應用工程設計思考的STEM專題本位學習活動對職前科技教師工程設計思考之影響

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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. 應用工程設計思考的 STEM 專題本位學習活動對職前科技教師工程設計思考之影響. 研究生：許宜婷指導教授：林坤誼. 中華民國一. ○. 五年六月.

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(3) 謝. 誌. 這樣一眨眼才發現在師大也逗留了快六年的光景，從前的大學生活是無憂無慮又輕鬆自在的，反觀這段碩士生涯卻是如此輾轉又得來不易。猶豫留職停薪的數個夜晚裡，是心底那股蠢蠢欲動的求知欲望在搧動，我總得學有完璧，才能心滿意足地揮別師大。感謝我的父母和二姑姑，謝謝您們一路栽培我攻讀至研究所畢業，包容我任性又愛鬧脾氣，支持我所有或經過大腦或否的決定。不論外頭如何地喧囂與紊亂，幾場歷練後，等待的我總是佳餚和您們最強大而溫柔的臂膀，望我往後還能成熟懂事些，我愛您們。感謝坤誼老師，在數個耐心地予以啟發我的文章頓點上、在任意可以看見我還在犯傻的毫無邏輯上，不論遇到多少瓶頸和關卡，謝謝您的悉心啟迪與諄諄教誨，讓我回系上的原動力，是因為熱愛這門獨具魅力的領域，以及您願意對我長談知識與提攜我接觸寶貴的學知。感謝宮廷相依為命的大家，除了熱心助人無怨無悔幫忙我的學弟經政、呈彥、栢維等，給予我在課業上的協助，還有雅富和家綺在碩士旅程中，一起修課談心打牙祭，同窗之情無疑是最美好的時光。感謝吾友俐妘，在研究所這段被定義為枯燥乏味的日子裡，與妳一同以青春作賦，時而添上一抹歡樂的色彩。感謝同路人佛甲，在各種需要扶持的人生課題上，還好有你鼎力地支持與體諒，在此深表謝忱。 i.

(4) 沿途頻回首體會在師大的甘與苦，除了百感交集更多湧上心頭的是感激，因為感謝天的人太多了，就感謝地吧！感謝這片土地讓我與所愛的大家相遇，僅以此論文研究與我所深愛的大家分享，並獻上內心最真摯的感恩及謝意。許宜婷謹誌于國立臺灣師範大學中華民國一百零五年六月十八日. ii.

(5) 應用工程設計思考的 STEM 專題本位學習活動對職前科技教師工程設計思考之影響研究生：許宜婷指導教授：林坤誼. 中文摘要本研究的主要目的著重在探究透過「工程設計流程」與「問題解決流程」的教授應用工程設計思考的「STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動」，以了解職前科技教師工程設計思考之認知結構。而為了達到此一目的，本研究主要採用準實驗研究法，並針對臺北市某一所師資培育機構自然與生活科技科的職前科技教師為對象，其中實驗組為 15 人、控制組為 13 人。在前後測的評量方面以「語意流程圖析法」將訪談內容繪製成語意流程圖，並配合內容分析法藉以分析職前科技教師的認知結構及訊息處理模式，針對符合工程設計思考流程的標竿個案進行分析探討，以進一步了解理想的職前科技教師所應具備的工程設計思考之認知結構。研究結果發現兩種教學法對於職前科技教師的測驗，不論認知結構的「量」與「質」及訊息處理策略的遷移均有進步效果，但是兩者之間在統計上並沒有顯著的差異；而標竿個案職前科技教師在高階訊息處理策略的使用和認知結構的可得性上仍有進步空間。依據本研究資料分析的結果，主要獲致以下研究結論：（1）職前科技教師的工程設計思考之認知結構於可得性及高階訊息. iii.

(6) 處理策略有待強化；（2）工程設計流程有助於職前科技教師工程設計思考之認知結構和訊息處理策略，但效果仍有待強化；（3）標竿個案在認知結構各面向大致完整，但於高階訊息處理策略仍可再做進一步加強。. 關鍵詞：工程設計流程、工程設計思考、語意流程圖、STEM、專題本位學習。. iv.

(7) The Effects of the Application of Engineering Design Thinking for STEM Project-Based Learning on Preservice Technology Teachers' Engineering Design Thinking Cognitive Structures Author: Yi-Ting Hsu Adviser: Kuen-Yi Lin. ABSTRACT This study was conducted with a quasi-experimental research design. The subjects were from National Taiwan Normal University in Taipei. Fifteen preservice technology teachers were assigned to experimental group, while thirteen preservice technology teachers were assigned to control group. The study is respectively constructed by “engineering-designed instruction” and “problemsolving instruction” methods. In order to take engineering design thinking into practice, “STEM project-based learning for the mousetrap car” as introduced. Before and after the teaching process, the researcher interviewed all preservice technology teachers with the “flow maps” method. The interview data were then plotted as “flow maps” in order to analyze the preservice technology teachers’ cognitive structures and information processing models. Moreover, the cognitive structures and the information processing strategies were also investigated through a series of content analysis. This research was also an accordance of the preservice technology teachers' narrative toward engineering design thinking of concepts in the benchmark case. The research analize the completeness of the conceptual target and the data of each construction.This research displayed that the preservice technology teachers’ test scores in both teaching methods in “Engineering Design Thinking” section was exhibited significant improvement, but no significant differences were found between the two groups. The main findings feature: (1) The concepts with “availability” and “higher-level information processing strategies” need to be enhanced. (2) The engineeringdesigned instruction is effective to enhance preservice technology teachers’ concept learning and knowledge construction, but the effect remains to be strengthened. (3) The preservice technology teachers who are will known success in engineering design thinking but need to improve their “higher-level information processing strategies”. v.

(8) Keywords: Engineering-Designed Instruction, Engineering Design Thinking, Flow Maps, STEM, PBL. vi.

(9) 目謝. 錄. 誌 .................................................................................................................. i. 中文摘要 ................................................................................................................ iii ABSTRACT ............................................................................................................ v 目. 錄 ............................................................................................................... vii. 表. 次 ................................................................................................................ ix. 圖. 次 ................................................................................................................ ix. 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 ....................................................................... 6 第三節研究範圍與限制 ............................................................................... 9 第四節重要名詞釋義 ................................................................................. 12 第二章. 文獻探討 ......................................................................................... 19. 第一節工程設計思考 ................................................................................. 19 第二節 STEM 專題本位學習活動 ............................................................. 37 第三節語意流程圖析法 ............................................................................. 48 第三章. 研究方法 ......................................................................................... 63. 第一節研究架構 ......................................................................................... 63 第二節研究對象 ......................................................................................... 67 vii.

(10) 第三節研究流程 ......................................................................................... 68 第四節研究工具 ......................................................................................... 73 第五節資料分析與詮釋 ............................................................................. 83 第四章. 研究結果與討論 ........................................................................... 105. 第一節職前科技教師的工程設計思考認知結構 ................................... 105 第二節工程設計流程對職前科技教師建構工程設計思考認知結構之影響 ................................................................................................... 112 第三節工程設計流程對職前科技教師建構工程設計思考訊息處理策略之影響 ........................................................................................... 132 第四節標竿職前科技教師的工程設計思考認知結構........................... 151 第五章. 結論與建議 ................................................................................... 169. 第一節結論 ............................................................................................... 169 第二節建議 ............................................................................................... 176 參考文獻 ............................................................................................................. 181 一、中文部分 ............................................................................................... 181 二、英文部分 ............................................................................................... 183 附. 錄 ............................................................................................................. 191 附錄一職前科技教師教學前後語意流程圖 ........................................... 193. viii.

