模組教具對不同學習風格學生的工程概念學習成效影響之研究

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(1)國立台灣師範大學科技應用與人力資源發展學系碩士論文. ሀ௡ି‫׍‬၆̙Тጯ௫ࢲॾጯϠ۞̍඀ໄ‫ه‬ጯ ௫јड़ᇆᜩ̝ࡁտ!. 研究生: 賴恩瑩指導教授: 張玉山. 中華民國一 ○ 二年六月.

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(3) . ᄫ. ᔁ!. 任教多年後，因大學同學偉順的鼓勵，報考母校研究所，在忙碌的教學工作中念書準備考試，順利考上，重拾課本，充實自己的教學內容。時間過得很快，研究所兩年一下子就過去了，首先誠摯的感謝指導教授張玉山老師的教導，指點我正確的方向，教導我如何快速蒐尋資料與撰寫論文，並且辛苦的幫我修改論文，老師辛苦您了，由衷的感謝老師。本論文的完成另外亦得感謝口試委員游光昭老師與魏炎順老師，在口試期間對於本論文的審查與建議，使得本論文能夠更完整而嚴謹。本論文為實驗設計，這實驗能順利完成要感謝大學同學孟蓉的幫忙，也要謝謝與我一起走過這兩年研究歲月的師長與同學們。最後，我還要特別感謝我親愛的爸爸媽媽、老公及弟弟，爸爸媽媽給我這麼好的環境，老公會幫忙分擔家務及弟弟提供我筆電與 ipad 等，讓我順利完成我的論文與學業。還有我那兩個調皮可愛的小孩－修修與小波，雖然邊帶小孩邊念書很累，但是個甜蜜的負擔。謹將本論文獻給在這段研究歷程中，所有陪伴在我身邊的朋友們。賴恩瑩謹誌中華民國 102 年 6 月 11 日. i .

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(5) . ሀ௡ି‫׍‬၆̙Тጯ௫ࢲॾጯϠ۞̍඀ໄ‫ه‬ጯ௫јड़ᇆᜩ ̝ࡁտ! 研究生:賴恩瑩指導教授:張玉山. ͛̚ၡࢋ! 本文旨在探討模組教具應用對不同學習風格學生的工程概念學習成效之影響，以提供學校日後推動工程教育之參考。本研究對象為臺北市立某高中二年級 10 個班級的學生，共計 417 人，分為實驗組 209 人，控制組 208 人。主要研究方法為準實驗研究法，並採用不等組前後測實驗設計，以 Kolb 學習風格量表、模組教具教學單元-機械獸、學習單及工程概念學習成效評量表為研究工具。在資料分析方面，利用 SPSS 20.0 for Windows 進行平均數、標準差、獨立樣本單因子共變數分析及獨立樣本雙因子共變數分析。研究結果發現，模組教具應用對學生的工程概念學習成效優於傳統教學，模組教具應用對學生的工程限制概念及工程最佳化概念學習成效沒有顯著影響，模組教具應用對將近四成學生的工程預測分析學習成效優於傳統教學。 iii .

(6) . 不同的學習風格對學生的工程概念及工程限制概念有顯著影響，皆以擴散型學生學習效果為最好，但是對學生的工程最佳化概念及工程預測分析概念學習成效，並沒有顯著影響。學習風格與模組教具應用對高中生工程概念學習成效有交互作用，以調適型的學生在模組教具應用教學中的工程概念學習效果最好。. 關鍵詞：教具、模組教具、學習風格、工程概念。. iv .

(7) . A Study of the Effects of Modular Teaching Aids on Different Learners’ Engineering Concept Learning Author: En-ying Lai Adviser: Dr. Yu-shan Chang. ABSTRACT This study was to examine how modular teaching aids and learning styles influenced different learners’ engineering concepts. This also served as a reference for schools to promote engineering education. The research subjects of this study were ten classes of eleventh graders from a Taipei Municipal Senior High School. They totaled 417 people with 209 people as an experimental group and 208 people as a control group. The major research method was characterized by a quasi-experimental research design and a pre-post-test design. The research tools and instruments included Kolb’s learning style inventory and the modular teaching aids-oriented instructional units—mechanical beasts, worksheets, and Engineering Concept Test. Concerning the analysis of the research data, this study utilized SPSS Statistics 20.0 for Windows not only to calculate the average and standard deviation but also to perform one-way ANCOVA and two-way ANCOVA. The major research findings were: (1) the modular teaching aids assisted the students significantly better in learning engineering concepts than the traditional teaching modes; (2) the application of the modular teaching aids exerted no significant impact on the students’ learning of both constraint concepts and optimization concepts in engineering; (3) the modular teaching aids were more conducive to approximately forty percent v .

(8) . of the students’ learning of predictive analysis concepts in engineering than the traditional teaching modes. Various learning styles exercised obvious influence on the students’ learning of engineering concepts and constraints concept in engineering, particularly the divergers’. Nevertheless, there existed no significant difference in all the students’ learning of optimization concepts and predictive analysis concepts in engineering. Additionally, there were interactive effects of the modular teaching aids and learning styles on engineering concept learning of participant students. The students categorized as accommodators performed the best when provided with the modular teaching aids in engineering concept learning.. Keywords: teaching aids, modular teaching aids, learning styles, engineering concept. vi .

(9) . ϫᐂ 謝. 誌 .......................................................................................................... i. 中文摘要 ........................................................................................................ iii 英文摘要 ......................................................................................................... v 目. 錄 ....................................................................................................... vii. 表. 次 ........................................................................................................ ix. 圖. 次 ........................................................................................................ xi. 第一章緒論 ................................................................................................... 1 第一節研究背景與動機 ......................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 ................................................................. 4 第三節研究範為與限制 ......................................................................... 5 第四節重要名詞解釋 ............................................................................. 7 第二章文獻探討 ........................................................................................... 9 第一節教具 ............................................................................................. 9 第二節模組化教學 ............................................................................... 16 第三節學習風格 ................................................................................... 18 第四節工程概念 ................................................................................... 25 第五節相關研究現況 ........................................................................... 32 第三章研究設計與實施 ............................................................................. 43 第一節研究架構 ................................................................................... 43 第二節研究對象 ................................................................................... 44 第三節研究方法與步驟 ....................................................................... 45 第四節實驗設計 ................................................................................... 47 第五節研究工具 ................................................................................... 48 第六節資料處理與分析 ....................................................................... 59 vii .

