STEM取向之機構玩具實作活動對國中生機械性向影響之行動研究

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(1)國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系碩士論文. STEM取向之機構玩具實作活動對國中生機械性向影響之行動研究. 研究生：游家綺指導教授：朱益賢. 中. 華民國. 一 O 六. 年七月.

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(3) 謝. 誌. 在師大的日子，一晃眼七年。從大學、實習到碩士班，一路上消說的感謝太多了，像是一段如梭的光陰，喜怒哀樂的滴滴點點就這麼一眨眼；亦如一段漫長的旅途，有好多好多故事想細細訴說，就這麼畢業了。謝謝父母，對我的栽培與無限的支持，電話那頭總是要我不要太累，回家時，總餵飽我的身心。謝謝一路上所遇見的師長，謝謝親朋好友的陪伴，陪著我大笑、聽著我大吐苦水，遠在德國詩潔、近在工作地旁的品佳、依倫、哿葳、承受最多喜怒的承燁，還有研究所中提水救火的宜婷、經政等人，以及教甄過程中的貴人立庭學長、珮馨、昌珣老師、美娟校長、琡芬老師、安安區抗戰聯盟等每位推手，謝謝仁愛國中的師長與學生，及經歷與回憶，讓我能在代理期間同時完成碩論。所有我所愛的人們、事物，成為我有力的後盾，同時也是前進的力量，無比珍貴。謝謝益賢老師，總是耐心、悉心地指導著迷糊的我。在研究所的過程中，我瞭解到當一個人有所想，努力去實現，不僅需要排除萬難、想方設法、更圓融地去解決去完成去實現，不論成與否，最重要的是過程。老師帶給我的，除了在研究方向的指導，更讓我有所獲得的是內心想法的成長，以及更益堅強的心志，期待能將這樣播在心裡的種，在未來人生路上澆以四面八方的滋養，長成茁壯的小樹，也能讓人兒熱的時候在樹下乘涼，累的時候休息，就這麼簡單快樂的一棵。赫然憶起以前升學考試寫的作文，漂流木的獨白，好似現在的我。如果我是漂流木，擱淺河床邊、沖流至小溪、徜徉於大海，親愛的你們，就是那一股推波助瀾。路途上有風有雨，亦晴亦朗，你們一個左推一個右擠地，將我推向廣闊的大海，在旅途上，啜飲前人們的經驗，乘載著你們傳遞的動力，也拾起每一分秒你們所帶給我的，至心裏。因為有你們，讓我能往更好的地方，繼續漂流。 i.

(4) ii.

(5) STEM取向之機構玩具實作活動對國中生機械性向影響之行動研究研究生：游家綺指導教授：朱益賢. 中文摘要本行動研究旨在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的問題。研究者發展STEM取向之機構玩具實作活動，探討本實作活動對機械性向的影響，以供未來國中生活科技課程參考。本研究為行動研究，採用教學實驗法做為研究方法，以某所臺北市立國中八年級的三個班級共83位學生為對象(其中56位學生為實驗組；27位學生為對照組)，進行十週的實作活動。在進行本實作活動後，對學生施測《國中新編多元性向測驗》，及《STEM取向之機構玩具實作活動接受度問卷》，研究發現：一、學生肯定STEM取向之機構玩具實作活動；二、STEM取向之機構玩具實作活動對於國中生機械性向的發展並無明顯增進，但提升學生的學習動機。本研究結論如下：一、實施STEM取向之機構玩具實作活動時遇到的困難與問題，宜在當下就獲得解決，並在解決的過程中培養學生整合的能力；二、STEM取向之機構玩具實作活動提升學生學習動機，對未來機械性向的發展有所幫助；三、STEM取向之機構玩具實作活動的實施順利，且學生高度肯定本活動。. 關鍵字：STEM、機構玩具、實作活動、機械性向、行動研究 iii.

(6) iv.

(7) Action Research of the Impact of STEM-based Mechanism Toy Hands-on Activity on Junior High School Students’ Mechanical Aptitude Author: Yu, Chia-Chi Adviser: Chu, Yih-Hsien. ABSTRACT The aim of this action research is to solve the problem that students seldom learn by integrating and applying the relevant knowledge of other subjects in the implementation activities. The researcher developed a STEM-based mechanism toy hands-on activity, then discussed about the impact of the activity on their mechanical aptitude. This result can be used as a valuable reference for junior-high-school technology curriculum in the future. This study was an action research conducted with a quasi-experimental method. The ten-week activity was carried out in a chosen junior high school in Taipei City. There were 83 eighth-grade students included 56 students as the experimental group and 27 students as the control group participating in the study. After the activity, the students were tested with "New Multi-aptitude Test in Junior High" and “STEM-based Mechanism Toy Hands-on Activity Acceptance Questionnaire”. The result found that: 1. the students affirmed the STEM-based mechanism toy hands-on activity; 2. the STEM-based mechanism toy hands-on activity for Junior high students’ mechanical aptitude didn’t significantly increase. Eventually, we summarized several conclusions: 1. The implementation of the STEM-based mechanism toy hands-on activity encountered difficulties and problems in the moment to be resolved. And in the process, the students developed the ability to integrate.. v.

(8) 2. The STEM-based hands-on activity enhanced the students’ learning motivation, and helped the future development of the mechanical aptitude. 3. The implementation of the STEM-based mechanism toy hands-on activity was smooth and highly acclaimed by the students.. Keyword: STEM, mechanism toy, hands-on activity, mechanical aptitude, action research. vi.

(9) 目. 錄. 謝誌 .............................................................................................................. i 中文摘要 ....................................................................................................... iii ABSTRACT .................................................................................................... v 目錄 ...........................................................................................................vii 表. 次 .................................................................................................... ix. 圖次 ............................................................................................................ xi 第一章緒論 ................................................................................................. 1 第一節研究背景與動機 ..................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 ............................................................. 3 第三節研究範圍與限制 ..................................................................... 4 第四節名詞解釋 ................................................................................. 5 第二章文獻探討 ......................................................................................... 9 第一節. STEM 取向教學 ..................................................................... 9. 第二節機構與機構玩具 ................................................................... 14 第三節性向與機械性向 ................................................................... 23 第四節行動研究的設計與實施 ....................................................... 28 第三章研究設計與實施 ........................................................................... 33 第一節研究概念 ............................................................................... 33 第二節研究方法與步驟 ................................................................... 34 第三節研究對象 ............................................................................... 40 第四節研究工具 ............................................................................... 42 第五節資料處理與分析 ................................................................... 49 第四章研究發現與討論 ........................................................................... 53 第一節. STEM 取向之機構玩具實作活動接受度 ........................... 53 vii.

(10) 第二節機械性向表現情形 ................................................................. 57 第三節教學遭遇的困難與問題分析............................................... 59 第五章結論與建議 ................................................................................... 65 第一節結論 ....................................................................................... 65 第二節建議 ....................................................................................... 67 參考文獻 ....................................................................................................... 71 一、中文部分 ...................................................................................... 71 二、外文部份 ...................................................................................... 75 附. 錄 ........................................................................................................... 77 附錄一機構玩具之教學應用 ......................................................... 79 附錄二. STEM 取向之機構玩具實作活動之教學簡案 ................. 87. 附錄三凸輪機構學習單 ................................................................. 91 附錄四機構玩具設計圖 ................................................................. 93 附錄五. STEM 取向之機構玩具實作活動接受度問卷 ................. 95. viii.