(11) 表. 次. 表 2-1 專題本位學習和問題導向學習對於工程學習觀點之比較表 .............. 31 表 2-2 工程設計活動流程................................................................................... 34 表 2-3 STEM 教學步驟的對應關係 .................................................................... 40 表 2-4 鼠夾車工程設計流程............................................................................... 44 表 2-5 認知結構的向度與變項之關係表 .......................................................... 59 表 3-1 準實驗研究－不等組前後測設計 .......................................................... 63 表 3-2 工程設計流程教學法和問題解決流程教學法之比較 .......................... 70 表 3-3 工程設計流程的 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動教案.......... 74 表 3-4 問題解決流程的 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動教案.......... 78 表 3-5 認知結構分析架構表............................................................................... 81 表 3-6 語意流程圖之教學前後主概念相似比例值與所有概念連結相似比例值整理表 ................................................................................................. 93 表 3-7 語意流程圖之教學前後訊息處理策略分析相似比例值整理表 .......... 99 表 4-1 職前科技教師認知結構前測量化資料概況分析表（n=28） ............ 107 表 4-2 研究對象認知結構概念分布狀況 ........................................................ 114 表 4-3 不同組別職前科技教師工程設計思考認知結構差異比較 ................ 115 表 4-4 組內迴歸係數同質性檢定結果分析摘要表 ........................................ 116 表 4-5 不同組別職前科技教師在概念廣度、正確性、整合性與可得性的共 ix.

(12) 變數分析摘要表 ................................................................................... 117 表 4-6 實驗組與控制組工程設計思考認知結構的語意流程圖量化資料 t 考驗結果及效果值彙整表 ........................................................................... 120 表 4-7 實驗組與控制組在認知結構相關訊息的獨立樣本 t 檢定（n=28） . 121 表 4-8 實驗組工程設計思考認知結構前後測相依樣本 t 檢定分析 ............. 125 表 4-9 控制組工程設計思考認知結構前後測相依樣本 t 檢定分析 ............. 126 表 4-10 研究對象訊息處理策略概念分布狀況 .............................................. 134 表 4-11 不同組別職前科技教師工程設計思考訊息處理策略差異比較 ...... 135 表 4-12 組內迴歸係數同質性檢定結果分析摘要表 ...................................... 136 表 4-13 不同組別職前科技教師在定義、描述、比較或對比、推理與因果解釋的共變數分析摘要表 ....................................................................... 137 表 4-14 實驗組與控制組工程設計思考訊息處理策略的語意流程圖量化資料 t 考驗結果及效果值彙整表 ................................................................. 140 表 4-15 實驗組工程設計思考訊息處理策略前後測相依樣本 t 檢定分析 ... 144 表 4-16 控制組工程設計思考認知結構前後測相依樣本 t 檢定分析 ........... 145 表 4-17 職前科技教師標竿個案認知結構概念整理表（n=3） .................... 158 表 4-18 職前科技教師標竿個案訊息處理策略概念整理表（n=3） ............ 160 表 4-19 標竿個案與一般個案工程設計思考認知結構敘述統計表 .............. 161 表 4-20 標竿個案與一般個案工程設計思考訊息處理策略敘述統計表 ...... 165 x.

(13) 圖. 次. 圖 2-1 （A）順向演算；（B）逆推系統結構 ................................................... 23 圖 2-2 以節點與連結呈現設計知識 .................................................................. 26 圖 2-3 Siegler 的天平橫桿實驗圖 ....................................................................... 43 圖 2-4 「岩石與礦物」隨意字義聯想法圖 ...................................................... 51 圖 2-5 「岩石與礦物」控制字義聯想法圖 ...................................................... 51 圖 2-6 「岩石與礦物」樹狀圖........................................................................... 52 圖 2-7 「岩石的種類」概念圖........................................................................... 53 圖 2-8 階層網路結構模式之知識階層結構圖 .................................................. 56 圖 3-1 研究架構圖............................................................................................... 66 圖 3-2 研究流程圖............................................................................................... 72 圖 3-3 工程設計流程的 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動.................. 74 圖 3-4 問題解決流程的 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動.................. 78 圖 3-5 教學前職前科技教師 PT1 語意流程圖初稿 .......................................... 88 圖 3-6 教學前職前科技教師 PT1 語意流程圖後設重聽後修正稿.................. 89 圖 3-7 教學前職前科技教師 PT1 語意流程圖迴歸修正稿.............................. 91 圖 3-8 教學前職前科技教師 PT1 內容分析法編碼圖...................................... 98 圖 3-9 三角校正法............................................................................................. 103 圖 4-1 職前科技教師 ED1 的工程設計思考之語意流程圖 ........................... 153 xi.

(14) 圖 4-2 職前科技教師 ED4 的工程設計思考之語意流程圖 ........................... 155 圖 4-3 職前科技教師 ED12 的工程設計思考之語意流程圖 ......................... 157. xii.

(15) 第一章. 緒論. 十二年國民基本教育科技領域綱要中，高中生活科技課程以「工程設計」為主軸，強調導引學生注重創新思考潛能之啟發，和程序規劃及流程執行之訓練（國家教育研究院，2014），探討科技與工程知識與技術運用於解決問題當中，以培養學生的工程設計思考，奠定學生終身學習之基礎。然而，以往的科技師資培育課程並未培育教師工程設計思考，故本研究著重在探討 STEM（science, technology, engineering, mathematics, STEM）專題本位學習活動對於職前科技教師工程設計思考（engineering design thinking）的影響，以藉此落實未來高中生活科技課程的理念。本章內容將分別闡述本研究之研究動機與目的、研究限制與待答問題。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，第四節則是重要名詞釋義。茲分別敘述如下。. 第一節. 研究背景與動機. 生活科技課程目標在於協助學生了解科技，以及科技對個人、社會的影響，同時也致力於培養學生應用科技、解決問題的能力（國家教育研究院，2014）。而培養學生工程設計思考除了能學習工程設計上所應用的知識原理，亦能清楚地表達創意與構想，並且能實際安排完整的工作內涵。除此之外，更期望藉由學習工程設計思考，培養學生探討科技概念於工程上 1.

(16) 的實施與應用，按照所規劃之工程設計程序，將創意與構想以實作呈現。因此，工程設計思考可以說是當今科技教育培養學生解決問題與創新設計的重要學習內涵。近年來，面對強大知識經濟體的進步與衝擊，美國工程及科技教育認證委員會（Accreditation Board for Engineering and Technology, ABET）將工程教育的設計規範，視為美國工程計畫的國家標準（ABET, 2000）。因此， ABET 對於工程教育方面提出許多應用與綜合教育改革計畫，其中最重要的就是工程科系畢業的學生所應達到的標準核心能力，包含（ABET, 2013）：（1）了解生物學和生理學，應用進階的數學能力（包括微分方程與統計）；（2）透過科學、工程解決工程界面中存在問題的能力；（3）從社會系統與生態中量測資料，即解讀現實生活中工程數據的能力；（4）在跨領域（multi-discipline）系統之間解決與互動相關問題的能力。由此可看出工程設計思考為培養學生具備問題解決的能力以提升其國際競爭力的重要因素之一，亦是大學科技與工程教育當前面臨的重要課題。因此，成立足夠的師資培育機構以及培養富有工程設計思考的職前科技教師，成為日益重要的趨勢。隨著生活科技的課程內容具體化與「動手做」的議題漸受重視，為探討工程設計的範圍及基本應用，工程設計思考成為啟動未來創新的重要角色。然而工程設計思考之教學方式在科技領域的教學中，又以專題本位學 2.