(10) . 第四章資料分析與討論 ............................................................................. 61 第一節模組教具應用對學生工程概念學習成效之影響 .................. 61 第二節學習風格對學生工程概念學習成效之影響 .......................... 67 第三節模組教具應用對不同學習風格學生的工程概念學習成效之影響 ........................................................................................ 73 第四節綜合討論 .................................................................................. 77 第五章結論與建議 ..................................................................................... 85 第一節結論........................................................................................... 85 第二節建議........................................................................................... 87 參考文獻 ....................................................................................................... 89 一中文部分........................................................................................... 89 二外文部分........................................................................................... 92 附錄 ............................................................................................................. 103 附錄一高中生學習風格量表問卷「預試問卷」 ............................ 105 附錄二「機械獸結構設計-以樂高模組為教具」教學活動流程 .. 107 附錄三機械獸學習單 ........................................................................ 109 附錄四機械獸工程概念試題「預試試題」 .....................................117 附錄五高中生學習風格量表問卷「正式問卷」 ............................ 121 附錄六機械獸工程概念試題「正式試題」 .................................... 123 . . viii .

(11) . ܑѨ! 表 3-1 本研究實驗設計 ............................................................................... 47 表 3-2 高中生學習風格預試問卷項目分析結果摘要表........................... 49 表 3-3 高中生學習風格量表因素分析摘要表 ........................................... 51 表 3-4 學習風格量表正式問卷之 Cronbach’s α 值摘要表 ....................... 52 表 3-5 機械獸工程概念預試試題雙向細目表 ........................................... 55 表 3-6 試題鑑別度的評鑑標準 ................................................................... 56 表 3-7 機械獸工程概念預試試題結果分析 ............................................... 56 表 3-8 機械獸工程概念正式試題雙向細目表 ........................................... 58 表 3-9 限制題項與限制總分的 Pearson 相關 ........................................... 58 表 3-10 最佳化題項與最佳化總分的 Pearson 相關 .................................. 58 表 3-11 預測分析題項與預測分析總分的 Pearson 相關 .......................... 58 表 4-1 實驗組與控制組學生在工程概念量表的平均數與標準差............ 62 表 4-2 工程概念量表總分與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表 ... 62 表 4-3 工程概念量表總分與教學方法之單因子共變數分析結果............ 63 表 4-4 工程概念量表總分之估計的邊緣平均數 ........................................ 63 表 4-5 工程限制概念量表與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表 ... 64 表 4-6 工程概限制念量表與教學方法之單因子共變數分析結果............ 64 表 4-7 工程最佳化概念量表與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表 64 表 4-8 工程最佳化概念量表與教學方法之單因子共變數分析結果 ....... 65 表 4-9 工程預測分析概念量表與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表 ....................................................................................................................... 65 表 4-10 模組教具應用對高中生在工程預測分析方面的詹森-內曼法統計資料摘要 ....................................................................................................... 66 表 4-11 高中生學習風格次數分配表 .......................................................... 68 ix .

(12) . 表 4-12 工程概念量表總分與學習風格之迴歸係數同質性檢定摘要表 . 69 表 4-13 工程概念量表與學習風格之單因子共變數分析摘要表 ............. 69 表 4-14 工程概念量表與學習風格之調整過後的平均數 ......................... 69 表 4-15 工程限制概念量表與學習風格之迴歸係數同質性檢定摘要表 . 70 表 4-16 工程限制概念量表與學習風格之單因子共變數分析摘要表 ..... 70 表 4-17 工程限制概念量表與學習風格之調整過後的平均數 ................. 70 表 4-18 工程最佳化概念量表與學習風格之迴歸係數同質性檢定摘要表 ....................................................................................................................... 71 表 4-19 工程最佳化概念量表與學習風格之單因子共變數分析摘要表 . 71 表 4-20 工程預測分析概念量表與學習風格之迴歸係數同質性檢定摘要表 ................................................................................................................... 72 表 4-21 工程預測分析概念量表與學習風格之單因子共變數分析摘要表 ....................................................................................................................... 72 表 4-22 模組教具應用與學習風格對學習成效之迴歸係數同質性檢定摘要表 ............................................................................................................... 73 表 4-23 模組教具應用與學習風格對學習成效之雙因子共變數分析摘要表 ................................................................................................................... 74 表 4-24 傳統教學單純主要效果考驗摘要表 ............................................. 74 表 4-25 傳統教學單純主要效果之調整過後的平均數 ............................. 75 表 4-26 模組教具應用單純主要效果考驗摘要表 ..................................... 75 表 4-27 模組教具應用單純主要效果之調整過後的平均數 ..................... 75 表 4-28 擴散型學習風格單純主要效果考驗摘要表 ................................. 76 表 4-29 同化型學習風格單純主要效果考驗摘要表 ................................. 76 表 4-30 聚歛型學習風格單純主要效果考驗摘要表 ................................. 76 表 4-31 調適型學習風格單純主要效果考驗摘要表 ................................. 77 表 4-32 調適型學習風格單純主要效果之調整過後的平均數 ................. 77 x .

(13) . 圖Ѩ! 圖 2-1 訊息處理心理歷程圖示 ................................................................... 12 圖 2-2 戴爾的經驗金字塔 ........................................................................... 14 圖 2-3 Kolb 學習風格理論 ........................................................................ 24 圖 3-1 本研究的研究架構圖 ....................................................................... 43 圖 3-2 研究步驟圖 ....................................................................................... 46 圖 3-3 機械獸 ............................................................................................... 53 圖 4-1 控制組與實驗組在工程預測分析概念的詹森-內曼法分析 .......... 67 圖 4-2 擴散型學生的馬達齒輪設計圖 ........................................................ 81 圖 4-3 擴散型學生的機械獸腳設計圖 ........................................................ 81 . . xi .

