高中工程設計取向之課程設計與實驗：跨學科STEM知識的整合與應用

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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博士論文. 高中工程設計取向之課程設計與實驗：跨學科 STEM 知識的整合與應用. 研究生. ：. 范斯淳. 指導教授. ：. 游光昭羅希哲. 中華民國一零五年一月.

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(3) 誌. 謝. 從大學到博士班，邁入第十四年的科技教育之旅，畢業不是結束，而是新一頁的開始。. 在博士班期間，感謝我的指導教授游光昭老師，給予我細心的指導與照顧。每一篇文章的討論、撰寫、指導與修改，都幫助我養成紮實的學術研究能力。同時，也要感謝論文指導教授羅希哲老師，針對我的論文提供許多寶貴的意見與指引。此外，更要感謝所有論文口試委員，在口試過程中，所給予的建議與鼓勵。感謝 Dr. John M. Ritz，在我前往 Old Dominion University 的一年中，給予我很多的指導與協助。感謝大同高中汪殿杰老師，在論文教學實驗過程中的大力支援及幫助，也帶給我很多教學實務上的啟發。此外，也要感謝無限人形劇場的夥伴、北區葉小釵後援會的夥伴、及周遭所有的朋友，在我就讀研究所期間帶給我的歡笑、包容與支持。同時，更要感謝婉慈、麗家在博士班期間的互相學習與砥礪。最後，我要感謝我的家人，感謝我的父母，對於我在學術路途上的無限的支持和鼓勵！. 感謝讓我能在科技教育領域成長、茁壯的一切。也期許自己往後能持續在科技教育貢獻一己之力。. 范斯淳謹誌 2016 年 01 月. i.

(4) 高中工程設計取向之課程設計與實驗：跨學科 STEM 知識的整合與應用研究生：范斯淳指導教授：游光昭羅希哲. 中文摘要以工程設計為主軸之 STEM 跨學科整合性課程，為近代科技教育課程改革主要趨勢。本研究之目的，在於發展適用於臺灣高中階段之「工程設計取向 STEM 課程設計模式」，並據此發展一套教學模組，以檢驗其教學成效。本研究採用混合研究法的途徑，經由前導的教學模組準實驗研究、深度訪談、與國外 STEM 課程內容組成分析，建構工程設計取向 STEM 課程設計模式的學理基礎。而後，透過再次的教學實驗，驗證本課程設計模式之可行性，並深入探討教學模組對學生學習的影響。本研究之研究對象為台北市某高中一年級 103 位學生，主要研究變項為機構概念知識、工程設計核心能力、及 STEM 態度。教學模組選取機構設計為主題，內容包含三個 STEM 實作單元，及一個機構玩具設計製作專題。資料分析採取以量化為主（含描述統計、t 考驗、ANOVA、 ANCOVA、相關分析、及探索性的逐步迴歸分析等）、質性分析為輔的方式進行。依據研究結果與討論，本研究提出結論與建議如下： 1. 本研究之教學模組，可有效提升學生對機構概念知識的理解及其於機構玩具設計製作專題之表現。. ii.

(5) 2. 學生之學習興趣是影響其投入工程設計專題的重要因素，而具體、成功的實作學習經驗，會提升學生對工程設計取向課程的興趣。 3. 影響學生解決工程設計問題之關鍵因素，在於學生是否能將 STEM 知識整合應用於「發展方案、預測分析、建模/執行方案、測試修正」等四項工程設計核心能力。 4. 工程設計取向 STEM 課程設計模式，包含：(1)選擇課程主題、(2)剖析課程內涵、(3)建構學習經驗、(4)檢核評估等四大階段與 10 項步驟。 5. 發展工程設計取向 STEM 課程之兩大關鍵，在於「聚焦核心之 STEM 知識」，並透過「探究實驗」與「設計製作」取向之 STEM 實作單元，幫助學生確實建構知識思考與工程實作的連結。. 具體而言，工程設計取向之 STEM 課程對高中未來的科技教育應可帶來正向的影響。因此，教師可依循此課程設計模式，發展 12 年國教高中生活科技領域之工程設計取向課程。. 關鍵字：科技教育、高中工程教育、STEM、工程設計取向課程、工程設計、STEM 態度. iii.

(6) The Design and Experiment of a High School Engineering-Oriented Curriculum: An Approach to Integrate and Apply STEM Knowledge Author：Szu-Chun Fan Adviser：Kuang-Chao Yu Shi-Jer Lou. ABSTRACT Technology educators in Taiwan are increasingly recognizing the need for engineering-oriented STEM interdisciplinary curricula. The main objective of this study was to develop an ‘Engineering-Oriented STEM Curriculum Design Model’ that is appropriate for high school technology education in Taiwan. The study used a mixed-methods research approach. The academic and theoretical basis of the curriculum design model was developed from a series of pilot studies including a quasi-experimental teaching study, interviews, and a content analysis of STEM curriculum projects in the United States. A teaching module was designed based on the curriculum design model, and the effectiveness of the curriculum design model and the teaching module were assessed. The study population consisted of 103 tenth-grade students in Taipei, Taiwan. The main variables included conceptual knowledge about mechanisms, core engineering design abilities, and attitudes toward STEM. The teaching module focused on mechanism design, and included three handson STEM instruction units and a mechanism toy design project. The data analysis applied a quantitative approach (descriptive statistics, t-test, ANOVA, ANCOVA, correlation analysis, and exploratory regression analysis), supplemented by qualitative analysis. The analysis yielded the following findings and implications: iv.

(7) 1. The teaching module improved performance in conceptual knowledge about mechanisms, and in the mechanism toy design project. 2. Interest in learning among students affected their performance on the project, and a positive learning experience enhanced their interest in engineering design. 3. The key factors affecting student performance in engineering design problem-solving were the ability to apply STEM knowledge about mechanisms when developing solutions, predictive analysis, modeling/ prototype construction, and testing and correction. 4. The Engineering-Oriented STEM Curriculum Design Model consists of four key stages and 10 steps. The four key stages are: (1) selecting curriculum topics; (2) analyzing curriculum content; (3) constructing a learning experience; and (4) checking and evaluating instruction units. 5. Two core principles for developing an engineering-oriented STEM curriculum are ‘focusing on core STEM knowledge’ and ‘developing effective hands-on STEM instruction units’ to provide useful ‘inquiry experiment’ and ‘design and making’ learning experiences. This kind of curriculum greatly benefits students by helping them connect the ‘thinking’ of knowledge with the ‘doing’ of engineering.. In summary, the results demonstrated the positive effects of incorporating an engineering-oriented STEM curriculum into high school technology education in Taiwan. The curriculum design model is an effective instrument for developing this kind of curriculum for incorporation into the 12-year compulsory education system.. v.

(8) Keywords：Technology education, High school engineering education, STEM, Engineering-oriented curriculum, Engineering design, Attitudes toward STEM.. vi.

(9) 目. 錄. 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 .................................................................................... 9 第三節名詞釋義 .................................................................................. 12 第四節研究範圍與限制 ...................................................................... 14 第二章文獻探討 ......................................................................................... 17 第一節跨學科 STEM 知識的整合理論 ............................................. 18 第二節工程設計與 STEM 知識應用.................................................. 24 第三節美國 STEM 課程之內涵與特性分析 ..................................... 31 第四節工程設計取向 STEM 課程設計模式 ..................................... 46 第五節態度對工程設計取向課程學習的影響 .................................. 56 第六節國內相關研究 .......................................................................... 58 第三章研究方法與步驟 ............................................................................. 64 第一節研究設計 .................................................................................. 64 第二節前導研究 .................................................................................. 66 第三節研究方法 .................................................................................. 77 第四節研究對象 .................................................................................. 80 第五節工程設計取向 STEM 課程設計模式 ..................................... 81 第六節工程設計取向 STEM 教學模組 ............................................. 85 第七節研究工具 ................................................................................ 102. vii.

(10) 第八節資料處理與分析 ..................................................................... 111 第四章研究結果與討論 ............................................................................117 第一節 En-STEM 教學模組對學生概念知識學習的影響 .............. 117 第二節學生之工程設計核心能力表現 ............................................ 127 第三節工程設計問題解決與 STEM 知識應用之關鍵 ................... 132 第四節學生 STEM 態度的改變 ....................................................... 149 第五節綜合討論 ................................................................................ 155 第六節 En-STEM 設計模式與教學模組之省思與討論 .................. 163 第五章結論與建議 ................................................................................... 175 第一節結論 ........................................................................................ 175 第二節建議 ........................................................................................ 178 參考文獻 ..................................................................................................... 181 附錄 ............................................................................................................. 197 附錄一 STEM 課程內容概述 ............................................................ 197 附錄二 STEM 教材分析表 ................................................................ 202 附錄三 STEM 實作單元與學習單 .................................................... 206 附錄四機構玩具設計專題學習單 .................................................... 217 附錄五對科學、科技、工程、數學學科的態度量表 .................... 221. viii.

