STEM 專題本位學習活動

現今的社會講求理論與實踐並用的教育與知識技能，而科技素養教育 則是以STEM 教學為主流，透過製造問題解決的學習環境，使學習者想像 設計挑戰的解決方案，憑藉資料的蒐集和真實問題的設計，運用有目的性 的科學探究、數學應用和科技設計，並輔以工程設計來解決現實問題的教 育模式(Sanders, 2009)，從而增強學習者在知識經濟爆炸的社會競爭力。

在過去鮮少文獻與研究探討如何進行專題本位學習的課程內容，所提 及的專題本位學習大多只提到專題的製作如何進行，亦未探討專題製作之 前學習者學習專題先備領域知識的融入方式。因此，本研究嘗試以專題本 位學習做為課程設計的基礎，並結合STEM 教育的概念，發展「STEM 專 題本位學習」的實作活動，以STEM 教育為基礎，利用實作課程的優勢，

設計一個真實性的專題，讓學生透過小組合作的力量，從動手實作中進行 工程設計思考的探索，最後完成作品的學習歷程。據此，進一步探討 STEM 專題本位學習活動對於職前科技教師工程設計思考的學習概念與特 性。

一、 STEM 實作課程

在科技快速進步的世代中，強調增進學生遇到問題時主動探索與創新 求變的精神，而藉由STEM（Science, Technology, Engineering,

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Mathematics）整合式的教育，能達到各學科知識的交互思考與融合，其 中，「科學」是指追求及探索大自然的原理，「工程」則是利用科學的發現 去設計社會所需的工具，「科技」是將工程中所設計的工具或成品真實的製 作出來便利人們生活，「數學」乃結合在科學中進行分析及統計

（Massachusetts Department of Education, 2001）。

美國的科學教育標準、科技教育標準中，皆已將 STEM 教育納入考 量，Bybee（2013）強調 STEM 科際整合教學的方法應該關切全球重要的議 題（如氣候變遷、能源問題等），並且透過科技與工程的實務活動，強調設 計與製作能力的培養，尤其在設計的階段，更應注重理論導向設計（theory-based design），以藉此透過跨學科的方法來學習嚴謹的學術概念與現實世界 中的經驗教訓。因此，STEM 實作課程最主要的核心，就在於能讓學生能 運用科學、科技、工程和數學的脈絡來聯繫介於學校、社區、工作、全球 企業發展，增進其 STEM 素養和競爭能力（Tsupros, Kohler & Hallinen, 2009）。如何依據前述的定義，使學習者有脈絡的去運用跨學科知識來解決 問題，以達到養成在遭逢問題時發揮多元解決途徑的能力，便是十分值得 探討的重點。本研究將 STEM 教育定義為一種科際整合的教學方法，並透 過實作活動的訓練課程來培養學生整合科學、科技、數學與工程領域的能 力，以藉此增加學習者思考的廣泛性，發展更符合現實環境的工程設計流 程之邏輯，解決傳統教學僅強調理論而缺乏與實務連結的問題。

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二、 STEM 專題本位學習之實作活動

STEM 教學時常與整合性的教學模式做一結合的概念，例如專題本位 學習（project-based learning, PBL）模式、問題解決教學模式、6E 教學模式 等，配合探討對象的適用性、實施可行性以及配合後續的研究工具等。由 於專題本位學習模式能使學習者擴展及增進知識，並強調問題解決的能力 與自我建構知識的學習能力，學者（鄭如雯，2008；Milentijevic, et al., 2008）建議可採取 STEM 專題本位學習以提供複雜且真實性的實作計畫。

所謂STEM 專題本位學習，係以 STEM 課程設計為基礎，結合專題本位學 習所發展出來的教學與學習方式。相較於傳統式教學，專題本位學習是一 較少結構與教師領導的學習方式，強調學習團隊的組成，賦予學習者充分 的責任，藉由成員間的互動與利他分享達到學習的目的（Milentijevic, et al., 2008）。

STEM 專題本位學習強調以建構取向的學習方式，提供學習者高複雜 且真實性的STEM 實作計畫，讓學生藉此找出主題、設計題目、規劃行動 方案、收集資料、執行問題解決、建立決策行動、完成探究歷程，並呈現 作品的學習（徐新逸，2001）。此外，STEM 專題本位學習乃透過學生的真 實體驗達到學習的目的，其優勢在於學生能夠由學習的過程整合學科知 識、分析並產生新知，較傳統學習模式注重以學生為中心的學習，透過小

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組討論、複習、辯論和比較來討論真實生活中的議題，期望學生能透過自 我學習、研究而獲得新知。

綜合上述可得知，STEM 教育的主張與專題本位學習具有相輔相成的 成效與特色，再者，專題本位學習可以為 STEM 教育的發展提供一個具體 可行的教學途徑，對於活化教學、建構知識學習等有一定的幫助。因此，

本節旨在將兩者整合提出「STEM 專題本位學習」的概念，進一步做為研 究職前科技教師工程設計思考流程的學習概念的情形與成長之設計主軸。

本研究所採用的是 Delisle（1997）提出的專題本位學習教學模式，透 過 STEM 實作活動內容的規劃，其教與學的流程如表 2-3：利用問題連結起 學生的相關經驗（connecting with the problem），分析問題以建立問題解決 的結構（setting up the structure）、試圖分析問題（visiting the problem）、再 次地探究問題（revisiting the problem），呈現成果或解決的方案（producing a product or performance），最後對於學習成果進行評鑑與省思（evaluating performance and the problem）。