(11) 表. 次. 表 1 教學實驗設計 .................................................................................... 34 表 2 教學前研究對象之學習表現情形 .................................................... 41 表 3 教學活動之 STEM 學習知識對照表 ............................................... 43 表 4 機構活動學習單評量表 .................................................................... 44 表 5 機構玩具設計圖評量表 .................................................................... 44 表 6 作品評量表 ........................................................................................ 45 表7. STEM 取向之機構玩具實作活動接受度問卷之信度 .................... 48. 表 8 資料編碼說明 .................................................................................... 50 表 9 研究工具與資料分析所對應的待答問題 ........................................ 50 表 10 STEM 取向之機構玩具實作活動接受度之答題情形 .................. 54 表 11 機械性向測驗結果 .......................................................................... 57 表 12 問題原因分析及處理方式 .............................................................. 61. ix.

(12) x.

(13) 圖. 次. 圖 1 曲柄搖桿連桿 .................................................................................... 15 圖 2 雙搖桿連桿 ........................................................................................ 15 圖 3 雙曲柄連桿 ........................................................................................ 16 圖 4 凸輪機構示意圖 ................................................................................ 17 圖 5 正齒輪 ................................................................................................ 18 圖 6 針齒輪 ................................................................................................ 18 圖 7 齒條與齒輪 ........................................................................................ 18 圖 8 人字齒輪 ............................................................................................ 18 圖 9 斜齒輪 ................................................................................................ 19 圖 10 等徑正角斜齒輪 .............................................................................. 19 圖 11 歪斜齒輪 .......................................................................................... 19 圖 12 蝸桿與蝸輪 ...................................................................................... 19 圖 13 戟齒輪(傘齒輪)................................................................................ 19 圖 14 戟齒輪(螺桿).................................................................................... 19 圖 15 帶條傳動機構 .................................................................................. 20 圖 16 教室行動研究五步驟 ...................................................................... 31 圖 17 研究概念 .......................................................................................... 33 圖 18 教學活動與評量時程圖 .................................................................. 39 圖 19 機構玩具作品範例 .......................................................................... 43. xi.

(14) xii.

(15) 第一章緒論本研究觀察教育現場遭遇之問題，發展出STEM取向之機構玩具實作活動課程，使學生學習並應用知識，藉由動手實作統整不同領域知識，於課程實施後，對學生施測《國中新編多元性向測驗》，以機械性向測驗成績探究此教學活動對於學生機械性向之影響。研究者於教學過程中，觀察學生學習歷程，反思教師教學之過程以及學生學習之過程與成果，解決教學現場遇到之問題，提出具體建議供未來國中生活科技相關課程教學之參考。本章將分別闡述本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題，以及研究限制。共分四節，第一節為研究背景與動機，第二節為研究目的與待答問題，第三節為研究範圍與限制，第四節為名詞解釋。. 第一節. 研究背景與動機. 現行的生活科技教學，多以實作活動為教學主軸，目的在於培養學生解決問題的能力(李隆盛，1998)。然而，研究者發現大多數學生在進行實作活動時，是以嘗試錯誤的學習方式進行實作，較少運用學科學習到的知識，難以使學生進行系統性思考，以及統整知識與實作經驗。除此之外，現今學校、學生與家長仍多以升學導向為主的學習，學生未真正深入瞭解自我，面臨升學時即選擇目前就業市場趨向的職業相關高中職類科，而十二年國民教育正是因此，講求適性發展、分流延後至高等教育階段。故研究者認為在生活科技課程中，若能透過整合性之教學策略，可以使學生在學習過程中應用學科知識、結合技能於實作活動上，統整其知識與實作經驗，亦能使學生探索自己的興趣，對於未來選擇高中職或大學科系有相當的幫助。 1.

(16) STEM實作課程讓學生從整體的意義概念去瞭解問題，而非片段零碎的知識(黃子榕、林坤誼，2014)，能使學生學習並應用知識，透過動手實作去解決問題，獲得有意義的學習。生活科技課程，多以實作活動為主，強調手腦並用，加強學生解決問題的能力和設計能力的培養(李隆盛，1998；張永宗、魏炎順，2004)，對於實現STEM實作課程最合適不過。因此，在生活科技課程中發展出STEM取向之教學活動是非常重要並且必要的。臺灣實施十二年國民基本教育，國中階段著重在國中生「創意設計」的能力。根據《十二年國教─科技領域／生活科技課程規劃》(2015)，生活科技課程的目的，應教導學生如何從生活中的需求中去設計與製作有用及適用的物品，並在這設計與製作的過程中，學習如何從嘗試錯誤以至系統性思考。生活科技課程的基本理念是以「做、用、想」為主。亦即，培養學生動手「做」的能力、使「用」科技產品的能力、及設計與批判科技之「想」的能力。其學習內容主要分為：「科技的本質」、「設計與製作」、「科技的應用」以及「科技與社會」四個類別。在國中階段的「科技的應用」中，其中的「機構與結構的應用」，奠基七年級的背景知識，影響而後的學習，如九年級的電與控制的應用、高中的工程設計與實作、機構與結構的設計與應用等課程，是相當重要的課程。因此，研究者選擇以「機構與結構的應用」之「常見的機構種類、原理與應用」作為教學活動發展基礎，將七年級課程的基本知識與相關的數學、自然學科知識，延伸發展出適用於八年級生活科技課程之實作活動。目前的生活科技課程中，常應用到機構相關知識，但對於統整、系統化的機構知識教學仍較不足。本研究以十二年國教之課綱為本，參考現有生活科技課程的機構相關教學活動，發展出STEM取向之機構教學活動，透過統整性的教學策略，使學生建構系統化的知識、技能，並於. 2.

(17) 動手實作上運用之，希望對於未來的科技教育系統化的教學內容有所幫助，供以參考。常見的機構種類、原理與應用將於第二章文獻探討中詳細介紹，研究者設計的教學內容將於第三章說明。研究者假設，機構的知識與應用，運用到學生的機械推理能力，與學生的機械性向相關，因此本研究於教學後，對學生施測《國中新編多元性向測驗》之機械推理測驗(陳榮華、吳明雄、陳心怡，2011)，藉由教學 STEM 取向之機構玩具實作活動探討對於學生的機械性向之影響。本研究望能經由此教學活動幫助學生統整並應用知識、技能於實作活動上，使學生探索自己的興趣與能力，進而幫助學生在未來選擇高中職或大學科系時，能清楚自己的性向與能力而做適當的選擇。. 第二節. 研究目的與待答問題. 本研究旨在解決學生多以嘗試錯誤的學習方式，較少統整及應用其他科所學相關知識於實作活動，以及面臨升學選擇不夠瞭解自我性向的問題，故設計了STEM取向之機構玩具實作活動，以探討此教學活動對學生的機械性向的影響。希望透過此教學活動，幫助學生統整並應用知識、技能於實作活動上，使學生能探索自己的性向與能力。因此，在進行十週的知識教學、設計與製作STEM取向之機構玩具之後，評量出學生的製作成果，對學生施測《國中新編多元性向測驗》的機械推理測驗，觀察研究班級學生進行活動後的機械性向程度以及其他班級的機械性向程度表現，並探討活動對於學生性向程度是否有所影響。最後分析教學過程遭遇的困難與問題、反思教師教學之過程以及學生學習之過程與成果，提出具體建議，供未來教師實施機構相關活動教學之參考。. 3.