(11) 表. 次. 表 2-1 美國 STEM 計畫之比較 ................................................................... 34 表 2-2 STEM 課程主題 ................................................................................ 36 表 2-3 國內的 STEM 相關論文 ................................................................... 59 表 3-1 前導研究之 STEM 教學模組教學單元簡介 ................................... 69 表 3-2 階段二訪談大綱內涵 ........................................................................ 72 表 3-3 教學實驗流程表 ................................................................................ 92 表 3-4 STEM 實作單元概念知識 ................................................................ 94 表 3-5 STEM 實作單元設計概念 ................................................................ 95 表 3-6 測驗題庫之雙向細目表 .................................................................. 103 表 3-7 STEM 實作單元學習單評量表 ...................................................... 104 表 3-8 機構玩具作品評量表 ...................................................................... 106 表 3-9 機構玩具設計單評量表 .................................................................. 106 表 3-10 專題口頭報告評量表 .................................................................... 108 表 3-11 STEM 態度量表項目分析表（初稿） ........................................ 110 表 3-12 量化資料分析規劃表 .................................................................... 112 表 4-1 STEM 實作單元學習單之單一樣本 t 考驗摘要表 ....................... 118 表 4-2 相依樣本 t 考驗（機構概念知識測驗） ...................................... 119 表 4-3 機構概念知識測驗前測百分比統計結果...................................... 123 表 4-4 機構概念知識測驗後測百分比統計結果...................................... 124 表 4-5 機構玩具作品評分描述統計 .......................................................... 127 表 4-6 專題口頭報告評分描述統計 .......................................................... 129 表 4-7 機構概念知識測驗後測分組 ANOVA 摘要 .................................. 130 表 4-8 不同設計複雜度組別成績比較表 .................................................. 133 ix.

(12) 表 4-9 以設計複雜度分組之概念知識前測 ANOVA 分析摘要表 ......... 134 表 4-10 以設計複雜度分組之概念知識後測 ANCOVA 分析摘要表..... 134 表 4-11 設計複雜度分組之玩具專題 ANOVA 分析摘要表 ................... 137 表 4-12 設計複雜度分組之統計歸納表 ................................................... 138 表 4-13 中設計複雜度學生工程設計核心能力分析 ............................... 142 表 4-14 對 STEM 態度量表之相依樣本 t 考驗 ....................................... 149 表 4-15 不同設計複雜度組別 STEM 態度得分比較表........................... 151 表 4-16 概念知識、專題表現、與 STEM 態度之相關分析表 .............. 153 表 4-17 逐步迴歸分析摘要表（Y=設計複雜度） .................................. 156 表 4-18 逐步迴歸分析摘要表（Y=機構完成度） .................................. 157 表 4-19 逐步迴歸分析摘要表（Y=製作精緻度） .................................. 157 表 4-20 逐步迴歸分析摘要表（Y=機構完成度） .................................. 160 表 4-21 工程設計取向 STEM 課程設計檢核表....................................... 172. x.

(13) 圖. 次. 圖 1-1 整體研究架構圖 ................................................................................ 10 圖 2-1 Fogarty 的 10 種課程統整模式 ........................................................ 21 圖 2-2 工程設計流程圖 ................................................................................ 26 圖 2-3 STEM 課程/教學實施的概念圖 ....................................................... 45 圖 2-4 情境教學、工程設計和科學探究互動關係圖................................ 46 圖 2-5 傳統課程設計 vs 逆向課程設計 ...................................................... 48 圖 2-6 Backward design 課程設計理念 ....................................................... 50 圖 2-7 STEM 課程的設計架構圖 ................................................................ 54 圖 3-1 研究流程圖 ........................................................................................ 65 圖 3-2 前導研究 STEM 教學模組架構 ....................................................... 68 圖 3-3 科技教育的 STEM 課程之內涵 ....................................................... 75 圖 3-4 研究設計 ............................................................................................ 78 圖 3-5 工程設計取向 STEM 課程設計模式 ............................................... 81 圖 3-6 機構學架構圖 .................................................................................... 86 圖 3-7 STEM 概念知識範疇架構圖 ............................................................ 87 圖 3-8 槓桿秤單元探究實驗實作活動 ........................................................ 96 圖 3-9 槓桿秤單元挑戰思考實作活動 ........................................................ 96 圖 3-10 學生運用槓桿秤進行木塊之測量與記錄...................................... 96 圖 3-11 齒輪測距儀單元探究實驗活動 ...................................................... 97 圖 3-12 齒輪測距儀單元挑戰思考活動 ...................................................... 97 圖 3-13 學生運用齒輪測距儀進行曲線測量與記錄.................................. 98 圖 3-14 曲柄及凸輪玩具單元探究實驗活動 .............................................. 99 圖 3-15 曲柄及凸輪玩具單元挑戰思考活動 .............................................. 99 xi.

(14) 圖 3-16 學生運用凸輪玩具進行移動軌跡測量與記錄 ............................. 99 圖 3-17 教師提供之機構玩具範例（機構箱部分） ............................... 100 圖 3-18 研究資料架構圖............................................................................. 111 圖 4-1 機構概念知識測驗前、後測偏態及峰度圖 ................................. 121 圖 4-2 不同設計複雜度組別機構概念知識成績 ..................................... 135 圖 4-3 高設計雜度機構玩具作品範例 ..................................................... 139 圖 4-4 中設計雜度機構玩具作品範例 ..................................................... 143 圖 4-5 低設計雜度機構玩具作品範例 ..................................................... 146 圖 4-6 不同設計複雜度組別 STEM 態度得分盒形圖............................ 151 圖 4-7 機構 STEM 知識與問題解決能力之預測路徑圖一..................... 155 圖 4-8 機構 STEM 知識與問題解決能力之預測路徑圖二..................... 158 圖 4-9 STEM 態度之預測路徑圖一 .......................................................... 159 圖 4-10 STEM 態度之預測路徑圖二 ........................................................ 160 圖 4-11 工程設計取向 STEM 課程內容發展概念圖 ............................... 168 圖 4-12 工程設計取向 STEM 課程設計模式（En-STEM 設計模式） . 169. xii.

(15) 第一章緒. 論. 本章共分四節：第一節闡述研究背景與動機，第二節說明研究目的，第三節為名詞釋義，第四節則提出本研究之研究範圍與限制。. 第一節. 研究背景與動機. 跨學科 STEM 知識整合與應用能力的重要性在高科技的現代社會中，當人們面臨複雜的科技問題情境時，其整合及應用跨科際知識的能力是非常重要的（Bybee, 2013; Havice, 2009）。從 20 世紀中以來，受到二次世界大戰及蘇聯發射第一顆人造衛星史波尼克 1 號（Sputnik I）的衝擊，美國及世界主要先進國家皆積極推動科學、科技、數學與工程等學科領域之教育改革，以強化科學及工程領域人才之能力與素質，及提升整體國民科學、科技、工程與數學（Science, Technology, Engineering, Mathematics, [STEM]）的素養，進而維持或強化國家競爭力（Gardner et al., 1983; National Governors Association [NGA], 2007）。K-12 階段學生之科學、數學、科技及工程等學科的學習表現，被視為一個國家經濟發展的重要基礎，更是國家競爭力的展現。然而，在 21 世紀的社會中，越來越複雜的科技、工程與社會議題廣泛的影響著全人類的生活，而這些問題都需要具有整合性的知識與素養來面對。從 1990 年代以來，許多的研究報告均警告，現行分科教學的教育體制，在培養學生知識整合及解決真實世界問題的能力上是不適切的（Bybee, 2013; NGA, 2007; National Academy of Engineering [NAE] & National Research Council [NRC], 2014）。因為，學生接受大量獨立的學科知識灌輸，但卻缺乏將其與真實生活連結與應用的機會，導致無法學以致用，更缺乏靈活的問題解決能力。例如，Kelley、Brenner 和 Pieper（2010） 1.