表 2-3 STEM 教學步驟的對應關係

專題本位學習教學模式 工程設計活動流程 1. 問題連結學習者的相關經驗

2. 分析問題以建立問題解決的結構 1. 定義問題

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2. 蒐集解決問題的資料 3. 試圖分析問題 3. 產生構想

4. 進行建模

4. 再次地探究問題 5. 分析可能性方案 6. 評估方案

5. 呈現成果或解決的方案 6. 對學習成果進行評鑑與省思

7. 做出決定

8. 與團隊溝通

因此，我們在發展STEM 專題本位學習實作活動的時候，可以參考工 程設計活動流程之模式，首先必須 1.定義問題：建立問題討論的框架，辨 別題目的限制條件；2.蒐集解決問題的資料：引導學生針對問題、依照行動 計畫來蒐集相關資訊；3.產生構想：學習者此時進行腦力激盪，不管想法可 不可行或是新奇怪異皆可提出；4.進行建模：評估問題的各項解決方案；5.

分析可能性方案：組織蒐集到的資訊並進行問題定義與解決可行性的分 析；6.評估方案：進行成本分析和各項資源應用的成效性；7.做出決定：報 告和發表學習的成果或作品；8.與團隊溝通：建立問題討論的過程，包括想 法、事實、學習論題及行動計畫等部份，以利於逐步找到問題的適切解決 方案。

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三、 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動教學設計

鼠夾車（mousetrap car）係利用捕鼠夾來當作動力，運用能量轉換的原 理使車子前進。透過捕鼠夾的運作機制，進行拆解、安裝、改裝、製作與 探究，在設計與製作鼠夾車的活動過程中，學生可以結合科學、科技、工 程及數學領域的相關知能，培養工程設計思考與實作能力。

（一） 科學概念（S）：

在鼠夾車設計製作活動中，需要利用捕鼠夾來做動力的驅動，而其中 學生會運用到槓桿原理、能量轉換及牛頓運動定律的概念來設計鼠夾車：

1. 槓桿原理

槓桿（lever）是簡單機械的一種，日常生活中常用的剪刀、鑷子等工 具，只要是可以繞著一個固定點轉動的棍子（或橫木），都可以說是槓桿原 理的應用。槓桿上固定的點稱為支點，在棍上用力的點稱為施力點，放置 重物或者是反應的點稱為抗力點。其利用攻能守恆“功（W） = 力（F）

× 位移（S）”，運用在鼠夾車的製作上可以計算出釣魚線或棉繩綑綁在車 體上與軸心之間能帶動輪軸的推進關係。

可利用 Siegler（1976）所提出的天平橫桿問題（天平橫桿如圖 2-3），

以重量與距離的乘積來判斷，探討乘積較大的會下傾，進而理解鼠夾車所 產生的槓桿現象。

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圖2-3 Siegler 的天平橫桿實驗圖

資料來源：Siegler, R. S. (1976). Three aspects of cognitive development* 1. Cognitive Psychology, 8(4), 481-520.

2. 能量轉換

物體因位置或所處狀態都具有位能，比方說射箭選手施力於弦上，弦 的形狀發生改變，此時選手肌肉消耗的化學能，則以彈力位能的形式貯存 在弦中，當手放開時，弦將彈力位能轉換成箭的動能，而將箭射出。而鼠 夾車正是將彈簧的能量轉移到車體上，藉由能量轉換的方式產生另一種或 多種形式的能量。

（二） 科技概念（T）：

鼠夾車的設計過程中，學生會透過小組合作，並運用製圖的能力來繪 製鼠夾車的草圖；在製作的過程中，再以工具與簡單機械進行操作，以完 成作品。

1. 基本圖學

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學生需運用基礎圖學的基本概念及識圖能力，同時運用各種圖學符號 及正確地使用製圖儀器，以繪製準確的鼠夾車製作草圖。

2. 使用工具與材料

製作鼠夾車時，學生必須選用工具、材料及簡單機具等來完成及草圖 之構想，在此之前，教師要教導其正確的操作方式與介紹材料的性質；製 作過程中，亦須從旁輔助小組的加工流程及提醒注意事項。

（三） 工程概念（E）：

在日常生活中，我們常常是憑「直覺」（intuition）解決問題，但若能透 過策略分析和知識運用，再依循明確步驟進行，應更能有效解決日常生活 問題（Baumann & Kuhl, 2002）。因此，工程設計流程在製作過程中，顯得 非常重要，它教導學生組織想法並根據目的做出判斷，發展學生具有品質 較高的問題解決能力（Hynes, et al., 2011）。製作鼠夾車的過程亦需了解簡 單機構的原理，同時選擇適切的材料以完成設計構想。根據工程設計流 程，鼠夾車設計與製作的教學程序如表 2-4。

表 2-4 鼠夾車工程設計流程

工程設計流程 運用在鼠夾車的設計與製作