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(15) . 第一章緒論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，第一節是研究背景與動機，第二節為研究目的與待答問題，第三節為研究範圍與限制，第四節則是模組教具、工程概念與學習風格之名詞釋義。. 第一節研究背景與動機一、工程教育的重要性中小學工程教育的教學活動之目的，並非培養學生未來從事工程相關領域的工作，而是藉由適當的教學策略與活動來增進學生的工程相關知識，進而提升學生對工程的興趣，以面對未來之所需，因為當工程與科技教育相互結合時，國家便可以有更大的競爭力來面對下一世紀的挑戰（Starkweather，2004）。李家同表示工程教育要培養的是具有實作能力的工程師，產業界需要具有實務理解力(Engineering Sense)的人才，把理論付諸實現的能力，電機系學生要會設計電路、機械系學生要能設計機械(羅皓恩，2008)。教育必須符合企業需求，使企業找得到人才，提升企業競爭力。美國總統Obama (2009) 認為：「要鼓勵年輕人成為事物的決策者，而不只是消費的決策者」，決定美國的未來取決於鼓勵年輕學子參與創建、構建和發明的能力，創建、構建和發明的能力就是發明造物的能力， 1 .

(16) . 而工程設計與製作就是發明造物的歷程。國民具備工程創建、構建和發明的能力，就能提升就業能力。工程教育的設計應接近真實的世界，波音公司副總裁John Roundhill，在2001年工程學院院長協會發表演說，主張工程師所需的屬性列表包括：（1）良好的工程科學基礎的認識。（2）良好的設計和製造過程的認識。（3）良好的溝通技巧。（4）多學科的，系統的觀點。（5）基本了解情境中的工程實行。（6）團隊合作的重要性的深刻認識(Dunsmore, Turns, & Yellin, 2011)。工程教育的課程內容需要符合真實世界的需要，且工程教育在中小學階段，應該教導學生工程概念，工程概念課程應依據概念的學習與發展理論（The Theory of Conceptual Learning and Development，簡稱CLD理論），從具體模組教具教學，教導學生如何辨識，學生學會如何分類，進而形成相關工程概念。二、模組教具對工程教學的便利與重要教具可以激起學習者的興趣並且帮助老師容易地解釋概念 (Rasul,Bukhsh, & Batool,2011)。許多科技材料在完成成品後就不能拆卸重複使用於其他單元裡，如此就顯得很不經濟。模組教具可以使老師教學時會比較方便而且可以隨時拆裝、調整、重建，變成其它教學單元，使用起來範圍相當有彈性。即使所使用的零件是塑膠產品，仍然能符合綠色設計的核心價值"3R"，即減量化（Reduce），回收（Recycle）， 2 .

(17) . 重複使用（Reuse）。學生以模組教具為素材，不但取得容易且節省許多購買專用零件經費與加工製造的時間；在工程教育課程中，更能將有限的時間專注於主題的發想與探討，以及減少測試、調整、嘗試錯誤時的無謂浪費。三、學習風格影響學生的學習成效學生以不同的方式學習，教師則必須根據不同的學習方式設計課程，最成功的策略是當教導不同類別的學生時，使用不同的學習風格設計課程 (Langlois & Thach, 2001; Miller, 2001; Tanner & Allen, 2004; Dinakar, Adams, Brimer, & Silva, 2005)，透過這種方法，教師可以了解學生的需求，學生可以更有效地學習。影響學習成效的因素有很多，從工程實作的角度來觀察，與 Kolb 的經驗學習有相當密切的關係。Kolb(1985)的經驗學習理論強調經驗在學習過程中的角色，從實際體驗裡面去得到歸納的學習，從體驗學習模式發展出學習風格量表，因此，本研究從 Kolb 學習風格量表去了解不同學習風格學生在工程概念學習的差異。對於學生的工程教育來說，模組教具是否在工程概念的學習有影響，模組教具對於不同學習風格的學生是否會產生影響，這些都是值得探討的問題；在設計模組教具時，對於如何引起學童的注意、如何呈現有組織、有意義、簡單易學的訊息內容、如何幫助學習者進行編碼並進一步貯存於長期記憶中，應做一番審慎、周詳之考慮；且 Dale(1969)主張學 3 .

(18) . 習者若要有效地運用更多的抽象教學活動，他們必須先建立有許多具體經驗的庫存，這樣他們才能對抽象符號描述的現實賦予意義。因此，本研究以「訊息處理理論」及「Dale 經驗金字塔」為理論依據設計模組教具，探討模組教具應用對不同學習風格學生的工程概念學習成效之影響。. 第二節研究目的與待答問題根據前節所述，本研究的目的與待答問題如下：一、研究目的根據研究背景與動機，本研究欲達成下列目的： (一) 探討模組教具應用對學生的工程概念學習成效之影響。 (二) 探討學習風格對學生工程概念學習成效之影響。 (三) 探討模組教具應用對不同學習風格學生的工程概念學習成效之影響。二、待答問題根據上述之研究目的，本研究之待答問題如下： 1.1模組教具應用對學生的工程概念學習成效是否有影響? 1.2模組教具應用對學生的工程限制概念學習成效是否有影響? 1.3模組教具應用對學生的工程最佳化概念學習成效是否有影響? 4 .

(19) . 1.4模組教具應用對學生的工程預測分析概念學習成效是否有影響? 2.1不同學習風格對學生的工程概念學習成效是否有影響? 2.2不同學習風格對學生的工程限制概念學習成效是否有影響? 2.3不同學習風格對學生的工程最佳化概念學習成效是否有影響? 2.4不同學習風格對學生的預測分析概念學習成效是否有影響? 3.1不同教學法對不同學習風格學生的工程概念學習成效是否有影響?. 第三節研究範圍與限制本研究透過研究者設計之「機械獸結構設計-以樂高模組為教具」教學單元來探討模組教具應用對不同學習風格學風的工程概念學習成效之影響，因為模組教具在實際操作中符合Kolb經驗學習理論中的具體經驗，所以本研究以Kolb經驗學習理論學習風格量表來探討學生學習風格。本研究已力求實施過程完備嚴謹，但礙於經費及人力等現實因素的影響，本研究只能針對特定的研究範圍進行探討並且也有若干的研究限制。. 5 .