(16) 便曾發現，即使學生已經修習過進階的數學課程，但在工程設計的專題設計活動時，仍然只有應用非常少量的數學於解決問題的歷程之中。 Taraban 等人（2007）也指出，許多工程領域的學生缺乏應用高層次思考的靈活性，因而在專題設計的過程中，只能使用較低層次的概念知識來解決問題。因此，21 世紀人才之培育，不應該再強調填鴨式的知識背誦與記憶，而是要著重在建構學生 STEM 各學科知識的整合運用與靈活的問題解決能力（Toulmin & Groome, 2007）。換言之，新時代的教育應強調學科知識與實務應用的連結，著重在透過跨學科的整合應用；並藉由動手操作或專題式的學習，使學生體會到如何整合知識、運用工具及適當技能來解決真實世界中的問題（Sanders, 2009）。而這樣的改革思維也受到世界各國的重視，Ritz 和 Fan（2014）調查全球 20 個已開發及開發中國家投入 STEM 課程改革之情況，發現目前已有 16 個國家開始致力於推動 STEM 課程改革的相關措施，而其主要目的皆在於提升國家 STEM 相關領域研究人才及勞動力的素質，並強化學生投入工程領域之興趣。此外，該研究指出有半數以上的國家皆認為 STEM 教育改革的方向，應為強化跨學科整合性的 STEM 課程之設計與實施。簡言之，為了回應目前分科教育體制下所造成的困境與憂慮，並幫助學生面對未來越來越複雜的科技與社會問題，STEM 教育改革的重點應在改善 K-12 階段 STEM 領域之課程設計、教學策略及教師的教學實踐，乃至於學生的學習經驗（Bybee, 2013）。美國科學教育界於 2013 年公布之 Next Generation Science Standards [NGSS]中，工程設計首次被納入為科學課程標準的一環，亦即將工程設計的理念提升到與科學探究同樣重要的層次，以幫助學生學習如何解決現代社會所面對的重大科學與工程問題（NGSS Lead States, 2013）。此外，美國的 National Assessment of Educational Progress [NAEP] 近年來亦涵蓋科技與工程素養測驗 2.

(17) （Technology and Engineering Literacy Assessment [TEL]），透過全國性的測驗來了解美國學生是否具備有科技與工程素養（National Assessment Governing Board [NAGB], 2012）。事實上，許多科學領域的研究亦已證實，工程設計取向的 STEM 知識整合課程，能提升學生概念知識的學習，特別是實際應用科學與數學知識以解決問題的能力（Cantrell, Pekcan, Itani, & Velasquez-Bryant, 2006; Mehalik, Doppelt, & Schuun, 2008; Schnittka & Bell, 2011; Wendell & Rogers, 2013）。在過去二十年間，工程設計已成為科技教育教學與研究之重要議題（Kelley & Kellam, 2009）。工程設計是一個決策及問題解決的歷程，其需要跨學科 STEM 知識的整合應用，以找出適切的問題解決方案或產出最佳化的產品。在 STEM 風潮興起前，科技教育的焦點其實便已逐漸轉向和工程領域結合，並發展成準工程取向（Pre-engineering）的科技教育課程。以美國為例，由於高中階段對工程感興趣的學生越來越少，因此，越來越多的美國科技教師加強科技教育課程的「設計與製作」，並融入工程設計概念使學生能更確實的將所學的各種知識與技術應用在活動中（Lewis, 2004）。結合科技教育與大專工程教育概念的「工程設計課程」逐漸成為科技教育課程的主軸。換言之，近代科技教育之目標，已走向運用設計活動，來幫助學生獲得靈活的解決問題的能力和培養良好的 STEM 素養（ International Technology and Engineering Educators Association [ITEEA], 2007）。而隨著近代 STEM 課程改革的趨勢興起，工程設計取向的課程更成為能扮演落實 STEM 跨學科整合理念最適切的角色。. 3.

(18) 跨學科 STEM 知識整合課程的核心：工程設計在跨學科 STEM 知識整合的課程設計中，工程設計的實作活動被視為實踐 STEM 知識整合的主要途徑。然而，跨科際的學習其實並非一種新興的教育理念，從 1980 年代起，統整課程(Integrated Curriculum)的理念便不斷被教育界所討論，也形成了許多不同的整合模式。但無論是何種形式的整合，其重點皆是期望能打破傳統學科的藩籬，引導學生整合應用所習得的知識，培養新時代所應具備的能力及素養。從 STEM 各學科的本質來看，科技是人類為滿足需求所設計出的產物，而工程則是設計及研發科技產物的過程，其需要整合科學原理與科技技術，並透過數學來輔助設計、測試及改良的歷程，以獲得最為適切的成果（Berry et al., 2004; Pinelli & Haynie, 2010）。因此，STEM 教育改革的思維，本身同樣具有跨科際學習的本質。然而，如同 Bybee（2013）所指出，STEM 教育改革與過去教育改革最大的差異，在於反應了世界公民必須面對的全球性挑戰、對於環境及相關議題看法的改變、及對於 21 世紀勞動力需求的改變。此外，由國外諸多現行之 STEM 課程計畫可以看出，STEM 課程多是以工程領域為科際整合的主軸，此點亦是 STEM 與過去諸多教育改革最大的差異。以美國目前幾個重要的 STEM 課程計畫為例，Project Lead The Way 是以工程領域的專業知識為背景，強調促進批判性思考、創造力、及培養解決問題的能力等目的，並透過專題導向的課程引導學生統整課堂所學，以解決真實世界的問題（Project Lead The Way [PLTW], 2012）。 Engineering by Design™是以科技素養標準、以及全國性的數學、科學標準（Standards）為依據，透過專題製作的活動，應用 6E 學習環理念來引導學生了解工程設計的歷程與方法（ITEEA, n.d.）。其他，如 Engineering the Future、The Infinity Project 等課程，亦皆是應用工程設計專題為主軸 4.

(19) 之整合性課程，透過介紹工程相關職業之工作內涵，促進學生對工程領域之興趣與理解（Engineering the Future, 2007; The Infinity Project, n.d.a）。由此可見，跨學科 STEM 知識整合課程的核心，多是以工程設計的程序為主軸，藉由目標性的問題解決或專題設計活動，提供學生一個可真實連結課堂所學與現實世界挑戰的學習機會。藉此促進學生養成發現、探索和解決問題的能力，使其成為具有問題解決與批判思考能力的現代公民（Sorenson, 2010）。具體而言，工程設計取向之 STEM 課程能藉由真實世界的問題為學習情境，帶動整體學習的齒輪，由工程設計提供學生系統化的問題解決模式，同時融入科學的探究，並輔以數學相關知識的協助，以完成工程設計過程中所需的運算分析，使跨學科的知識產生連貫性的交會（Kelley, 2010）。. 跨學科 STEM 知識整合課程的迷惘與困境：科技教育教學的省思 STEM 教育看似具有明確的目標，但從現今世界各國的實施方式及相關研究可以發現，大眾對於 STEM 教育的詮釋仍是眾說紛紜。其主要原因，在於 STEM 具有高度學科整合的本質與特性，且 STEM 課程多強調問題解決、創造／創新、批判思考等高層次思考能力的培養。是故，課程發展、教材設計、教學策略等環節的規劃，都是影響 STEM 課程成敗的關鍵因素。由目前的 STEM 教育相關文獻可看出，科學、科技、工程與數學等學科彼此之間，甚至在學科之中對於 STEM 課程詮釋的理念與實施方式皆相當多元，STEM 可被視為單一學科（如：科學、數學）的強化，亦可被視為跨學科取向的專題活動，或整合四個學科發展成為全新的課程（Bybee, 2013; Morrison & Bartlett, 2009）。縱使在科技教育 5.

(20) 或工程教育領域之文獻中，對於應如何設計及實施 STEM 課程的看法亦是相當分歧。換言之，雖同樣是透過工程設計的歷程進行學習，在課程中各學科應扮演的角色為何？整體課程如何規劃？又應透過何種教學策略來實施？此外，學生能學習到的成果為何？又該如何測量？這些問題皆存在著許多爭議。如同 Asunda（2012）所指出，STEM 課程過於廣泛的知識內涵及缺乏連貫性的內容，容易造成課程標準建立不易、教學內容與教學方法之界定與規劃不易、及教學評量實施困難等問題。Custer 和 Daugherty（2009）亦提到，具有高度整合性的 STEM 課程是一個相當龐大的知識結構，其往往造成師資培育課程規劃與教師專業發展的困難。此外，Williams（2011）亦指出，科技教育在學校推動 STEM 課程時，極可能遭遇許多現實的挑戰，包含：難以撼動的學校時間表和課程結構、缺乏參與改革意願的教師或其他學科領域、缺乏靈活性的課堂教學設計、以及科技和工程課程在學校教育定位不明等。長久以來，多數科技教師在實施工程設計與製作的活動時，並未真正引導學生落實科學與數學等概念知識的應用（Kelley et al., 2010）。事實上，嘗試錯誤仍然是科技教育課堂中最為普遍的學習經驗，多數學生並未真正了解到如何應用科學及數學知識來進行工程設計及問題解決的歷程（Lewis, 1999; Mativo & Wicklein, 2011）。近十年來，越來越多研究者呼籲科技教育領域應改善學生在設計歷程中應用 STEM 知識的實踐經驗，特別是強化學生應用數學原理與科學知識以解決問題的關鍵技巧（ITEEA, 2009）。藉此，方能幫助學生了解到各學科彼此之間的關連性，並藉此提出更有效的解決方案以解決問題（Bybee, 2013; Sanders, 2009）。本研究之研究者曾與高中生活科技教師合作，嘗試在生活科技課程中運用 STEM 課程理念規劃教學活動，並進行相關教學實驗（游光昭、范斯淳、汪殿杰，2012；Fan & Yu, 2015; Fan & Yu, 2014; Yu, Lin, & Fan, 6.

