樂高 STEM 教學導入國小科學學習 之歷程研究

國 立 臺 東 大 學 教 育 學 系 教育行政碩士在職專班碩士論文

指導教授：謝昆霖 博士

樂高 STEM 教學導入國小科學學習 之歷程研究

研 究 生：蕭佳宜 撰

中 華 民 國 一 ０ ０ 年 六 月

國 立 臺 東 大 學 教 育 學 系 教育行政碩士在職專班碩士論文

樂高 STEM 教學導入國小科學學習 之歷程研究

研 究 生：蕭佳宜 撰

指導教授：謝昆霖 博士

謝 誌

本論文承蒙指導教授謝昆霖教授在研究過程中的悉心指導，使個人 在撰寫論文的歷程中得以不斷的成長，在此謹致上最誠摯之謝意。謝老 師對個人深切的期許，將化為個人未來學術生涯的最大動力。

感謝陳彥匡主任、楊義清教授，從論文計畫的審查到論文口試皆提 供精闢見解，給予個人非常深入的指正與鼓勵，使本論文得以順利完 成，在此均致上最深忱的謝意。

此外，陳玉齡老師在研究進行期間的協助與提供專業的建議，讓研 究得以順利進行及完成，在此均致上感謝之意。

最後要感謝我最摯愛的家人，不管是求學或論文撰寫期間，你們

總是我最值得依賴的對象及避風港。感謝老公能木的全力支持，及對天

使般女兒們－詠晴、媁晴的細心照顧，讓我能夠全心全力撰寫論文，無

後顧之憂地完成碩士學位。感謝我的父母親在有形無形上的支持與鼓

勵，讓我得以順利完成碩士學位。最後，謹以此論文獻給關心及愛護我

的人，感謝您們。

樂高 STEM 教學導入國小科學學習 之歷程研究

作者：蕭佳宜

摘要

本研究採質性研究方法，探討樂高 STEM 教學對於台東縣東海國小 機器人科學社學童們的科學學習、問題解決之歷程影響，對於樂高 STEM 組件進行教材分析與教學分析，然後設計與實施樂高 STEM 教 學活動，分析學童的科學學習、問題解決歷程，並且評估樂高 STEM 教學的可行性及其教學效能，以作為日後國小藉由樂高 STEM 組件進 行科學學習與問題解決教學之參考。

本研究以國小六年級 5 位學童為研究對象，依照教學進度實施每 週二小時的學習活動，本研究共計實施 25 週（共計 50 小時）的 STEM 教學。於教學結束後的第一週，參與教學活動的學生填寫學習意見調查 表及進行訪談工作。將研究所得的資料與數據進行編碼與分析，以獲得 研究的發現與結論。本研究的結論如下：

一、樂高 STEM 教學的教學設計是適用於國小學童科學學習、問題解 決的教學。

二、樂高 STEM 教學讓學童具有科學學習、問題解決等多元能力。

三、樂高 STEM 教學可讓學童具有正向的學習態度。

關鍵詞：

A study of integrating Lego STEM into an elementary school science learning development

CHIA-YI HSIAO

Abstract

This main approach of this study is Qualitative Research Method and its purpose is to study how LEGO Mindstorms STEM implements the developments in science learning and problem-solving abilities especially those primary school pupils at Dong-Hai in Taitung County. In order to examine LEGO STEM circumstance, the process of problem-solving and learning development must be done by analyzing materials and instructional teaching. Then, the course design including hands-on activities should be applied to teaching curriculum on primary school pupils. Most importantly, to evaluate how LEGO STEM integrates into science learning and

problem-solving teaching and therefore it might also be a reference for further research.

This study regards 5 the sixth grade students as the research target for 25 weeks (50 hours in total). Those pupils must experience at least two hours a week project based on the STEM teaching curriculum. In addition, all the pupils must fill out the questionnaire and have an interview with the researcher the first week after the term ends. With these, to focus on the analysis in pupils’ learning process and intent to explore new findings and draw concrete conclusions. The result of this study reveals:

1. It’s beneficial for teachers to design curriculum particularly applied to

the elementary school pupils in science learning as well as

problem-solving teaching.

2. It’s favorable for primary school pupils’ development in science learning and problem-solving ability when implementing LEGO STEM teaching.

3. It shows the positive learning attitude when implementing LEGO STEM teaching.

Key Word: LEGO STEM learning, science learning, problem-solving

目 次

謝誌……….…………..……….…i

中文摘要……….…………..……….…iii

英文摘要……….…………..……….…v

目次……….…………..……….…vii

表次………...………...……….ix

圖次………..………...………...….……x

第一章 緒論 第一節 研究背景與動機……….………1

第二節 研究目的與待答問題……….…4

第三節 研究方法……….…5

第四節 研究範圍與限制……….…6

第五節 名詞釋義……….…8

第二章 文獻探討 第一節 建造論的理論基礎……….……….…………..11

第二節 問題解決與合作的學習………..……….…27

第三節 相關研究……….…38

第三章 研究設計與實施 第一節 研究場域與對象……….………45

第二節 研究架構………48

第三節 研究工具……….…49

第四節 研究流程………53

第五節 資料分析………56

第四章 研究發現與討論

第一節 訪談資料的分析與討論……….………59

第二節 學習意見的分析與討論……….………74

第五章 結論與建議 第一節 結論………..……….………81

第二節 建議………..……….………84

參考文獻 一、中文部份……….……87

二、外文部份………91

附錄 附錄一 樂高 STEM 的教學設計……….……95

附錄二 「樂高 STEM 學習」的訪談大綱……….……171

附錄三 學習意見調查表……….……172

附錄四 訪談資料的主要編碼表……….……173

表 次

表 1 設計式教學模式（LBD）－教學策略與實施範例……… 21

表 2 專案式學習模式（PBL）的實施程序及教學策略………. 25

表 3 樂高應用相關研究彙整表(1)………... 39

表 4 樂高應用相關研究彙整表(2)………... 40

表 5 樂高應用相關研究彙整表(3)………... 41

表 6 樂高應用相關研究彙整表(4)………... 42

表 7 科學實驗與科學習相關研究彙整表……… 44

表 8 樂高 STEM 教學的單元活動設計……… 50

表 9 學童們對「具備科學學習的基本概念」的看法….……… 74

表 10 學童們對「喜歡這種教學方式」的看法……… 74

表 11 學童們對「教學內容有興趣」的看法……… 75

表 12 學童們對「能啟發創造思考能力」的看法……… 75

表 13 學童們對「樂高 STEM 學習是很重要」的看法……… 75

表 14 學童們對「有成就感」的看法……… 76

表 15 學童們對「能培養問題解決能力」的看法……… 76

表 16 學童們對「能表達自己意見」的看法……… 76

表 17 學童們對「能找出問題的解決方法」的看法……… 77

表 18 學童們對「能與同組同學討論問題」的看法………. 77

表 19 學童們對「這門課有挑戰性」的看法……… 77

表 20 學童們對「這門課所投入精神」的看法……… 78

表 21 學童們對「認真參與討論」的看法……… 78

表 22 學童們對「認真作課堂作業」的看法……… 78

表 23 學童們對「能發揮團隊合作精神」的看法………. 79

表 24 學童們對「這問課的學習方式是有幫助」的看法……….…… 79

圖 次

圖 1 維高斯基（Vygotsky）近側發展區的觀念圖……….. 14

圖 2 專案式學習模式（PBL）實施的主要架構圖………. 24

圖 3 不同型態的問題空間……… 28

圖 4 創造性問題解決模式……… 32

圖 5 Glass and Holyoak(1986)問題解決的四個階段………... 33

圖 6 合作型問題解決模式－知識建構與重整的三階段………… 35

圖 7 研究架構圖……… 48

圖 8 研究流程圖……… 53

圖 9 質性資料蒐集與分析……… 57

第一章 緒論

第一節 研究背景與動機

現今的國民中小學積極推動的「創新教學九年一貫課程」，其一項改革的主要 內涵是採用「學習領域」取代現行的分科課程（subject-separate curriculum）。分科 課程已實施數十年，少有改變，新課程一反過去分科課程的作法，採用「統整課 程」（integrated curriculum），是一個根本性的重大改變，對教師、學生、社區以及 教育專業相關各界將有重大的意涵與影響（林生傳，1998）。再者，「創新教學九 年一貫課程」，其主要精神在於以學生為主體，以生活經驗為重心，培養學生具備 現代國民所需的基本能力，也就是：1.瞭解自我與發展潛能；2.欣賞、表現與創新；