(18) 本研究之研究目的如下：一、發展STEM取向之機構玩具實作活動二、探究STEM取向之機構玩具實作活動對學生的機械性向之影響三、探究教學STEM取向之機構玩具實作活動會遭遇的困難與問題對應上述研究目的，本研究擬回答下列待答問題：一、如何設計符合STEM取向之機構玩具實作活動？ (一) 如何運用與機構相關之STEM的概念設計機構知識教學？ (二) 學生對於STEM取向之機構玩具實作活動的接受度如何？二、 STEM取向之機構玩具實作活動對學生的機械性向之影響為何？ (一) STEM取向之機構玩具實作活動是否能影響學生的機械性向？三、進行STEM取向之機構玩具實作活動教學時，所遇到的問題為何？ (一) 進行此活動時，所遇到的問題如何因應、解決？ (二) 分析教學過程，提供未來教師實施相關活動教學之具體建議為何？. 第三節. 研究範圍與限制. 研究者融入STEM教學於機構教材，於國中生活科技課程進行教學實作活動，以瞭解學生於活動後的機械性向程度與影響。本小節主要說明研究範圍及研究限制，以下作簡要說明：一、研究範圍 (一) 研究場域：本研究以某所臺北市立國民中學之自然與生活科技科教室為研究場域。 (二) 研究對象：本研究以研究者所任教之某所臺北市立國民中學之八年級學生作為研究對象。研究者選擇任教班級中素質相近的 4.

(19) 三個班級，其中2班共56人作為實驗組，另外1班27人作為對照組。 (三) 研究內容：本研究以十二年國民教育科技領域生活科技課程綱要草案中之七年級學習內容「機構與結構的應用」作為教案發展基礎，將STEM內容融入機構教學教材之中，發展出此研究之教學教案─STEM取向之機構玩具實作活動，此教案在八年級實施。二、研究限制 (一) 本研究為行動研究，目的為提供生活科技教師作為教學參考，協助教師解決課堂上之問題，因此研究結果不適宜作一般廣泛性推論。 (二) 研究對象為研究者該學期任教班級之八年級學生，若研究於七或九年級實施，研究結果可能因年級不同而變化，亦不可過度推論至高中生之研究結果。. 第四節. 名詞解釋. 本研究所涉及的重要名詞，定義說明如下：一、STEM取向教學(STEM-based Teaching) STEM係代表科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)四個領域，STEM取向教學是透過此四個領域的整合教學，培養學生的STEM素養，STEM素養是指一個人能運用他瞭解的四個相關領域知識的能力(National Governors Association, 2011)。STEM取向之實作活動，發展知識整合的課程，可使學習者有脈絡地去運用跨學科知識來解決問題(黃子榕、林坤誼，2014)。 5.

(20) 本研究發展STEM取向之機構玩具實作活動，設計機構玩具之STEM 教材，以建構學生的STEM知識並動手實作應用其知識，培養學生之 STEM素養。二、機構玩具(Mechanism Toy) 機構是兩個或兩個以上的機件組成，當動一機件，必迫使其他機件隨之運動，各機件間作規律運動(李榮華，2010)。機構玩具是利用學生學習機構運作的知識與操作後，進行設計與製作一個多機件組合且能運作的機構玩具。常見的機構種類、原理與應用，則有力的傳遞、滑輪系統、鍊條與鍊輪系統、齒輪系統、凸輪機構、槓桿與連桿等(徐萬椿譯， 1988；張允昭譯，1977)。三、實作活動(Hands-on Activities) 教學活動係由美國教育心理學家蓋聶(R. Gagne)提出，是班級課堂教學的完整教學系統，是學校教學工作的基本形式，教學活動設計會影響學習歷程與學習成效(台灣word，2013；張新仁，2000)，而實作活動是以實作為本位的教學活動。實作活動的教學重視實作表現，評量採用實作表現之真實評量，教學活動設計上，多以學生中心的主動學習，內容包含動手操作、示範與練習的活動，培養學生整合理論與實務的能力(余民寧，2002；許宜婷，2014)。在不同領域的教學上，搭配不同的教學輔助工具，在科技教育中的實作活動，多使用手工具、電動機具或電腦等作為動手操作的工具。四、機械性向(Mechanical Aptitude) 性向被定義為是個人先天的潛在能力與後天的環境交互影響下之結果，性向測驗是根據個體現有的能力表現，推估其學習新事物的能力，以預測未來的表現水準(朱珮妤，2004；郭生玉，2004)。機械性向屬於. 6.

(21) 特殊性向之一，相關的多元性向測驗包含機械推理之分測驗，作為量測學生是否擁有機械方面的傾向或才能(朱珮妤，2004)。機械推理測驗用來測量應用基本的機械原理、工具配件以及物理力學原理之能力(陳榮華、吳明雄、陳心怡，2010)。本研究係以機構玩具製作來進行STEM取向實作活動，機構玩具中之機構運作的知識與操作是運用學生的機械推理能力，因此在此研究中，研究者選擇《國中新編多元性向測驗》之「機械推理」測驗，探討此實作活動對於學生之機械性向之影響。五、行動研究(Action Research) 行動研究，是將研究和行動結合的研究方法(黃政傑，1999)。陳伯璋(1988)認為，行動研究是情境的參與者基於解決實際問題的需要，將問題發展成研究主題，進行有系統的研究，解決實際問題。蔡清田(2000) 則指出行動研究，從實務觀點來看，是由實務工作者針對實際工作情境中所遭遇的問題，採取具體行動並進行研究，以改進其實務工作與工作情境。因此，在進行行動研究時，須透過不斷的反省、思考、再計畫的過程，促使研究者不斷聚焦問題，進而解決問題。教育行動研究是一種需要經過系統規劃設計的循環計畫，由教師本身親自進行行動研究，才能發展出最適切的問解決途徑(蔡清田，2000， 2013)，本研究採取以教室行動研究的五個步驟來進行本行動研究：(一) 問題的確定；(二)問題的分析；(三)形成研究假設；(四)採取行動；(五) 評鑑與回饋(蔡清田，2000；Taba & Noel, 1992)。. 7.

(22) 8.

(23) 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 9.

(24) 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) 10.

(25) 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 11.

(26) 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，. 12.

(27) 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。. 13.

(28) 第二節. 機構與機構玩具. 兩個或以上的機械構件聯結而做拘束相對運動的系統稱為運動鏈 (kinematic chain)(許正和，2006a)。當運動鏈內的一根桿件被固定來做為基座時，我們稱之為機構(mechanism)(許正和譯，2003)。在一機構中，能推動其他機件運動之機件，稱為原動件(driver)；被動件運動之影響而產生運動者，稱為從動件(follower)(詹鎮榮，2007)。多數應用於生活的機構原理為「力的傳遞」，常見的種類與應用則有：滑輪系統、鍊條與鍊輪系統、齒輪系統、凸輪機構、槓桿與連桿等(徐萬椿譯，1988；張允昭譯，1977)，以下對於運動傳遞機構與機構玩具做探討。研究者認為機構之相關知識具有邏輯推理性，操作時亦能培養學生操作技能、思考與即時修正的能力，因此設計機構玩具之實作活動，以培養學生機械性向方面之知能，使其辨清自我性向。研究者教學機構知識，並製作教學範例講解製作過程，學生學習機構運作的知識與操作後，進行設計與製作一個多機件組合且能運作的機構玩具。. 一、運動傳遞機構運動傳遞機構並非單只有動力的傳遞而已，而且也在運動狀態上有各種變化傳動之機構，也就是說，運動傳遞機構是以運動的變化為主的傳遞機構。約可分為下列五大類(李榮華，2010；徐萬椿譯，1988；許正和，2006b；張允昭譯，1977；詹鎮榮，2007)： (一) 連桿機構(Link mechanism) 連桿機構是由三個以上的連桿用可轉動的銷互相連結，或使用幾塊滑塊將各個連桿互相連結，限制連桿在平行平面上運動之機構。連桿機構的特徵就是用可轉動塊或可滑動塊，與連桿相連結而成， 14.