(21) 2013）。在實施 STEM 教學實驗的過中，發現雖然大部分學生皆有正向的學習成效與學習反應，但協助教學實驗的教師仍提出許多未來課程設計及教學實踐可能遭遇的問題。首先，在課程設計的過程中，因 STEM 知識面向過於廣泛，常導致課程主軸及教材內容之深度與廣度不易界定。其次，則是科技教師普遍在數理知識或工程概念較為不足，導致難以提供學生適當的引導。此外，臺灣的高中學生甚少有系統的接觸到工程設計方面的知識，也缺乏相關之實作經驗，對多數學生而言，要能完成具有高度知識整合特性的 STEM 活動是不容易的。換言之，在課程規劃、教材教法的設計、及教學策略的應用上，如何發展能確實協助學生整合及應用 STEM 相關知識，進而加強其工程設計能力，皆是目前推動 STEM 教學上的亟待研究的重要課題。此點，亦成為本研究探討高中工程教育及 STEM 課程研究之主要動機。. 小結對高中學生而言，工程設計取向之 STEM 課程可協助學生將過去課堂所學真正連結並應用在真實的問題解決情境中，並發展整合性的 STEM 知識與問題解決能力。然而，過去在台灣高中階段的科技教育課程之中，並未強調工程設計理念的融入，更未落實引導學生整合跨學科的知識以解決問題，且學生亦普遍缺乏相關的先備知識及經驗。目前，國內外在 STEM 課程的理念、設計與實施仍存有諸多分歧，因此在將工程設計取向的課程及跨學科 STEM 知識整合的理念融入臺灣的科技教育之前，應先對整合性 STEM 知識在工程設計活動或科技教育上的定位、工程設計取向課程架構與內涵的規劃、甚至教學方法及教學成效等問題進行更深入的探究與理解，方能依據現況之需求，找出可供科技教師參考的方向。臺灣目前對 STEM 課程之研究尚在起步，STEM 相關課程與 7.

(22) 教材的發展多是以自行摸索的方式來進行，而實際投入教學模組研發及實證性的 STEM 課程研究亦相當少見，更缺乏一個可供依循的課程發展模式。因此，從教學實務的角度，確認於臺灣實施 STEM 課程之適切性，並找出可行的途徑是十分的重要。本研究期待能深入了解 STEM 課程改革之理念及實踐，並研發適用於臺灣高中教學現場之工程設計取向 STEM 課程設計模式及教學模組，以供未來 12 年國教推動高中工程設計取向課程的參考。. 8.

(23) 第二節. 研究目的. 本研究之目的，在於探討工程設計取向 STEM 課程之教育理念、課程設計模式與教學策略，並據以提出適用於臺灣高中階段的「工程設計取向 STEM 課程設計模式」（以下簡稱為「En-STEM 設計模式」）。同時，依據此 En-STEM 設計模式，發展高中階段之工程設計取向 STEM 教學模組（以下簡稱為「En-STEM 教學模組」），進而透過教學實驗確認教學模組之適切性。整體而言，本研究採取混合研究法的途徑（mixed-methods research），規劃三階段的研究歷程以達研究目的。階段一與階段二為發展 En-STEM 設計模式及教學模組之前導研究，階段三則為本論文主要之研究，整體研究架構如圖 1-1 所示。階段一前導研究的目的，是以現有之高中生活科技教材為基礎，依據 STEM 課程統整的概念，嘗試設計一套教學模組，藉以了解工程設計取向之 STEM 課程應用於臺灣高中科技教育之可行性，並探索可能遭遇的問題。而階段二前導研究之目的，在於深入分析美國的科技教育界如何設計及推展 STEM 課程，以借鑑其課程設計與實施經驗；同時，反思臺灣科技教育的背景與需求，作為改善階段一教學模組之依據。. 9.

(24) 階段一前導研究 STEM 教學模組準實驗研究. 歸納研究省思，深度探討學習效益. 歸納研究發現與問題，探討 STEM 課程模式. 針對階段一教學模組進行再設計. 階段二前導研究美國 STEM 課程設計與實踐模式研究. 歸納研究發現，發展 En-STEM 設計模式. 階段三（本論文）工程設計取向之 STEM 課程教學模組實驗研究. 自變項. 研究對象. 依變項. 工程設計取向 STEM 教學模組. 103 位高中一年級學生. 。機構概念知識。工程設計核心能力。STEM 態度. 圖 1-1. 整體研究架構圖. 具體而言，階段三研究（本論文）之主要目的在於依據前導研究之結果，提出 En-STEM 設計模式，並據此重新設計階段一所研發的教學模組，形成「En-STEM 教學模組」。而後，透過教學實驗探討 EnSTEM 教學模組對高中生 STEM 知識學習表現的影響，分析影響學生工程設計核心能力展現的關鍵因素，並分析 En-STEM 教學模組對學生 STEM 態度的影響。最終，研提適用於高中科技教育之 En-STEM 設計. 10.

(25) 模式，並提出引導學生在工程設計過程中整合及應用 STEM 知識的建議。簡言之，階段三研究之具體研究目的如下： 1. 分析 En-STEM 教學模組對學生概念知識學習表現的影響。 2. 探討學生在 En-STEM 教學模組中機構玩具設計製作專題的表現。 3. 探討 En-STEM 教學模組對學生 STEM 態度的影響。 4. 探討影響學生應用 STEM 概念知識於解決工程設計問題的關鍵因素。 5. 研提高中工程設計取向 STEM 課程設計模式。 6. 研提臺灣實施高中工程設計取向 STEM 課程之具體建議。. 11.

(26) 第三節. 名詞釋義. 高中工程教育高中階段之工程教育意指在高中階段以工程設計取向的活動為途徑，實施蘊含工程領域相關基礎知識的整合性課程。其具有試探學生投入大學工程教育之學習性向的功能，亦扮演提供學生投入大學工程教育學習準備的角色。. 工程設計工程設計是工程師實踐的歷程，其具有明確的目標導向，在規範與條件限制的侷限下，藉由反覆的歷程以達成明確的目標（ National Research Council [NRC], 2009）。本研究所界定之工程設計歷程，包含： (1)界定問題/條件限制、(2)發展方案、(3)預測分析、(4)權衡/方案選擇、 (5)原型建模/執行方案、(6)問題分析/修正、(7)測試評估、及(8)最佳化/再設計等步驟。. 工程設計核心能力工程設計核心能力為完成工程設計歷程所需的關鍵能力。本研究所界定之工程設計核心能力，包含：(1)定義問題、(2)發展方案、(3)預測分析、(4)原型建模、(5)測試修正、及(6)最佳化等。. STEM（Science, Technology, Engineering, Mathematics） STEM 為科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)與數學 12.

(27) (Mathematics)的縮寫。STEM 教育是一種教學和學習的途徑，用以幫助學生整合科學、科技、工程和數學領域的知識，使其具有解決真實世界問題的知識、態度、技能與能力。具體而言，多數 STEM 教育之目標皆源自以下五種面向：(1)培養 STEM 素養、(2)建構 21 世紀的競爭力、 (3)STEM 勞動力準備（職業試探與理解）、(4)提升學習興趣與參與意願、及(5)發展 STEM 跨學科知識連結的能力（NAE & NRC, 2014）。. 工程設計取向 STEM 課程本研究所界定之 STEM 課程是以情境學習為引，藉由工程設計活動引導學生進行系統性的思考。在活動過程中，融入科學的探究以解決設計歷程中的問題，並輔以數學相關知識的協助，完成必要的運算與分析。其主要目標在協助學生了解工程設計專題相關之 STEM 概念知識，並協助學生整合運用 STEM 知識以解決設計歷程中的問題，強化工程設計核心能力，進而養成分析、判斷與解決現實世界問題所需之知識、能力和態度。. STEM 態度本研究所界定之 STEM 態度，是學生對於科學、科技、工程與數學等學科彼此之間關連性與實用性的認知與感受，其聚焦在學生學習 STEM 課程時的興趣（Interest）、自覺能力（perceived ability）和價值（value）。其中，興趣是學生對於 STEM 相關學科之學習興趣，自覺能力意指對自我能力的信念與自覺，而價值則是學生對於 STEM 知識的價值、意義、重要性及有效性的感受。. 13.

