STEM

本節為針對 STEM 的相關文獻進行探討，分別探討 STEM 意涵、STEM 教 學、幼兒STEM 與科學探究能力之關係，茲分別說明如下：

一、 STEM 意涵

STEM 起源於 1986 年美國國家科學委員會所提出，分別有四個領域為 Science(科學)、Technology(科技)、Engineering(工程)以及 Math(數學)主要目的 為在這四個領域中的專業中培養國家人才，以利提升國家的競爭力(李宛瑜，

2019)，美國國家科學研究委員會(United States National Research Council)在 2014 年STEM 學科的定義，分敘如下(Bybee,2019)：

(一) 科學(Science)：是對自然世界中現象的研究，包括物理學、化學、生物 學、地球和太空科學，科學既是知識的主體，也是知識的主體產生新知 識的過程（科學探究），科學知識可指導工程設計過程。

(二) 技術(Technology)：包括人員和組織的系統、創造以及操作技術，許多 現代技術是科學的產物工程和技術工具。

(三) 工程(Engineering)：有關於設計的知識體系，也是創造產品以及產生問 題解決的過程，常使用科學和數學中的概念以及技術工具。

(四) 數學(Math)：研究數量和空間，與科學並不相同，科學是憑經驗證據來 支持，數學中則主張用邏輯論證來確認假設。

美國之所以開始提倡STEM 以提升國家人才的原因在於，在世界 PISA 競賽 落後以及在經濟環境上對於人才培育上的需求，並且在業界方面也開始重視問題 解決能力，因此請求政府委託美國國家科學院(United States National Academy of Sciences[NAS]) 並且在 2015 和 2016 年進行 STEM 的推廣(張仁家、林癸妙，

2019)。

Bybee(2010)指出，通常 STEM 素養包括概念的理解和科學探究程序能力，

並且解決科學、科技、工程、數學的問題，Sanders 和 Wells(2006)對 STEM 的定

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義為，STEM 教育是指整合科學和數學的概念以及技術和工程教育概念實踐的教 育，這四個學科不可獨立進行，必須統整。

在2013 年，美國在新世代科學標準(NGSS)發布，STEM 強調科學探究以及 工程設計，並要求K-12 年級的學生具有將跨科學領域的廣泛概念聯繫起來的能 力(DeJarnette, 2018)。

二、STEM 教學

范斯淳和游光昭(2016)指出在課程設計與教學實踐上，有三種可行的 STEM 課程設計模式，第一種為「STEM 課程是以工程設計的專題，輔以系列的問題解 決導向或探究導向的實作活動所組成」；第二種為「透過 STEM 學科間的協同教 學，由科技教師與其他學科教師共同合作透過科技議題來串連各科之間的知識內 涵」。第三種為「結合科學、數學及科技等學科的教師與專家組成專業發展團隊，

教師彼此協助發展各自適用之 STEM 課程，而專家則提供專業領域知識的諮詢」

，范斯淳、楊錦心(2012)指出 STEM 課程中，實作學習(hands-on learning)：「是 透過工程設計歷程的實踐及科技工具與技術的應用，提供學生做中學的機會」； 心智學習(minds-on learning)：「則是透過科學探究與數學分析的系統性思考，引 導學生找出學科知識與真實情境問題解決的連結」，藉由兩者的融合，可以幫助 學生提升問題解決能力。

Sanders(2008)認為 STEM 教學的目標則需採用的教學方式為探究教學法，

吸引學生形成團隊，進行科學探究，進而解決工程上的技術問題，陳家騏和古建 國(2017)指出 STEM 課程則適合採用分組合作學習去進行科學探究的活動，探究 式教學強調教師需要適時地提供鷹架，Randy , Smetana 和 Binns (2005)則指出選 擇合適的探究式教學模式有四個階層，分別是驗證性探究(Confirmation inquiry)、

結構式探究(structured inquiry)、引導式探究(guided inquiry)與開放式探究(open inquiry)，以下分別敘述：

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(一)驗證性探究：教師提供問題和程序給學生，但預期結果是教師事先知 道的。