(17) 習（project-based learning, PBL）為主要推動的教學模式，專題本位學習的歷程為一具有挑戰性的問題與行動，經由主題設定、決策與方法設計、執行研究計畫等實務步驟，整合專案中相關的資源進行自主學習，並且最後需完成真實產品與發表的學習過程（Blumenfeld, 1991）。相較於傳統以教師為主導角色的方式，學生更能透過教師引導的學習過程中，從真實的經驗學習，以科技作為認知工具，創造個人的知識。因此，本研究想要從專題本位學習來著手進行涵蓋工程設計思考的課程活動，以培養學生主動探索、發現並了解，藉以訓練學習者應用知識解決問題的能力。目前專題本位學習的教學法已漸漸在其他教育專業中推廣開來，因此，本研究將透過此教學系統應用在 STEM 實作課程當中，並建構工程設計思考之活動課程內容，進而評估其實施成效。STEM 為整合科學（science）、科技（technology）、工程（engineering）及數學（mathematics）領域的教學知識，而透過 STEM 專題本位學習活動可以引發學生整合不同的學科，進而利用各學科中的相關知能來解決問題，近年來，亦有許多學者提出將 STEM 跨學科的知識結合成為一整合性的專題本位學習活動，並經研究證實能有效提高學生學習成效（羅希哲、蔡慧音、曾國鴻，2011；Laboy-Rush, 2011；Sally & Jaumall, 2010；Stohlmann, Moore & Roehrig, 2012）。因此，本研究以 STEM 教育為基礎，利用專題本位學習模式，設計一個真實性的活動，藉由動手實作的過程中，進行問題的探索 3.

(18) 與知識建構，探討此課程發展方式對於職前科技教師工程設計思考的影響。學生於教學活動中統整科學、科技、工程及數學的動機，促進學生提升思考能力，激發創意概念，解決當前所面對的問題，是發展 STEM 專題本位學習活動的重要關鍵（National Science Board, 2009）。然而，工程設計思考的提升便從主動探究問題開始，藉由整合各學科的知識而構築創新的思維模式，進而培養問題解決的能力與意願。因此，研究者欲研究職前科技教師在經過工程設計流程的方式來進行 STEM 專題本位學習活動的教學課程後，對於工程設計的認知思考結構以及概念改變的情形，和經由傳統問題解決的教學方式所學習之成效是否有所差異。為探究學習者的認知發展（cognitive development），需記錄其吸收知識時的認知方式以及解決問題的思維能力，Tsai 和 Huang（2002）提出五個構面來分析認知結構，分別為（1）概念廣度；（2）正確性；（3）整合性；（4）可得性；和（5）訊息處理策略，藉以了解學生概念結構中所存在的知識內容。然而，綜觀工程設計思考的認證，大都是以測驗成就或二階段測驗作為教學後的評量依據，雖可得知學生在教學後所能暫時記憶的成果，但卻無法了解真正的學習成效。為了要掌握認知結構的思考過程，語意流程圖（flow map）展現了認知結構的思考過程，利用循序性的模式進行回憶，以及表達基本上相互關聯的組織（Tsai & Huang, 2002）；再運用語意 4.

(19) 流程圖析法（flow map method），按照受訪者回憶事件的順序及其構成的網絡聯繫而形成圖像（Anderson & Demetrius, 1993），助於觀察職前科技教師對於工程設計思考的進步與培養。因此，研究者想要透過語意流程圖析法的分析，了解職前科技教師藉由 STEM 專題本位學習活動的教學後，對於工程設計思考知識結構的各個向度之影響。所以本研究旨在了解職前科技教師工程設計思考認知結構和訊息處理策略的現況，並於教學實驗中探究工程設計流程對於職前科技教師工程設計思考之認知結構和訊息處理策略，是否能促進其教學成效，以增進職前科技教師工程概念上的整合與應用。最後，對於標竿個案職前科技教師的認知結構表徵進行探討，以提供職前科技教師在發展工程設計思考概念上的參考。. 5.

(20) 第二節. 研究目的與待答問題. 基於研究動機與目的，本研究旨在了解職前科技教師透過 STEM 專題本位學習，對於培養其工程設計思考的提升與效益，並根據研究結果提出建議，做為教師日後改善教學活動提升學習者學習成效的方針。一、. 研究目的. （一）探究職前科技教師的工程設計思考之認知結構。（二）探究工程設計流程對職前科技教師工程設計思考之認知結構的影響。（三）探究工程設計流程對職前科技教師工程設計思考之訊息處理策略的影響。（四）探究標竿個案職前科技教師在經過工程設計流程後的工程設計思考認知結構表徵。. 二、. 待答問題. （一）職前科技教師的工程設計思考之認知結構為何？ 1. 職前科技教師對於工程設計思考的概念廣度為何？ 2. 職前科技教師對於工程設計思考的正確性為何？ 3. 職前科技教師對於工程設計思考的整合性為何？ 4. 職前科技教師對於工程設計思考的可得性為何？ 6.

(21) 5. 職前科技教師對於工程設計思考的訊息處理策略為何？. （二）工程設計流程對職前科技教師建構工程設計思考之認知結構的影響為何？ 1. 工程設計流程教學對職前科技教師建構工程設計思考之「概念廣度」是否有助益？ 2. 工程設計流程教學對職前科技教師建構工程設計思考之「正確性」是否有助益？ 3. 工程設計流程教學對職前科技教師建構工程設計思考之「整合性」是否有助益？ 4. 工程設計流程教學對職前科技教師建構工程設計思考之「可得性」是否有助益？. （三）工程設計流程對職前科技教師工程設計思考之訊息處理策略的影響為何？ 1. 工程設計流程對職前科技教師工程設計思考的訊息處理策略之「定義」是否有助益？ 2. 工程設計流程對職前科技教師工程設計思考的訊息處理策略之「描述」是否有助益？ 3. 工程設計流程對職前科技教師工程設計思考的訊息處理策略之「比較 7.

(22) 或對比」是否有助益？ 4. 工程設計流程對職前科技教師工程設計思考的訊息處理策略之「推理」是否有助益？ 5. 工程設計流程對職前科技教師工程設計思考的訊息處理策略之「因果解釋」是否有助益？. （四）標竿個案職前科技教師在經過工程設計流程後的工程設計思考認知結構表徵為何？ 1. 經過工程設計流程教學後，標竿個案職前科技教師工程設計思考認知結構表徵為何？ 2. 經過工程設計流程教學後，標竿個案職前科技教師工程設計思考訊息處理策略表徵為何？. 8.