(28) 第四節. 研究範圍與限制. 就研究對象而言本研究之研究對象為普通高中學生，階段一與階段三之教學實驗皆以台北市某高中一年級之學生作為實驗對象，故其他學習階段之學生不在本研究探討之範圍內。此外，因階段一與階段三兩次教學實驗之對象為同一所高中的學生，透過入學篩選後，學生的先備學科概念知識程度可能落在特定區段，學生之特質亦可能與其他學校有所差異，因此在研究結果的推論上將有所限制。. 就研究內容而言本研究之教材內容是自編的 En-STEM 教學模組，其課程範圍與教材內容的選擇，主要以現行高中物理、數學、生活科技等科目之課程綱要為基礎，現行高中課程綱要未涵蓋的部分（如工程領域相關知識）則透過專家會議的方式確認其適切性。本研究之 En-STEM 教學模組是以機械工程領域中的「機構設計」為課程主軸。採用機構設計為主題之原因在於機構設計為工程領域相當重要的基礎概念，其設計歷程需應用許多 STEM 相關概念知識。此外，機構設計可發展出許多有趣並具有挑戰性的學習活動，在教學活動的設計及教學策略的選擇上具有相當大的靈活度。然而，因受限於時間及經費、及人力等限制，本教學模組之三個 STEM 實作單元乃是運用樂高零件進行機構模組的組裝與測試。因此，學生在學習過程中無法累積零件設計與實際加工之相關經驗與技術。. 14.

(29) 就研究方法而言本研究受限於研究人力、物力、及教學實驗學校課程的安排，僅能以台北市某高中一年級三個班級之學生作為研究對象。本研究雖已嘗試控制（或至少降低）教學過程中之不當干擾因素，例如同時事件、資料蒐集者的偏誤、研究對象的態度、差異的選擇以及研究的實施等對內部效度的威脅，但在研究之推論性上仍有所限制，不適宜做過大的解釋。. 就研究變項而言本研究主要探討自行研發之 En-STEM 教學模組，對高中學生在 STEM 概念性知識、工程設計核心能力、及對 STEM 態度等面向的影響，並分析其彼此之間的相關性。因此，在 STEM 概念性知識方面，本研究將聚焦在與 En-STEM 教學模組內容相關的知識，模組中未提及的 STEM 知識則不在探討的範圍內。此外，對於 En-STEM 教學模組是否可提升學生之創造力、學業成就等變項亦無從得知，故研究結果之探討應僅限於研究變項有觸及的部分，及學生所展現的真實學習表現，除此之外不宜做過大之解釋。. 15.

(30) 16.

(31) 第二章文獻探討本研究之規劃如圖 1-1 所示，分為前導之實驗研究、訪談與內容研究，及延續之教學實驗研究等三階段，因此，第二章文獻探討依循研究進程為脈絡逐步完成。具體而言，「第一節跨學科 STEM 知識的整合理論」與「第二節工程設計與 STEM 知識應用」之文獻探討，為整體研究之理論基礎，聚焦於探討 STEM 教育改革理念、整合式課程之相關理論基礎、及工程設計歷程與核心能力。其次，「第三節美國 STEM 課程之內涵與特性分析」及「第四節工程設計取向課程設計模式」，為階段二研究之重要內涵。其聚焦於剖析國外 STEM 課程之內涵、特性、及課程設計模式，以做為階段三後續研究之基礎。最後，在進行階段三後續研究前，本研究針對影響學生學習之相關因素及國內之研究現況加以分析，完成：「第五節態度對工程設計取向課程學習的影響」、及「第六節國內相關研究」等節，以做為研究結果分析與討論之參考。. 17.

(32) 第一節. 跨學科 STEM 知識的整合理論. STEM 教育之目的與理念 STEM 是一種學習的途徑（learning approach），用以幫助學生建構整合性的科學、科技、工程和數學知識與技能，使其具備 21 世紀的競爭力及 STEM 素養（Maryland State Department of Education, 2012）。Bybee （2013）曾指出，STEM 教育之目的在培養學生具備有 21 世紀的就業能力，以面對全球化的經濟與環境變遷挑戰。美國 NRC（2011）指出，STEM 改革具有三個主要目標：(1)提升 STEM 領域研究與就業的人數，同時強化弱勢族群的 STEM 學習參與；(2)提升 STEM 就業人員的能力；(3)提升學生的 STEM 素養。更進一步來看，NAE 和 NRC（2014）歸納各項 STEM 研究發現，美國 STEM 教育之目標可歸納為五種面向：(1)培養 STEM 素養、(2)建構 21 世紀的競爭力、(3)STEM 相關職業的勞動力準備、(4)提升學習興趣與參與意願、及(5)發展 STEM 跨學科知識連結的能力。深入思考其關鍵可發現，根本的解決之道，仍在於改善 STEM 課程之設計與實施，使學生能獲得有意義的學習經驗，方能引發學生主動學習的意願，進而提升其學習成效。換言之，STEM 教育的重點，聚焦於透過各種整合性的教學與學習，來改善科學、科技、工程與數學各領域之課程設計、教學策略、教師的教學實踐、及學生的學習歷程（Bybee, 2013）。從科學、科技、工程及數學之學科本質來看，科學著重在引導個人具備對於科學知識與科學概念的認知，培養科學探究以及獨立進行客觀決策的能力、同時能夠從科學、技術的角度了解科學議題或發展；科技重視的是能培養使用、管理、評鑑科技的能力，其中包含有科技選用、問題解決以及批判思考與決策能力；數學著重在引導學生能有能力判斷及理解數學在生活中所扮演的角. 18.

(33) 色，能透過邏輯的思維，做出有憑據的客觀判斷，並透過數學協助達成解決問題的需求；而工程則是著重在應用人類所擁有的科學與數學知識，透過設計達成材料、工具與自然力量的運用，適切的解決問題並滿足人類的需求（Asunda, 2012; American Association for the Advancement of Science, 1993; Daugherty, 2009）。NAE 和 NRC（2014）指出，STEM 跨學科知識連結的能力意指幫助學生藉由整合多個學科的知識，來形成一個核心的概念與宏觀的視野，使其 STEM 相關知識體的結構能更具有統整性及寬廣度，而非僅侷限於過去單一學科的理解。. 跨學科課程統整理論如前言所述，STEM 教育改革展現出跨學科知識整合學習的特性。然而跨學科的學習並非一種新興的教育理念，從 1980 年代起，著眼於傳統填鴨式的分科教育所導致的學用落差及學習動機低落，統整課程（integrated curriculum）（或稱課程統整 [curriculum integration]）的理念便不斷被教育界所討論。從基本定義來看，Beane（1997）認為，課程統整是一種課程設計理論，其重點在於透過教師及學習者的合作，透過重要議題或問題打破學科界限，強化個人與社會之整合。而 Fogarty（1991）則指出，課程統整是一種課程設計的概念，依據統整性的概念所規劃之課程，應包含：「找出課程組織核心」、「打破學科領域界線」、及「組織有意義、整合性的學習內容與經驗」等三大核心要件。換言之，課程統整之重點在於期待教師的課程設計能打破傳統學科的藩籬，以學習者為中心，引導學生整合應用所習得的知識，以面對真實情境中的問題，進而能培養出高層次的思考能力及素養。. 19.