3.生涯規劃與終身學習；4.表達、溝通與分享；5.尊重、關懷與團隊合作；6.文化 學習與國際瞭解；7.規劃、組織與實踐；8.運用科技與資訊；9.主動探索與研究；

10.獨立思考與解決問題等十項基本能力。其中七至十項的基本能力係與統整能力 的培養有關，透過這些基本能力的養成，可讓學生獲得較佳的科學學習與問題解 決的能力，因而提昇國家整體的競爭力。

然而，科學學習與問題解決的學習歷程是一種認知學習的過程，須由學習者 自動建構，而運用合適的「教學媒體」來教導學習者科學學習、問題解決的能力，

可提升學習者的學習動機，使其主動參與學習活動且達成既定的教學目標。而眾 多教學媒體中，樂高 Mindstorms NXT 機器人組件是最受歡迎的教學媒體，它是結 合樂高各類的零組件及圖形化程式設計軟體，讓學習者可以建造出不同功能的機 器人，用以解決所遭遇的問題。而 LEGO Mindstorms 是自 1984 年起 Papert 開始與 樂高公司合作研發新的樂高產品，它讓學童可運用電腦程式控制樂高組件的動 作，經過十五年的研發過程而於在 1998 年秋季，樂高公司在英、美兩國以 LEGO Mindstorms 為系列名稱開始上市發售（施能木，2008）。現今所流行的 LEGO Mindstorms NXT 是樂高下一代的機器人組件，樂高公司於 2006 年 9 月上旬推出機

器人組件新款「教育用 LEGO Mindstorms NXT」，它是將配備微處理器的樂高塑膠 積木組裝起來，通過個人電腦撰寫程式來控制的機器人。田耐青（1999）認為：

LEGO Mindstorms 可讓學習者在課堂上使用到高層次認知技巧，例如：設計程式、

創造模型、分析錯誤之所在、思考如何修改及評鑑自己與他人的成品、進行二度 及三度空間的轉換（看圖示組合模型）等。換句話說，學習者可藉由具體操作 LEGO Mindstorms NXT 的積木組件建立模型，然後透過程式設計賦與模型動作，經過不 斷的修正與改進以尋求最佳方案，進而學習創造、問題解決的能力。

再者，Vernier Software & Technology 公司是一家有近 100 名員工的美國公司，

該公司為教師們提供世界級一流的數據收集解決方案，他們提供全系列的獲獎的 介面、感測器、軟體和課程，來引起學習者的興趣與動機以投入動手做的科學探 索。Vernier 公司發展出可連接 Mindstorms NXT 的連接頭（NXT Sensor Adapter），

它讓樂高 Mindstorms NXT 機器人可使用超過 30 種的感測器，以建造出以感測器 為基礎的控制系統。而其中的 STEM with Vernier and LEGO Mindstorms NXT 系列 是含有 pH 值感測器、電導率探針、UV 感測器、土壤溼度感測器、雙範圍力感測 器、磁場感測器、電壓探針、氣壓感測器等八種感測器，它提供學習者透過動手 做活動，以投入「科學、科技、工程和數學」（Science, Technology, Engineering, and Math；簡稱 STEM）的歷程，即利用樂高機器人實驗室－教育基本組（LEGO Mindstorms Education Base Set；編號：9797）、樂高機器人實驗室－擴充元件組

（Competition Resource Set；編號：9648）、樂高 STEM 感測器組件（Vernier and Mindstorms Science Bundle）等組件提供學童進行學習活動，而研究者將這些組件 統稱為「樂高 STEM 組件」。上述這些感測器再加上樂高 Mindstorms NXT 的智慧 型介面，讓學生以新的方式做傳統的科學實驗室活動。此外，機器人的建造專案 提供學童一個了解和建設工程的機會，以增加學童學習的樂趣。同時，檢索相關 的文獻資料，研究者發現尚未有利用樂高 STEM 組件進行科學學習、問題解決的

基於前述基本能力、科學學習與問題解決等養成的優點的研究背景，本研究 計畫擬利用「樂高 STEM 組件」為教學媒體，設計一系列科學學習與問題解決的 樂高 STEM 教學活動，指導國小學童應用樂高 Mindstorms 組件來組合、創造機器 人，如此讓學童利用科技為工具，來進行各類科學探索、科學實驗、實際問題的 解決等學習活動，以建構屬於個人科學學習與問題解決的能力。

第二節 研究目的與待答問題

本研究期能提升國小學童科學學習、問題解決能力，故利用「樂高 NXT 機器 人組件」與「STEM 感測器組件」為教學媒體，進行樂高 STEM 教學設計與實施，

以培養國小學童的科學學習與解決問題的能力，作為其日後國小進行樂高 STEM 教學之參考。基於上述內容，本研究之研究目的的敘述如后：

一、探討在樂高 STEM 學習環境中，教師提升學童科學學習與問題解決能力之教 學設計。

二、探討在樂高 STEM 學習環境中，國小學童進行科學學習與問題解決之歷程。

依據上述的研究目的，本研究之待答問題如后：

一、教師引導國小學童應用樂高 STEM 組件進行科學學習、問題解決時，教材內 容、教學策略應如何？

二、國小學童在應用樂高 STEM 組件時，應具備哪些基本的知識與技能？

三、國小學童應用樂高 STEM 組件進行科學學習、問題解決時，經常遭遇哪些困 難？

四、國小學童應用樂高 STEM 組件進行科學學習、問題解決時，經常採取哪些因 應對策？

第三節 研究方法

為達成研究目的，本研究主要的研究方法有四種，其內容敘述如后：

一、文獻探討法：蒐集國內外相關文獻資料，包括書籍、期刊、論文、線上資料 庫、微縮片、網站相關文獻資料等，作為本研究的理論基礎與研究架構設計之 依據。

二、質性研究法：在教學進行的過程中，採取「質性研究」的「參與式觀察」、「深 度訪談」為方法，從觀察、訪談的記錄與分析，深入探討國小學童在樂高 STEM 教學過程中，有關他們的科學學習、問題解決的歷程。

三、文件分析法（document analysis）：文件分析法係指研究者透過挖掘一些歷史文 件或日常生活的紀錄、筆記圖片、印刷品、報紙、雜誌等，勾勒及傳遞研究者 內心圖像（image）與文件本身所賦予的深層意義，即是一種重視概念發展、

結合尋找（ locating ）、確認（identifying）、恢復（retrieving）和分析文件的 關連性、重要性及其意義的方法、程序及技巧（Altheide，1996）。

本研究利用文件分析法，透過質性的分析，以客觀且系統的態度，對於 錄影資料、訪談資料、學生作品、相關照片等文件進行分析，以了解國小學 童的科學學習、問題解決的歷程，及他們對解決問題的策略及途徑，藉以歸 納出國小學童科學學習、問題解決的環境背景及其相關意義。

四、統計分析法：針對學童們所填的學習意見調查表進行卡方檢定分析，以瞭解 學童們對課程學習、教材內容等二個向度的感受。

第四節 研究範圍與限制

本研究旨在探討國小學童科學學習、問題解決的歷程，主要的研究範圍則包 括樂高 STEM 教學活動的教學設計、教學策略，以及國小學童的科學學習、問 題解決的歷程。而教學活動的設計，僅限於以樂高 STEM 組件為教學媒體的教 學活動為主。