(20) . 一、研究範圍 (一) 教學教材的研究範圍教具可以激起學習者的興趣並且帮助老師容易地解釋概念 (Rasul,Bukhsh, & Batool,2011)。教學模組強調教師教學的主導性及學生學習的主體性(陳文典，無日期)。因此，本研究設計一教學單元「機械獸結構設計-以樂高模組為教具」教導學生相關工程概念，教學內容包含齒輪、力矩、扭力及連桿工程概念，使用「LEGO 9797」為教具。 (二) 學習風格的研究範圍依據 Kolb（1985）學習風格理論，將學習風格區分為擴散者 (Diverger) 、同化者 (Assimilator) 、聚斂者 (Converger) 與調適者 (Accommodator)四種學習風格，探討模組教具應用對這四個學習風格學生的工程概念學習成效之影響，至於其他的部分不列入討論範圍。二、研究限制 (一) 研究對象的限制本研究以台北市立某高中學生為研究對象，公立與私立學校的學習風氣不同，故研究結果不適合推論至其他地區、其他學校或其他年級。 (二) 教學時間的限制本研究之教學活動為研究者設計之「機械獸結構設計-以樂高模組為教具」，此教學活動之主要目的就是要讓高中生能夠運用模組教具來進行工程概念的學習，分組讓學生利用樂高模組教具製做一個機械獸成品，由於教學時間太短，可能無法讓學生有足夠的時間動. 6 .

(21) . 手操作去熟悉樂高模組教具，因此在研究結果上也許達不到理想的顯著差異。 (三) 研究工具的限制本研究以「Kolb 學習風格量表」了解學生的學習風格，資料蒐集採問卷施測方式，採用李克特量表中的五點量表方式計分，屬於自陳式量表，是由學生自由填答，反應學生個人主觀的想法，因此可能會因某些因素而產生偏差，無法評量學生學習風格，而影響本研究的結果。本研究以「LEGO 9797」為模組教具，因經費關係，模組教具組數不夠，學生需分組操作，故在模組教具應用教學過程中，無法讓每位同學都有一組模組教具，可能會影響教學實驗結果。. 第四節重要名詞解釋一、模組教具支援教學模組，所開發設計的教具。在本研究中，以「LEGO 9797」為模組教具，教學單元為「機械獸結構設計」，教導學生相關工程概念。二、工程概念概念本身是抽象的，常常是周邊知識與其他概念的複合體（張玉山， 1992）。經過NCETE（the National Center for Engineering and Technology Education）所作的努力，三個工程核心設計概念已成為需要在中學階段科技教育的關鍵領域。這三個工程概念為限制（Constraints），最佳化（Optimization）和預測分析（Predictive Analysis），簡稱COPA。COPA 是在讓學生理解工程設計能夠做的所需的概念性知識的核心(Merrill, 7 .

(22) . Custer, Daugherty, Westrick, & Zeng, 2008)。在本研究以教學單元中齒輪、槓桿、扭力及連桿相關知識與三個工程概念，限制、最佳化與預測分析為雙向細目表，設計「機械獸工程概念試題預試卷」，經預試分析製作成「機械獸工程概念試題正式卷」，用此份試卷來測量學生機械獸單元的工程概念。三、學習風格學習風格(learning style)是指學習過程中，學習者在認知、情意、生理和環境的交互作用下，使其思想及行為產生一些比較持久且相當一致的特性或偏好，亦為達成有效學習的習慣性反應傾向。所以本研究中的「學習風格」係指受試者在「Kolb 學習風格量表」之得分而言，此量表將學習風格分為擴散型、同化型、聚斂型、調適型。. 8 .

(23) . 第二章文獻探討本章的目的在針對本研究教具、模組化教學、學習風格及工程概念等相關主題文獻加以探討，以建立本研究的理論基礎，全章共分為四節: 第一節教具、第二節模組化教學、第三節學習風格、第四節工程概念及第五節相關研究現況。. 第一節教具一、教具（teaching aids）的意義教具的使用在教學和學習過程中是非常重要的，這是因為它會幫助學生有效的學習，特別是對需要補救教學的學生；教具也是有利於學生了解教師所教導的課程內容(Jamian & Baharom, 2012)。教具的設計是為讓學習過程更有效、更快速、更滿意的設備或機械裝置，教具將複雜的內容簡單化、組織化，並且很完美地將新舊概念相結合。Hong、 Nguyen 及 Prose (2013)指出教具應可包括書面講義、視覺教具、視聽和網際網路等，雖然每一種都有其優點和缺點，但沒有一種是最適合所有目的，在口語教學中應該結合教具。總而言之，無論是教師或學生，凡是在教學過程中，一切有助於達成學習目標的任何媒介，均屬於教具。所以，教具有利於學生了解教師所教導的課程內容(Jamian & Baharom, 2012)。本研究在發展教具的時候會配合教材的內容，讓教材的內容能充分的融入教具中，使學生在操作教具時，能有興趣且容易學 9 .

(24) . 習課程內容。二、教具的功能藉由教具的使用，將使教學更活潑、更富創意而使上課內容更為生動，讓學生對教學產生興趣，會主動想去了解與學習有關的人事物(林敏宜、楊素玲，2000)。教具可以激起學習者的興趣並且帮助老師容易地解釋概念(Rasul,Bukhsh, & Batool,2011)。何翠華(2000，頁12-頁15) 主張教具有七項功能: 1. 引起學習興趣、讓學生喜歡學習:興趣是激發學習的動力，透過生動的教具吸引學生學習的興趣，並使學習得以持續。 2. 集中注意力，提高學習效果:透過較具吸引學生，使其注意力集中，讓學習更快速，且提高學習效果。 3. 幫助事物理解，獲得正確觀念:例如透過圖片或實物的介紹幫助理解，容易獲得正確觀念。 4. 刺激思考，培養創造力:例如藉由一些創意圖片或未完成的圖片所留下的想像空間，來刺激思考、培養創造力。 5. 加深印象、幫助記憶持久:若能親眼目睹實物、影片，將可加深印象，幫助記憶。 6. 提供具體經驗，促進自動學習:例如聆聽課文朗讀錄音帶，可以邊聽邊學；書法範字可以模仿練習，達到自學的目的。 10 .