(34) 然而，Drake（1998）曾指出，統整課程具有複雜性與多樣性，在不同學科及不同學習場域中皆可能有不同的統整模式。如 Fogarty（1991）所言，課程統整包含垂直統整、水平統整、及環狀統整三種向度，垂直統整代表由 K-12 不同學習階段學習內容的連貫性，水平統整代表相關學科領域知識的連結與加廣；而環狀則代表透過價值觀、概念、議題、問題等主題，來整合不同學科的知識。Beane（1997）則指出，課程統整的形式包含四種範疇：(1)經驗統整：透過真實經驗的反思以建構學生的認知基模；(2)社會統整：以重要社會議題為核心，統整相關知識的學習； (3)知識統整：以問題為核心，透過問題解決的歷程來發展、組織與詮釋知識；(4)課程設計統整：以學科核心知識所形成的脈絡為主軸，發展涉及該知識的學習活動，以建立與真實問題解決的連結。Drake（1998）認為，統整課程的研發與實施是一個漸進式的歷程，最終常見的課程統整模式通常可歸納為以下三種：(1)多學科整合(multidisciplinary)：由若干學科透過一個共通的主題或議題加以連結，在同一段時間內，由不同學科各自教學。(2)跨學科整合(interdisciplinary)：由若干科目透過一個引導的問題、共通的概念焦點、或是交叉學科的標準，建立學科教學內容之間的連結性，進而達到統整的效果。(3)超學科(transdisciplinary)：學習活動之設計完全打破學科界線，從真實的生活情境出發，學科的學習則是隱藏在學習歷程中。具體而言，如同 Fogarty（1991）所歸納的，統整課程的設計可概分為以下三大類，共計 10 種不同的形式（如圖 2-1 所示）： 1. 單一學科內部的統整：(1)分立式（fragmented）：傳統的分科課程設計，由各科獨立教學。(2)聯立式（connected）：學科分立，但透過議題或問題，強化學科內部知識與技能之連貫性及連結。(3)窠巢式（nested）：在單一學科內，針對某事件、現象或議題引導學生進行多層面、多角度的思考與觀察。 20.

(35) 2. 跨學科的統整：(1)序列式（sequenced）：重新安排不同學科本身之課程議題順序，使各科在同一段時間所教學的內容能產生關連性。(2) 共有式（shared）：在具有互補性質的學科之間（如科學與數學），由教師透過共有的概念進行協同教學的規劃。(3)張網式（webbed）：主題取向，但仍保有學科本位的統整方式，先選出具有意義的主題，而後從各學科中篩選出相關的學科知識內容。(4)線串式（threaded）：以重要的後設認知能力或社會技能做為學習主題，進而再串連各科的學習活動。(5)整合式（integrated）：以課程主題為主軸，去學科本位的統整模式，強調打破學科界限，直接抽取與課程主題相關的重要概念。 3. 以學習者為核心的統整：(1)沉浸式（immersed）：著重在學習者自身內在的統整，由學習者自動自發，個別建構而成。 (2) 網路式（networked）：透過自主的文獻蒐集與閱讀，及與相同領域的研究者的互動或參與研究，自己主導學習歷程的統整與精進。. 分科式. 關連式. 巢窠式. 單一學科內部的統整. 序列式. 共有式. 張網式線串式. 整合式. 跨學科的統整. 沉浸式. 網路式. 以學習者為核心的統整. 圖 2-1. Fogarty 的 10 種課程統整模式資料來源：出自 Fogarty（1991）. 對 K-12 階段的學生及教師而言， STEM 課程可採取兩種組織方式，一是以特定學科為主的課程設計，另一則是跨領域統整的課程設計 21.

(36) （Herschbach, 2011）。以特定學科為主的課程設計是以單一學科為基礎，再輔以相關的 STEM 知識內容；另一種跨領域統整的課程設計，則是打破傳統各學科的形式與架構，採取專題導向的課程架構，將相關的 STEM 知識依據課程主題重新整合與重組。Bybee （2013）歸納許多報告後，提出九種呈現 STEM 整合性課程觀點，包含：(1) STEM 等於科學（或數學）單一學科；(2) STEM 意指科學和數學兩個學科；(3)將科技、工程、或數學納入科學課程中，作為解釋科學應用的範例；(4) STEM 為四個對等但獨立教授的課程；(5)科學與數學為獨立的學科，但藉由額外的科技、或工程專題活動連結科學與數學原理；(6) STEM 為四個學科所進行的協同教學；(7) STEM 為結合二到三個學科而設計一個新的課程；(8) STEM 單一學科的科學探究或問題解決導向專題活動，其中四個學科彼此提供重疊或互補的相關知識；(9) STEM 是一個完全跨學科統整的課程或專題計畫，參與的學生必須具備基礎的科學、科技、工程與數學等學科知識。. 小結綜上所述，課程統整是一種以學習者為中心的教育理念，強調有意義的學習，以及具有連結性的知識架構，進而幫助學生建立解決或反思真實世界問題的能力。統整課程的設計模式具有高度的多樣化及複雜度，並沒有固定的形式可言，可依據教師教學理念與教學目標不同，甚至教學對象或教學場域的不同，產生不同的組織方式。從 STEM 各學科本質的差異來看，為符合學科之教育目的與特性，以科學教育之「探究思考」為主軸的 STEM 課程，較常採用聯立式、張網式、或窠巢式的整合模式。意即在科學課程中適時納入工程設計的實作活動以作為解釋科學應用的範例，或是藉由額外的科技、或工程專題活動，來連結科學與數學原理。 22.

(37) 而以科技及工程教育之「工程設計」為主軸的 STEM 課程，則偏向共有式、張網式、整合式、或沉浸式的統整課程設計。此類型的統整課程，是以一個工程設計問題來引導專題活動的進行，並由 STEM 四個學科彼此提供重疊或互補的相關知識；或更進一步的，規劃打破學科界限的跨學科整合性課程或專題計畫。在這樣的課程中，參與的學生必須具備基礎的科學、科技、工程與數學等學科知識，同時能夠主動學習、積極探索專題計畫所需的 STEM 知識。一個良好的統整課程除了完善的規劃外，亦需確實且有效的教學實踐。細觀上述之課程統整模式可發現，無論是以學科內容、重大議題、或核心能力為整合的主軸，在教師的教學實踐上皆可區分為三種主要型態：第一種即是由單一學科教師進行統整課程的規劃與實施，二是由各科教師進行協同教學，在教學歷程中不斷互補或提供彼此協助；三是由各科教師共同進行整合課程的規劃，但實施過程中各學科彼此之間的互動較少，可獨立進行教學。然而，在現行體制下，統整課程的實施仍存在許多阻力，此外，因 STEM 課程所涵蓋的知識較單一領域課程廣泛，亦容易遭遇到課程內容範疇界定不清的問題。因此，如何依據臺灣高中教學現場的現況規劃適切的 STEM 統整課程，仍有待更多的探討與分析。. 23.

(38) 第二節. 工程設計與 STEM 知識應用. 工程設計流程工程是人類為解決問題所進行的系統性的舉措及實踐。因此，一個具備工程設計思維的人，應能善用科學、科技、數學等學科整合而成的知識，亦能省思個人、團體以及社會如何在充滿各種科技的人造世界中互動，進而有效的掌控科技的發展與使用。高中工程教育之理念，在於透過以工程設計為核心的教學，協助學生連接課堂所學和真實世界的問題情境，讓學生有機會看到他們每天生活的世界如何透過科學，數學和工程等知識而運作，進而了解如何應用這些知識解決問題。換言之，工程設計為學生提供了一個系統化的思維模式來解決問題，不僅可應用於整合科學、科技、數學和工程的學習，更可以連結並轉化到許多其他學科的學習之中（Kelley, 2010）。工程設計是工程師實踐的歷程，其具有明確的目標導向，在規範與條件限制的侷限下，藉由反覆的歷程以達成明確的目標（NRC, 2009）。工程設計是實踐 K-12 整合性 STEM 課程有效的教學策略（Crismond, & Adams, 2012; Kelley, 2008; Lantz, 2009）。在科技教育領域，ITEEA 於 Standards for Technological Literacy [STL]當中所界定之設計流程即涵蓋： (1)界定問題、(2)腦力激盪、(3)研究和產生想法、(4)確定標準和約束的條件限制、(5)探索可能的解決方案、(6)選擇方法、(7)開發設計方案、(8)製作模型或原型、(9)測試和評估、(10)檢視是否符合規格限制、(11)優化設計、(12)製造成品、(13)與他人交流、說明製作過程和結果等歷程（ITEEA, 2007）。PLTW 課程所使用的工程設計流程則是包含：(1)界定問題、(2) 腦力激盪、(3)研究並蒐集創意/想法、(4)確認標準和規定的約束條件、(5) 探索方案可能性、(6)選擇方案、(7)發展設計提案、(8)製作模型或原型、. 24.