本研究重點在於應用樂高 STEM 組件於科學學習、問題解決等歷程的討論與 分析，期能針對科學學習、問題解決等相關課程的教學提出具體的建議。因此，

對於非使用樂高 STEM 組件的科學學習及問題解決的其他觀點不加以深入探討 及強行解釋。

二、研究限制

1.研究對象：本研究的研究對象為參與台東縣東海國小機器人科學社的學童，

學童成員為五位六年級的學生，他們均對樂高機器人的創作及科學學習具有 濃厚的學習動機與興趣。而東海國小位於台東市區，學生之家庭社經背景大 多屬於中等或中上階層，因此本研究結果僅限於推論至其他類似特性地區之 六年級學童表現。

2.研究時間：本研究受限於學校課程的安排，無法排入正式課程之中，係以學 校社團活動時間為實施時間，每週安排 2 小時，本研究實施 25 週（共計 50 小時）的教學活動。研究結果可能會受到學習期間長短、教材內容深度與廣 度的影響，故本研究結果在應用時，亦須考慮此項目。

3.研究設備：本研究所使用的設備主要為樂高機器人實驗室－教育基本組

（LEGO Mindstorms Education Base Set；編號：9797）、樂高機器人實驗室

幣 64,600 元，設備可說是相當昂貴，非一般學生家長經濟所能負擔。因此，

除了樂高 9797、9648 等各兩套機器人組件向東海國小借用外，有關樂高 STEM 感測器組件兩套則由研究者自行購買以提供學童使用，至於其他樂高 相關的組件不在本研究進行教學時所使用設備之列。

第五節 名詞釋義

一、樂高 STEM 組件：本研究所指的樂高 STEM 組件係包括樂高機器人實驗室－

教育基本組（LEGO Mindstorms Education Base Set；編號：9797）、樂高機器 人實驗室－擴充元件組（Competition Resource Set；編號：9648）、樂高 STEM 感測器組件（Vernier and Mindstorms Science Bundle）等三類組件的集合。樂 高機器人實驗室－教育基本組包括：各類積木數 431 個、程式控制電腦積木 一個、USB 傳輸線一條、光感測器 1 個、超音波感測器 1 個、音源感測器 1 個、觸控感測器 2 個、互動式伺服馬達 3 個、燈泡 3 個、轉接線 3 條及連接 線 7 條、可充電鋰電池 1 顆、組裝說明書及一套圖形化電腦控制軟體(含 NXT-G 2.0 版)等。樂高機器人實驗室－擴充元件組包括：各類積木數 672 個，含輪 胎、各式連接臂、齒輪、插栓、十字軸、橫桿、平板…等積木。樂高 STEM 感測器組件包括：Vernier NXT 感測器連接頭 3 個、氣動組件組 1 組、Vernier 溫度探針 2 個、Vernier pH 值感測器 1 個、Vernier UVB 感測器 1 個、Vernier 電 導率探針 1 個、Vernier 土壤溼度感測器 1 個、Vernier 電壓探針 1 個、Vernier 雙範圍力感測器 1 個、Vernier 氣壓感測器 1 個、Vernier 磁場感測器 1 個、小 型太陽能板(2.0V, 200 mA)1 個、有鱷魚夾的小型太陽能板 1 個。

樂高 STEM 組件可讓學童進行動手做學習，動手做學習是最好的方式，

來吸引學生投入「科學、科技、工程和數學」（Science, Technology, Engineering, and Math；簡稱 STEM）的歷程。上述的感測器，再加上樂高的 Mindstorms NXT 的智慧型介面，讓學童以新的方式做傳統科學實驗室的學習活動。此外，機 器人專案提供了一個機會了解和工程建設，同時增加學習的樂趣。即學童們 可建造不同功能的機器人，同時透過 NXT-G 2.0 撰寫所需的程式，下載至機 器人的程式控制電腦積木，以便讓它可完成預設的科學實驗及專題活動。

列科學學習的教學活動。此教學設計內容即為本研究所實施之「樂高 STEM 教學」。

三、科學學習：本研究所指的科學學習是讓學童學會如何去進行探究活動，即是：

學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判，也培養出批判、創造等各種能 力。特別是以實驗或實地觀察的方式去進行學習，使學童獲得處理事務、解 決問題的能力。

同時，學童們也能了解科學與科技的發展對人類生活的影響，學會使用 和管理科學與科技以適應現代化的社會生活。透過學習使學童能善用各種科 學與科技，以便利現在和未來的生活。

四、問題解決：從認知心理學的觀點，用來定義「問題」的一個標準訊息處理架 構（information-processing framework）是由數個狀態（state）所構成：1.一個 目標（goal）或是目的狀態（end state）；2.一個初始的或是開始的狀態（starting state），也就是對問題所做的描述；3.一些中間狀態（intermediate states），用 來描述為達成該目標的所有可能的解決路徑（solution paths）（岳修平譯，

1998；Newell & Simon，1972）。因此，我們可知「問題」的形成要素在於：

初始狀態、目標及解決途徑。

本研究所指的問題解決是運用個人先前已具備的經驗、知識、技能和了 解（初始狀態），去思索、探究、推理（解決途徑），以滿足未能解決的陌生 情境之需求（目標）。所以，問題解決是將許多已知的知識與技能加以組織，

運用這些知能找出解決方法或途徑，而順利將所遭遇的問題加以解決。

第二章 文獻探討

本研究重點在於應用樂高 STEM 組件於科學學習、問題解決等歷程的討論與 分析，期能針對科學學習、問題解決等相關課程的教學提出具體的建議。為進一 步瞭解樂高 STEM 組件應用於科學學習的相關議題，以下將針對建造論的理論基 礎、問題解決以及樂高應用、科學實驗教學的相關研究，進行相關的文獻分析。

第一節 建造論的理論基礎

施能木（2008、2009）指出：LEGO Mindstorms 是經歷十五年的研發時間 而在 1998 年開始發售，它是著名的丹麥樂高集團（玩具製造商）與美國麻省理 工學院媒體實驗室（以學習及認識論著稱的研究機構）合作的計畫成果。然而，

Seymour Papert 是上述媒體實驗室研究與開發的主導者，LEGO Mindstorms 的學 習理論基礎便根源於他所提出的建造論（Constructionism），此理論是根據皮亞 傑（Piaget）的建構理論（Constructivism）而發展成另一套的學習理論。因此，

本研究先就建構理論的相關文獻進行探討，然後進一步說明建造論的理論基礎 與實施：

(一)建構論（Constructivism）

建構論是發展起來的，不是一個人制定或創造出來的，因此，它有許多 的版本、許多派別（詹志禹，1996）。無論在哲學上、心理學上或教育學上，

屬建構主義（Constructivism）派別者採用「建構（Construct）」一詞，是指他 們對何謂知識（knowledge）與知識的形成（how knowledge is built）有其特別 的主張。建構論的學派中兩個極端的代表即是 1.皮亞傑（Piaget）的認知建構 論（cognitive constructivism），有人將它稱為是遺傳認識論或發生認識論

（genetic epistemology）；2.維高斯基（Vygotsky）的社會建構論（social

constructivism）。然而，皮亞傑和維高斯基的建構論的主張，特別受到教育學 者們熱烈地討論和研究（幸曼玲，1996；Steffe & Gale，1995）。因此，我們 將說明他們的教育觀點如后：

1.皮亞傑的建構觀點

皮亞傑的認知理論所探討的重心，主要是從認知的個體出發，深層地剖 析個體如何認識所處的周遭環境，他認為認知（knowing）的基本方式並不 是直接來自感官，而是透過行動（actions）而來，這種認知行動乃是透過認 知主體與生俱來的心智（hereditary intelligence），為達成某種目的，不斷地 運作在真實目標（objects）上，而形成一種獨特的認知結構（structures）或 基模（scheme）的歷程（甄曉蘭、曾志華，1997）。皮亞傑從三個觀點來描 述智能的運作，即：(1)與環境互動的基本歷程－同化（assimilation）、調適