(25) . 7. 教學多變化，節省板書時間:例如利用投影片，不僅可變化教學，也可以節省許多板書時間。綜合上述學者之見，教具是一項將教育目標與方向具體化呈現在教學過程中的教學要素。其功能有幫助學習更趨容易、降低學習時的困難度，且能讓教學更有所變化，富有趣味性與活潑性，將抽象的概念具體化落實在教學的教具中。三、教具的設計教具是協助教師教學、幫助學生理解、記憶或輔佐教學活動進行順暢的工具(周宴安、劉威德，2004)。因此，教具的選用對教師來說是一件非常重要的事情。教師必須清楚教學目標，了解教具的特性與功能，並適時運用適當的教具，才能讓教具發揮最大功效、讓學生獲得最佳學習品質。所以蒙特梭利博士針對設計教具時需考量的部分，提出三項設計教具基本條件的理念（陳沛涵，2007）: 1. 由簡單到繁瑣-孩子透過雙手循序漸進的學習。 2. 由具體到抽象-藉由較具呈現的具體概念，進入抽象思考。 3. 自動控制錯誤-教具應具有控制錯誤的特性，孩子操作時可以達到自我教育的目的。訊息處理理論有益於教師用最廣泛的角度在計畫和實施教學活動上的基礎，Dale(1969)主張學習者若要能有效地運用更多的抽象教學活 11 .

(26) . 動，他們必須先建立有許多具體經驗的庫存，因此，本研究在設計教具時，以「訊息處理理論」與「Dale經驗金字塔」為理論依據，兩理論內容於下列表述: (一)理論依據-訊息處理理論 Gagne奠定訊息處理理論發展的思路與建議有益於教師用最廣泛的角度在計畫和實施教學活動上的基礎，它包含完整的設計教學原則及一連串的系統(Babadogan & Ünal, 2011)。訊息處理理論（information processing theory）的研究範圍主要在四個組成部分：輸入、注意、察覺及工作記憶力(Campigotto, McEwen, & Demmans Epp, 2013)。解釋人類在環境中，如何經由感官察覺、注意、辨識、轉換、記憶等內在心理活動，以吸收並運用知識的歷程（張春興， 2002）。. 圖2-1 訊息處理心理歷程圖示資料來源:出自張春興(2002) 12 .

(27) . 訊息處理理論主張人類的記憶是一個主動且具組織的系統，能夠選擇訊息加以處理，然後再將訊息轉換成有意義的符號。如圖2-1 所示，訊息處理的心理歷程起於環境中的刺激，但並非所有刺激皆能引起個體注意，而進一步進行訊息的處理。有關訊息處理的歷程主要可分為感官收錄（sensory register，簡稱SR）、短期記憶（short-term memory，簡稱 STM）和長期記憶（long-term memory，簡稱LTM）等三部分。感官收錄是一個短暫的記憶，是由環境刺激引起學習注意時所產生的，若學習者對於刺激進一步加以注意處理，則產生短期記憶，當學習者進一步針對訊息進行複習方式時，則產生長期記憶，長期記憶可以儲存大量而有系統的資訊，且會針對這些資訊依一定的規則分類、組合和保存（張春興，2002）。根據訊息處理理論的觀點，教師在從事教學設計時應思考相對應的教學因素包括:組織學習架構、引導學生的注意力、促進學生的知覺與編碼。因此，在設計教具時，當對於如何引起學童的注意、如何呈現有組織、有意義、簡單易學的訊息內容、如何幫助學習者進行編碼並進一步貯存於長期記憶中，做一番審慎、周詳之考慮。教具設計不宜同時施予過多刺激以免分散學童注意，應以簡單明瞭並能引起學習者注意為首要條件。教學內容之設計安排，應以有利學習者吸收、複習、編碼、並整合至長期記憶區裡為目標。 13 .

(28) . (二)理論依據-戴爾(Dale)經驗塔視聽教育學者戴爾(Dale，1969)結合布魯納（Bruner）認知學習的三種表徵時期：動作表徵時期（enactive representation）、影像表徵時期（iconic representation）、和符號表徵時期（symbolic representation），而設計成經驗塔(Cone of Experience)，說明了學習過程是由具體而抽象，循序漸進。其中，動作表徵期主要代表「由做中學」的經驗，包括直接而有目的的經驗、設計經驗、演劇經驗及示範（教學演示）；影像表徵期主要代表「由觀察中學習」，有參觀、展覽、電視、電影、錄音或廣播或靜畫；最高層次是符號表徵期，以「由思考中學習」的經驗為主，包含視覺符號、口述符號。圖2-2 為戴爾經驗金字塔。. 圖2-2 戴爾的經驗金字塔資料來源:修改自Panadero, Roma, & Kloos (2010) 14 .

(29) . 戴爾的經驗金字塔指出教學中具有自「直接至間接」、自「抽象至具象」的各種不同經驗，而達到加強學習效果的目的。經驗金字塔表示各不同視聽教學媒體在教學上的相互關係，及在學習過程中的個別地位差異(國立教育資料館，無日期)。依據圖2-2，戴爾經驗之塔理論要點是： 1. 經驗之塔最底層的經驗最具體，越往上升，則越趨抽象。 2. 教育應從具體經驗入手，逐步進到抽象，有效的學習之路，必須充滿具體經驗。 3. 教育不能僅止於具體經驗，而要向抽象和普遍發展，要養成概念。 4. 學校中應使用各種教育工具，可以使得教育更為具體，從而造成更好的抽象學習。 Dale(1969)主張學習者若要能有效地運用更多的抽象教學活動，他們必須先建立有許多具體經驗的庫存，這樣他們才能對抽象符號描述的現實賦予意義。訊息處理理論與經驗金字塔理論都將要學習的內容經由編碼後的工具或適當的傳達管道來幫助學習者學習、促進學習效果。本研究以「訊息處理理論」與「Dale的經驗金字塔理論」為理論基礎，從具體經驗加深學生的印象，進而轉化成抽象的機械獸工程概念。 15 .

