STEM 課程統整模式的意涵

課程統整類型中的主題式統整，就是以一種主題為中心，不考慮 學科的界限，將與該主題有關的知識、經驗、活動等組織起來，而發 展出主題式之學習活動。STEM 課程統整模式屬於主題式課程統整 的方式，將科學、科技、工程及數學等相關課程整合在一起學習，使 學生學習到統整且完整的知識，並期望能運用課堂所學於日常生活 中。

本節將對 STEM 課程統整模式之定義、STEM 課程統整模式的 發展以及 STEM 課程統整模式的型態進行文獻探討，以瞭解 STEM 課程統整模式的定義與型態。

一、STEM 課程統整模式的定義

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STEM 課程統整模式是一種強調科際合作的課程統整模式，其 中 science 代表科學，technology 代表科技，engineering 代表工程，

mathematics 代表數學，故 STEM 課程統整模式就是將科學、科技、

工程、數學互相整合的一種整合課程，而整合的部份包括課程內容、

教學活動，讓學生能夠學習到系統化的知識，並讓學生從中培養知識 統整與問題解決的能力。

STEM 課程統整模式是融合科學探索、科技方法、工程設計與 數學計算之課程統整模式，整合的部分包含課程內容、教學活動。其 中「科學」(science, S) 注重探討「為什麼」，是追求及探索大自然的 原理；「科技」(technology, T) 注重在「如何做」，是將在工程中所設 計的工具，真實地製造來以便利人們的生活；「工程」(engineering, E) 是利用科學的發現，而去設計所需要的相關工具；「數學」(mathematics, M) 是獲取科學知識的基礎，是進行分析統計的工具（蔡蕙文，2008；

Massachusetts Department of Education, 2001）。

然而科學、科技、工程與數學各科之間彼此有強烈的關係，科學 倚靠科技發展、測試來驗證諸多自然的現象、定律與原則；而科技也 藉由科學來瞭解自然世界各種物質的功能與結構；工程則是利用科學 的發現去設計實際生活所需要的工具；最後在科學的研究需要數學作 為工具、需要某些數學的定理作為基礎，而許多的科學定律最終目的 在於導出一項數學公式。

因此，運用 STEM 課程統整模式對國中學生在科學（自然）、科 技、工程與數學之課程統整學習的學習態度與學習成效上會有正面的 功效（羅希哲、陳柏豪、石儒居、蔡華齡及蔡慧音，2009）。學生可 以藉由 STEM 課程統整模式以瞭解複雜的科技、工程的概念，以及 解決在科技、工程方面所遇到的複雜問題(National Academy of

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Education [NAE], 2014)。因此透過 STEM 的課程統整模式，學生可 以更容易理解複雜的工程、科技的概念，並將所習得的概念，用以解 決所遇到的科技、工程問題。Poth, Barger, and Gilbert(2005)在進行 STEM 學習活動以後發現學生能夠進行解析問題以及有系統地的將 作品完成。故透過 STEM 課程統整模式的學習活動可以使得學生在 思考問題時更加有邏輯，並且能夠有系統地將老師所指派的工作任務 完成。

本研究對 STEM 課程統整模式發展的主題式學習活動，針對工 程問題解決及配合自然科學、科技和數學等相關知識，進行主題式教 學活動，內容包括生活科技的基礎知識、如何與自然科學和工程問題 解決與原理之間的連結及計算的能力增強。

二、STEM 課程統整模式的發展

依據文獻資料，美國麻州最早實施 STEM 課程統整模式之課程，

麻州教育單位於 1995 年批准了麻州 STEM 課程統整模式的課程架構，

並於 1998 年在四年級、八年級及十年級開始實施。在 2001 年 12 月 麻州教育單位再次修改 1995 年的課程架構，並將學習階段分為二年 級以前、三至五年級、六至八年級及中學階段等四個階段，簡稱為 K-12 科學、科技、工程和數學教育，並將學習內容組合成四個學習 的科目，(1)地球科學；(2)生物；(3)物理與化學；(4)工程與科技 (Massachusetts Department of Education, 2006)。

近年來美國相關研究報告書(National Governors Association [NGA], 2007)指出 STEM 課程統整模式的學科整合之素養與能力的 培育，對於美國保持未來經濟競爭力與創新能力有密切相關。歐巴馬 於 2009 年就任美國總統之時，在《美國振興及再投資法案》（American Recovery and Reinvestment Act，ARRA），以及「奔向顛峰」(Race to the

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Top, RttT)中強調 STEM 課程統整模式的重要性，並多次公開指出：

STEM 課程統整模式教育是國家經濟強勁復甦的關鍵因素（張佳琳，

2013）。

歐巴馬於 2013 年發表國情咨文時，再次提到 STEM 課程統整模 式的重要性，鼓勵學校採納能讓學生準備好就業的課程，讓學校培育 的畢業生更具備高科技經濟需求的能力，以及創造能聚焦在科學、科 技、工程、數學課程整合教學的學校，這些是當前雇主所需要用以補 足現在及未來職缺人力所需之能力(The White House, 2013)。

因此，美國教育界近年來興起一股 STEM 課程統整模式教育熱 潮，STEM 課程統整模式變得越來越重要，不僅全美各地有關 STEM 課程統整模式的教育機構、協會、組織不斷地成立，各州也都積極成 立相關的諮詢委員會，投入強化 STEM 課程統整模式之課程及師資 的政策規劃與執行，以加強 STEM 課程統整模式的教育推展成效 (Dugger Jr., 2010)。