(29) 可傳遞拉力及壓縮力。其中，以樞軸為中心而擺動之連桿稱為槓桿 (Lever)；以樞軸為中心轉動之連桿稱為曲柄(Crank)；將槓桿與曲柄相連結之連結桿稱為連桿(Connecting rod)。平面四連桿機構(planar linkage)為一種最簡單而最有用的機構。平面四連桿機構可分為曲柄搖桿連桿組、雙搖桿連桿組、雙曲柄連桿組。曲柄意指桿件可連續旋轉360°，搖桿則是只能搖動或擺動的桿件。三種四連桿機構示意圖如下：. 圖1 曲柄搖桿連桿. 圖2 雙搖桿連桿. 15.

(30) 圖3 雙曲柄連桿資料來源：研究者使用geogebra自行繪製。取自https://www.geogebra.org/graphing. (二) 凸輪機構(Cam mechanism) 凸輪機構是由有曲線邊緣或溝之旋轉體或擺動體或者往復運動體之原動件，與直接接觸之從動件所組成，原動件與從動件之接觸為點或線，因此不適合大動力的傳遞。螺旋機構(Screw mechanism) 是一種由螺旋狀凸條及凹溝所配合而成的一種凸輪機構，當螺桿作旋轉使螺帽前進一道螺牙時，也就是兩螺牙尖之間的距離，稱為一螺距(Pitch)，兩道螺牙時則為二螺距，以此類推。螺旋機構與其他多數凸輪機構的差異是原動件之螺桿(Screw)與從動件之螺帽(Nut) 為面的接觸，並且原動件在作連續旋轉時，可使從動件做週期性之. 16.

(31) 運動。凸輪機構示意圖如圖4：從動件 17 原 17 動 17 件 17 輪 17 17 17 17 17 17 17 圖4 凸輪機構示意圖資料來源：研究者使用sketchup 17 17 2014自行繪製。 17 17 (三) 摩擦傳動機構(Friction gearing) 17 17 17 摩擦傳動機構是原動件與從動件使用摩擦接觸來傳動的機構， 17 17 17 17 常見為滾動傳動機構，主要特性是構造簡單，旋轉圓滑，且在轉動 17 17 17 17 時可調整速度，但傳動時會發生噪音，負荷太大時會產生滑動，不 17 17 適合大動力之傳動。轉動時若發生故障，傳動部分即會停止，無法 17 17 17 傳動雖是其缺點，也是一種安全保護裝置，可防止機械破壞。必要 17 17 17 17 時，摩擦傳動機構可增大原動件與從動件之間的摩擦力，但增大摩 17 17 17 17 擦力可能也會增大原動件與從動件之間的壓力，會使軸承更易消耗。 17 17 因此，可選擇摩擦係數較大的材料作為接觸部分的材料，避免兩動 17 17 17 件之間的壓力加大，為較佳的增加磨擦力方式。 17 17 17 17 17 17 (四) 齒輪傳動機構(Toothed gearing) 17 17 在滾輪傳動中之滾輪圓周觸面上配置適當的齒形，使主動輪與 17 17 17 17 從動輪的齒形直接接觸嚙合，主動輪轉動時帶動從動輪轉動，即為 17 17 17 齒輪傳動。由齒輪所組成用來使輸出件與輸入件之轉速比維持一定 17 17 17 mechanism)。齒輪傳動機構中，齒的 17 的裝置，則稱為齒輪機構(Gear 17 17 17 17 17 1717.

(32) 咬合確實，較滾動傳動不易產生滑動，速度比固定，是旋轉運動中做確實地傳遞時最恰當之機構，應用範圍極為廣泛。齒輪機構是用來連動兩軸之間的運動關係，因此齒輪的分類可依其軸線間的相對位置區分為兩軸平行(Parallel axes)、兩軸垂直(Intersecting axes)、兩軸交錯(Nonparallel nonintersecting axes)三類(張定昌，2003；顏鴻森， 1997，1999)。兩齒輪之軸承為平行軸時最普遍使用的是正齒輪(Spur gear)，另有針齒輪、齒條與齒輪及人字齒輪，如圖5、圖6、圖7與圖8。兩軸為垂直軸時，其齒輪稱為斜齒輪(Bevel gear)，如圖9，其外型如傘打開之形狀，又可稱為傘齒輪，而當兩軸呈現垂直交叉且兩齒輪直徑相等時，稱之為等徑正角斜齒輪(Mitre gear)(圖10)。兩軸為平行不相交時，齒輪稱為歪齒輪(Skew gear)，有歪斜齒輪(圖11)、蝸桿與蝸輪(圖12)及戟齒輪(圖13、圖14)，其齒形與軸平行對軸心呈傾斜狀。. 圖 5 正齒輪. 圖 6 針齒輪. 圖 5、圖 6 資料來源：黃詰勛(2007)。齒輪機構。2016 年 8 月 6 日，取自 http://sparc.nfu.edu.tw/~cml/meeting(20070323)/12.htm. 圖7 齒條與齒輪. 圖8 人字齒輪. 圖7資料來源：黃詰勛(2007)。齒輪機構。2016年8月6日，取自 http://sparc.nfu.edu.tw/~cml/meeting(20070323)/12.htm 圖 8 資料來源：北京歐豪汽車貿易公司(2015)。［傳動原理］一輛車是如何將動力通過發動機傳遞給輪胎的？取自 http://www.weichai88.cn/contents/5/1257.html. 18.

(33) 圖9 斜齒輪. 圖10 等徑正角斜齒輪. 圖9資料來源：張國彬、林育宏。齒輪的用途與種類。取自 http://mail.scvs.ntpc.edu.tw/~gupeen/top1/html/chap10-all.htm 圖10資料來源：麥剎(2015)。齒輪應用一(傘齒輪)。取自http://blog.xuite.net/sector/twblog/305539213齒輪應用－(傘齒輪). 圖11 歪斜齒輪. 圖12 蝸桿與蝸輪. 圖11資料來源：勝寶興機械有限公司(無日期)。取自 http://sbx.com.tw/exec/product.php?mod=list&cid=12&lg=T 圖12資料來源：黃詰勛(2007)。齒輪機構。2016年8月6日，取自 http://sparc.nfu.edu.tw/~cml/meeting(20070323)/12.htm. 圖13 戟齒輪(傘齒輪). 圖14 戟齒輪(螺桿). 圖13資料來源：張國彬、林育宏。齒輪的用途與種類。取自 http://mail.scvs.ntpc.edu.tw/~gupeen/top1/html/chap10-all.htm 圖14資料來源：Gears and Types of Gears。取自http://www.mechgrid.com/gears-and-types-of-gears.html. 19.