（accomodation）與平衡（equilibration）；(2)建構知識的方式－物理經驗與 邏輯數學經驗；(3)不同發展階段的思考在本質上的差異－嬰兒期的動作模 式、前運思、具體運思和形式運思（吳幸宜譯，1994）。上述的「同化」係 將新資料整合到既有的認知結構中，「調適」係認知結構對新情境的適應，

而「平衡」則是同化與調適間不斷調整的歷程。

根據上述內容的討論，我們可得知建構論（constructivism）有三大原則：

主動原則、適應原則與發展原則（詹志禹，1996；Von Glasersfeld，1989）。

其進一步的說明如后：

(1)主動原則：知識並非由認知主體被動地接受，而是由認知主體建造而來。

(2)適應原則：認知的功能是適應性的，是用來組織經驗世界，不是用來發 現本體性的真實。

(3)發展原則：知識的成長是透過同化、調適及反思性抽取等歷程逐漸發展 而成，後續知識必須植基於先備知識且受限於先備知識。

（rationalism）、天生論（innatism）以及觀念論（idealism）等陷阱中，必須 輔以「適應原則」，才能使建構論另闢蹊徑，在先天與後天之間尋找互動的 可能。此外，若忽略了「發展原則」，那麼建構將仍然不夠彰顯知識的動態 性，而且不足以說明知識成長與重建的歷程。總之，必須聯合三大原則的 內涵，才能使建構論的意義較為完整（詹志禹，1996）。

2.維高斯基的建構觀點

維高斯基的社會建構論是拒絕知識的生物學觀點，而注重文化與社會 的角色，他認為智力發展最主要的引擎是文化，而其機制是成人與兒童之 間的社會化互動。同時，他認為語言是文化發展與傳承的一項工具，所以 它必須跟文化同步成長，從這個觀點看，維高斯基的理論是社會歷史取向。

然而維高斯基理論的獨特性，在於他堅持較高階的心智過程，本質上是社 會性、文化性以及歷史性。換言之，維高斯基認為人類智能的發展是來自 於人與世界的互動，也就是社會互動與社會經驗的結果；他強調社會文化 在學習歷程中的重要性，在歷史文化所發展的符號文字將影響學習者的發 展，同時他認為發展的過程是隨著學習而產生的（黃國鴻，2000）。

同時，維高斯基認為複雜心智功能的發展涉及兩個獨特的歷程，即(1) 對文化發展與思考之外部工具和方法的學習與精熟，如語言、數數及寫作 等；(2)學著去使用這些符號，以掌握並規範個人的思考。換言之，複雜的 心智功能是在符號系統的精熟與運用歷程中發展而成的（吳幸宜譯，1994）。

再者，維高斯基以「高層心智功能的特徵」、「近側發展區（zone of proximal development）」兩項描述來說明複雜思想的本質與發展。即他認為 高層心智功能包括類別知覺、邏輯性記憶、抽象思考及自主性（自我調整）

注意等，這些都是人類所獨有的能力，即社會歷史性發展的成果。

維高斯基提出近側發展區的觀點（如圖 1），並且主張認知的發展必須 要透過社會互動方面的協助，學習者本身自我發展的能力有限，但是可以 透過同儕間的合作學習及有效的社會互動，提升個體認知發展的空間（鄭

晉昌，2002）。基於近側發展區的觀點，教師應該在學習者自我發展之前，

適時提供鷹架引導學習者發展潛能，讓他學得符號的意義與應用。因此，

在合作學習的過程中，學習者可透過能力較佳的學習伙伴鷹架式的協助

（scaffolded support）而發展成長（Vygotsky，1978）。同時，合作學習可促 使學習者在學習活動中，投注更多的參與及引發其對學習內容的注意，在 相互合作的過程中，彼此藉此練習一些重要的社會技能，如自我肯定的能 力及人際關係的發展等（Lepper，1985）。

圖 1：維高斯基（Vygotsky）近側發展區的觀念圖 資料來源：鄭晉昌，民 2002，p.173

總而言之，建構論的認知發展研究乃是脫離行為學派而導向個體內在 深層思維活動的探究，正如 Confrey（1991）所指出：建構論對於知識建構 的定義乃是基於皮亞傑的心智適應的原理，是一種個人與環境互動的建構 歷程。皮亞傑所闡釋的認知結構或基模的理論，正是建構教學理念描述個 體知識建構的內在運思活動之最佳寫照。然而另一方面，維高斯基則從社 會文化的層面出發，強調人際間的互動及文化工具（語言或符號）的使用，

認知成長的總幅度

（近側發展區）

經由外力協助成長的幅度

不依賴外力協助 獨自成長的幅度

(二)建造論（Constructionism）的理論與教學應用 1.建造論的意涵

建造論（Constructionism）是由 Papert 所提出的學習理論，它是根據皮 亞傑的建構主義（Constructivism）而提出的，兩者辭彙隨著詞性不同而有 不同的意涵，建造論中的名詞（N）的「建造」與建構論中的動詞（V）的

「建造」意義相左；但兩者的共同點在於均具有「學習就是透過將行動持 續的內化而建立的知識結構」的概念（林振成、李大偉，2008；Papert &

Harel，1991）。

Resnick（1996）提出建造論特別強調學習者必須有意識的從事某項公 開事務的建造，因此該理論特別強調：1.學習是主動的歷程，知識不是自然 獲得的而是製造出來的，也就是學習者從經驗中主動建構知識；2.當學習者 熱衷於對個人具有意義的事物時，他對新知識的建構是特別有效率。其中，

第一項觀點是建立於皮亞傑的建構理論之上，而 Paptert 加以擴充而成為建 造論。所以，建造論的重點在於學習者個人與他們最熱衷的事物或引起有 意義的聯想上的互動。

建造論的基本理念是「從做中學」，強調學習者要從事創作外在的或可 與人共享的作品。學習者所從事的活動並非都可以算是學習的活動，最重 要的是此項活動要具備豐富的學習內容（learning-richness）的本質。學習者 在從事建構活動之時，可以隨時參照其成果的進展而獲得靈感與引導，並 可以更具體地去操作此項實物。透過這項逐漸成形的作品，創作者可以指 著某實質的一部份回溯其過去的思考，並規劃出未來的活動。此外，在設 計的過程中，學習者除了規劃之外，更可藉實際動手做去測試其設計過程 中的創意。在學習者的作品發展過程中，他會不斷的修改，甚至推翻原有 的想法，而非只是執行公式化的程序（施能木，2005；Roth，1998）。

由於電腦科技高度的發展，Papert（1998）所提的建造論除強調「從做 中學」的觀念外，並且認為「形式運思」的思考風格不一定優於「具體運

思」的思考風格，因而提出認識多元論的主張，強調在具體的操作過程中，

也可以有相同的學習效果（吳志緯，2002）。因此，Papert 所提出的建造論 是建立於兩個不同的建構（construction）觀念：一是學習是主動的建構新知 識，而不是被動的接受；二是透過對事物的操弄，並且進一步的展現、發 展，或與人分享而達到個人有意義化的建構學習（Papert & Harel，1991）。

McGrath（2000）認為：Papert 所提出的建造論是結合 Piaget 的建構論與 LEGO 組件的操作而成的。即 Papert 的建造論是涵蓋 Piaget 的建構論，再加上能 讓學習者主動操作的實物（如 Logo 程式，或 LEGO 積木組件），而達到有 意義的建構學習（施能木，2008）。

建造論與建構論兩者理論的歸納敘述如下（林振成、李大偉，2008）：

(1)Piaget 與 Papert 都是建構主義者（Constructivists），他們都認為兒童是自 我認知工具及其外在實體的建造者，知識都是透過個人經驗的建構與再 建構。

(2)Piaget 與 Papert 都是發展主義者，他們都堅信知識是建構的，在其實證 研究中發現「學習者會在一段時間內與某事物或環境的互動中來保持或 改變對此事物的概念」。

