STEM教學應用於高中探究與實作課程之行動研究—以摩擦力為例

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STEM 教學應用於高中探究與實作課程之行動研究

—以摩擦力為例

陳家騏

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**_{* 古建國}**

2 1_{新北市立錦和高級中學物理科} 2_{臺北市立大學應用物理暨化學系} *通訊作者：tom49433016@gmail.com （投稿日期：民國 106 年 07 月 14 日，接受日期：106 年 12 月 06 日）摘要：本研究以訪談探究高中教師及學生對 STEM 教學的看法後，再以 ADDIE 系統化教學設計模式，開發設計高中摩擦力議題的 STEM 課程及教材，最後以探究式教學法實施後並進行分析高中摩擦力議題 STEM 教學的學習成效。本研究以新北市某公立完全中學，選修特色課程「趣味科學」之高一學生 52 人(男：48，女：4)，進行每週 2 節課，為期 6 週，共 12 節課之教學觀察，採質性為主、量化為輔的行動研究法進行，教學前以訪談了解專業教師及學生對於高中摩擦力議題 STEM 教學的看法，以配合文獻探討，進行課程、教材及研究工具的設計發展。教學實施期間，以教師觀察紀錄、學生作業等質性資料觀察記錄研究對象的變化。教學實施前後，對研究對象施測以探究其科學態度在教學前後產生的變化(以相依樣本 t 檢定分析)，研究對象的「對科學的自信心」在教學後有顯著成長，顯著性為.011(<.05)；「主動性」和「正向態度養成」整體未呈現顯著差異 (顯著性分別為.651 和.051)，但另取高分組及低分組再進行分析後發現：高分組的「主動性」在教學後有顯著提升，顯著性為.000，「正向態度養成」有差異但未達顯著(顯著性.097)；低分組的「主動性」及「正向態度養成」教學後皆顯著退步 (顯著性分別為.005 及.000)。在教學結束 1 個月後，分別對研究對象以及非研究對象之同年級學生施以學習成就評量後，將成績進行單因子共變數分析，結果顯示研究對象的學習成就顯著優於非研究對象(顯著性.000)。最後將蒐集的質性資料結合統計數據進行三角校正後，提出以下結論：摩擦力議題的 STEM 教學對研對象整體的科學態度以及學習成就皆有正向影響，但低分組出現退步的現象值得後續研究探討。建議若要在高中實施 STEM 教學，則應分組合作學習的科學探究，並以高一學生為實施對象，且班級人數不可過多。探究與實作課程需適度開放實驗的變因和討論內容建議教學前需先訓練學生科學探究的基本能力。教師的主要任務為事前的安排和規劃，並在教學進實行時引導學生。關鍵詞：STEM、摩擦力、探究與實作 10.6212/CPE.2017.1802.02

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壹、前言

臺灣的大學入學考試依據課綱內容命題，透過筆試成績選才。這樣的升學考試模式著重知識的背誦、記憶以及公式的套用，因此行為學派教學策略為高中校園中普遍的教學方式。行為學派教學策略固然有其長處，如教師以其專業主導課程、充分利用課堂時間、學生可在短時間內被灌輸大量知識。科學知識固然是科學素養的其中一個面向，而行為學派的教學策略亦有其長處，而標準化選擇題型的評量當然也有其優點，然而，習慣「確定性問題」的學生如何面對未來的不確定性？喜歡跟著指定步驟然後得到標準的「正確」答案的學生，如何解決沒有標準答案的問題？例如不同條件下的最佳方案。對於複雜大自然的理解、實際動手做的知識及技能，都能化約成選擇題的選項嗎？在網路無遠弗屆的現在和未來，知識取得的門檻和過去相比大幅降低，在這樣的時代背景下，或許科學素養的培養或許應該由知識導向，轉變為訊息判斷的訓練以及科學探究方法與技能的掌握。於是，在新課綱中有了「探究與實作」課程。關於探究與實作課程，已有不少位專家學者提出具體的執行要點，例如以跨學科的知識來承載探究能力(陳竹亭，2016)，使學生體驗以實做連結探究思考的跨科課程設計(劉湘瑤， 2016)。探究與實作課程中的實驗活動主題選擇應以「可以做」和「取材自生活」為優先考量，要先了解學習者的知識及能力背景、需求、興趣後，再訂定學習目標及規劃教材、評量(陳竹亭，2016)。基於前述的考量，有什麼主題適合作為課程的主題？作者想到的是「摩擦力」。「摩擦力」此一主題，是自然科學中少數從國小到高中，一路循序漸進、按部就班介紹的典型(小學六年級以生活直觀切入做淺略的定性介紹，國中二年級深入定性介紹，到了高一複習定性、銜接定量)(九年一貫自然與生活科技課程綱要)( 普通高級中學必修科目「基礎物理」課程綱要)。這樣的螺旋式課程安排理應使高一學生對摩擦力有深刻的認識和了解，但事實上高一學生僅能掌握有關摩擦力的記憶性知識，若是要深入探究其中的細節，或是討論在日常生活中的應用，則大多數人知其然卻不知其所以然。另一方面，作者接觸了在數年前美國發展了一種結合了 Science (S)、Technology (T)、Engineering (E)及 Mathematics (M)等四個向度的整合式教學模式，稱為「STEM」。透過發展包含了 Science、Technology、Engineering 及 Mathematics 等四個向度的 STEM 課程，再以探究式教學法實施或許可滿足讓在學生學習基礎知識後，能繼續進行衍生學習的整合性、延續性課程需求，使學生能夠從更廣的角度、更多元的可能性去探求問題的本質，進而使學生的科學素養能夠有所增長(教育部，2014)，進而讓學生提升實現夢想的能力。基於前述的研究背景與動機，作者以 ADDIE 系統化教學設計模式，設計一個以「摩擦力」為主題的 STEM 課程後實施並進行研究「高中教師及學生對摩擦力議題 STEM 教學的看法為何？」以及「高中摩擦力議題的 STEM 教學的學習成效為何？」。