(34) (五) 帶條傳動機構(Belt, rope or chain driving mechanism) 帶條傳動機構又稱掛塔傳動機構，在兩軸上固定有帶輪、繩輪或鏈輪，兩輪之間用閉合傳導體掛塔在其上做傳動之用，此機構多用在兩軸之間距離甚大者。帶條與繩等不適用於正確旋轉之傳動，但不會有齒輪機構之噪音，而當傳動部份發生故障時可防止機構損壞，帶條傳動機構示意如圖15：. 圖15 帶條傳動機構資料來源：TyM predictivo. (n.d.). Alineamiento láser. Retrieved from http://www.tympredictivo.com/proalineamiento.html. 二、機構玩具機構玩具是利用連桿機構、凸輪機構、齒輪傳動等多種單一或組合多種機構，將機構運作時帶動的動作加以設計成為機構玩具。機構玩具應用在生活科技課程的教學行之有年，有許多不同的運作形式及樣貌呈現，例如：紙機械卡片、液壓機械手臂、機械獸、凸輪玩偶及機構盒等。連桿機構可以使用桿件連接，運用槓桿、曲柄及搖桿等做出動作，紙機械卡片的動作、機械獸行走機構、機械手臂的前進後退與夾持之動作等皆是應用連桿機構製作而成。凸輪機構是運用凸輪不規則的形狀使從動件可作上下運動，或運用摩擦力使從動件旋轉，常見的另一種類似機構為曲軸，和凸輪皆是週期性不規則運動。機構玩具多為連桿機構或凸輪機構，可以結合成機構盒，也可結合齒輪，譬如：針齒輪或分度齒輪，改變轉速及運動方向；蝸桿與蝸輪、齒輪與齒條，將圓週運動與直線運動互相轉換，使機構玩具有更多運動方式呈現。機構玩具的形式眾多，研究者參考現有的機構教學，將「應用的機構」、「教學主題」、 20.

(35) 「教學概述」與「樣貌形式」，以及其作品照片等內容於附錄一中呈現。機構玩具運用各式機構於實作活動，使學生能瞭解機構知識，並經由動手操作瞭解機構的運作方式，達到科技教育「做中學」的理念，亦符合未來十二年國民基本教育「做、用、想」的理念。研究者整理現有的機構玩具教學活動後，將其對應至十二年國民基本教育科技領域課程綱要草案中之生活科技課程目標，及國中生應具備的核心素養，如下： (一) 生活科技課程目標 1. 協助學生習得科技的基本知識與技能。 2. 協助學生培養正確的科技觀念、態度及工作習慣。 3. 協助學生善用科技知能以進行創造、批判、邏輯、運算等思考。 4. 協助學生整合理論與實務以解決問題和滿足需求。 5. 協助學生理解科技產業與職業及其未來發展趨勢。 6. 協助學生起發科技研究與發展的興趣，進而從事相關生涯試探與準備。 (二) 科技領域核心素養 1. 科-J-A1*──具備良好的科技使用態度，並能應用科技知能，以發揮自我潛能及實踐自我價值。 2. 科-J-A2*──具備理解情境與獨立思考的能力。 3. 科-J-A3*──具備善用科技資源以擬定宇有效執行計畫的能力，並具備主動學習與創新求變的科技素養。 4. 科-J-B1*──具備運用各種科技符號與運算思維表達與溝通的素養，並理解日常生活中科技與運算的基本概念，應用於日常生活。 (*：科代表科技領域；J代表國中階段、A代表總綱核心素養面向中的自主行動、B代表總綱核心素養面向中的溝通互動。). 21.

(36) 研究者以此作為發展教學活動的基礎，並根據《十二年國教─科技領域／生活科技課程規劃》之國中階段學習內容─ 「機構與結構的應用」，設計出適合國中階段之生活科技課程教學活動。三、小結研究者經由參考他校教師發展出的系統化教學，整理出生活科技課程現有的機構教學活動。考量到學生對於應用機構的學習到製作機構玩具的過程中，常以嘗試錯誤的方式完成，鮮少運用不同領域知識的思考及實作技能的結合，因此，研究者研擬出STEM取向之機構玩具實作活動，教學不同的機構原理後，望能使學生在實作過程中能運用不同領域之相關知識，對未來學習與其性向發展有所幫助。研究者設計與機構相關之STEM領域知識教材，教學多種機構之運作原理、與數學相關的三角形邊長概念、重心、轉速比，以及與自然相關的測量等，使學生瞭解各個機構與STEM相關領域之知識，能統整知識與實作經驗於機構玩具的設計與製作之中。在教學之教具設計上，製作作品前的機構活動有四連桿機構教具與凸輪機構教具，以及此機構玩具之作品教具。其中，四連桿機構教具是由研究者與大同高中汪殿杰老師、臺師大范斯淳博士在104學年度科技部專題研究計畫中討論改變機構盒之樣式，因而設計出平面機構設計，以平面板狀，於上方加上許多孔洞之設計，使學生可以運用齒輪與連桿配置，在上方做玩偶動作的模擬；凸輪機構教具則是讓學生量測凸輪運作時從動件運動軌跡的教具；機構玩具教具則運用齒輪、凸輪和連桿使玩具上方有不同動作的玩偶互動。此三個機構教具能幫助學生在之後機構作品的設計能運用不同機構模擬不同動作，選擇其設計所需要的機構，實現其對於玩偶各種動作的構想。本行動研究之機構玩具實作活動設計於第三章第四節研究工具中介紹，詳細的教學說明於附錄二的教案中呈現。 22.

(37) 第三節. 性向與機械性向. 性向是一個人的傾向，依此傾向在經過訓練後可以獲得某種特殊智識或技能，即是學習某種知識或技能的潛力與能力。性向測驗是根據個體現有的能力表現，推估其學習新事物的能力，以預測未來的表現水準 (郭生玉，2004)，是能將個人潛在能力顯示出來的工具。因此對於不同領域上的知識與能力，有不同的性向測驗去量測之，由學者發展成許多不同的多元性向測驗。機械性向意指機械方面的傾向或才能(朱珮妤， 2004)。與之相關的性向測驗，譬如機械推理測驗，是用來測量學生應用基本的機械原理、工具配件以及物理力學原理之能力。本節針對性向與性向測驗、多元性向的測驗意涵，以及機械性向測驗作探討，以瞭解多元性向對於學生未來發展的重要性，及本行動研究選擇機械性向之緣由。最後對於探討的內容作結論，並選擇符合本行動研究之性向測驗作為研究工具，以利進行之後的研究設計。一、性向與性向測驗人們對智力的探索促使性向測驗的產生與發展。而智力一直以來並無明確的定義，近年，較被接受的智力定義為抽象的思考能力、學習的能力與適應環境的能力(郭生玉，2004)。個體的能力受到遺傳及環境因素影響，性向與潛能會隨著經驗累積及環境刺激而改變。因此，性向被定義為是個人先天的潛在能力與後天的環境交互影響下之結果，性向測驗是根據個體現有的能力表現，推估其學習新事物的能力，以預測未來的表現水準(王文科，2002；郭生玉， 2004)。而潛能無法直接測量，性向測驗可以測量個體當下的能力，測驗結果可以用來預測個人的潛力所在(陳榮華、吳明雄、陳心怡，2010)。. 23.