(3)Piaget 與 Papert 均將知識定義為調適（adaptation），但 Piaget 強調的是內 在穩定性的確立，而 Papert 所熱衷的是改變的動力機制（dynamics of change）。換言之，Piaget 的理論主要關於兒童的認知世界如何逐步從具 體的事物轉化為抽象世界；Papert 的觀點卻與 Piaget 完全相左，他認為知 識的定義是隨情境而變的，知識的產生與環境的變化、連結與定位息息 相關。

(4)Piaget 認為兒童經常是在某個階段就該有某種想法的；而 Papert 則認為 兒童與脈絡環境較有關係，而且與他人也有關係的。

投入某些事物的創作或與人分享經驗時，有意義的學習會產生。換言之，

建造論強調外在作品的建造，這可讓學習者分享彼此的創意，有更多的證 據顯示藉由外在作品的創作，可讓學習者彼此間有更多的互動，以及分享 他們所瞭解的事物及想法。

2.建造論在教學上的應用

Papert（1993）指出建造論認為知識不僅是由教師傳遞給學習者，而是 學習者主動的心智建構，所以學習者除獲取創意（ideas）外，還需要開創 自己的創意。所以，建造論特別強調讓學習者主動參與一些外在作品的創 作，同時讓他們有表達自己看法及與他人分享想法的機會，這樣創新的創 意方有可能被創造出來。因此，在建造論的學習環境中，教師必須扮演協 助者、鼓勵者的角色，引導學習者依其學習途徑進行學習活動，讓他們可 以探究、產生、解決問題，藉由完成指定的作業與創作而達成教學目標（施 能木，2005）。

建造論在教育上兼具有學習理論與學習策略的特性，Han &

Bhattacharya（2001）認為依據建造論的理論基礎，建置的學習環境必須包 含下列原則與要素：

(1)陳述具有發展可能的題目（rubrics）。 (2)解說作業的對談過程。

(3)探究在完成作業過程中所用到的多樣化策略。

(4)學習者彼此間的對談、學習討論。

(5)完成作品的展現。

(6)讓創意得以修正與發展的專案（project）。 (7)學習者間的合作（collaboration）。

(8)學習者能與學校外面世界的技術專家一起做事。

(9)學習者能從事與真實世界相似的工作。

綜合上述以建造論來建置學習環境的原則與要素，我們可以知道在以 建造論為主的的學習環境中，課程在開始之初便要設定出清楚的單元目標 與期望，教師於教學中便要解說作業的規定與製作方式，同時透過與學童 們對談而讓他們清楚地瞭解所要獲得的內容及表現的程度。教師扮演協助 者、鼓勵者的角色，讓學童們在完成作業過程中能運用多樣的策略，他們 能夠合作、對談及討論而讓創意可以落實於專案的製作與修正，而這個專 案是必須與真實世界相關的工作，讓學童們可以真正學習在有意義情境中 工作的處理程序。

Han & Bhattacharya（2001）認為建造論在教室的教學情境中能被落實 的教學模式，有設計式教學模式（Learning by Design，簡稱 LBD）、專案式 教學模式（Project-Based Learning，簡稱 PBL）兩種。此兩種教學模式均是 以建造論的理論與策略為中心，因此便有著諸多的共同性，即均是以學童 為中心的學習環境，學童們被要求負起更多的學習責任，他們有諸多參與 對他們有意義的真實世界工作的機會。然而，這兩種模式的差異處在於對 於學童們所要完成作業的類型，在 LBD 教學模式中，學童們被期待完成一 個有預設觀眾的作業，而預設的觀眾可能是同學、老師或家長，因此作業 可以是一個人能完成的創作，或小組共同合作的作品；在 PBL 教學模式中，

學童們所要完成的作業是一個需要長時間方能完成的專題，或必須與他人 共同合作的作品，而這作業並不需要有預設的觀眾。

二、建造論可運用的教學模式

我們將針對上述建造論在教學的應用內容，進一步再探討建造論可運用的 教學模式－設計式教學模式、專案式學習模式，其詳細內容敘述如下（Han &

Bhattacharya，2001；引自施能木，2009）：

LBD 的理論基礎源自於建造論，它所強調的學習價值在於學習者創作 作品時藉由實際構想、計畫整個工作的時程，或投入其他類型的設計工作 來達成。在作品的設計與製作過程中，它會讓學習者身處於一個豐富的學 習情境（context），而整個學習過程、成果及作品都是 LBD 所強調的學習價 值，同時這個學習成果對學習者而言是有意義的。

以 LBD 理念所設計的學習環境中，諸多目標是能被確認出來的。而這 些目標可隨著學習者、教材、作業、教師而適時調整、改變。然而，有一 些共通的目標是可供我們在設計 LBD 學習環境時加以參考，其內容敘述如 下：

(1)從範例及經驗中去摘錄學習內容的基本概念與技能。

(2)促使學習者能積極地投入學習活動中。

(3)鼓勵學習者提出問題。

(4)學習者能夠指出正確概念與錯誤概念。

2.LBD 教學環境的設計要項

依 LBD 理念所設計的教學環境是一個豐富且多元的學習環境，它提供 學習者運用一些有意義的方法，而有機會與教材內容做互動。為讓 LBD 教 學環境可增加有效的學習價值，及讓學習經驗可變成有價值的過程及反映 在所創作的作品上，有一些教學環境的設計要項是我們須加以考量，而有 關 LBD 教學環境的設計要項說明內容敘述如下：

(1)真實性（authenticity）：以真實世界中應用為基礎的作業。

(2)為設計活動而擬定的多樣的情境（multiple context）。

(3)在開放性設計作業中，讓強制式、鷹架式的競爭取得平衡。

(4)對於設計者（學習者）提供豐富、多變的回饋。

(5)討論（discussion）與合作（collaboration）。 (6)實驗（experimentation）與探索（exploration）。 (7)反應（reflection）。

3.LBD 的教學策略與範例

LBD 教學模式常用的教學策略共計有六項（如表 1 所示），此六項教學 策略包括教學目標的說明、作業的內容、評量的方式、教學的回饋、學習 者與教師應扮演的角色等，而每種教學策略同時詳列出教師在教學過程中 可使用的實施範例，能提供教師清楚且具體的教學實施方法。表 1 所列的 LBD 教學策略可以避免不夠明確的期望與教學目標、無法提供完整的教學 資料、無法接納學習者的偏好、教師無法扮演應有的角色、學習過程的評 量等問題，而讓 LDB 教學策略可以真正地落實在教室裡的教學情境，讓學 習者成為主動的知識建構者，同時獲得應有的成效且對學習者具有意義，

使得建造論的理念可以落實於教學活動中的真實情境。

表 1 設計式教學模式（LBD）－教學策略與實施範例

教學策略 實施範例

1.從第一天起，讓對學習者 的期望變得更清楚

 授課大綱

 課程說明

 討論時間

 網頁內容

 澄清與課程有關的問題 2.告知參與者（學習者）明

確(explicit)、暗喻(implicit) 的目標，及他們被評量的 方式

 在前測後的討論

 授課講義

 網頁內容

 問題與解答時間

 共同決定評量的標準 3.學習者是主動的知識建

構者

 腦力激盪

 小組討論

 競賽活動

 決策形成

 學習者有一主題的選擇機會

 學習者有一情境的選擇機會

 調查工作 4.教師扮演著協助者、鼓勵

者的角色

 協助學習者的活動

 激勵學習者

 指定開放性的設計作業

 平衡鷹架的提供、激勵學習者及指定完 成的作業

 增強正確概念，削弱錯誤概念 5.作業的內容要讓學習者

能設計及建構出一個可 與他人分享的作品

設計作業可涵蓋而非侷限於下列項目：

 教育性軟體

 教育性競賽

 網站建置、PowerPoint 的展示 6.提供學習者豐富及多樣

的回饋

 最初對題目取得一致意見

 透過反應的自我評量

 工作日誌

 過程的報告

 班級討論

 短篇報告

 同儕評量

 學習歷程檔案：過程報告

 引導到聽眾對象

 引導到學科教材專家

 觀察學生們的互動與參與所給的回饋

(二)專案式教學模式 1.PBL 的意涵與目標

Bransford & Stein（1993）認為 PBL 教學模式可提供一個綜合性教學途 徑，讓學習者可以持續地專注於合作的探究工作（investigation）。PBL 教學 模式是提供可讓學習者進行複雜活動的教學策略，而這個複雜活動通常需 要數個階段及一個相當長的時間（有時會長到一個學期）來進行，而專案 的內容是以作品或成果的創作為主，同時讓學習者可以選擇及組織他們的 活動，而在活動中綜合所獲得的資訊，並且實際地進行相關的研究工作，