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貳、摩擦力議題的 STEM 教學

一、STEM 教學(STEM education)

美國馬里蘭州教育部門如此定義 STEM 教學(Maryland State Board of Education，2012)： STEM education is an approach to teaching and learning that integrates the content and skills of science, technology, engineering, and mathematics.

顯示 STEM 教學是一種整合 Science (S)、Technology (T)、Engineering (E)及 Mathematics (M) 等四個向度的知識內容及技能的教學模式，在執行上特別強調要結合「探究」(Engage in Inquiry)。

丁杰、蔡蘇、江丰光、余勝泉(2013)在第二屆 STEM 國際教育大會述評中引述了 Berry 對 STEM 的看法，認為 STEM 教學是一種將科學、科技、工程及數學等四種學科領域緊密相連，以整合方式進行教學，使學生建立正確科學概念與技能，以解決生活中所面臨問題的跨領域學習。並提出有三種模式可實施之：教師為中心教學模式 (The Teacher Project Approach)、學生為中心教學模式(The Student Project Approach)以及學生自主學習模式(Using Student Led Project as the Curriculum)。

林坤誼(2014)指出人們相信透過動手實作活動可以培養整合理論與實務的能力，但有其他相關研究顯示，即便是透過動手實作活動學習，也不一定能夠在動手實作活動的歷程中培養出整合理論與實務的能力。所以建議推動 STEM 科際整合教育時，應將理論導向的設計、科學探究等教學策略融入動手實作過程中，以整合 STEM 知識與實務。范斯淳和游光昭(2016) 亦特別指出 STEM 課程要著重在實作學習(hands-on learning)以及心智學習(minds-on learning)

的平衡。黃聲輝(2016)這樣描述 STEM 教學：「STEM 將數個面向的獨立知識，透過動手實作的過程，轉化成一個科學探究問題的交互作用，不只是將科學與工程結合，還需要意識到梳理這些問題之間的關係時，不能孤立其中任何一個部分。而在這樣的交互作用中，去實現更深層次的理解性學習。」綜合以上論述可發現：STEM 是一種整合知識和實務的教學模式，設計議題時需要考量四個領域的交互作用。另有若干位學者在研究後對 STEM 教學提出了具體的實施要點，例如陳柏豪(2007)認為教學者在進行 STEM 教學前必須要熟悉課程主題之間的聯繫，並了解學生程度，避免教材內容和學生程度有落差，造成課程不順及學習狀況不佳；在課程進行時要給學生足夠的時間思考、討論以及摸索實作，同時避免有學生落單不參與。蔡蕙文(2007)亦提到了 STEM 教學進行前要確認學生具備的相關基礎知識與技能，否則可能導致課程無法順利進行或學生學習狀況不佳。關於 STEM 課程的操作方式，周恆奇(2015)在其研究成果中提到了學生期望採取分組合作學習模式，以及要安排動手操作及多元化評量，並建議應以小組合作學習進行課程，並增加動手操作的體驗。孫志強(2015)的研究也提到了合作學習可以提升學習樂趣。關於 STEM 教學的實施成效，莊舜元(2009)發現 STEM 教學可促進學生的組內合作關係。劉一慧(2012)發現 STEM 教學可整合學生學到的科學、科技、工程、數學之相關知能。林怡廷(2015)發現 STEM 課程可引發創意、培養問題解決以及培養跨領域整合能力，對科學