(23) 第三節. 研究範圍與限制. 本小節主要說明研究範圍及研究限制，分別依研究場域、研究對象、研究時間、教學內容做簡要的說明：一、. 研究範圍. （一）研究場域：本研究以臺北市某一所師資培育機構自然與生活科技科教室為研究場域。（二）研究對象：本研究以臺北市某一所師資培育機構職前科技教師為研究對象。（三）教學單元：本研究以 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動作為教學課程。（四）研究工具：本研究以 Atman 等人（2007）所發展之「設計活動的編碼方案」（design activity coding scheme）作為工程設計流程的發展；同時利用「語意流程圖析法」及「後設重聽法」的訪談方式收集職前科技教師陳述之概念，並藉以繪製「語意流程圖」用以分析之，同時將職前科技教師口述的內容依概念分類統計，用以觀察職前科技教師之概念遷移的情形。. 二、. 研究限制. 9.

(24) （一）研究對象：臺北市某一所師資培育機構之職前科技教師為研究對象，礙於人力、物力之限制，對於非該學校的職前科技教師並未探討，故研究結果之推論有其限制性。為了克服此研究限制，本研究以生活科技科之共同專業必修的科目“工業科技教育概論”之修習職前科技教師為研究對象，教師的專業度為對象選取的主要考量，同時，該課程修習的職前科技教師係以常態編班，生活科技課程皆為同一位教師任教，可排除不同教師授課而影響實驗結果。（二）研究主題：本研究以「鼠夾車實作活動」單元為研究主題，並以在 STEM 專題本位學習的課程為主要教學模式，因單元內容均有其獨特性，故推論至其他單元時仍有其限制性。而此課程主題符合高中生活科技科－“工程設計”的專題製作活動，確定能夠做為培養職前科技教師工程設計思考的程序規劃及實作能力之目的，以解決此研究限制。（三）研究工具：本研究藉由以下四項研究工具來探討職前科技教師的工程設計思考。以 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動作為教學課程；採用 Atman 等人於 2007 年提出之設計活動的編碼方案（以下簡稱工程設計活動流程）來做為工程設計之流程；受訪者的認知結構係依據 Anderson 和 Demetrius（1993）所提出的語意流程圖析法來進行質性分析；訊息處理策略則採用 Tsai 和 Huang 於 2002 年提出 10.

(25) 之分析認知結構的五個向度。由於研究工具及研究範圍有所限制，故研究結果不可過度推論到其他能力面向。（四）研究結果：由於目前尚無可以完全表徵認知結構的方法，而本研究僅利用訪談方式獲得職前科技教師的認知概念及結構，對於口語表達能力較弱或是因為與專業教師的生疏關係而害羞不願回答的職前科技教師則較為不利，但依此方法所得到研究成果仍具有實徵效果，故研究者欲找出改善正確有效的晤談題目，以符合檢索職前科技教師的認知結構上，能反覆分析概念之間的連結性，藉以達到預設之目標，提供其他研究者做為參考。. 11.

(26) 第四節. 重要名詞釋義. 本研究所涉及的重要名詞，定義說明如下：一、. 工程設計思考 Brown（2010）曾在設計思考改造世界一書提到，設計思考（design. thinking）是一種融合了發想（inspiration）、構思（ideation）以及執行（implementation）等三大探索的過程，且這探索新方向的過程，可能是重複來回的，且是相互重疊的空間，且在探索的過程中可能會產生新的洞見，看見更有趣、更有前景或潛力的新方向，包括：（1）發想（inspiration）：刺激設計者尋找解決方案的機會與需求，從所有可能的地方蒐集洞見；（2）構思（ideation）：將洞見轉化成構想，發展和驗證；（3）執行（implementation）：將最好的構想發展成明確完整的設計規劃，也是從設計研究室通往市場的步驟。設計思考（design thinking）是研究設計師在設計過程中思考行為的變化，利用認知心理學來研究設計師的思考方式，而所謂的思考（thinking）包含了問題解決的方式、策略的應用、注重的焦點與設計的決定。相較於工程設計思考是一個包含特定條件的系統，為設計者評估生產功能的智慧流程（詳見第二章第一節），目的則是達成客戶的目標和需求（Dym, et al., 2005）。另一方面，工程設計教育中需要透過圖像思考的訓練，才能完成圖像表達與思考能力的建立，最終達到對實務進行實作的目的。近代工程設 12.

(27) 計方法學多以設計程序的角度切入，而對於學習者工程設計流程之思考訓練，若還是僅以傳統課本形式進行方法上的知識探討，恐怕不如專題教學設計的方法與個案式修正之方式來顯得有學習效果（蔡錫錚等，2007）。因此，本研究指依 Atman 等人（2007）所提出之工程設計流程的教學歷程，包括八個階段：（1）定義問題：界定基本問題之範疇、（2）搜尋解決問題的資料：對於問題進行資料論證之蒐集、（3）產生構想：運用發散或收斂之思考方式找到解決辦法、（4）進行建模：進行工程模型之前測模擬、（5）分析可行性方案：檢核問題的限制和標準，藉以分析可能產生之結果、（6）評估方案：判斷關鍵因素以進行較佳之設計工作、（7）做出決定：制定方案與進行準備工作，及（8）與團隊溝通：呈現小組報告與團隊合作。本研究欲透過此工程設計流程之教學方式，從實作活動中收集職前科技教師面對工程及相關領域知識進行分析，找出職前科技教師更明確的設計行為與工程設計思考流程之模式。. 二、. STEM 專題本位學習活動本研究 STEM 實作課程，係結合專題本位學習（project-based learning,. PBL）所發展出具有探索及思考的教學模式。STEM 專題本位學習提供複雜且真實性的專題計畫，讓學生透過探索式的方法從事問題的探究，學習者被期待使用科技工具幫助其知識的建構與呈現（Milentijevic, et al., 2008）。 13.

(28) Solomon（2003）指出，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、分析並產生新知。綜合上述研究者依 STEM 專題本位學習活動所具備的學習特性，包括：（1）探討的議題與真實性聯繫在一起；（2）知識經常跨學科；（3）學習者主動蒐集各種資訊；（4）以小組為學習單位；（5）學習者透過學習到的知識進行溝通與判斷；（6）教師的作用為引導和建議。本研究係以鼠夾車實作活動來進行 STEM 專題本位學習活動，透過真實情境學習的 STEM 整合課程，以教導職前科技教師能夠將 STEM 理論應用於實作的問題解決當中，藉以提升工程設計思考於規劃設計的學習過程中。. 三、. 問題解決流程「問題解決」是為了要克服障礙以達到解答的目標，在許多情境中，. 我們最可能使用知識來解決問題，或是使用創造洞察力（Sternberg & Lubart, 1995）。本研究指依 Sternberg（2003）所提出之問題解決模式的歷程，包括七個階段：（1）問題確認：進入情況並接受問題、（2）定義問題：辨識和列出事實、（3）產生解決方案：腦力激盪以建立問題解決的策略、（4）組織各方案的成效：推想各方案的成效以產生替代方案、（5）修正方案：測試各反應加以修正甚至選取替代方案、（6）實際測試方案： 14.