(二)結構化探究：教師提出探究問題以及提供解決方法，學生則進行調 查。

(三)引導性探究：教師提出問題，但留下了方法和解決方案給學生探究，

此目的為要求學生設計或選擇進行調查的程序。

(四)開放性探究：完全由學生調查和提出與主題相關的問題，並使用他們 的自己的程序。

《美國國家科學教育標準》也指出，引導式探究能幫助學生學習探究能力 的方式(NRC，1996)。在團隊學習的過程中，幼兒能與同儕彼此相互幫忙以及 從個人的建構作品再進行到團隊的共同建構作品，並且相互溝通彼此分享，從 中學習問題解決和進行科學探究的實作活動，周淑惠(1998)也認同引導式探究 法，幼兒的科學學習並不是放任學習，而是教師需要有結構性的課程，讓幼兒 運用心智去發現科學概念和原則。

Morrison（2006）指出，根據 STEM 的教育特徵為「問題解決」、「探究取向」、

「工程活動」，學生透過STEM 教育學習後，將成為問題解決者、邏輯思想家以 及擁有技術素養。

綜觀上述，本研究採用STEM 教學模式為，以 KAPLA 積木為主軸，採用團 隊合作的學習方式，並且使用引導性的探究方式，由教師事先安排引發幼兒的好 奇心，而幼兒因年齡層較低的關係，且缺乏科學探究經驗，需要教師介入活動過 程較高，因此活動過程依老師安排的問題進行研究，發展的探究教學。

三、幼兒STEM 與科學探究能力

幼兒園 STEM 教育中是強調如何讓幼兒透過科學探究實現自己的想法，表 現幼兒對問題解決的思考，並不是強調S、T、E、M 的學科內容知識，而是重在

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鼓勵幼兒的好奇心(趙一侖，2019)，而周淑惠(2018)認為幼兒 STEM 教育之特徵 與做法具有「解決問題」、「探究取向」、「工程活動」、「統整課程」，表2-4-1 為幼

DeJarnette(2018)認為，對於幼兒來說，STEM 的概念並不難，只要在過程中 有堅持和決心，幼兒自然而然會不斷的嘗試，直到找出可實踐的方式，並且如同 計畫、LEGO®Engineering 計畫等，與 STEM 中的 T(技術)與 E(工程)相關。

Perfetto、Bransford 和 Franks（1983）認為，大多數的解決問題情況都涉及 問題解決者在原先不瞭解地情況之下，他們原先沒有相關概念以及任何線索或提 示，進行解決問題的方案，因此他們可以自我創造潛力問題解決方案的答案。

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解決問題的過程中，包含「表達」，為該問題與他或她現有的知識結構直接 相關問題的內容；「理解」為將先前所學到的概念轉移到解決目前問題的方法，

如同STEM 的跨領域程序，須將概念的學習延伸到跨領域，例如：科學或技術，

將促進對概念的學習到其他領域，例如：數學或工程；「認知技能」為解決問題 中，思考使用合適的策略；「經驗」為不同的人有不同的概念知識，並將對其產 生不同的關聯知識(Dixon，2012)。

綜觀上述，幼兒的 STEM 教育特徵有「解決問題」、「探究取向」、「工程活 動」、「統整課程」這四大項，在「工程活動」的部分，幼兒必須在空間、形狀、

大小和材料，以及數量與重量的限制下進行工程設計；在「解決問題」的部分，

幼兒進行實際的操作，進而參與解決問題的過程，與T(技術)、E(工程)相關，並 且在原先不知道可以如何解決方法時，幼兒能有更多的想像的空間，嘗試各種方 案，並且以「表達」、「理解」、「認知技能」、「經驗」，從中找出最適合解決問題 的方案，本研究的研究題目為「運用STEM 教育與積木建構提升幼兒的科學探究 能力」，因此根據幼兒STEM 之特徵與做法進行研究。

四、小結

STEM 分別有四個領域為 Science(科學)、Technology(科技)、Engineering(工 程)以及Math(數學)，而這四個領域不可分別進行，必須跨領域統整，其中也包 含概念的理解和科學探究程序能力，以及三種不同的STEM 教學模式，分別為以

「問題解決導向或探究導向的實作活動」、「教師共同合作，透過科技議題來串連 各科之間的知識內涵」以及「教師與專家組成專業發展團隊，彼此協助適用的 STEM 課程」，在 STEM 教學目標上，採用的教學法為探究教學法，首先使學生 成為一個團隊，再進行科學探究來解決問題，而幼兒的STEM 教育特徵為「解決 問題」、「探究取向」、「工程活動」、「統整課程」，是在培養經由科學探究和思考 來解決問題，需要藉由教師搭鷹架，教師則需要提出問題，並且留下方法和解決

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進行整理，做為本研究在研究結果之對應，如表 2-5-1、2-5-2、2-5-3、2-5-4、2-5-5。