(30) . 第二節模組化教學一、教學模組（teaching module）「教學模組」是一個主題式教學的教案，或稱之為一個「大單元教學計畫」。只是，為什麼捨棄大家熟悉的「大單元」名稱，而用「模組」這個詞呢？那是因為：在新課程裡，強調教師教學的主導性及學生學習的主體性，因此教師可由「大單元的教學計畫」中擷取一部分、或改裝部份的教材內容、或變換執行的方式，並不一定要照單全收。所以不用「大單元教學」的名稱（語意含有一個完整單位的意思），而改以較鬆散的詞「模組」來代替（陳文典，無日期）。二、教學模組的特色陳文典提出教學模組具備下列幾點特色(曾常亮，2010，頁22-頁 23）： 1. 統整性 :教學模組主要是以「主題」探討的形式進行設計，因此模組的內容可以是主題式統整，以主題出發，除了對學科知識內容的內部統整外，還能對外和生活經驗以及其他學科做橫向聯結。 2. 實用性 :發展教學模組主要的目的是協助教師教學，促進學生的學習，因此也可以說它是以問題為導向的一種教學設計方案，亦即設計者可依據學習者的需求量身打造一個具個別 16 .

(31) . 化、適性化的教學內容，給予學生最良好的學習條件。 3. 彈性化 :以教學層面而言，教學者可以照自己的方式與想法，組織模組所欲達成的目標，也可依照自己的教學目標，彈性選取或重新組裝模組的單元，並非一個「固定」的教學模式，給任課教師教學自主的空間。 4. 趣味化:教學模組的功能就是想要取代刻板的教科書內容，因此在活動內容或進行方式都會比教科書的設計來得活潑有趣，並以此引起學生的學習動機。教學模組主要是一種把教學組織起來的材料，通過使用教學模組，老師做出課程决定用計時任務的教學和妥帖的期限適合學生，當教學時，他們合併他們認為相關內容與並且補充給學生，教師憑藉著既有的知識去決定何種教學模組要實施或不要實施，這種過程在教師生涯中不斷的持續著(Saleh, Rahman, & Saleh, 2010) 。從上述內容來看教學模組是一套提供教師與學生使用的材料，可以用來教學與自學，沒有固定的模式，但許多教學模組採用主題式架構(曾常亮，2010)。在大主題的教學目標下，發展出相關的次主題或子問題，再依據次主題的性質，以多樣的教學活動，達到教學目標。本研究以「機械獸教材」為一教學模組，有「齒輪」、「槓桿」、「扭力」及「連桿」等四個次主題，教導學生機械獸教材的工程概念。 17 .

(32) . 三、模組化教具的內涵支援教學模組，所開發設計的教具。本研究以「LEGO 9797」為教具，教學內容為「機械獸教材」的教學模組，因此，「LEGO 9797」中的相關教材為本研究的模組化教具。. 第三節學習風格學習是一個持續的過程，不同的人以不同的方式發生，個人根據各自的個性和獨特的經驗，制定一套首選的學習方式(Oskay, Erdem, Akkoyunlu, & Yılmaz, 2010)。學生以不同的方式學習，教師必須根據不同的學習方式設計課程，最成功的策略是當教導不同類別的學生時，使用不同的學習風格設計課程教學，透過這種方法，教師可以了解學生的需求，學生可以更有效地學習(Ictenbas & Eryilmaz, 2011)。一、學習風格理論學生的個人特質以及偏好之產生是源自於其本身的基因遺傳、性格發展以及他個人的學習動機、學習適應等因素（Keefe, 1988）。雖然學生的學習風格可能因時間而改變與發展，但其偏好卻是相對穩定不變的（Pinto, Geiger, & Boyle,1994），有許多研究者就認為個人的學習風格反應出的是他先天遺傳和後天養成的特質（Dunn, Beaudry, & Klavas, 1989），而且學習者在進行學習時，會傾向於選擇一種他偏好的特定的風格（Pask, 1988）。 18 .

(33) . 學習風格是個體致力於學習任務時，經由其行為和人格之交互作用而表現出來之穩定特徵（Garger & Guild, 1984）。學習風格被形容為“一種以何種方式接近不同學習任務的個人特點＂和“與學習環境相關的一套特殊的行為和態度＂(Williams, Brown, & Etherington, 2013)。學習風格是個人在收集、整理和修改數據所使用的方法，將數據轉換為有意義的信息，學習風格為學生的偏好有關課堂環境和課外活動經歷的想法(Bayrak, 2012)。學習風格理論有兩大特色，一是關心學習的過程，包括個體如何吸收、思考和評量結果。二是與人格特質相結合，認為學習是個人化的思考與感受過程；每個人隨著學習都能發展不同的學習風格，並在不同的情境裡採用不同的學習風格，不過，大多數人會偏好某種風格（Silver, Strong & Perini，1997)。學習可以被定義為一個經驗過程的取得，學習風格是指個人進行交互的信息或刺激，以後處理和分析成為知識的方式，每個人都有自己獨特的學習風格，就像個人拇指打印，以前的研究已經表明，學習風格的信息可以用來提高學習的過程，從而導致學習成績優秀(Mohammed, Narayanasamy, Mutalib, Kaur, & Ariffin, 2011)。. 19 .