(29) 採取行動驗證假設，及（7）作品的評估與呈現：回顧並檢核結果。. 四、. 認知結構「認知結構」（cognitive structure）是一個假想的結構，指學習者的長. 期記憶（long-term memory）中知識結構的表徵（Shavelson, 1974）。然而，知識結構可分為三種：語意知識（Semantic knowledge）、程序知識（procedural knowledge）、策略知識（strategic knowledge）。「語意知識」為是有關事實和概念及其關係的知識，通常可用透過概念構圖進行表徵；「程序知識」為完成一些程序的知識的過程，通常可用透過程序圖進行表徵；「策略知識」則為建立目標、選擇適當步驟，和監控進程以獲致目標等的知識（林清山，1991）。故本研究嘗試深入職前科技教師對工程設計思考的認知結構，了解其面臨專題本位學習的實作活動時的概念模組，其分析構面則採用 Tsai 和 Huang（2002）的五個向度來進行分析，包含（1）概念廣度、（2）正確性、（3）整合性、（4）可得性、以及（5）訊息處理策略。探討其與工程設計流程及屬性間的連結關係與攸關程度，最終呈現職前科技教師的工程設計思考認知結構。. 五、. 語意流程圖析法「認知結構」是用來表徵學生長期記憶區中概念與概念間的關係. （Shavelson, 1974），而透過探索學生的認知結構，教師能理解學生的知識 15.

(30) （Wu & Tsai, 2005）。West, Fensham & Garrard（1985）指出，「認知結構」有兩個重要組成，第一個是存於概念結構中的知識內容，另一個則是這些知識如何組織。因此，本研究係透過 Anderson & Demetrius（1993）所提出的「語意流程圖析法」（flow map method），協助我們探究學生認知結構中概念之間的關係。按照受訪者回憶事件的順序及其構成的網絡聯繫轉換成語意流程圖（flow map），以分析其認知結構成果的方法。本研究分別對職前科技教師進行工程設計流程與問題解決流程的教學法，做為 STEM 專題本位學習的課程流程知識表達架構，並以鼠夾車教學實作活動為基礎，輔以能夠表達認知結構內涵之語意流程圖進行晤談，分析職前科技教師對於工程設計思考概念的關聯序列特性。. 六、. 後設重聽法當完成第一次訪談後，研究者將所錄製的錄音設備重新播放，讓職前. 科技教師聽自己的晤談錄音記錄，視自己的認知歷程、知識和學習成果，對於內容進一步的補充或修改，並再次確認自己所說的工程設計思考概念是否正確與完整。此步驟乃參考 Tsai（1999b）的「後設重聽法」（metalistening technique）設計進行學習的監控策略（即：後設學習策略），使學習成為學習者主動的且有意義的知識建構與重組的歷程。第二次晤談如同第一次晤談，也是全程錄音，當學習者聆聽錄音帶過程中，如需增加或修 16.

(31) 改，則立刻停止錄音設備播放，讓學習者陳述要增加或修改的部分。等學習者增刪完畢，並確定無任何遺漏後，再繼續錄音設備播放；此過程必須讓職前科技教師聆聽完自己的第一次晤談錄音，並完成所有增加或修改後，才算完成。. 七、. 訊息處理策略 Gagne（1977）主張以「訊息處理模式」（information-processing. model）來解釋人類的內在學習歷程，在學習過程中，訊息轉換歷程構成一些學習階段（learning phases），而此時教師若能適時、適當地配合教學活動將能幫助學習者達到學習的目標（吳宗立，1999）。該理論提出了注意策略、編碼處理策略及記憶提取策略三階段的學習策略，個人的學習經驗與知識會累積在長期記憶中儲存成基模，而能於日後順利取出使用，舊基模從長期記憶中被提取出來與新知識交互作用便會形成新的認知。配合語意流程圖將受訪者所敘述的概念採用「內容分析法」（content analysis method）給予編碼，分別為「定義」、「描述」、「比較或對比」、「推理」與「因果解釋」，最後依照受訪者陳述概念的邏輯性加以歸類，學習者藉由運作記憶功能的發揮以及認知資源的開發，可以了解受訪者的訊息處理策略。. 17.

(32) 18.

(33) 第二章. 文獻探討. 本研究以 STEM 專題本位學習活動來進行「工程設計流程」與「問題解決流程」的教學法，觀察職前科技教師對於工程設計思考的認知結構及概念的分布情形，主要研究工具係藉由「語意流程圖析法」，針對重大相關的議題進行分析說明。因此，文獻探討分為三節介紹：第一節探討工程設計思考；第二節探討 STEM 專題本位學習活動；第三節探討語意流程圖析法。. 第一節. 工程設計思考. 臺灣十二年國民基本教育課程綱要草案已訂定科技領域為必修學分，強調導引國中教育注重創新思考潛能之啟發，培養程序規劃及流程執行之能力(十二年國民基本教育課程研究發展會，2015)。高中階段則著重在「工程設計」，強調藉由工程設計的專題製作活動，提供學生跨學科、STEM 知識整合的學習，並藉此發展其在科技與工程領域的設計、創新、批判思考等高層次思考能力（國家教育研究院，2014）。其中，工程設計能力是講求手腦並用（hands-on and mind-on）、藉由活動導向（activity-oriented）、運用專科教室（lab-based）並實踐知識（praxiological knowledge）等（國家教育研究院，2014），同時善用工程設計及相關之電腦技術（如 3D 模型、電腦模擬）以解決問題。故本節將就工程設計思考歸納出由淺而深的理論基 19.

(34) 礎，以期對工程設計思考的整個輪廓能有更基本且深入的認識探討及分析。. 一、. 工程設計思考之理論基礎何謂「設計」？就設計的本質而言，設計是一種綜合的造型活動，產. 品則是一種日常生活器具，設計透過產品反應當時的生活型態、美學價值、流行風尚、經濟發展與文化層面等。可見「設計」的意義會隨著出現的脈絡而有所不同，很難予以單一定論。設計是所有人類活動的基礎，任何行為的計畫與塑形都是朝著一個渴望、可預見的目標，並構成的設計的過程（楊路，1972）。雖然設計一詞有許多的定義與派別，不同派別有其不同的解釋，但許多設計師能製造出令他充滿自信的產品，但卻不一定能解釋清楚這些產品是如何製造出來。因此，設計師必須藉由腦中所進行的設計思考程序，經過發想、構思、執行的複雜過程，才能了解背後的知識體系，學會如何思辨。Dym 等人（2005）指出「設計思考」的定義，認為設計思考之概念性定義有五項：（一）發散與收斂的提問過程設計是一個整合和解析的過程，設計過程中的每個步驟都會由各種答案發展出來。工程師無論在研發技術或尋求解答時，習慣用理性的、量化的思維模式去思考問題、解決問題，講求按部就班、循序漸進，因此，要 20.

(35) 求推論過程中的每一個步驟、階段之事物，都需接受嚴格的定義及推論正確無誤（Dym, et al., 2005）。在設計流程的階段，需要不同的設計策略與方法來運用，Jones（1988）將設計思考分為三個階段，以「發散」、「轉變」、「收斂」區分為三大類別：（1）發散思考（divergent thinking）：以不同的角度與方向加以思考進而產生新的構想，目的在於打散或破解原來的綱要，構想無限擴大發散出無數個方案；（2）轉變思考（transformation thinking）：目的在於彙整資訊，透過資訊所傳達之意象或內涵藉由創意聯想轉變構想的元素；（3）收斂思考（convergent thinking）：目的在於將眾多的設計構想方案藉由各學理方法將其精簡至符合使用方案。運用發散－收斂的思維來假設工程問題的框架，事實上，以此種推理問題的方式來進行設計的開頭，已經被證明與培養學生的學習能力呈現正相關的效果（Dym, et al., 2005）。因此，如何形成“問題”顯然成為設計思考的一個重要流程，完成一個設計並非單純的描述、呈現設計方法，而是於設計過程中，表達腦中思考的內容。. （二）思考有關系統思維系統思維，是問題探究及日常作業中都常用到的探索途徑與思維取向。尤其，當面對著複雜多變的待解問題時，作業者能否適切地藉系統性思考以綜觀全局、沿波討源，常成為能否成功解題的關鍵（陳可恭， 21.