(39) (9)依據規範測試及評鑑設計、(10)改善設計、(11)創造或製作最終解決方案、(12)交流設計過程與結果等步驟（Grimm, 2010）。而美國工程設計取向的 The Infinity Project 課程，將工程設計流程界定為九個步驟（The Infinity Project, n.d.-b）：(1) 界定問題或目標；(2) 設定目標及確認條件限制；(3)研究並蒐集資料；(4)發展具有潛力的解決方案；(5)分析解決方案的可行性；(6) 選擇最適切的解決方案；(7)製作或實踐設計方案；(8) 測試並評鑑設計方案；(9)視需要性重覆前述步驟。此外，美國科學教育領域所規劃之 Next Generation Science Standards 將工程設計的主要步驟界定為：(1)定義和界定的工程問題：盡可能釐清與達成問題解決所需依循的條件、限制或相關的問題；(2)設計解決方案：產生數種不同的解決方案，進而分析評估各方案解決成功的機率，以選出最佳的方案；(3)優化所設計的解決方案：透過系統化的測試，權衡哪些功能是重要或較不重要的，進而最佳化最終的解決方案等三大步驟（NGSS Lead States, 2013）。此外，Householder 和 Hailey（2012）指出，工程設計是一個反覆前後滾動的歷程，其主要步驟包含：(1)辨認需求或問題；(2)研究需求或問題；(3)發展可能的解決方案；(4)選擇最適切的解決方案；(5)建立原型；(6)測試並評鑑解決方案；(7)溝通傳達測試結果；(8)再設計；(9)結束設計歷程。各步驟間的互動如圖 2-2 所示：. 25.

(40) 步驟 9 結束設計. 步驟 1 界定需求或問題步驟 8 再設計. 步驟 2 研究需求或問題. 步驟 3 發展可行的解決方案. 步驟 7 溝通解決方案. 步驟 4 選擇最佳的可能方案. 步驟 6 測試和評估方案步驟 5 建立原型. 圖 2-2. 工程設計流程圖資料來源：出自 Householder 和 Hailey（2012）. 因此，歸納上述之工程設計流程，本研究所界定之工程設計流程，包含以下八項主要步驟： 1. 界定問題/條件限制：定義和界定工程問題、設計規範及相關條件限制。 2. 發展方案：蒐集相關資料，設計工程問題的解決方案。 3. 預測分析：依據相關理論與條件限制，預測各解決方案的可行性。 4. 權衡/方案選擇：依據分析結果針對備選方案進行排序，找出最佳的方案並提出選擇的理由與依據。 5. 原型建模/執行方案：依照方案規劃加以實踐。 6. 問題分析/修正：分析方案執行過程中遭遇的問題，並加以修正。 26.

(41) 7. 測試評估：規劃並進行測試，蒐集並分析測試之結果，評估此一方案之成效。 8. 最佳化/再設計：檢驗方案成果，思考可改善的部分，並嘗試透過科學概念加以修改或重新設計。. 工程設計核心能力要實踐良好的工程設計流程，需具備關鍵的核心能力。許多研究皆指出（Lewis, 2005; Merrill, Custer, Daugherty, Westrick, & Zeng, 2009; NRC, 2009; NGSS Lead States, 2013），高中階段工程設計取向課程應著重之核心能力，包含：「定義問題、發展方案、預測分析、原型建模、測試修正、及最佳化」。 Silk 和 Schunn （2008）透過內容分析，檢視美國所有州訂科技與工程教育課程綱要、以及全國性或國際性的課程內容標準，發現最共通的工程設計核心能力是「系統性思考」與「最佳化的歷程」。而 Carr、 Bennett 和 Strobel（2012）藉由分析全美 K-12 STEM 相關能力指標與課程標準（Standards），歸納出對於進行工程設計（doing egineering）所需的核心能力共識，包含：(1)識別標準、約束和問題；(2)評估，重新設計和修改產品或模型；(3)評估解決方案的有效性；(4)設計一個產品或過程來解決問題；(5)描述提出設計和解決方案的理由；(6)製作模型、原型和草圖；(7)設計產品及系統；(8)選擇適當的材料、最佳的解決方案、或有效的辦法；(9)解釋解決方案和設計的關鍵因素；(10)制定計劃，佈局、設計、解決方案和流程；(11)創造解決方案，原型和圖形；(12)溝通的問題，設計，或解決方案；(13)對解決方案和設計進行簡報；(14)定義問題； (15)腦力激盪解決方案、設計、設計的問題和計劃；(16)構建設計、原型 27.

(42) 和模型；(17)應用標準，約束和數學模型；(18)改善解決方案或模型；(19) 提出流程圖、系統規劃、解決方案設計、藍圖和生產過程。在工程設計取向課程中，透過教學活動強化這些核心能力的學習，可以引導學生展現出更有效率的工程設計歷程（Merrill et al., 2009; NRC, 2009）。進一步來看，在工程設計歷程中，定義問題是構思設計概念的第一步驟，也是整個問題解決過程中持續不斷的歷程。其中，了解設計需求及條件限制，是釐清工程問題的關鍵。條件限制可能是物理性的外在因素，亦可能是經濟、法律、政策、社會道德、審美或時間等各種與設計相關層面所產生的限制。工程設計與傳統科技教育之設計與製作活動最大的差異，即在於其著重真實世界的問題解決，工程設計的課程必須引導學生了解真實情境中可能產生的限制，並將其納入設計問題之中。其次，如同 NGSS 所定義，發展解決方案是針對工程問題提出一系列不同的解決方案，並從中評估何者最能滿足問題之標準與條件限制（NGSS Lead States, 2013）。換言之，發展方案的歷程，是依據前一步驟所界定之問題與條件限制，透過資料蒐集、分析與構思等步驟，找出所有可能的執行方案再進行分析，以選擇最佳解決方案。其中，要能提出多元化的想法，則必須對問題有具體的瞭解，並具備足夠的相關知識，方能落實有意義的思考。在設計歷程中的預測分析，對於選擇最佳解決方案、製造建模、以及評鑑測試結果等步驟，都扮演著關鍵的角色。NRC（2009）認為「分析」是一種系統性的思考，而其目的在於詳細的檢視設計歷程中的各種問題，包含：(1)具體釐清遭遇的問題、(2)深思各種設計決定、(3)預測或評估表現、(4)確定各方面的可行性、(5)評估的替代品、或(6)調查故障。而這樣的思考活動，即蘊含著權衡的概念。在考量成本、功能、經濟、. 28.

(43) 社會文化等各種限制因素的情況下，取捨、平衡互相衝突的條件限制，而其牽涉到的，即是科學及數學知識的整合與應用。由此可見，預測分析是整體工程設計流程最重要的核心能力。如同 Merrill 等人（2009）所指出，若要在科技教育的課程中有效融入工程概念，教師必須強化其工程設計相關之概念性知識與程序性知識的教學能力，尤其是數學與科學知識的應用。原型建模亦是工程設計的關鍵步驟，NRC（2009）認為，建模是一個系統、或者一個設計程序、或產品基本特徵的展現，其可以透過任何圖像式、物理式或數學式的形式加以表達。在高中階段的工程設計課程中，除了實體產品的製作外，學習歷程檔案亦是呈現學生設計概念的重要媒介。Moore、Miller、Lesh、Stohlmann 和 Kim（2013）便曾指出，強化學生在工程設計活動中的建模能力，可以提高概念性知識的理解和工程設計的表現。最終，測試修正及最佳化的歷程，是促使工程與科技進步不可或缺的關鍵步驟，亦是真正解決問題所必經的歷程（Asunda & Hill, 2007）。測試修正與最佳化設計是為了追求最佳的解決方案，其中必須綜合測試分析、及各種條件限制權衡後的結果，進行整體的思考（NRC, 2009）。在過去的高中科技教育中，學生往往缺乏重新再設計的學習經驗，然而，在真實世界的工程問題解決中，權衡現實的條件限制後再設計所得的結果，才是最佳且真實的設計產出。因此，要強化學生工程設計的學習及對於工程領域的理解，教師在規劃教學活動時，應重視最佳化與再設計相關學習歷程的規劃與實踐。. 29.

(44) 小結高中工程教育之特色，在於引導學生學習如何在各種現實因素限制下進行設計，並找出最佳的解決方案，其活動過程中應重視「定義問題、發展方案、預測分析、原型建模、測試修正、及最佳化」等工程設計的核心能力，並應用數學運算及科學原理輔助其設計與實踐的歷程。STEM 整合性課程的學習應著重在發展解決方案的過程與設計歷程，而非解決方案本身或最終的結果。換言之，工程設計取向之 STEM 整合性課程規劃，應以工程設計為核心，選擇科技重大議題為學習情境，進而引導學生學習如何將數學和科學等知識，應用於工程設計歷程之中，提升其工程設計的核心能力，進而解決工程相關的問題。如此一來，這種跨學科的學習方式方能使學生可以在一種符合自身需求及經驗的情境下探索科學與數學，同時幫助他們發展系統性思維，並在未來能將其應用到工作、學術研究或日常生活等各種層面（Lantz, 2009）。. 30.