(38) 二、多元性向測驗的意涵多元性向測驗的主要目的是擬藉施測結果預測學生在某些新知識的學習，或從事有關工作上的成就，可用來作為(一)學生生活和學習輔導之用；(二)瞭解學生性向長短處，配合學業成績以利進行學習困難問題之診斷和輔導，或實施補救教學之參考；(三)升學途徑選擇或規劃生涯進程之參考。性向測驗的結果尚須一併參酌其他資料，如興趣測驗、科目成. 績、目標、嗜好等等，以求周全(陳榮華、吳明雄、陳心怡，2010)。研究者選擇《國中新編多元性向測驗》，係由《新編多元性向測驗》發展而成，此測驗包含八種能力之分測驗，為語文推理、數字推理、圖形推理、機械推理、空間關係、中文詞語、英文詞語、知覺速度與確度，但測得結果並非代表個人全方位的能力，在運用結果時作為自我瞭解時應知曉其中限制，不能做過多的未來發展解釋(陳榮華、吳明雄、陳心怡， 2010)。八個分測驗分別能對應其高中職職群類科、生涯興趣職群與職業。另外，又可組合為三個性向分數，第一個為學業性向分數，包含：語文推理、數字推理、圖形推理，此分數愈高代表學習能力愈高，能有效預測學業成就之優劣；第二個是理工性向分數，包含：機械推理、空間關係、圖形推理，第三個則為文科性向，包含語文推理及中文詞語。不同的性向分數，可以幫助學生瞭解自我性向，評估就讀不同學程的潛力，亦幫助其之後高中二年級選組、大學選科系之選擇及生涯規劃之參考。在使用此性向測驗時須瞭解其運用原則，《國中新編多元性向測驗》的運用原則(臺北市立大理高中輔導室，2011)如下： 1. 測驗結果受到許多因素的影響，例如可能受作答時的情緒、健康、動機、環境等因素左右，因此難免有誤差存在。故不宜僅以此一測驗結果評斷自己或孩子的學習潛能，但其結果仍可作為瞭解個人潛力所在之參考。 2. 本測驗在測量某方面的學習潛能，但一個人在某方面的成功，除 24.

(39) 了性向外，尚有動機、態度、興趣、社會壓力…等影響因素。因此，具有某種能力或性向，去從事相關的工作或學習不一定保證成功；但缺乏此種能力或性向，則成功的機會必較少。 3. 各項分測驗分數的高低，可能形成某種性向組型，或者，我們可能發現某些分數會同時高或同時低。例如，有些人在「語文推理」、「中文詞語」、「英文詞語」三個分測驗上都偏高，而在其他分數上卻都偏低。這種組型表示這類受試者以使用語文刺激為主的學科會佔優勢；如果剛好相反，在這三種分數上偏低，而其他分數偏高，則解釋就全然不同了。例如在「圖形推理」、「機械推理」和「空間關係」分數偏高，這類組型則表示受試者在數理類的學科會呈現優勢。 4. 性向測驗結果可與學科成就相比較，若某生性向測驗中許多分測驗的成績百分等級多在五十以上，但他們的學科成就卻很低(即高性向、低成就)，這情況顯示，該生當前困境不在性向，而另有其他原因，可能是心理因素、情緒動機、或價值觀的影響，值得個人深思探索。三、機械性向測驗國內有許多性向測驗，不同測驗的施測目的不同，適用的對象年齡層亦不同。研究者從這些性向測驗中，找出與機械有相關分測驗的性向測驗，並對其測驗目的與對象作整理，如下： 1. 《高一性向測驗》：測驗對象適用於高中一年級學生，測驗結果可作為高中一年級的學生選組的參考。 2. 《多因素性向測驗》：測驗對象適用於國中至高中階段的學生，目的為協助學生之教育諮商、揀選和安置。 3. 《區分性向測驗》：測驗對象為國中以上至成人皆可使用，測驗結果 25.

(40) 可用於國中與高中學生之教育輔導，亦可用於成人的基礎教育和職業技術教育進修班的教育與職業輔導，及業界篩選員工使用。 4. 《中學多元性向測驗》：測驗對象為國中二年級至高中二年級的學生，目的是協助國內國二至高二學生瞭解自我的潛能，測驗結果是作為提供教育和生涯輔導與諮商的重要資訊。 5. 《多向度性向測驗組合》：測驗對象為國中二年級至高中二年級的學生，作為升學、選組與就業輔導之使用。 6. 《國中新編多元性向測驗》：測驗對象為八年級至九年級上學期的學生，測驗結果可作為學生學習困難之診斷與輔導，以及升學途徑選擇或生涯進程規劃之參考。從以上測驗的目的可瞭解到，性向測驗是以測驗對象的能力和潛力去預測未來的發展、協助其選擇未來學業或工作的基礎。許多性向測驗之編製者會隨著社會變動、教育方向改變而作版本修訂，故研究者從中挑選出專為國中生設計的性向測驗，並且在現今學校內常實施的《國中新編多元性向測驗》作為本行動研究之研究工具之一，測驗內容更符合國中生所具備及需要的能力，測驗結果之常模亦由相當龐大的數量建立而成，相信可作為本行動研究十分良好的研究工具。《國中新編多元性向》之機械推理測驗目的在於測量學生應用基本的機械原理、工具配件以及物理力學原理之能力。機械推理測驗共 30 題，測驗 6 分鐘，測驗分數之高低，對於學生在學習修理裝配和操作一般機械裝置，以及在機械、動力機械、電機與電子、土木與建築、水產、海事等職群內等特定工作人員的工作成就具有較高預測力。測驗結果可作為學校在判定個人是否適合接受機械相關領域教育之基礎，亦可作為協助個人瞭解是否適合進入機械相關領域之工作。研究者發展的教學活動為 STEM 取向之機構玩具實作活動，其中機. 26.

(41) 構運作的知識與操作是運用學生的邏輯推理與機械推理能力，操作時亦能培養學生操作技能、思考與即時修正的能力。因此，在本行動研究中，研究者選擇此「機械推理」分測驗作為研究工具相當合適，用以探究此實作教學活動與學生的機械性向之間的相關性，培養學生機械性向方面之知能，使其辨清自我性向。四、小結教育部統計處在 2014 年 6 月曾發表「近年各級學生輟學及休退學概況分析」(林效荷，2014)，在高中職的資料分析中，平均休學率達 1.4%， 101 學年度高中與高職休學原因均以「志趣不合」為最高比率，分別佔 33.2%與 57.0%。教育部統計處而後在 2015 年公佈「大專校院學生休退學概況」的 103 學年統計資料，其中以日間部而言，退學的主要原因之一為「志趣不合」，高達總比率 31.7%，而因學業不及格而遭退學的學生僅有 14.6%，高達近六成比率是學生主動休學而非被勒令退學。中華適性教育發展協會(2015)指出，經由以往的調查，每年有三分之一的大一新生後悔選錯系，四分之一想轉系或轉學。顯然可見，台灣學生在接受國民教育的過程中，並不清楚自己的興趣及性向所在，反映了台灣教育的現況與問題。因此，研究者設計適當的教學活動，希望透過此教學活動可以幫助學生探索性向，評估就讀不同學程的潛力，亦幫助其之後高中選組、大學選科系之選擇及生涯規劃之參考。研究者所設計的教學活動是 STEM 取向之機構玩具實作活動，以國中生科學與數學的學習範疇為基礎，設計機構相關之 STEM 整合教學，並以實作活動使學生統整 STEM 領域的機構知識於實作活動中。機構運作的知識與操作技能是運用學生的機械推理能力，故在本行動研究中，研究者選擇《國中新編多元性向》中之「機械推理測驗」，作為研究工具之一，以探究此 STEM 實作教學活動對學生的機械性向的影響。 27.