(36) 2002）。當然，在科技教育上，系統概念的建立與系統分析能力的培養，就更顯重要了。例如，就以我國最近所推行的「十二年國民教育課程」而言，每個國家採取不甚相同的科技教育之實施方法，嘗試將科技教育與工程教育進行綜合，旨在透過 STEM(Science, Technology, Engineering, & Math) 的科技課程尋求發展新知識，融合 STEM 學科概念的設計與探究，帶領學生針對性地達成活動的方針（國家教育研究院，2014），則系統概念的重要性，誠不言可喻。此外，許多大專院校創立了專業的系統設計、系統工程及相關領域的課程（Ng, 2004），而針對工程設計思考過程中常遭遇的問題，Dym 等人（2005）等人提出設計思考系統方面的具體論述： 1. 思考系統動態學（thinking about system dynamics）系統動態學（System dynamics）又稱為系統動力學，是美國麻省理工學院教授 Forrester 於 1956 年所提出，具有擅長處理週期性問題、在數據缺乏的條件下仍可進行研究、擅長處理高階與非線性具時間變化的問題等特色（蘇懋康，1988）。一般而言，系統思維在問題解決上之應用，主要包含兩個進程的交互為用，包含尋找系統「輸入」、「結構」與「輸出」之間的基礎關係，又稱為順向演算，如圖 2-1（A）；另一方面，由已知的「輸入」配合順向演算的背景理論，以逆演可以擬合「輸出理論值」與「輸出觀測值」的「系統結構解」，又稱為反向演算圖 2-1（B），而結合此二進程反覆操作，便能不斷地進行問題解決的活動（張瓊、于祺明、劉文均，1994）。 22.

(37) 圖 2-1 （A）順向演算；（B）逆推系統結構資料來源：張瓊、于祺明、劉文君（1994）。科學理論模型的建構。臺北市：淑馨出版社。. 然而，晚近由於系統分析能力的提昇及系統觀的改變，人們已逐漸意識到：有許多現實世界的系統運作（像全球變遷、經濟改革等），其因果並非單純的線性關係，而是以複雜、渾沌、非線性的動態機制呈現（陳可恭，2002）；因此，Doyle（1997）提出了一個有效提高系統動態思考的研究，以系統思考來解決動態複雜性的問題，亦即提升工程設計之思考。從系統中思考物件之間相互作用的連結性、推理性，達成有效推理簡單系統的動態，而該研究後來實施於工程教育的課程訓練中。. 2. 處理不確定性（reasoning about uncertainty）由於工程設計是由不完善的訊息模型及模稜兩可的目標所組成，所以有時不確定因素的影響反而會更加突出（Dym, et al., 2005）。在工程行為甚至更廣泛的人類行為領域中，「不確定性」（uncertainty）均被描繪成人類行為狀態的必要特質（Anderson, 2006），我們的生活中充滿著不確定的事物，而其中的模糊、疑惑與難以抉擇性，反倒能引起新觀念與新想法的產生。在工程研究的範疇，不確定性與工程建構過程的機動性相關，例如 Sweeney & Sterman 23.

(38) （2004）提出：設計者在參與設計時，對問題及其解決方案會發現自己某些部份知道與某些部份不知道，而填補這一裂縫的正是學習過程。更進一步對於工程設計的課程上支持相關主張，他們認為工程設計思考的教育路上，課程內容至少應該要包含：（1）概率統計課程；（2）分析不確定因素的工程課程；（3）更強調實作設計活動；（4）考慮不確定的技術選修和人文課程。工程的不確定性依據問題解決階段而面臨不同的情境。Atman 等人（2007）提出符合工程程序課程教學的「工程設計活動流程」（詳第二章第一節），而將問題解決過程區隔八個階段：定義問題、搜尋解決問題的資料、產生構想、進行建模、分析可能性方案、評估方案、做出決定及與團隊溝通。在每一個階段中都會遭遇不同的不確定性，該工程設計模式提供工程問題搜尋相關研究之理論架框，作為觀察各個階段之不確定程度。. 3. 進行評估（making estimates）系統設計常面臨的一大挑戰，即是隨著變數及系統因子的相互作用增加，同時也超出了設計者掌握系統細節的能力（Dym, et al., 2005）。在工程設計評估可行方案與問題中，可以透過訓練設計者選擇有效的數值，學會推定相近的物理參數，則能更容易達成系統設計的設定目標，然而，工程教育目前雖強調了複雜的精算方法，卻沒有教導估算近似值的相關技能（Linder, 1999）。工程設計思考的教學方式與課程設計之存在目的，便是在建立一個完整的系統評估架構及項目，並決定各評估項目之權重，使得學習評估工程設計所遭 24.

(39) 遇的問題更加準確與改善推估近似值的能力。. 4. 進行實驗（conducting experiments）系統的設計很少會完全運用基本的科學原理的達成目標，在大多數的情況下，系統的設計也需要使用一些經驗值的數據和實驗。因此，教導學習工程設計的學習者實驗與研究，能使他們具備工程設計及實驗執行，以及分析與解釋數據之能力。Box 和 Liu（1999）認為工程師還必須利用物理的數據以及模型的實驗來學會演繹和歸納的過程，達到有效地規劃和分析實驗的結果，及利用工程模型和實驗研究來達成工程設計的最終目的。. （三）做設計的決定設計工作是不斷作決策的過程，而決策的依據則在資訊的完整與設計問題的發現。如何培養與取得設計和工程的知識呢？Hazelrigg（1999）曾提出“為了使工程設計產生最佳的結果，設計的過程中可能需要培養對於數學能力的基本認識；由於，工程設計是一個包含許多密集的做決定過程，尚需要學習其他領域，如經濟學的決策理論”。該學者認為最佳解決方案的概念來自經濟學，特別是在多重目標間理性選擇的問題，所以，是找幾個可能的方案，而不只是一個標準答案，是充分而非必要的邏輯條件。Cony 等人（1990）曾探討設計知識之間的連結性概念在設計問題中的應用，在設計的過程中，設計者常藉由泡泡圖（bubble-diagram）的方式去 25.