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態度及過程技能上也有正向影響，而周恆奇(2015)的研究也有類似的發現。為突顯 STEM 教學的特徵，前人的研究大多採用分組合作的科學探究進行，本研究亦將採取此一模式。另外，有幾篇研究提到教學者務必要熟悉並把握住主題，若教材內容和學生先備知識差異太大，將造成課程進行不順及學生學習狀況不佳，本研究在進行課程及教材內容的安排上將力求把握此一要點。

二、探究式教學與科學動手做

美國國家研究委員會 (National Research Council(NRC) ， 1996) 於科學教育課程標準 (National Science Education Standards)中，明確定義科學探究(science inquiry)一詞。對科學家來說，科學探究是研究(觀察、實驗)自然世界後，再根據獲得的資訊(數據、依據)提出解釋的過程；對學生來說，科學探究也可以是從學習活動中發展科學知識，以及了解科學家的研究方法之歷程。由以上敘述可知，科學探究牽涉多個面向，其中包含觀察、提出問題、規劃與進行實驗、蒐集與分析資料、根據資訊形成合理解釋，以及與他人溝通彼此的發現等等。而探究式教學(inquiry teaching)的主要內容為科學探究活動，依教師和學生在產生問題與解決問題的角色(以教師為中心或以學生為中心的比重)，可將探究式教學區分為食譜式實驗(確認已知結果的實驗)(confirmation)、結構式探究(structured inquiry)、引導式探究(guided inquiry)與開放式探究(open inquiry)。探究式教學不只是安排一連串的實作活動，還需要培養學生提問和推理的能力。NRC(2000)出版之探究與科學教育標準(Inquiry and the National Science Education Standards: A Guide for Teaching and Learning)中提到 9-12 年級的學生要進行科學探究應具備的基本能力為下列 5 點： 1. 能投入在科學導向的問題之中。 2. 能學會辨識可用來回答問題(支持或否定)的證據。 3. 能依據資訊(數據)產生解釋。 4. 能建立解釋與科學知識之間的關連。 5. 能與他人溝通以及形成合宜的主張。雖然目前已有許多研究支持探究式教學對學生的學習有正面的成效(Anderson，2002)，但亦有研究發現，並非將學生置於探究情境之中，學生就能主動並有效地建構出相關的科學知識與科學過程技能，若缺發教師適時提供引導及回饋，學生很難有顯著的進步(Wu & Hsieh，2006)。因此，探究式教學強調教師須適時地提供鷹架，並根據學生的先備知識選擇合適的探究式教學模式(食譜式、結構式、引導式或開放式)。結合科學探究與實作的跨領域學習，可提供學生統整的學習，培養獨立思考以及跨領域整合能力，最後達到解決問題的目標，使學生在未來有勇氣面對未知的問題及挑戰。故本研究的摩擦力議題 STEM 教學，將以結合科學探究與實作的跨領域學習方式進行，另因能力指標的明確可觀測，故本研究將抽象的科學態度與若干項能力對應，使得研究的觀察過程有清楚的依循。

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三、摩擦力議題相關參考著作

摩擦力是指接觸的兩物體有相對運動的趨勢時，發生在接觸面上的作用力，其方向總是與物體的運動方向相反。摩擦力產生的原因是因為表面不平整，當一物體在另一物體的表面上要被推動或是滑過時，必須翻越或刮擦這些表面的突起而需要力的作用(休伊特，2002)。欲拉動一個和另一物接觸的靜止物體時，若拉力太小則物體可能無法被拉動而處於靜力平衡。物體被拉動前的摩擦力，稱為靜摩擦力；互相接觸的兩物體若有相對運動的趨勢，但仍維持相對不動，則它們之間有靜摩擦力。當拉力增大至某一量值時，物體將被拉動，這是因為靜摩擦力有一最大值稱為「最大靜摩擦力」，要拉動物體必須克服之(簡麗賢，2010)。儘管高度拋光後的物體之表面看似光滑，但放大檢視時，仍可看出仍有許多細小的凹凸不平之處。當兩物體接觸放置時，(微觀的)粗糙稜邊造成的許多接觸點，被電力熔接在一起。由於融合點的數目正比於來自表面上將兩個接觸面擠壓在一起的力(正向力)，所以理論上最大靜摩擦力的強度正比於作用於物體上的正向力( Olenick, Apostol, Goodstein，2012)。