(34) . 二、各家學者學習風格理論學習風格被視為個人以比較喜歡的方式並採取有效的學習策略來處理新的資訊(Milanese, Gordon, & Pellatt, 2013)。關於學習風格的概念，各家學者因其基本假設不同，故衍生出的內涵與定義也不盡相同。本文整理六種學習風格理論，茲將相關學者有關學習風格之定義整理如下： (一) Kolb 學習風格理論(行為模式取向): Kolb 在 1976 年提出經驗學習理論(Experiential learning theory , ELT)，是美國企業界與教育界使用最多的學習風格類型，其理論主要是結合杜威（Deway）的實用主義、勒溫 (Lewin)的社會心理學及皮亞傑(Piaget)的認知發展理論而成。它強調「經驗」在學習過程中的重要性，將經驗學習的四階段分為兩個構面；Kolb（1985）發展學習風格量表(Learning styles inventory，LSI)，依照資訊知覺（information perception）和資訊處理（information processing）兩個構面，根據個體是否運用具體經驗或抽象概念、主動實驗或反思觀察交織成四個象限，將一般人的學習風格分成四類。 (二) Silver、Strong 和 Perini 的學習風格理論: 個體對資訊內容的吸收和判斷會有個別差異的現象。資訊可透過感官具體的吸收資訊，或者經由直覺抽象的吸收資訊。在作判斷的時候，則可藉著思考作邏輯判斷，或者以感受進行主觀判斷（田耐青譯，2002）。 20 .

(35) . 感官、直覺、思考、和感受四者交互構成四類的學習風格，分別為精熟型、理解型、自我表達型、和人際型（Silver, Strong, & Perini,1997），Silver、Strong 和 Perini 提出了多重的，動態的和主導的學習方式，而不是一個單一的、不變的，固定的學習方式(Narlı, Özgen, & Alkan, 2011)。 (三) Flaming VARK 學習風格理論: Flaming 和 Miles 在 1992 年所定義的學習風格，可分為視覺(Visual)、聽覺(Auditory)、讀寫 (Readingwriting)和動覺(Kinaesthetic/Tactile)等四大類，發展了 VARK 問卷，此問卷為 Flaming 用來評估的感覺模式(Ictenbas & Eryilmaz, 2011；Marek, 2013)。 (四) Entwistle 的學習風格理論(策略取向): Entwistle (1979)關注於二元的學習，可反映出學習者是淺層的學習或深層的學習， Entwistle 獲得 Ausubel 和 Robinson（1996）的支持，此二人明確指出兩個主要的學習風格：被動/主動、機械式記憶/有意義的記憶，Entwistle 結合了學習風格的偏好和訊息獲得的過程，發展的學習風格包含了四個面向：意義取向（meaning orientation），複誦記憶取向（reproducting orientation），成就取向（achieving orientation），多面向取向（holistic orientation）。以 Entwistle 研究為本的學習風格量表有 ASI（Approaches to 21 .

(36) . Study Inventory）及 RASI（Revised Approaches to Study Inventory）。 (五) Honey 和 Mumford 的學習風格理論: Honey 和 Mumford （1986）以人格、認知、社會學習偏好以及處事方式的角度來區分個人之學習風格。發展出學習風格量表 LSQ（Learning Styles Questionnaire），將個人之學習風格分成行動型（Activists）、理論型（Theorists）、實用型（Pragmatists）、反思型（Reflectors）。 Honey 和 Mumford 的學習風格較強調對行為的觀察，不關切行為的心理學基礎，且認為如何修正行為的成因比解釋行為的成因更重要（呂劍英，2009）。 (六) Felder 和 Soloman 發展的學習風格指數（the Index of Learning Styles,ILS）專門針對工程教育。ILS 劃分學生的學習偏好為四個二分維度─主動的∕反思的、感覺的∕直覺的、視覺的∕口語的、循序的∕總體的，ILS 有 4 個量表，對應的四對學習風格，各有 11 項 (Direito,Pereira, & Duarte,2012)。 Kolb 學習風格理論強調「經驗」在學習過程中的重要性，Silver、 Strong 和 Perini 學習風格理論為個體對資訊內容的吸收和判斷會有個別差異的現象，Flaming VARK 學習風格理論以感覺模式評估學習者， Entwistle 學習風格理論關注於二元的學習，Honey 和 Mumford 學習風 22 .

(37) . 格理論以人格、認知、社會學習偏好以及處事方式的角度來區分個人之學習風格，Felder 和 Soloman 發展的學習風格指數（the Index of Learning Styles,ILS）專門針對工程教育。根據以上六種學習風格理論，因本研究以「訊息處理理論」及「Dale 的經驗金字塔」為理論基礎設計教具，以具體經驗增強學生工程概念學習成效，而 Kolb 學習風格理論強調「經驗」在學習過程中的重要性， Kolb 的學習風格是最被廣泛接受的經驗學習風格模式，並已經獲得了大量的實證支持(Manolis, Burns, Assudani, & Chinta, 2013)。學習者在具體經驗經過觀察和反應進而形成抽象概念，且行動後獲得新經驗等四種學習階段當中的行為表現，可知，Kolb 的學習風格理論中的具體經驗符合本研究相關理論，因此，本研究採用 Kolb 的學習風格理論來探討學生的學習風格。三、Kolb 的學習風格理論根據 Kolb（1985）經驗學習理論（Experiential Learning Theory），學習是一個互動的過程，包括四個不同的學習模式，形成為兩個學習向度，一是理解(Prehension)向度，可區分為具體經驗（Concrete Experience）與抽象概念兩個方向（Abstract Conception），主要意義在於學習過程中經驗取得方式的不同；一是轉換(Transformation)向度，可區分為省思觀察（Reflective Observation）與主動驗證（Active Experimentation）兩個 23 .

(38) . 方向，主要意義在於學習過程中經驗轉變方式的差異，如圖 2-3 所示（Metallidou, & Platsidou, 2008）:. 圖 2-3 Kolb 學習風格理論資料來源: 修改自 Kolb & Wolfe(1981). 經驗學習理論是用來描述學習過程，Kolb學習風格量表是用來評估個人如何學習的差異（Joy & Kolb, 2009）。Kolb之學習風格量表利用「具體經驗/抽象概念」及「主動實驗/反思觀察」兩個向度將學習活動的過程區分為四種學習風格歸納說明如下： (一)擴散者(Diverger):學習方式傾向省思觀察與具體經驗，有較強的想像力和理解能力，能整理出一個完整的象徵意義，傾向以想像與感覺來解決問題，擅長腦力激盪與創新性格，適合從事藝術、服務及娛樂業。 (二)同化者(Assimilator):學習方式傾向省思觀察與抽象經驗，具有較強的歸納式推論及建立理論模式的能力，甚至創造概念和模 24 .