(40) 呈現設計知識（包括物件與關係），此種圖像化的類比（diagrammatic analogy）方式，呈現設計知識的方式乃以符號（或稱物件），與符號間關係為主要的構成元素；其強調圖像連結性的資訊（connectivity information），如圖 2-2 主要以節點（nodes）和連結（arcs）為構成具有連結性知識結構的主要元素。. 圖 2-2 以節點與連結呈現設計知識資料來源：Cony, R. D., Rosenman, M. A., Radford, A. D. & Gero, J. S. (1990). Knowledge-Based Design Systems, Addison-Wesley Publishing Company.. 在設計運算領域中，Cony 等人（1990）認為上述這些符號與關係必須根據不同的設計工作，賦予這些符號與關係的相關設計內容（包括如概念、實例、等級或屬性等），提供設計者了解及組織關聯性設計知識的方式。設計者將複雜的設計過程切成許多片段，再加以討論、澄清，這些複雜的設計過程可用一連串問題詢問，例如顧客或使用者會遇到哪些問題、 26.

(41) 哪些人或單位可以提供答案等，這些問題再使用數學公式、模型、電腦程式等工具、資訊科技或管理的方法，獲得解決以完成設計工作（Dym & Little, 2004）。. （四）在團體的環境中進行設計思考由不同領域背景的成員組成團隊承擔設計任務是趨勢，有學者研究認為認知學習是合作學習的小組共同討論而產生的，而學習應該視為一種意義建構的社會活動，因此，學習者必須和同儕及教師一同對於所觀察到的結果或詮釋進行協商以達共識（Minneman, 1991）。設計團隊發展工程計畫，利用分工結構圖和團隊的專業知識與方法執行設計的過程，同時發展一項社交活動，透過專案製作課程不僅能提升學生的工作能力，亦能加強他們的溝通技巧。 Barrick 等人（1998）認為團隊人格特質和整體永續合作有正向的關係，團隊的特徵除外在的人格變化以外，其他有關成員的人格特質，包含態度、價值觀等的內隱特徵也是影響其表現的重要變數。比方說神經質的人對於壓力較不能容忍，且表現出焦慮、頹喪與不安，情緒穩定程度低；外向性高者喜歡與他人互動，且較為合群、活潑、樂觀，並擅於社交活動；嚴謹性高者認真負責、組織性強、可靠並且值得他人信賴等。. 27.

(42) 為探討團隊成員人格特質組合對於團隊互動過程與團隊效能的影響，邁爾斯－布里格斯（Myers-Briggs）性格分類法（MBIT）是最常被用來描述人格特質的工具之一，係測試人們在各種情境下的感受和行為，再依人格特質的表現區分出：外向（extrovert）或內向（introvert）、感測（sensing）或直覺（intuitive）、理性（thinking）或感性（feeling）、判斷（judging）或知覺（perceiving）等型態（Reilly, et al., 2002 和 Barrick, et al., 1998）。這一些研究人格特質的方法已成功地應用在工程設計的團隊內，係由於設計者的人格特質會直接或間接地影響達成設計目標的機率，運用此一方式不僅可以增加團隊成員的互補性、視野廣闊性，亦可促進有效的團隊合作。. （五）工程設計的語言不同的語言在不同的時間點，常常被用來代表工程和設計的知識；因此，相同的知識常常也會以不同的形式出現或用以表達不同的目的（Dym, et al., 2005）。由於，工程需要創造力及想像力，並以新穎的方式整合不同的科學、數學理論和社會價值去解決或簡化非常複雜的問題，因此，工科的學生似乎認為數學是工程的語言，也許是因為數學在工程應用科學的課程中，普遍地被使用及解決工程問題。而工程涉及設計一些物件或系統，通常會以幾種不同的設計語言來進行思考及溝通（Dym, et al., 2005）： 28.

(43) 1. 口頭或文字說明（verbal or textual statements）：用以闡述設計的項目，描述物件、約束或限制，來與不同的設計與製造之團隊，並逐一完成設計的相關文件。 2. 圖表呈現（graphical representations）：用於提供設計草案，例如草稿圖、 3D 設計的彩現圖和工程圖繪製等之圖形說明。 3. 形狀表達（shape grammars）：用於將簡單的形狀組合成複雜的形體。 4. 外觀（features）：用來匯聚或形成專業的幾何形狀，通常用於表達特殊的功能。 5. 數學和模型分析（mathematical or analytical models）：通常用來表達工件的功能面，或針對其呈現的狀態來推導物理的科學原理及現象。 6. 數字（numbers）：用以呈現離散值的設計資訊（例如，部分尺寸）、參數的計算以及數學模型的算法。. 綜合上述，設計專題常被視為是激發學生動機、以及協助學生統整學習的重要方式。由於工程設計強調培養學習者問題解決與思考程序的能力，因此，近年來納入國內外許多課程的改革風潮中，如美國 Benchmarks for Science Literacy（American Association for the Advancement of Science, AAAS, 1993）和我國十二年國民基本教育「科技領域」課程綱要，都把工程設計當作課程目標之一。Sheppard（2003）對於工程師從事的工程設計工 29.

(44) 作給予相當貼切的描述：「工程師從界定範圍、進行生產、評估可行度進而達成目標」。他強調工程師需經歷「創造」（即確定範圍和生產）、判斷和選擇（即評估），並為生活帶來實際的作為和想法（即實現）。上述首先探討工程設計思考的特徵，一共歸納得到五點結論。從這些結論中，我們也得知工程設計思考對於問題解決的重要性，而且思考的流程與概念改變之間有密不可分的關係。然而一般的教學策略很難改變學習者的迷思概念（Wanderse, et al., 1994；Bodner, 1986；Anderson, 1992），而且學習者可以透過各種不同的方式來學習（Driver, et al., 1994；Tsai, 1998a, 2001；Driver & Bell, 1986），因此教師應採取多元的教學策略，甚至結合不同的教學策略，以達到促進學生有意義的學習的最大可能性。根據上述歸納出的工程設計及思考流程的理論，本研究將結合 Atman 等人（2007）所提出的「工程設計活動流程」，和 STEM 專題本位學習活動之策略，作為工程設計思考教學活動設計的依據。. 二、. 專題本位學習的工程設計思考學習內容 Dym等人（2005）認為專題本位學習的課程為學習工程設計的基石，. 能提高學生的學習動機。一部分的原因是因為這項課程介紹了初步的工程內容，一部分的原因則為加速一年級的學生對於工程學院的認識。近年來，無論是在中小學的自然科學課程（Lai, 2005；ChanLin, 2008）或大學教 30.

(45) 育的研究（Aubusson, 2005；Mills & Treagust, 2003）都可以看見專題本位學習方式對於世界各國教育改革的理念。專題本位學習主張學習者為中心，在教師的協助下，學習者由驅動問題開始，主動探索相關領域知識、發現並了解知識，應用知識以解決問題，最後重整建構出自己的知識，訓練學習者工程設計的思考程序與邏輯，我們甚至可以說專題本位學習的理論是當今工程教育理論的主流。專題本位學習有許多學者提出在不同工程教育階段有了不同的定義，然而，它時常與問題本位學習混淆，其實它們有很多類似的策略，像自我導向學習、合作學習，也都需要多重能力的訓練。當然也有一些相異之處，根據專題本位學習的基本主張，我們可以進一步比較專題本位學習和問題導向學習對於工程學習的不同觀點（Perrenet, et al., 2000），整理如表21。相同處都是主動學習，組織學習活動，教師角色由教學者變為教練，提供指引、回饋與建議，以協助學習者完成最後成果。教學模式含模式、鷹架、問題方式提供學習者所需之專題內容。. 表 2-1 專題本位學習和問題導向學習對於工程學習觀點之比較表專題本位學習. 問題導向學習. 工程課程的目標. 較接近專業真實問題. 個別問題. 教學時間分配. 長期. 短期（一至數周）. 31.