根據現行課綱(表 1)，台灣的學生在小學階段(六年級)學過的摩擦力相關內容為：察覺摩擦力會影響運動、摩擦力的大小與接觸面的性質有關，也知道物體受力的大小可由形變的程度得知(例如彈簧拉長)。到了國中階段，應認識了影響摩擦力的因素，以及靜力平衡的相關概念(國民中小學九年一貫課程綱要自然與生活科技領域)。高一時，則進一步學習更深入的摩擦力定性分析(普通高級中學必修科目「基礎物理」課程綱要)。由以上的摩擦力議題相關著作以及現行課綱可知：靜摩擦力的分析和動摩擦力相較之下，較為單純容易。又因學生學過「物體受力的大小可由形變的程度得知」以及靜力平衡的相關概念，故讓學生操作彈簧秤量測最大靜摩擦力進行比較應該是可行的，本研究中所指的摩擦力將聚焦在「最大靜摩擦力」上。另外，「最大靜摩擦力的強度和作用於物體上的正向力」的量化理論關係可做為延伸之定量建模的例子。

參、研究方法及工具

本研究採質性為主、量化為輔的行動研究法進行，研究對象為新北市某公立完全中學選修特色課程─趣味科學之高一學生。在教學實施前進行訪談研究，透過研究者自編之訪談大綱(表 6)了解專業教師及學生對於高中摩擦力議題 STEM 教學的看法，藉此了解課程、教材、評量方式以及在實際操作上應如何安排較為妥適。並分析摩擦力議題教學相關著作及課綱，了解前人對摩擦力議題的教學研究，以及國小、國中和高中有關摩擦力議題的相關教學內容後，並以之為依據，以 ADDIE 系統化教學設計模式設計課程教材(表 2、表 3)，並對研究樣本施以「科學態度問卷」(科學態度問卷採用李克特式五分等第量表格式，分為「非常同意」、「同意」、「普通」、「不同意」、「非常不同意」等五個選項，得分依序為 5、4、3、2、 1 分)的前測。另外選取一群非研究樣本學生，以課程實施前的物理段考成績為依據，與樣本群學生進行同質性檢定(確認樣本群及非樣本群在教學實施前，在學習成就上無顯著差異)。在教學實施的過程中，以教師觀察紀錄、學生作業等質性資料(圖 1~圖 7，為保護學生個資，圖中之學生姓名欄位、臉部均經過加工處理)，於課程實施期間密切觀察記錄研究對象的

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變化。結束後，以質性資料分析研究對象課前到課後發生的改變。課程實施結束後，對研究樣本施以「科學態度問卷」的後測，課程結束後 1 個月再對研究樣本群及非研究樣本群實施「學習成就測驗」(學習成就評量參考翰林版基礎物理(一)，選擇與本研究之摩擦力議題 STEM 教學相關的內容知識編製而成)。最後分析課程實施期間蒐集到的質性資料，搭配「科學態度問卷」的相依樣本 t 檢定結果，以及「學習成就測驗」的獨立樣本 t 檢定結果，探討樣本學生在進行高中摩擦力議題 STEM 教學後的學習成效。表 1：現行課綱各階段摩擦力議題教學相關學習內容國小國中高一課程內容平衡與不平衡： 3a.察覺物體受好幾個力的作用，仍可能保持平衡靜止不動。摩擦力的影響： 3c.察覺摩擦力會影響運動，摩擦力的大小與接觸面的性質有關。平衡 4b.知道達到平衡的物體所受合力為零、合力矩為零。摩擦力 4e.探討影響摩擦力的因素。三、物體的運動 2-2 說明日常生活中常見的摩擦力及彈簧力的性質。 資料來源：1.教育部(2008)，九年一貫課程綱要―自然與生活科技學習領域。 2.教育部(2010)，普通高級中學必修科目「基礎物理」課程綱要。表 2：高中摩擦力議題 STEM 教學之主概念與學習目標科學(S) 科技、技學 (實作，T) 工程(設計)(E) 數學(M) 主概念 1. 科學探究 2. 靜力平衡 3. 影響摩擦力 的因素 1. 輪胎設計時考慮的因素 2. 輪胎的種類鞋底紋路設計 1. 基礎數學分析 2. 建模學習目標 1. 認識並體驗科學探究歷程 2. 複習國中學過的靜力平衡概念 3. 透過靜力平衡的課程練習科學探究 4. 探究不同接觸面對摩擦力的影響 1. 認識不同功能取向的輪胎種類 2. 認識輪胎花紋設計時的考量 3. 動手操作實驗 4. 動手將設計的花紋雕刻在材料上練習設計出摩擦力最大的鞋底紋路 1. 練習操作 Excel 軟體基礎分析功能 2. 認識建模

