中，
13
整合其知識與實作經驗的STEM整合課程。在此行動研究之中，研究者 發現的問題是國民追求升學為主的教育，學生選擇以職場優勢的相關科 系就讀，並非以清楚自己性向而選擇之。除此之外，學生在求學階段欠 缺統整知識與技能的能力。因此，研究者選擇STEM取向教學，作為改 善此教育現況之方針。
羅希哲、陳柏豪、石儒居、蔡華齡、蔡慧音(2009)提出STEM取向之 科技教育是以科技情境與工程設計為主體，融入數學與科學的概念以進 行科技教育教學模組發展，形成STEM取向之科技與工程教育課程。因 此，研究者認為，發展STEM整合課程時，欲使學生擁有完整的學習歷 程，需發展長時間的教學活動，將學習之任務階層化，包含以科技的情 境為主題，加入數學的基本運算與概念、科學的原理、運用科技的技術 與能力，及工程的概念，以問題解決的方式進行與日常生活、環境或社 會議題相關為主題之課程設計。
三、 小結
本行動研究為解決教育現場中之問題，即是學生對於自我性向的瞭 解不足，造成往後升學或就業之選擇並不適合自己，故選擇以機構知識 教學、製作機構玩具為活動內容，探討是否能對學生的機械性向產生影 響。研究者以STEM取向課程之發展要點及過去STEM取向課程之發展建 議，找出與機構相關的科學、科技、工程與數學概念，設計由易至難的 學習任務，從知識學習到統整思考的設計與製作，考量學校設備與教學 環境盡可能地發展出完善的STEM取向教學活動，即為此行動研究之 STEM取向之機構玩具實作活動。透過此教學活動，分析其對於學生機 械性向之影響，希望能對學生未來機械性向發展有所幫助，進而協助學 生未來在面臨選組、升學或職場就業時做出適當的選擇。
14