主導美國科技教育之國際科技教育學會(International Technology Education Association, ITEA)大力推動融入工程教育與 STEM 課程 整合之教育，甚至於 2010 年正式將學會名稱更改為國際科技與工程 教育學會（International Technology and Engineering Educators

Association, ITEEA），以顯示 STEM 課程統整模式之教育理念的重要 性。因此藉由美國政府的推動與學會的宣導，到目前為止，已經有許 多的學校從小學、中學、以致大學，都實施 STEM 課程統整模式的 整合式課程，讓學生提早對科學、數學、工程和科技產生興趣進而加 入並進行相關研究。

美國現在正大力推廣 STEM 課程統整模式之課程，而在臺灣目 前的課程架構雖然為科際統整的學習領域架構，但在課程實施上，大

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多還是回歸傳統的分科教學，因此本研究將試著將 STEM 課程統整 模式導入生活科技教學中，探討其對於學生學習成效的影響。

三、STEM 課程統整模式的型態

STEMTEC 教育協會(Science, Technology, Engineering, and Mathematics Teacher Education Collaborative)指出教師必須能夠利用 在各方面學科知識和技能的相關概念進行課程設計，以求學生在學習 時能夠主動思考並建構出科學、科技、工程與數學間彼此的相互關係，

而達到系統整合與應用的目標(The New York State Systemic Initiative, 1997)。因此在學生學習的過程中，希望能打破學科間彼此的界限，

妥善地運用課程統整的方式，將科學、科技、工程與數學學科之間的 內容做連結，以強化學生知識的統整。

所以教師在進行 STEM 課程統整設計時，必須要打破各學科間 的界限，進行主題式統整課程設計，將與選定主題有關的知識、經驗、

活動等組織起來，而發展出主題式學習活動。

蔡蕙文（2008）認為 STEM 統整課程設計可以分為連結型與整 合型，如圖 2-2 所示：

圖 2-2 STEM 的整合模式

資料來源：出自蔡蕙文（2008：29）

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其中，連結型的方式能更細分成不同型態，如：STEM、TSEM、

ESTM 及 MSTE，如圖 2-3 所示：

圖 2-3 STEM 連結型模式

資料來源：出自蔡蕙文（2008：29）

本研究參考 STEM 整合模式，並發展成 STEM 課程統整學習活 動，針對工程問題解決及配合自然科學、科技和數學等相關知識，進 行教學活動，內容包括生活科技的基礎知識、如何與自然科學和工程 問題解決與原理之間的連結及計算的能力增強，將四種概念統整學習，

如圖 2-4 STEM 課程統整模式所示：

圖 2-4 STEM 課程統整模式

STEM 取向的科技課程則以工程之問題解決為主軸，再輔以科 技設計、數學與科學相關知識，發展整合教學活動，以工程的問題解 決為活動之主軸，並期望學生在活動中能整合運用科學與數學相關知 識。

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四、STEM 課程統整的實施

STEM 課程統整的實施其中包含了實施方式、學習目標及教學評 量三個項目，以下就這三個項目作探討。

(一) 實施方式

教師在教學實施的同時須針對課程目標做到以下的事項 (The New York State Systemic Initiative, NYSSI,1997)：課程的 實施以整合式活動進行為主要教學方式，利用主題方式來整 合科學、科技、工程與數學等學科知識與學習態度。而 STEM 學習活動組織範例，如下表 2-1 所示：

27 資料來源：修改自蔡蕙文（2008：31）

(二) 學習目標

本研究藉由實施 STEM 學習活動，目的要讓學生學到各 種的學習目標，本研究整理出 STEM 學習活動之學習目標，

以下將分科分項描述（蔡蕙文，2008；Massachusetts Department of Education, 2001；New York State Education Department, NYSED, 2001）：

1. 科學：(1)科學探索的主要目的在於一個持續且創造性的過 程中培養對自然現象的解釋；(2)在使用推論及全體意見之 外，科學的探索還牽涉到結果測試、傳統技巧及程序使用，

而且經常需要透過設計的方式；(3)地球與天體的現象能夠

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靠著相關設計的方式和展望描述出來；(4)我們在地球上所 觀察到的現象，牽涉到空氣、水和土地等三元素之間的交 互作用；(5)瞭解物體是由許多粒子所組成的，其特性決定 了物體的可觀察的特徵和它的反應；(6)能源和物體經由力 量交互作用時，結果將在物體上產生變化。

2. 科技：(1)瞭解生活科技之運輸科技系統的內涵；(2)能夠 進行有效率的解決問題工作；(3)收集和處理訊息資訊：由 印刷的媒介中取得資訊、電子資料的基礎、社區資源並使 用資訊以發展對問題可能的解決方法；(4)產生和分析構想：

為了解決問題而發展構想、調查構想、收集資料和顯示資 料間的各種關係與型式；(5)概念實現：實際做出並建構要 素或模型，發展解決方法或者與評估結果；(6)表達結果：

善用不同的媒體以表達解決方法和傳達結果。

3. 工程：(1)確認並解釋工程設計過程，即確認問題、研究問 題、發展可能的解決方案、選擇最佳解決方案、製作原型、

測試並且評估、發表這個解決方案或重新設計；(2)瞭解製

測試並且評估、發表這個解決方案或重新設計；(2)瞭解製