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表 3：高中摩擦力議題 STEM 教學單元與對應內涵主題向度單元內涵主題備註科學 (S，原理) 科學探究認識科學探究和合作學習練習合作學習練習科學探究靜力平衡複習力的相關概念合作學習探究靜力平衡認識靜力平衡在物理學中的指導作用影響摩擦力的因素探究不同接觸面對摩擦力的影響科技 (T，實作) 輪胎設計認識輪胎設計時考慮的因素認識輪胎的種類動手做實驗動手操作實驗動手將設計的花紋雕刻在材料上工程 (E，設計、改良) 設計實驗設計實驗比較不同接觸面的摩擦力大小鞋底花紋設計設計出摩擦力最大的鞋底紋路數學 (M，分析、統計) 基礎數學分析基礎分析(數據分析、操作 Excel) 建模認識建模

肆、研究結果

一、高中師生對摩擦力議題 STEM 教學的看法

以下將以「高中摩擦力議題 STEM 教學之師生訪談大綱」對資深高中教師師以及非樣本群學生進行訪談後所蒐集的資料，將結果整理為執行方式及重點、教材內容、評量方式及要點和實施年段等四個向度：（一）高中摩擦力議題 STEM 教學之執行方式及重點 STEM 課程宜採取分組合作學習的科學探究策略實施，後續的教材設計亦配合教學實施策略安排。在執行時要留意彰顯此一教學策略之長處，而謹慎處理其短處。另外，講述式教學法為當下教師和學生都熟悉的教學策略，畢竟有些內容需要透過老師的說明和講解才會較清楚，但實施時著重使探究流程得以順暢進行，以及引導學生思考問題的互動式講述。而實驗方面，設計上緊扣食譜式實驗的優點：有效率以及步驟明確清楚，並以此為基礎並考量學生的程度試著開放實驗的變因和討論內容。老師的主要任務為事前的安排和規劃，以及在教學進實行時引導學生、觀察學生的反應後給予適當的協助，而非如行為學派教學策略中的單向知識灌輸。（二）高中摩擦力議題 STEM 教學之教材內容學生和資深教師以及專家學者皆認同食譜式實驗的流程清楚、明確，但也希望在 STEM 教學裡能有較為開放的討論探究。故教材的開發設計要把握的原則，便是有如食譜式實驗清楚的安排，但內容是符合學生程度的、較開放的科學探究。對於學生來

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說，探究是陌生的學習方式，所以若要以科學探究實施 STEM 教學，最好在正式課程開始前，先以幾個例子引導學生體驗、了解何謂科學探究，並訓練其基本能力。當有了明確的課程、教材安排，而學生具備了基本的探究能力之後，輔以動手操作的內容安排，或許缺乏效率或是有學生因不知所措而打混摸魚的開放性實驗缺點，大概就能獲得改善了。（三）高中摩擦力議題之 STEM 教學之評量方式及要點專家們建議實施 STEM 教學時，評量應多元化，但因考量評量的方便性，故本研究有部分評量為紙筆測驗，但評量內容改為較開放的問答題，或是設計成學習單和討論紀錄。另外，因為本研究的 STEM 教學目的為培養具體的能力，所以訂定了若干個能力指標，以對應評量的內容。但考量到紙筆測驗的侷限性，在課程進行時亦同時進行實際操作評量，由上課教師於各組間遊走觀察的方式評量。（四）高中摩擦力議題 STEM 教學之實施年段雖然有專家以及部分的學生因考量到沒有學過科學探究的概念和技能，認為 STEM 教學應延後至高二甚至高三再實施，但亦有學生和專家秉持「從小培養、慢慢累積」的觀點，認為應在高一趁早實施。而兩種看法各有其正當性，無分軒輊，於是作者繼續轉往文獻探究，發現陳柏豪(2007)在其研究中提到：要有足夠的時間讓學生進行思考、討論以及摸索實作。若考量現實因素，選擇高一學生實施應該較為恰當。

二、高中摩擦力議題 STEM 教學的學習成效

質性記錄資料顯示：部分研究對象由一開始的創意發想能力不足，可簡述專有名詞但難以用在論述表達中。能表現出一定程度的好奇心，但求知欲不高。除有部分同學不甚投入外，多數同學願意主動和其他組員合作、討論，但對問題的回答顯得侷限，難有更開放的討論。教學進行期間，有部分研究對象顯得退縮、不知所措。部分研究對象的報告能力和主動性顯得有增進。對於科學原理概念的掌握和課程實施前相比顯得有成長。實驗操作方面，會更注意實驗操作上的細節，亦有小組發揮創意，能不按指定的步驟進行實驗。在設計鞋底花紋時，會將學過的知識以及搜尋到參考資料，應用在鞋底的設計上。