(45) 第三節. 美國 STEM 課程之內涵與特性分析. 為深了解 STEM 課程可行的主題內涵、教學模式與教學策略等特性，以做為本研究研發 En-STEM 設計模式與教學模組之參考。本研究廣泛蒐集國外工程設計取向之 STEM 課程，而後，依循「壹、課程主題與教材內涵」「貳、學習導向」、「參、教學策略」、「肆、教學流程規劃」、及「伍、教學評量規劃與教學輔具應用」等五大面向，進行其內容組成與特性的討論分析。. STEM 課程概述在美國國家科學委員會的支持下，近年來許多美國大學 STEM 相關系所及研究機構皆積極投入 STEM 課程之設計、研發與推廣（Bayer Corporation, 2010）。本章節所探討的 STEM 課程，包含「Project Lead The Way」、「Engineering by Design™」、「Engineering the Future」、及「The Infinity Projectsm」等較為大型的課程。亦包含美國國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）所支持之 12 個不同的 STEM 課程計畫，其課程內容簡介如附錄一所示。整體之內容組成分析結果則歸納如附錄二所示。其中 PLTW 是美國具有全國性領導地位及相當程度影響力的 STEM 課程計畫（PLTW, 2014）。PLTW 計畫的宗旨在提供中學生一個創新的科學、科技、工程和數學整合性課程，其涵蓋有工程及 STEM 的概念，主要著重在提供學生動手做的課堂經驗，並透過專題導向（project based）和問題導向（problem based）的課程，引導學生運用數學和科學課堂上的所學，藉由創造、設計、建模、發現、協作和解決問題等一連串設計與工程問題解決的步驟，嘗試解決真實世界中的問題（PLTW, 2012）。 31.

(46) Engineering by Design™是由 ITEEA 所發展之標準導向的 K-12 STEM 課程。其設計理念強調透過提供學生一個真實的、問題導向的學習情境，以培養學生具備有良好的科技素養。其課程模組規劃之主要概念為（ITEEA, n. d.）：(1)工程透過設計來改善生活；(2)科技持續不斷的繼續影響日常生活；(3)科技推動發明與創新，是一個思考和執行的過程； (4)科技系統是由眾多的科技產品所組合而成；(5)科技產生的問題，改變了人們生活和互動的方式；(6)科技會影響社會，因此必須進行評估，以確定是好還是壞；(7)科技是改進過去與創造未來的基礎。 Engineering the Future 是由美國國家科技素養中心（National Center for Technological Literacy, NCTL）與波士頓的科學博物館（Museum of Science）合作發展之 STEM 課程計畫，主旨在對高中一年級學生介紹真實世界中的科技與工程，藉以培養學生成為具備良好科技素養的公民。具體而言，本課程的目標如下：(1)使學生對「科技」能具備深度及豐富的理解；(2)使學生具備規劃及實施工程設計歷程的能力；(3)使學生了解科學、數學、科技和工程之間的互補關係；(4)使學生了解科技的進步如何影響人類社會，而人類社會又如何選用新產生的科技產品與技術；(5) 使學生能運用基本的能源概念知識，以面對各項能源相關問題（Engineering the Future, 2007; 2014）。 The Infinity Project 從 1999 年起，由 Southern Methodist University 的 Lyle School of Engineering 及 Texas Instruments 同開發。The Infinity Project 的課程目的在於藉由工程設計實作專題，提升學生對於 STEM 知識的了解及專業能力的發展，進而激發學生從事工程與科技相關職業的興趣。 The Infinity Project 主要的課程內涵包括：電子學、機械、土木工程、環境工程與生物工程，這些課程皆可獨立教授或與其他 STEM 課程相結合（The Infinity Project, n.d.-a）。 32.

(47) 課程主題與教材內涵在課程主題與內涵方面，綜合范斯淳及楊錦心（2012）對 PLTW、 Engineering by Design™等課程之探討，與本研究之分析可發現，不同 STEM 計畫之教育理念與目標雖大致相近，但在課程的設計與規劃上卻具有很大的差異。從表 2-1 之整理中可看出，PLTW 和 The Infinity Project 之目的較偏向大學工程相關科系人才的培育與先修，因此其課程架構與內容會涵蓋較多專業的工程領域知識，對象亦是以工程性向較強的高中學生為主；而 Engineering by Design™及 Engineering the Future 兩者，其課程理念則較偏向一般學生的 STEM 素養教育，課程規劃不以特定的工程專業領域為主軸，而是透過重要的科技或工程議題來幫助學生了解工程設計，並培養基本的工程概念。換言之，PLTW 和 The Infinity Project 的統整課程設計模式，比較偏向 Fogarty（1991）所歸納出的張網式統整模式，而 Engineering by Design™以及 Engineering the Future 則偏向整合式的統整模式。. 33.

(48) 表 2-1 美國 STEM 計畫之比較 STEM 教育計畫名稱理念 PLTW. 準工程. 課程概述. 以國、高中階段為主，高中分成「工程的進路」及「生物醫學科學」兩大主題。「工程的進路」分成基礎、專業與頂尖三種課程，由淺入深循序漸進，基礎課程為. 課程主題以具體的工程領域為主題。. 工程設計概論及工程原則等課程，專業課程以上則依照工程專業領域進行細分，包含航太、土木、電子等 Engineering by Design™. STEM 素養/ 準工程. 從 K-12 循序進行整體的 STEM 課程規劃，國中階段以前較偏向工程素養教育，高中階段則較偏向準工程的課程單. 教材內容工程設計概論工程原則航空航太工程生物科技工程土木工程和建築學電腦整合製造數位電子工程生物醫學工程. 以重要工程或科技議題為主題。. 元，其課程以工程設計與應用為主，課程單元包含：工程設計、航太、能源等領域。. 工程設計概論航空航太工程運輸工程土木與建築工程機械工程生物工程. Engineering the Future. STEM 素養. 以重要科技議題為主題，透過專題的形式，介紹工程設計的概念以及各工程領域相關的 STEM 知識。. 以重要工程或科技議題為主題。. 工業設計建築工程船舶工程數位電子工程. The Infinity Project. 準工程. 以國中及高中階段為主，高中分成「工程設計」以及「創新人才的數學課程」兩大主題，其中再依照工程專業領域進行課程單元的細分，包含有：航太、機械、環境工程、電子、. 以具體的工程領域為主題。. 數位電子工程機械工程環境工程生物醫學工程. 生物醫學等領域。. 34.

(49) 此外，由表 2-1 亦可看出，各 STEM 課程內容之規劃大多包含有基礎的工程設計概論，而課程內容則多以以特定工程領域為核心進行規劃，如：航空航太工程、土木與建築工程、能源工程、機械工程、數位電子工程、或生物醫學工程等領域。除了 PLTW 等四項 STEM 課程計畫外，許多附錄一所列之 STEM 課程是延伸自大學工程領域之研究計畫（如：生物晶片的應用、VEX Robotics）。這些課程多專注於工程設計概念的學習及特定工程領域的理解，其主要目的在於藉由課程的引導，提供 K-12 階段學生接觸及參與先進的工程或科技研發的機會，進而引發學生未來投入工程領域的興趣。這樣的課程往往能涵蓋較深入的 STEM 學科知識，然而受限於設備及教師專業知識的不足，在推廣上則需要大量人力與經費的投入。其次，透過附錄一其他 STEM 課程的內容組成分析亦可以看出，許多課程皆是以解決地區性或全球性的科技與環境問題為主軸，包含：綠色能源的產生、轉換與應用、淨水設備的設計、食物乾燥保存技術的研發、緊急救難設備的研發等。由此可見，STEM 課程設計的一項重要核心概念，是課程必須連結真實世界的問題情境，學生所習得的能力應能解決真實世界中的問題。更進一步來說，即是美國 STEM 課程的設計，重視與真實世界重要的問題或重大議題的連結（Barry, 2014），因此，著眼於目前科技所造成的能源利用與環境保護皆為重要的科技議題，許多 STEM 課程也以此作為課程內容的主題。此外，另有許多 STEM 課程是以 STEM 中之特定學科知識為主，例如：科技領域之新興科技（如奈米科技、智慧機器人等）；科學領域之電學（電與電力的基本定律、電壓、電流、功率轉換等）、力學（結構、張力、壓力、剪力）、材料特性、化學（生質能源）、及能源轉換功率等；數學領域之代數運算、測量與記錄、基礎統計、表面積與體積計算、圖 35.