(42) 第四節. 行動研究的設計與實施. 行動研究，是將研究和行動結合的研究方法(黃政傑，1999)。潘世尊(2005)認為行動研究可以揭露並解決參與者本身想法和行動中的問題，滿足不同意圖者要求的想法，為實踐哲學之具體實踐，並從中形成教育知識。蕭昭君(2004)則認為行動研究是將研究者將研究的聚光燈照在自己身上，透過研究過程，照明行動的盲點，進而增進專業及建立新的視界。行動研究的特色是教育工作者本身即為研究者，研究的主題是學校需要改進的教育活動，而目的在於解決平日所碰到的問題(潘慧玲，1996)。由上述可知，行動研究可以讓教學者透過有計畫的行動方案，進行行動的過程中不斷反省與修正行動策略，以解決教育現場發現之實際問題，改善教育現況。. 一、行動研究的設計教育行動研究可分為一般教育行動研究、學校教育行動研究、教室行動研究，及課程行動研究(蔡清田，2013)，依問題的層面不同，則進行不同類型的教育行動研究。由於研究者在教育現場中發現，大多數學生在進行實作活動時，是以嘗試錯誤的學習方式進行實作，較少運用學科學習到的知識，現行的教學活動難以使學生進行系統性思考，以及統整知識與實作經驗。另外，學生在面臨升學時並未清楚自我性向而難以做出適當選擇之問題。因此，研究者為解決此觀察到之問題，選擇以行動研究進行本研究。. 二、行動研究的實施研究者於教育現場中發現問題，發展並確認研究問題，再擬訂解決方案進行行動以解決問題。教學前，擬訂完整的教學計畫；教學時，依計畫進行教學、觀察學生學習歷程，及調整教學進度與內容並解決教學 28.

(43) 現場遭遇之問題；教學後，反思教師教學之過程以及學生學習之過程與成果，探討教學所遭遇的困難及問題。本行動研究根據蔡清田(2000)、Taba & Noel(1992)所提出的教室行動研究的五個步驟：(一)問題的確定；(二)問題的分析；(三)形成研究假設；(四)採取行動；(五)評鑑與回饋)，進行本行動研究之研究規劃，如圖16所示。以下說明教室行動研究五步驟的執行意涵與細項： 1. 問題的確定：指出教育現場遭遇困難產生的實際問題。 (1) 確認和釐清一般的觀念想法 (2) 發現問題 (3) 界定問題領域(能力範圍內可解決的問題) 2. 問題的分析：分析問題與決定某些具有持久性的影響因素。 (1) 分析所關注問題的必要性 (2) 分析問題可能遭遇的困難(必要時諮詢專家意見進行分析) (3) 確定問題焦點進行問題分析的階段時，當教育實務工作者產生情緒或特定需求時，可能會使問題複雜化，而產生壓力，也可能認為問題分析浪費太多時間，欲縮短分析的步驟，抑或是認為問題太複雜無法加以處理，是此階段必須留意的部分。 3. 形成研究假設：形成重要因素的暫時性觀念，並蒐集資料及解釋資料，進一步地釐清上述的暫時性觀念，發展出行動的研究假設，亦即是解決問題的行動方案之策略。 (1) 初擬行動研究計畫 (2) 蒐集相關文獻資料 (3) 規劃行動研究計畫. 29.

(44) 4. 採取行動：對於上述解決問題的行動方案之策略採取實際行動，實施於教室情境中。 (1) 選擇研究對象 (2) 進行教學 (3) 蒐集資料蒐集資料的主要來源有觀察、訪談、文件分析等，文件又包含問卷、日誌、隨筆、心得、報告、作業、學習單、考卷、錄音(影)帶、照片等。以上蒐集資料的方式皆須遵循一定的規範，成為有效的資料。本行動研究所蒐集資料的方式為文件分析，包含凸輪機構學習單(附錄三)、作品設計圖(附錄四)、機械性向測驗、STEM 取向之機構玩具實作活動接受度問卷(附錄五)，資料的詳細內容與資料分析方法將分別於第三章第四節與第五節中詳細說明。 5. 評鑑與回饋：評鑑行動的結果，亦即是評估採取行動後的實施結果。進行「再確定」，判斷是否解決遭遇的問題，或有其他問題產生，如未解決，則修正問題的焦點，研擬更適切的問題解決方案策略，以便未來繼續採取下一步的行動與評鑑，以解決此教室情境所遭遇之問題。 (1) 資料分析 (2) 撰寫研究報告 (3) 計畫未來的行動研究方案. 30.

(45) 問題的確定. 問題的分析再形成研究假設. 確定. 採取行動. 評鑑與回饋圖16 教室行動研究五步驟. 31.

(46) 32.

(47) 第三章研究設計與實施本研究旨在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的問題，故發展STEM取向之機構玩具實作活動，藉以探討此活動對學生機械性向的影響。目的是透過此實作活動讓學生統整並應用不同領域之知識、技能於實作活動上。本研究為行動研究，採用準實驗研究法。研究者觀察學生學習歷程，透過教學省思調整教學進度與內容，解決教學現場遭遇之問題，最後，評量作品成果及彙整學習單、設計圖與STEM取向之機構玩具實作活動接受度問卷，反思教師教學之過程以及學生學習之過程與成果，以瞭解 STEM取向之機構玩具實作活動對學生機械性向之影響。本章共分五節，第一節為研究概念，第二節為研究方法與步驟，第三節為研究對象，第四節為研究工具，以及第五節資料處理與分析。. 第一節. 研究概念. 本行動研究以國中生活科技課程為發展背景，配合國中生的自然及數學學習內容發展出STEM取向之機構玩具實作活動，於某所臺北市立國中進行，對象為國中二年級，採準實驗研究法，探究STEM取向之機械玩具實作活動對學生機械性向之影響。最後提出教學之具體建議，供未來生活科技課程發展及教師教學機構相關活動之參考。國中生機械性向. STEM 取向之機構玩具實作活動圖17 研究概念. 33.

(48) 第二節. 研究方法與步驟. 本行動研究採用準實驗研究法，行動研究過程中發展STEM取向之機構玩具實作活動，教學時觀察學生之學習歷程，反思教師教學之過程以及學生製作過程與成果，解決教學現場遇到之問題。準實驗研究係針對實驗組實施本行動研究發展之活動，於教學後，施測國中新編多元性向測驗之機械推理測驗，以實驗組之施測結果及對照組之施測結果，經由統計方法，檢定兩組之間的差異是否顯著，探究本實作活動對學生機械性向之影響。研究方法及行動研究步驟分述如下：一、研究方法本行動研究採用準實驗研究法，分別探究實施「STEM取向之機構玩具實作活動」的實驗組學生與「非STEM取向之木板凳實作活動」的對照組學生在機械性向上的差異情形，教學實驗設計如表 1：表 1 教學實驗設計組別. 實驗處理. 後測. 實驗組 (STEM 取向之機構玩具實作活動). X. O1. 對照組 (非 STEM 取向之木板凳實作活動). C. O2. 針對表1進行說明，X代表實驗組實施十週的「STEM取向之機構玩具實作活動」，C代表控制組實施十週的「非STEM取向之木板凳實作活動」。𝐎𝟏、𝐎𝟐：代表實驗實施後，對實驗組和控制組兩組學生所實施的後測，即為《國中新編多元性向測驗》。研究者採用其中的機械推力測驗分數再進行後續分析，詳細分析於本章第五節中說明。. 34.