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圖 6：學生展示雕刻的成品

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質性分析的結果顯示：高中摩擦力議題的 STEM 教學對部分研究對象的科學態度有正向影響，其對科學的自信心、主動性以及正向態度影響，皆有觀察到對應的外顯行為。而分析量化資料後的結果顯示：高中摩擦力議題的 STEM 教學對科學態度中的「對科學的自信心」在教學後有顯著成長(表 5、表 6)，但「主動性」和「正向態度養成」則出現了高分組和低分組不一致情況：高分組的「主動性」在教學後有顯著進步，「正向態度的養成」有成長但未達顯著；低分組則是在「主動性」和「正向態度養成」都有顯著退步(表 7、表 8)。推測原因有三種可能：一、低分組研究對象可能真的對科學探究沒有興趣。二、因長期以來接受知識灌輸，故對摩擦力議題 STEM 教學的模式不適應。三、低分組研究對象在填寫科學態度問卷時，未確實認真填答。「學習成就測驗」使用於研究樣本和非研究樣本的學習成就差異比較，故在課程實施前先檢驗研究樣本和非研究樣本具有質性的假設。表 4 中所呈現之變異數相等的 Levene 檢定結果顯示兩組學生的變異數差異顯著性為.553(>.05)，未達顯著差異，表示變異數相等為 Levene 檢定的合理假設。而在「假設變異數相等」的欄位中可發現兩組學生的顯著性為.353(>.05)，顯示研究樣本和非研究樣本的成績平均數沒有差異，意即兩組學生在課程實施前的學習成就測驗表現，未因屬於哪一個群體而有所差異。課程實施後的學習成就測驗經分析顯示：研究對象的平均分數顯著大於非研究對象的平均分數(表 9、表 10)。表 4：研究對象與非研究對象在教學前的學習成就測驗之獨立樣本 t 檢定結果變異數相等的 Levene 檢定平均數相等的 t 檢定 F 檢定顯著性 t 顯著性平均差異標準誤差假設變異數相等 .355 .553 .933 .353 1.693 1.816 不假設變異數相等 .944 .347 1.693 1.795 表 5：研究對象的科學態度前、後測各向度之描述性統計向度前/後測平均分數題數標準差平均數標準差對科學的自信心 (向度 A) 前測 3.656 4 .192 .096 後測 3.780 4 .159 .079 主動性 (向度 B) 前測 3.667 6 .159 .065 後測 3.708 6 .092 .037 正向態度養成 (向度 C) 前測 3.919 7 .173 .065 後測 3.846 7 .051 .019 註：「對科學的自信心(以下簡稱向度 A)」的後測得分高於前測；「主動性(以下簡稱向度 B)」的後測得分略高於前測；「正向態度養成(以下簡稱向度 C)」的前測得分略高於後測，出現了預期之外的結果。

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表 6：研究對象的科學態度前、後測各向度之描述性統計向度平均數差標準差平均數的標準差 t 值 顯著性對科學的自信心(A) 後前 .123 .043 .021 5.735 _.011 主動性(B) 後前 .042 .212 .087 .481 _.651 正向態度養成(C) 後前 -.073 .163 .062 -1.179 _.283 註：科學態度問卷進行相依樣本 t 檢定的結果可發現向度 A 的前、後測分數有顯著差異；向度 B 的前、後測分數沒有顯著差異；向度 C 的前、後測分數未達顯著差異。表 7：科學態度之 B、C 向度之高分組及低分組得分描述性統計向度組別前/後平均數人數標準差平均數標準差主動性(B) 高前 4.403 12 .365 .105 後 4.528 12 .353 .102 低前 3.125 12 .143 .041 後 2.986 12 .049 .014 正向態度養成(C) 高前 4.785 12 .268 .077 後 4.844 12 .207 .060 低前 3.288 12 .136 .039 後 3.047 12 .069 .020 註：向度 B 和向度 C 之高分組和低分組在執行摩擦力議題的 STEM 教學前後，有不同的分數變化趨勢，而此結果亦可解釋為何向度 B 和向度 C 的整體前、後測分數未達顯著差異。表 8：科學態度問卷 B、C 向度之高分組及低分組相依樣本 t 檢定結果註：向度 B 的高分組前、後測分數有顯著差異；向度 B 的低分組前、後測分數有顯著差異；向度 C 的高分組前、後測分數差異的顯著性為.097(>.05)，很難說向度 C 的高分組前、後測分數有顯著差異；向度 C 的高分組前、後測分數有顯著差異。表 9：研究樣本與非研究樣本的學習成就測驗之描述性統計組別個數平均數標準差平均數的標準誤研究對象 52 47.900 6.456 .913 非研究對象 60 43.250 6.459 .863 平均數標準差平均數的標準誤 t 值顯著性主動性 (B) 後高分前高分 .125 .076 5.735 5.735 .000 後低分前低分 -.139 .138 -3.490 -3.490 .005 正向態度養成(C) 後高分前高分 .059 .113 1.816 1.816 .097 後低分前低分 -.242 .112 -7.491 -7.491 .000