讓學習成效可以落實於專案的設計與製作的過程。再者，PBL 的學習環境 包括真實內容（authentic content）、真實評量、教師的協助（而非指導）、明 確的教育目標、合作學習及反應等。同時，在 PBL 教學模式的教學目標是 反映在下列兩項目標：

(1)營造一個以學生為中心的學習環境。

(2)強調於作品的創作當作學習成果的一部份，而作品是基於具有多樣發展 性的真實及現實生活的經驗。

2.PBL 學習環境的設計要項

為讓學習者成為知識的主動建構者，PBL 教學模式對於學習環境的設 計有七個要項，讓教師們可用來敘述、規畫、評估專案內容的參考，而此 七個學習環境的設計要項，其內容敘述如下：

(1)以學習者為中心的學習環境（learner-centered environment）：此要項是被 設計用來擴大學習者專案進程的決策權與主導權，即包括主題的選定、

設計、製作及展示等決策的形成。專案的進行應有合適的程序及回饋，

以幫助學習者做出經深思的決策及修正。同時，藉由將學習者的決策、

修正及主動的行動表現轉換成文件內容，如此讓教師們（及學習者）獲

(2)合作（collaboration）：此要項是用來給予學習者學習合作技能的機會，

諸如小組的決策制定、互相信賴、同儕與老師所提供回饋的統整、對同 儕能提供深思的回饋、及以「學生研究者（student researchers）」的身分 與同學們一起工作。

(3)課程內容（curricular content）：教材要能夠順利的統整，它是需要讓專案 內容結合於標準（standards），而且要有清楚的創作目標、支援與示範有 關創作的過程、設計與製作等學習內容。

(4)真實性作業（authentic tasks）：PBL 必須連結於現實生活，因為現實生活 的議題可與學習者的生活或社群發生關連。藉由真實的方法與實踐，可 讓專案內容連結於實際生活的專業。同時，要與教室外的世界作溝通時，

可藉由網際網路或與現實生活中社群成員或專業人士作相關的連結。

(5)多元的展現方式（multiple presentation modes）：此要項提供學習者有效 地使用多樣的科技為工具的機會，使他們可以順利使用科技來規劃、發 展或展示他們專案。雖然，科技可輕易地變成專案的主要焦點，但多媒 體的真實力量是在於它能整合學科課程及創作過程的實際應用。

(6)重視時間的管理（emphasis on time management）：此要項提供學習者計 畫、修訂、反應他們學習的機會。雖然專案完成時間的範圍變化很大，

但必須有適當時間及教材內容的管理，以支援學習者進行有意義的創造 及學習。

(7)創新的評量（innovative assessment）：學習是一種持續進行的歷程，因此 教學評量是將學習加以文件化的持續過程。專案式學習需要多樣的及次 數頻繁的評量，包括：教師評量、同儕評量、自我評量及反應。評量的 實施必須被學習者充分瞭解，並且允許他們有參與評量過程的機會。

3.PBL 的實施程序及教學策略

PBL 教學模式的實施程序大致區分成規劃（planning）、創作（creating）

與處理（processing）等三個主要的步驟（如圖 2 所示）。在規劃的階段，學

習者要選擇專案的主題，尋找可用的資訊來源，將所得資訊重組成一種有 用的形式；在創作（或實作）的階段，學習者要發展專案的構想，整合小 組成員的不同貢獻，發展出專案主要的內容；在處理階段，學習者必須將 專案內容與其他小組成員進行分享，以便獲得同儕間的回饋，及各組成員 對專案成果的反應。表 2 將 PBL 教學模式三個階段中的實施程序及策略、

學習者的配合事項、指導者的配合事項，詳細地列舉出可用的教學策略與 實施方法，讓 PBL 教學模式得以落實於教室中的學習情境。

圖 2：專案式教學模式（PBL）實施的主要架構圖

資料來源：Han & Bhattacharya (2001)，引自施能木(2009)。

規劃(planning)

 選擇主題

 尋找資源

 組織資源

創作(creating)

 發展創意＆文件

 協調＆組合

處理(processing)

 反應

 後續動作

表 2 專案式教學模式（PBL）的實施程序及教學策略

情境 實施程序及策略 學習者的配合 指導者的配合 規劃(planning)

1.設計整體學習氣 氛

 營造可以促進學 習者探究及競賽 的環境

 與真實世界做連 接

 允許有充分的時 間進行專案

 提供產生問題、

處理方法及作品 等投入(input)

 瞭解專案內容，

並協助學習者

 提供開放性情境

 協助學習活動 2.探究(inquiry)  選擇主題

 尋找資源

 安排合作事宜

 詢問及精鍊問題

 系統地闡述目標

 規劃實施的程序

 討論已形成的創 意(ideas)

 使用「拼圖法」

的合作學習

 在專案開始前，

找出學習者所具 備的先備知識

 提供學習者結構 性探究的實施步 驟，以便學習者 可遵循實施 創作(creating)

1.分析資料  作出預報內容

(predictions)

 設計出計畫／實 驗內容

 收集及分析資料

 指導學習者分析 資料

 納入一個技術協 助的模式 2.與他人合作  與他人溝通彼此

的創意及發現

 擁有與他人一起 工作的技能，以 及探究已形成問 題的必備知識

 著重個人及小組 的學習歷程

 提供個人應負起 責任的規範 3.發展構想及文件  創作出作品

 將創意加以具體 化並且加以建構 出來

 詢問新的問題

 提出結論內容

 設計教學活動

 提供相關資源

 給予學習者在進 行專案時的意見 處理(processing)

1.展示知識及作品  監控已知的事物  展示自己所有已 具備的能力

 納入要對外面觀 眾展示的機會

 要求多元標準的 完成（即合作、

解說、展示、自 我報告等）

2.反應及後續動作 評量包括：

 同儕評量

 自我評量

 學習歷程檔案評 量(portfolio evaluation)

 瞭解教師的評量 方法

 產生及同意評量 的標準規範

 反應出自己的學 習狀況

 分享與獲得多樣 的展望

 營造一個時常回 饋與評量的教室 文化

 找出學習者可以 比較彼此作品的 方法

綜合上述內容的敘述，我們可以知道 LBD 與 PBL 此兩種教學模式均是以建 造論的理論為基礎，因此兩者在設計要項均強調以學習者為中心、與真實性相 關的作業、合作的學習、多元的回饋等，這些項目都是一致的。而兩者不同之 處在於：LBD 強調學習者必須投入作品的創作過程（時程較短），而達成學習的 目標與價值；PBL 則強調學習者必須進行複雜活動（時程較長），讓他們選擇主 題及進行專案的相關研究工作，以獲得學習成效。因本研究受限於教學單元的 實施時間較短，無法進行較長時間的教學活動，而 LBD 的教學模式實施時間較 短，故適合本研究發展樂高 STEM 教學之參考。

LBD 的理論基礎在於使學習者成為設計者、創作者的經驗，而在這個經驗 中，他們必須能夠創造出可與他人分享的作品，藉由設計、分享、指導、評估、

修改他們的作業及反思過程等，如此使得學習者對自身的學習能負起更多的責 任。當然，教師也必須扮演起協助者、鼓勵者的角色，同時營造出一個開放性 學習環境，並且在提供豐富多變的回饋機會給學習者時，能夠在激勵、協助兩 種方式取得一個平衡。所以，藉由這種學習經驗，學習者可以建構出學習的意 義，並且將學習過程加以內化。