(46) 工程課程的目標. 知識的應用. 知識的獲取. 認知的目的. 學科（數學、物理）. 不一定是學科. 教學資源. 時間、資源管理、角色分工較不強調的重要性. 學習者導向. 自我導向較強. 自我導向較弱. 資料來源：Perrenet, J.C., Bouhuijs, P.A.J. & Smits, J.G.M.M., (2000). The suitability of problem-based learning for engineering education: theory and practice. Teaching in higher education, 5(3), 345-358.. 從上述可知專題本位學習的真實性活動課程，以學習者的學習過程為中心，組員之間自發性地互助合作，做為完成項目的最終任務，以培養學習者未來面對國家和全球問題時，能重視工程探究與問題解決的學習歷程。在專題本位的學習歷程中，學生能夠透過實務活動的歷程，把複雜的全球問題分解成局部的分解動作，增進自己有意識的文化、知識和研究技能；進而培養高層次思考與對專題的參與感，學習如何使用資訊科技，透過自我評量和同儕評量學習鑑賞評析的能力，此即專題本位的學習意涵所在（Moursund, 1999）。專題本位學習活動是程序性知識學習的代表。就其課程的意義而言，專題製作是培養學生整合所學的理論基礎和技能，發揮想像力與創造力，實際應用在工業產品的設計與應用（Hsiao, 1997）。而工程設計的流程大致上可以包括幾個階段：目標分析、目標決定、尋找解法、分析解法與決定解法（蔡錫錚等，2007），以專題或實作強化學習者的問題解決能力之課程，可以說是 32.

(47) 為培養學習者全面性的工程設計思考與思維提供了一個相當重要的教學架構。為了要教導設計工程專業的學生工程設計的流程，Atman 等人（2007）將工程設計活動編碼為一固定的形式，以反映工程設計的過程中正確的解決程序。他們開發出一套符合學生於工程設計思考時，會面臨到的內容來做編碼方案的整理，而分析的內容則選定了「設計遊樂園」一教科書單元，依序包括了以下的元素如表 2-2： 1. 定義問題（problem definition）：明確界定要解決的基本問題，亦即釐清問題的範疇或脈絡。 2. 搜尋解決問題的資料（gather information）：對於問題搜集資料，而後提出以事實為基礎的假設（亦即根據手上與問題相關的有限事實，在未做更進一步研究之下所獲致的結論），並且提出足以支持假設的論點。 3. 產生構想（generate ideas）：直覺性想出很多的解決方案，或是運用一套收斂思考或邏輯思考找到解決問題的方法。 4. 進行建模（modeling）：判斷相關因果關係，找出對於解決問題最具影響力的因素。 5. 分析可能性方案（feasibility analysis）：更進一步確認重點項目，重新審核問題的限制與判斷標準，並簡短說明藉由分析所可能產出的成 33.

(48) 果。 6. 評估方案（evaluation）：判斷哪些是解決問題的關鍵因素，針對問題運用各種策略或假設進行比對或交叉分析。 7. 做出決定（decision）：從分析中找出結論，針對問題的關鍵因素制定行動方案，從中審視方案的可行性。 8. 與團隊溝通（communication）：擬訂團隊成員之間的評估標準，製作會議流程達到相互的回饋與尊重。. 表 2-2 工程設計活動流程設計活動. 相關原則.    搜尋解決問  題的資料  產生構想    進行建模   分析可能性  方案  定義問題. 評估方案.  . 做出決定.  . 融入“設計遊樂園”問題. 閱讀數遍、重複問題的敘述辨別限制的條件重新闡述問題、總結收集實驗數據陳述或提出假設提出各種直覺的想法腦力激盪許多點子尋求可行的答案以突破僵局估算各層面的影響因素保留適合的解答審核普遍的可操作性確認方案符合問題定義的標準和限制討論和權衡問題方案之間的利與弊設計和應用方案之間比較的公式或定律從多種方案中選擇適合的方式審視方案中是否有達成問題的 34. 這表示我們要依賴志工服務？請問我們有預算嗎？我比較希望採取馬戲團的主題。所以，我們需要 3 塊平方英尺的磚塊。好，這樣太棒了！這樣的（材質）強度足以承受大人的重量。紅橡木的價錢高於紅木；而紅木又高於雲杉。. 我們必須要使用金屬的材質。.

(49) 與團隊溝通.   . 限制撰寫對話記錄與製作圖表製作材料清單呈現/報告結果. 所以，我們設置 3~4 個盪鞦韆？. 資料來源：Atman, C.J., Adams, R. S., Cardella, M. E., Turns, J., Mosborg, S., & Saleem, J. J. (2007). Engineering design processes: A comparison of students and expert practitioners. Journal of Engineering Education, 96(4), 359-379.. 工程設計活動流程之特色是藉由一項開放性的議題，使學生能依其認知能力出發，以直覺性或創意性為發想的前提，讓學生進行手腦並用的實際操作，以團隊合作學習的方式來探討激發的構想，歷經腦力激盪、修正概念、迴歸限制、分析可行性等工程設計的操作流程，達到改變與培養學生概念的目的。而從前面所整理出的文獻中，我們知道專題本位學習和工程設計流程其實是密不可分的，上述研究工程設計活動流程是一個反應工程設計思考的典型模型，在進行定義問題、搜尋解決問題的資料、產生構想、進行建模、分析可能性方案、評估方案、做出決定、與團隊溝通八個工程設計流程後，也可以依需求再次重複探索或是增加其他考量的元素，以達專題本位學習思考能力的目的。. 三、. 小結本節首先探討不同設計思考對於工程概念的主張，一共歸納得到五點. 結論。從這些結論中，我們也得知以工程設計的流程來進行思考問題的源頭，已經被證明與學習者的學習能力呈現正相關，而且工程設計思考與概 35.

(50) 念改變之間有密不可分的關係。然而，工程設計的思考程序需要都過專業的訓練課程來達到有效的學習成效，因此，教師應採取多面向的工程設計思考之教學課程，甚至結合不同的教學策略，以達到促進學生有意義的學習的最大可能性。根據本節歸納出工程設計思考概念結合的學習理論，本研究將結合 STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動和 Atman 等人（2007）的「工程設計活動流程」教學程序作為專題本位取向教學活動設計的依據，包含八個主要階段：（1）定義問題：界定基本問題之範疇、（2）搜尋解決問題的資料：對於問題進行資料論證之蒐集、（3）產生構想：運用發散或收斂之思考方式找到解決辦法、（4）進行建模：進行工程模型之前測模擬、（5）分析可行性方案：檢核問題的限制和標準，藉以分析可能產生之結果、（6）評估方案：判斷關鍵因素以進行較佳之設計工作、（7）做出決定：制定方案與進行準備工作，及（8）與團隊溝通：呈現小組報告與團隊合作。. 36.

(51) 第二節. 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, 37.

(52) 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（theorybased 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。 38.

(53) 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 39.

(54) 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 40.

(55) 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. 7. 做出決定. 6. 對學習成果進行評鑑與省思 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。 41.

(56) STEM 專題本位學習之鼠夾車實作活動教學設計. 三、. 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。 42.

(57) 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), 481520.. 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 43.