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表 10：研究對象與非研究對象的學習成就測驗之單因子共變數分析平方和 df 平均平方和 F 顯著性組間 571.160 1 571.160 13.696 .000

伍、結論

一、教師及學生對高中摩擦力議題 STEM 課程的看法

最依據對教師、專家以及學生等三方在課程前進行半結構式晤談得到的資訊，以及課程進行中教學者和合作教師的觀察，以及課程結束後學生的回饋，得出以下六點結論：（一）高中 STEM 教學採應分組合作學習的科學探究策略實施，後續的教材設計亦配合教學實施策略安排，建議以高一學生為實施對象。（二）講述式教學法為教師和學生都熟悉的教學策略，且有些內容需要透過老師說明講解，為使探究流程得以順暢進行以及引導學生思考問題，教學過程中有教學互動式的引導講述。（三）實驗安排原則為「有效率以及步驟明確」，並適度開放實驗的變因和討論內容。（四）正式課程開始前，要先引導學生體驗、了解科學探究，以訓練其基本能力。（五）教師的主要任務為事前的安排和規劃，以及在教學進實行時引導學生、觀察學生的反應後給予適當的協助。（六）評量建議部分以紙筆測驗實施，但內容改為較開放的問答題，或設計成學習單和討論紀錄。另在課程進行時亦同時進行實際操作等較具體的能力的觀察評量。

二、高中摩擦力議題 STEM 教學的學習成效

高中摩擦力議題的 STEM 教學對部分研究對象的科學態度有正向影響，其對科學的自信心、主動性以及正向態度影響，皆有觀察到對應的外顯行為。量化資料分析後的結果顯示對科學態度中的「對科學的自信心」在教學後有顯著成長，但「主動性」和「正向態度養成」則出現了高分組和低分組不一致情況：高分組的「主動性」在教學後有顯著進步，「正向態度的養成」有成長但未達顯著；低分組則是在「主動性」和「正向態度養成」都有顯著退步。故整體來看，研究對象高中摩擦力議題的 STEM 教學有顯著學習成效，但科學態度的低分組表現則需要後續的研究繼續深入探討。學習成就平均分數顯著高於非研究對象，顯示高中摩擦力議題 STEM 教學對摩擦力單元的學科成績的表現有正向影響。

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附錄

表 11：高中摩擦力議題 STEM 教學之師生訪談大綱的向度與對應子題向度問題教學與評量 1. 教「摩擦力」單元時，老師會如何教？用講述的還是會用其他的教學方式？會不會做實驗？ 2. 教(學)「摩擦力」單元時，希望培養哪些能力？如果可以培養實驗技能、數據分析、團隊合作、表達等能力，您的看法如何？是否有意願嘗試這樣的教學？ 3. 承 2.，對於以紙筆測驗來評量是否達成教學(學習)目標，你看法是？是否認為有需要調整或改良的部分？科學探究 4. 你認為實驗課程應該準備哪些資料？ (引導、教學、完整度) 5. 對於「食譜式實驗」，你的看法是？是否認為有需要調整或改良的部分？ 6. 你對於「團隊合作」和「科學探究」等元素融入實驗課程的看法如何？ STEM 7. 物理有原理(科學)也有應用(科技、工程)，亦有用到數學，依你的經驗，(學生)在這些層面的整合情況如何？如果在學習之後，(學生) 能設計實驗驗證理論，或是根據實驗的結果設計鞋底紋路，你是否喜歡這樣的課程？若時間允許，你是否有意願在課堂上實施(參與)這樣的教學活動？ 8. *就您所知，有沒有什麼方法可以提高學生的學習整合度？這些方法有什麼特徵？ 9. 在高中，如果要用科學探究法，實施一個整合科學、科技、工程及數學等 4 個向度的教學，應以哪個年段較合適？有沒有什麼要注意的地方？表 12：高中摩擦力議題 STEM 教學意見訪談大綱之效度來源類別服務單位職稱資深教師新北市某完全中學教師 2 人博士級教師專家學者臺北市某大學教授 2 人表 13：科學態度問卷之效度來源(資深教師及專家學者) 類別服務單位職稱資深教師新北市某完全中學教師 2 人博士級教師專家學者臺北市某大學教授 2 人表 14：科學態度問卷之整體可靠性統計量 Cronbach's α 值項目的個數 .903 17