第二節 問題解決與合作的學習

建造論的教學理念強調學習者的主動學習、創作與分享外在的作品。而學習者 在創作與分享外在作品時，他們會對所遭遇的問題情境進行思考、資料蒐集、分 析、尋求解決方案、付諸行動及討論分享等活動，而這些活動正與強調「問題解 決（problem solving）」的學習活動相符合。在問題解決的教學情境中，學習者會 主動參與學習，此與建造論所強調的主動學習相符合。此外，為使學習者均能達 到某種預設的學習成果，建造論強調學習者彼此間的互動，因此主張小組式「合 作的學習」。透過同儕間對問題討論、溝通等社會協調過程，達到意義分享，建立 較客觀的學習成果（朱則剛，1996）。因此，我們將探討問題解決的意義、歷程及 模式：

一、問題解決的意義與歷程 (一)問題解決的意義

從認知心理學的觀點而言，鄭昭明（1997）將「問題」以工作路徑與情 境做解釋，即個人面對一個情境時，無法以例行方法加以解決或獲得解答而 達到既定目標。然而 Newell 和 Simon（1972）認為「問題」是由三個狀態（state）

所構成：

1.一個目標（goal）或是目的狀態（end state）：希望達到的狀態，問題所欲達 到的最終狀態（目的狀態）。

2.一個初始的或是開始的狀態（starting state）：對問題所做的描述，即是問題 形成時，問題解決者所能掌握的情境，也就是問題解決者在問題發生時所 掌握的資訊。

3.一些中間狀態（intermediate states）：即用來描述為達成該目標之所有可能的 解決路徑（solution paths），為達成目標所採取的動作，包括實質的行動、

知覺性的活動或心智活動。

上述的每一個解決路徑是由一些個別的步驟所組成，這些步驟會將個體 由開始的狀態運作到其目標狀態。這整個包含初始、中間及目標狀態的過程 即組成了一個「問題空間（problem space）」（如圖 3）（岳修平，1998）。

圖 3 不同型態的問題空間

資料來源：岳修平，1998，288 頁

再者，有一些學者認為「問題空間」應該包含四個部份（Chi & Glaser，

1985；Glass & Holyoak，1986；Hayes，1989；Mayer，1992）即是：

1.初始狀態（initial state）：說明問題的起點內容。

2.目標（goal state）：說明欲達到的狀態內容。

3.操作規則（operators）：可用來解決問題的規則，及解決問題的物件、資源。

4.限制（constraints on operators）：解決問題時不可違反的限制。

由上述內容而言，我們可以知道「問題」的形成要素大致包含下列三項：

初始狀態、目標、以及解決途徑。而「問題解決（problem solving）」的意義，

便是解題者意識到個人的起始狀態與目標狀態之間的差距，即是上述的「問

（初始狀態），運用思索、探究、推理及歸納等技巧（解決途徑），以滿足未 能解決的陌生情境之需求（目標）。

(二)問題解決的歷程

在認知心理學裡所談論的問題解決著重於問題空間，因此無論一個問題 的「問題空間」之特性為何，其問題解決的歷程都是相同的。提出各類型的 問題，在解決的歷程中會牽涉到「問題表徵」、「問題空間搜尋」、「解題評估」

等認知相關的因素。「問題表徵」是指問題解決者對問題本身的瞭解程式；「問 題空間搜尋」是指在問題解決的歷程中，藉由對於問題的了解，並找出所有 可能的解決方案以解決問題；「解題評估」則是指評估所選擇出來的解決方 案，它是否能真正地解決問題（岳修平，1998）。

換言之，在初始階段中，問題解決者會對該問題形成一個表徵（form a representation），其表徵的組成可能包含在工作記憶中活化的訊息，以及其他 外在的表徵。一般而言，這樣的表徵會含有對該問題的「已知」部分（givens）， 它會形成可用以找出該問題解決方法的線索，這便是知識的活化歷程與應 用，調合在一個所謂的問題解決歷程中的「搜尋問題空間」。最後，人們還會 對所使用的解決辦法是否能成功進行評估（evaluation）。

上述問題解決的歷程序列，在解決一個問題時可能會發生數次，即在形 成一個問題的初始表徵，及活化該表徵的相關知識後，問題解決者可能會發 現所活化的知識並不適用。接著，問題解決者可能會形成另一個新的表徵，

並活化其他的知識，以形成線索來找出不同的解決歷程，而這個過程的結果 會再被評估，此歷程會一直被持續循環，直到一個問題真正被解決。

由此可知，問題表徵對問題解決的成功與否是最重要的關鍵，因為表徵 可以決定長期記憶中的哪一項知識會被活化。人們有各種不同的方式可以用 來形成一個好的問題表徵。有時，當問題解決者辨識出一個熟悉的問題時，

要形成一個好的問題表徵便是件輕而易舉的事。一旦形成某個表徵後，長期 記憶中自然會有解決方法、或與解決方法有關的概念。換言之，解決方法可

能是以生產法則的形式被儲存的。然而，有些問題對問題解決者而言是較不 清楚的，或是較不熟悉的，此時他們便要用到推理歷程，幫助自己個人獲得 有用的訊息，以尋找出解決問題的方法。

由上述內容可知，無論要解決的問題為何，都可以應用相同的問題解決 歷程，即：形成表徵、搜尋問題空間、以及評估解決方法。其詳細說明如后：

1.形成表徵：在問題出現後，解題者必須以其具備的知識先對問題加以表徵，

找出解決問題的線索。

2.搜尋問題空間：在問題表徵形成後，解決者必須依問題狀況的變化，隨時修 正其對問題狀態的表徵，並選擇適合的解題策略以克服障礙，完成目標。

3.評估解決方法：在獲得解決方法後，解題者必須對所得的答案作檢核以確定 答案能成功解決問題。

(三)問題解決的步驟

Dewey（1910）認為問題解決即是思考的心理活動歷程，它是一個經由 一系列步驟所管理的有意識且經深思熟慮的過程，而此五個基本步驟為：1.

問題的呈現；2.確定問題；3.形成假設；4.試驗假設；5.選擇最佳的假設。而 Wallas（1926）分析解決問題時，個人思考有四個步驟為：準備（preparation）

→蘊釀（incubation）→豁朗（illumination）→驗證（verification），這可說是 最早由內省法（introspection）分析解決問題的步驟。

Mayer（1992）認為在解決問題過程中，個人通常會經歷五個步驟，即是：

1.瞭解與思考；2.探究與計畫；3.選擇策略；4.尋找答案；5.省思與擴展問題。

這五個步驟是解決問題的關鍵歷程，各個階段都必須運用到諸多高層次的創 造思考、批判思考的能力，方能順利尋得適當的解決方案。

創造性問題解決（creative problem solving）是運用創造力或創意思考方 式來解決問題，而 Treffinger 和 Isaksen（1992）提出創造性問題解決有六個

1.發現混亂（mess-finding）； 2.發現資料（data-finding）； 3.發現問題（problem-finding）； 4.發現主意（idea-finding）；

5.發現解決方案（solution-finding）； 6.接受發現（acceptance-finding）。

綜合上述學者們的說法，我們可以知道：問題解決是運用個人舊有的知 能以創造新的知能，同時在準備、蘊釀、豁朗、驗證等四個思考步驟循環來 獲得適當的解決方案，以順利解決所面臨的問題。

二、問題解決的模式 (一)創造性問題解決模式

創造性問題解決是指將創造思考（creative thinking）和問題解決（problem solving）兩個領域合併起來所形成的一個複雜過程（Guilford & Hoepfner，

1971；汪榮才，1991；劉誌文，1994）。

創造性問題解決模式是由美國學者 Parnes（1967）所發展出來的，它是 利用系統的思考方法來解決問題，特別強調問題解決者在選擇或執行解決方 案前，應盡量想出各種及多樣的方法（陳龍安、朱湘吉，1993）。此模式的主 要目的是用在解決開放性的問題，其特色是解題過程中，每個階段都是先有 擴散性思考，再有聚斂性的思考，且每一階段可以螺旋狀交互出現的。