(49) (一) 實驗教學前兩組學生在實驗教學前，皆未曾接受過STEM取向之教學，且在七年級數學與自然科學習表現無顯著差異，學習條件相近。 (二) 實驗處理為期十週共十堂課的教學實驗，實驗組和對照組共三個班均由研究者教學。實驗組實施本研究所發展的STEM取向之機構玩具實作活動，教學三節課的機構相關知識，進行六節課的設計與製作，最後一節課進行機構玩具評分及STEM取向之機構玩具實作活動接受度問卷(詳見第四節研究工具)填寫。對照組實施非STEM取向之實作活動，教學兩節課木板凳的材料規劃與製作流程，進行七節課的設計與製作，最後一節課進行木板凳評分，過程中並未使用它科的相關知識作教學或指導。 (三) 後測實驗處理後，對實驗組和對照組學生施測「國中新編多元性向測驗」，獲得兩組學生的機械推理測驗成績，即為後測成績。研究者比較兩組後測成績差異，並分析實驗組的問卷填答情形，以瞭解 STEM取向之機構玩具實作活動對國中生機械性向是否有顯著的影響。二、行動研究步驟 (一) 第一步驟─問題的確定 1. 發現教育現場遭遇之問題(105年5月) 研究者於生活科技課堂中，觀察到大多數學生在進行實作活動時，是以嘗試錯誤的學習方式進行實作，較少運用學科學習到的知識。除此之外，研究者也觀察到現今學校、學生與家長仍多以升學導向為主的學習，學生未真正深入瞭解 35.

(50) 自我，面臨升學時多選擇目前就業市場趨向的職業所相關高中職類科或大學科系。 2. 界定問題的領域(105年6月) 此現象顯示出有些現行的生活科技實作活動難以使學生進行系統性思考，及統整知識與實作經驗之問題。研究者認為，生活科技課的原意是透過實作活動，使學生手腦並用，培養其設計與批判的思考能力與解決問題的能力，然而，實作活動的過程中卻可能因為學生著力於工具的操作與實作經驗的連結，而忽略了所學到之知識的應用。此外，多數學生多埋首於課業中，生活中很少有機會能觸發其非學科之多元智能，學生對於自我性向的瞭解不足。因此，研究者將問題界定於生活科技課程中之教學實作活動所面對的問題，研究者將對於生活科技教學實作活動提出改進的教學策略，即是本研究所要進行的行動研究方案之教學策略。. (二) 第二步驟─問題的分析 1. 分析所關注問題的必要性(105 年 6 月) 生活科技課程的目的應確實地實現於教學過程中，上述所觀察到的兩個問題亦是長久以來一直面臨到的重要問題。因此，解決此兩個問題是必須且急迫的。 2. 確定問題焦點(105年6月) 在發現與分析問題之後，研究者將問題解決之方式聚焦於教學活動的教學策略與內容之改善。就問題的分析，研究者認為在生活科技課程中，若能透過整合性之教學策略，可以使學生在學習過程中應用學科知識、結合技能於實作活動. 36.

(51) 上，統整其知識與實作經驗。亦能使學生探索自己的興趣與能力，對於未來選擇高中職類科，甚至大學科系有相當的幫助。. (三) 第三步驟─形成研究假設 1. 初擬行動研究計畫(105 年 7 月) 研究者初擬行動研究計畫為設計一個 STEM 取向教學之實作活動，配合課綱中七年級教學內容「機構與結構的運用」，將機構的基本知識及相關的數學與科學知識延伸發展為適用於八年級之 STEM 取向教學的課程內容與實作活動，以學生之多元性向中之機械性向作為研究項目，使學生應用及統整知識與實作技能，以及探討此整合式教學實作活動是否能對學生的機械性向產生影響。 2. 蒐集相關文獻資料(105 年 8 月) 研究者蒐集相關文獻資料，包含 STEM 取向教學、機構與機構玩具，以及性向與機械性向等相關資料。 3. 規劃行動研究計畫(105 年 9 月－105 年 12 月) (1) 發展STEM取向之機構玩具實作活動之教材以現有的機構玩具為基礎，發展STEM教學之教材，期間尋求專家意見再作修正完成最後教材。 (2) 設計及製作STEM取向之機構玩具教具與學習單以發展完成的教材設計並製作出此STEM取向之機構玩具範例及學習單，期間亦徵詢專家意見再作修正完成之。. 37.

(52) (3) 發展STEM取向之機構玩具實作活動之評分項目依據研究者欲使學生達成之學習目標作為評分項目之發展基礎，目的是量測學生是否能透過此教學活動達到學習目標。. (四) 第四步驟─採取行動 1. 選擇研究對象(105年9月) 研究者選擇以其任教之某所臺北市立國民中學之八年級學生作為研究對象，選擇三個班級共83人，其中實驗組56 人包含男生28人，女生28人進行本研究發展之教學活動；對照組27人包含男生14人、女生13人進行非STEM取向之木板凳實作活動。 2. 進行教學(105年12月－106年5月) 教學於105學年度下學期開學後進行，為期10週，每週一堂課，共10堂課的教學活動。在此教學活動進行前，教學前置活動──液壓機械手臂，於上學期的期末進行，使學生瞭解連桿機構。教學流程與評量實施時程如圖18：. 38.

(53) 前置活動：機構相關知識教學連桿、四連桿機構. 105.12-106.01. 前置活動：液壓機械手臂製作. 105.12-106.01. 機構相關知識教學(發放學習單) 齒輪機構、凸輪機構. 進行機構玩具設計(發放設計圖). 進行機構玩具製作. 106.02-106.03. 106.03. 106.04-106.05. 作品評分、發放 STEM 取向之機構玩具接受度問卷. 106.06. 教學進行國中新編多元性向測驗之機械推理性向測驗. 106.06. 圖18 教學活動與評量時程圖. 3. 蒐集資料(106年2月－106年5月) 蒐集學生之活動學習單(四連桿學習單、凸輪學習單)，學生作品設計圖與作品成績及《國中新編多元性向測驗》之機械推理測驗之施測結果，加以整理，作為後續資料分析的依據。. (五) 第五步驟─評鑑與回饋 39.

(54) 1. 資料分析(106年5月) 此階段將教學時得到的資料進行整理與分析，資料包含凸輪機構學習單、學生作品設計圖、《國中新編多元性向測驗》之機械推理測驗施測結果及STEM取向之機構玩具實作活動接受度問卷。 2. 撰寫研究報告(106年5月－6月) 根據研究結果撰寫研究報告，評鑑行動研究方案，評鑑可能的影響與重要性，確定行動研究的效度，並提出建議與結論。 3. 計畫未來的行動研究主題(106年6月) 依據資料分析的結果，檢視研究目的與待答問題是否達成，根據結果檢視問題是否存在或產生新問題，再次進行研究問題的確定，修正並計畫未來的行動研究主題。. 第三節. 研究對象. 本研究根據STEM取向教學之精神，發展機構玩具實作活動，106年 2月於某所臺北市立國中生活科技進行10週(10堂課)的教學。本研究之教學者即為研究者，因八年級學生已有三個學期的生活科技課程實作經驗，較七年級學生熟悉工具的使用，以及擁有國中三個學期的數學與自然科學習基礎，因此研究者選擇八年級學生作為研究對象。研究對象由教學班級中選擇三個班級的學生，共83人，包含實驗組與對照組。實驗組為兩個班，男生28人、女生28人共56人，以二人為一組，進行STEM取向之機構玩具實作活動；對照組為一個班，男生14人、女生13人共27人，進行非STEM取向之木板凳實作活動。研究者於教學後，將此二班學生的機械推理測驗成績與另一研究者 40.