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表 15：科學態度問卷的向度與對應描述向度描述對科學的自信心 (A) A-1 了解力(交互作用)與運動的基本概念 A-2 認識實驗在物理學中的地位和作用 A-3 會使用簡單的儀器進行實驗 A-4 能嘗試用運用物理知識粗略解釋一些自然現象及相關應用主動性 (B) B-1 會注意到實驗過程中有關操作和量測的細節問題 B-2 體驗過科學探究歷程 B-3 了解基本的科學研究方法 B-4 遇問題時能試著自行搜尋相關資訊(能自主學習、增能) B-5 能嘗試思考後發表自己的見解、將科學原理應用於日常生活的問題解決與改善 B-6 遇到問題時能主動循科學步驟嘗試解決正向態度養成 (C) C-1 能保持好奇心和求知欲，樂於探求自然界的規律和奧秘 C-2 願意試著用科學知識和實驗技能解決日常生活中的問題 C-3 具有勇於嘗試的科學態度和精神，以及質疑大眾傳媒傳播的科學訊息之意識 C-4 願意主動與他人合作、和他人交流自己的見解 C-5 具有勇於面對、修正錯誤的實事求是科學態度 C-6*發現錯誤時，應誠實面對 C-7 願意多接觸、了解科學新知及應用表 16：學習成就測驗之效度來源(資深教師及專家學者) 類別服務單位職稱資深教師新北市某完全中學教師 4 人博士級教師專家學者臺北市某大學教授表 17：學習成就測驗之整體可靠性統計量 Cronbach's 值項目的個數 .760 15

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The Action Research of Applying STEM Education to the

Teaching of Scientific Inquiry & Implementation─ "friction" as

an example

Chia-Chi Chen

1

* and Chien-Kuo Ku

2

1 _{Department of Physics, New Taipei Municipal Jin-he High School} 2 _{Department of Applied Physics and Chemistry, University of Taipei}

*

Corresponding author: tom49433016@gmail.com

Abstract

The study explores the views of high school teachers and students on STEM teaching, and then uses ADDIE systematic teaching design method to develop STEM curriculum and teaching materials for high school friction issue. Finally, the researcher analyzes the learning effects after teaching.

52 students (48 male and 4 female) who took the special course “interesting science” in a municipal high school in New Taipei City were selected to be the participants of this study. This study is a six-week action research which mainly adopted qualitative research and quantitative research as a supplement. The researcher interviewed the viewpoints of senior high teachers and students on STEM teaching of friction issue before teaching. In order to develope the materials and curriculums of STEM teaching, the researcher compared the result of interview with the references. The researcher made observation of how the students behaved during teaching. The records of teaching and other qualitative data, such as the assignments of the students were used to check the students' change after teaching. After teaching, the students’ attitude toward science was measured to see its change. (with the dependency sample t test analysis). The "self-confidence in science" of the students had significant growth after teaching. The significance is 011 (<.05); "initiative" and "development of positive attitude" of students did not show significant differences (significance are .651 and .051). The researcher decided to make further discussion by analyzing the high-score group and low-score group. It was found that the "Initiative" of high-score group was significantly improved after teaching, with a significance of .000. There is a difference on " development of positive attitude" but it is not significant (significance .097). "initiative" and " development of positive attitude" of low-score group are significantly regressed (significances are .005 and .000) after teaching. A month after the end of the teaching, the learning achievement test (by Analysis of Single Factor Variance) was performed on the participants and other students respectively. The results show that the learning achievement of the participants is significantly better tha the other students (significance is .000). Finally, the researcher combines qualitative data and the statistical data to make triangulation and give the following conclusions:

The results show that the STEM teaching of the friction issues has a positive effect on the attitude toward science and the learning achievement of the participants. However, the phenomenon of the regression of the low-score group is worthy conducting further research. It is suggested that if a teacher wants to implement STEM teaching in senior high school, he or she is supposed to conduct it with scientific inquiry of cooperative learning and to choose the tenth-grade students.

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The number of the participants can not be too large and the participants are required to be trained with scientific inquiry. The main task of the teacher is to make a plan in advance, guiding the students while the teaching is in progress.