圖 4 創造性問題解決模式

資料來源：引自陳龍安，1995，67 頁

由圖 4 可以瞭解創造性問題解決的過程中的五個步驟，圖中的菱形表示 每個步驟中嘗試用不同的處理方式時，再產生擴散性思考（divergent thinking）

和聚斂性的思考（convergent thinking）（陳龍安，1995）。因此，進行創造性 問題解決模式的每一個步驟時，可運用諸多的思考方法，例如擴散性思考方 法有：腦力激盪術（brainstorming）、構想檢核法（idea checklists）及強制聯 想法（forcing relationships）；而聚斂性思考方法有：重點顯著法（highlighting）、 配對比較分析法（paired comparison analysis）及評估矩陣法（evaluation matrix）

等（陳薏文，2004）。

在創造性問題解決的教學過程中，我們可運用下列各種啟發創造思考的 策略，使教學更生動活潑，且有助於培養學生創造思考的能力（陳龍安，

1995）：

1.解凍或暖身。 9.分合法。

2.提供創造的線索。 10.目錄檢查法。

3.鼓勵與讚美。 11.自由聯想技術。

4.腦力激盪。 12.檢核表技術。

5.屬性列舉法。 13.六六討論法。

6.形態分析法。 14.六三五默寫式激盪法。

發現 困惑

發現 資料

發現 問題

發現 構想

發現 解答

尋求 接受

計 畫

行 動

新 的 挑 戰 或 或

步驟

擴散性 聚斂性

１ 2 3 4 5 6

(二)Glass 問題解決歷程模式

Glass 和 Hoyoak（1986）以認知心理學的角度來探討問題解決的歷程，

而將問題解決分成四個階段：1.形成問題表徵；2.擬定解題計畫；3.重新形成 問題表徵；4.執行計畫並檢討結果，以資訊處理模式（information processing model），如圖 5 所示（引自董家莒，2000）。

圖 5 Glass and Holyoak(1986)問題解決的四個階段

資料來源：Glass & Holyoak，1986；引自董家莒，2000。

賴羿容（2001）針對上述問題解決歷程模式中的四個階段詳加說明，其 敘述內容如下：

1.形成初期問題表徵：在問題解決的第一階段，解題者首先要建構出問題的心 智表徵，例如：目前的問題是什麼？在怎樣的情境下發生此類問題？它是 屬於哪一類問題？這個過程涉及對問題的解析與分類。

2.研擬可能的解題方案：根據經驗及相關知識中找尋可能的解題方案，或透過 創造力引發出一個具創意的解決方案，如此便可計畫出一個可行的解決方 式。

3.重新界定問題：透過一些標準進行解決方案的評估，假若方案不具可行性 時，則重新再界定問題，然後針對問題內容構思一些解決方案。

4.執行計畫並檢討結果：解題者開始執行這個解決方案，假若不成功則重回步 驟 2、3，直到找到一個成功的解決方案為止。

成功

陷於膠著狀態

1.形成初期 問題表徵

2.研擬可能 的解決

方案 3.重新界定

問題

4.執行計畫並

檢討結果

^方法有效

計畫 失敗 失

敗

成 功

失敗

(三)合作型問題解決模式

合作學習（cooperative learning）是一種有結構、有系統的教學策略，即 是將學生分成小組來進行學習的教學法，學生們的合作及相互督促激勵，積 極地投入教室活動，在探究和討論的過程中，不斷地互動與交談，養成主動 學習的態度，達成最佳的學習效果（Johnson & Johnson，1975；韋金龍，1996；

李慕華，2000）。

鄭晉昌（2002）認為合作的學習是知識的再建構與重整過程（an interactive process of knowledge construction and transformation），即學習者在合作的過程 中透過對話，進一步的自我檢修知識的內容，調整、深化及發展知識以解決 問題。然而，鄭晉昌、施郁芬（1994）將此知識建構的過程可分成三階段，

而這三個階段的說明敘述如下：

1.溝通（communication）：在知識溝通的階段裡，參與者儘可能試著去攫取學 習活動中的資訊，交換和傳遞彼此間有關學習活動的訊息，並試圖對問題 的情境尋求理解。在這個階段中，雙方對社會的互動需求較少，同時對於 彼此間的共同概念需要修正的情況也較少。當參與者獲得更多有關問題的 資訊，且彼此間的瞭解加深時，將開始進一步深化彼此間合作內容。

2.協商（negotiation）：在這個階段中，參與者開始發展問題解決的策略，及開 始將他的想法分享給同伴，並試著去說服同伴同意他的看法，且在對方有 不同意見時，努力地辯護自己的想法。問題解決的方案也就從不一致的看 法中，經由協商逐漸的發展出來。知識的協商需要參與者之間相當程度的 協調、互動，持續不斷地對彼此間的共同概念加以修正。

3.統合（consolidation）：在知識統合的階段中，參與者已形成相當的共識，一 起合作來建構及維護對問題的共同概念，一起檢驗及確定問題的解決方 案。此階段需要參與者間最高程度的互動與協調。

圖 6 合作型問題解決模式－知識建構與重整的三階段 資料來源：鄭晉昌，民 2002，p.175

圖 6 說明這三個階段之間的互動演進。在統合階段，學習同伴間如果發 現共同提出的問題解決方案，無法成功地解決問題，則合作學習將會回到協 商的階段，繼續合作以研擬出下一個解題的計畫。假若雙方對問題解決的方 案無法達成共識時，則合作的雙方會進一步回到溝通的階段，重新釐清問題 目標與對問題情境理解上的差異。個人有關問題解法的知識便是在此三個階 段中，周而復始地建構出來，而成功的合作學習，必定在最後統合的階段中 完成。

王千倖（1999）認為：「問題導向學習」可以培養學生批判性思考及反思 的技巧，從問題解決中，提升學生的創造力。「問題導向學習」強調以「問題」

為學習的起點，先學習學科內容，然後再嘗試解決問題。因此「問題導向學 習」是從「問題」開始的學習過程，而這真正反映出日常生活中實務工作者 的學習歷程：為解決問題而學習。

「問題導向學習」符合「情境學習理論」所強調的「提供學習者真實的 學習情境（authentic learning contexts）」，即唯有提供學習者「真實的學習情 境」，才能增進學習者的學習遷移，幫助學生學以致用（Achilles & Hoover，

1996；Lave & Wenger，1991；Young & Kulikowich，1992）。換言之，問題解 決的過程中，解題者必須具備各種不同學科的知識與技能，方能順利運用舊 知識以創造新知識，以解決所遭遇的問題。

三、框架法的應用

框架法（frames）被認為是應用學生認知的空間思考能力以促進學習的教學 策略。框架法是一種呈現知識的格子、矩陣或基礎架構。當框架作為一種認知 教學策略時，乃是由教師或學生將其主要觀念分配於縱軸和橫軸兩個層面所形 成的組織。教材內主要觀念相關之資訊皆可填入細格中，通常我們在細格中可 見事實、例子、概念、描述、解釋、經過、程序等不同訊息（施能木，2009）。

框架法在外型上看似二維空間的表格，但因知識內容和教學目標的特性，

而有三種類型：矩陣（matrix）框架、問題／解決（problem/solution）框架、目 標／行動（goals/action）框架。問題解決框架法是由使用者在欄位的最左側縱軸 列出問題或事件的項目，再隨之描述問題的行動和結果。

問題 行動 可能結果

＃1

＃2

＃3

目標／行動框架法與問題／解決框架法頗為類似，只是最左側縱軸欄在導 引學生思考事物的目的或目標，以及可能解決問題的計畫（方案），如此學生可 以更具體羅列出各問題的目的與預期達成的結果。

目標 計畫 行動 結果

＃1

＃2

＃3