(39) . 式，適合資訊與科學方面的工作。 (三)聚斂者(Converger):學習方式傾向於實驗與抽象經驗，擅長藉由假設和演繹推論的方式解決問題與決策制定，以親自實驗的方式獲得知識、並將理論及想法實際運用，處理科技性的問題勝過社會性問題，適合工程技術人員。 (四)調適者(Accommodator):學習方式傾向主動實驗與具體經驗，喜歡實際的完成計劃或任務，對危機處理和尋找機會有較強的能力，常以直覺和錯誤嘗試的方式來處理問題，依賴別人提供的資訊遠勝自己的分析能力，適合動作取向，如銷售員。本研究採用「Kolb學習風格量表」，測量學生的學習風格，把學生的學習風格分成「擴散者」、「同化者」、「聚歛者」及「調適者」，探討模組教具對這四種學習風格學生的機械獸教材工程概念學習成效之影響。. 第四節工程概念一、概念的意義 Chu 和 Treagust（2006）認為概念的發展是促成學生有效學習為主要目標，而概念的來源是影響學生概念學習與發展的重要因素。概念是人類藉以思考和了解事物的基本工具，也是學習的基本單位。當個體在做現象觀察、解釋時，會利用固有已形成的概念架構來解釋各種現象， 25 .

(40) . 新的概念會不斷的被加入，使這個架構更為完整、完善。Novak 和 Musonda (1991)認為概念是人在同一類事物中，抽取出共同重要特徵，且個人會利用此重要特徵，去認識新事物，若新事物符合此特性，便將之歸為一類，由此抽取出重要特徵，即為個人對此類事物的概念。學生的學習概念可分類為下列之一：（1）學習知識的增加，（2）學習為記憶，（3）學習作為獲得事實或程序，（4）學習抽象的意義，（5）學習作為一種解釋性的過程，其目的在對現實的理解，（6）學習改變一個人。有些學習的概念可能反映出深層的方法（例如學習抽象的意義），有些則反映出表面的方法（如增加知識的學習）(Dikmenli & Cardak, 2010)。二、概念的學習與發展理論概念的分類與發展階層理論很多，但是以「概念的學習與發展理論（The Theory of Conceptual Learning and Development，簡稱CLD理論）」最為常被學者引用，此理論為美國威斯康辛大學教授Herbert 和 Klausmeier 所提出，再加上Ghatala、Frayer 等人補充，使之完備。 CLD 理論關注於四個連續階層：具體階層、辨識階層、類別階層、形式階層等四個階層的概念獲得，以及概念在了解原則、分類關係、解決問題上的應用（陳嘉斌，2009）。 (一) 具體階層（Concert level）：學習者可以辦認出曾接觸過的事 26 .

(41) . 物，如「齒輪」這個概念，當第一次看見齒輪後，爾後再看見齒輪，可以正確辨認出「齒輪」，即是達到具體階層。 (二) 辨識階層（Identity level）：說出已學習過的例子，之前學習的事物，以不同的角度、形式出現時，仍然可以辨認且說明，如「蝸桿」雖然改變了外觀樣式，但基本上仍具有齒輪的概念，能清楚的說明並將歸類蝸桿為「齒輪」的概念，就是達到辨識階層。 (三) 類別階層（Classificatory level）：推論至新的例子，對於同類東西兩個以上不同的例子，依不同的屬性分類，再遇見屬於同屬性的事物時能將其推論並歸類於同種概念，例如在一堆齒輪中，能分類成正齒輪、內齒輪與傘形齒輪等類。 (四) 形式階層（Formal level）：學習者可以正確的辨別概念例子，說出概念名稱，並可以具體的說明某項概念的定義屬性，且能夠清楚的分辨此概念與其他類似概念的差異之處，比較出其異同，如學習者可以依自己歸納屬性建立的假設，辨別不同齒輪的概念，並驗證假設，比較出各種結構的特性與使用時機及其異同之處。三、工程概念的意涵概念本身是抽象的，常常是周邊知識與其他概念的複合體（張玉山， 27 .

(42) . 1992）。一般而言，科技雖然快速地變遷，然而它所運用的概念與原理卻相對地不變。因此，概念學習的途徑是把工程系統或現象中的主要概念與原理辨認出來，然後透過結構化的教學活動讓學生了解這些概念與原理，進而產生學習遷移的一種教學途徑。這多方面的概念是緩慢並逐步構建(Devichi, & Munier, 2013)。因此教學時透過教學內容的整合思考，針對傳統教學內容進行概念分析，教導這樣的整合概念比單純教授課程內容還要重要。如果學生能夠對工程建立一個概念性的基礎，即使是複雜的內容，也可以規劃在課程裡面，科技教師將授課內容轉化成為適當的概念，讓學生能夠對工程教育有紮實的理解。以傳播為例，介紹傳播概念時，以分析傳播所需要的要素，如來源、媒體、方法、接收者、解釋者、干擾與回饋等，以具體的要素來探討就可得到具體的了解而非模糊的觀念（李隆盛，1995）。經過NCETE（the National Center for Engineering and Technology Education）所作的努力，工程在工程設計領域的三個核心概念，已成為需要在中學階段科技教育的關鍵領域。這三個工程概念為限制（Constraints），最佳化（Optimization）和預測分析（Predictive Analysis），簡稱COPA。COPA是在讓學生理解工程設計能夠做的所需的概念性知識的核心(Merrill, Custer, Daugherty, Westrick, & Zeng, 2008)。以下就這三個工程核心概念加以詳列: 28 .

(43) . (一) 限制（Constraints）的重要性已列在科技素養標準中：《科技的研究內容》(International Technology Education Association, 2000)。在八個標準，限制被視為一個反覆的過程，通常要求學生要考慮成本、經濟性、可行性、時間、材料和環境影響，限制的考慮必須要完整的。學生應該能夠評估並納入設計活動的限制，早在問題確認階段處理限制因素可以幫助學生發展可行的解決辦法，因為這個過程幫助學生更接近解決辦法(Jin & Chusilp, 2006)。專業的設計者通常迅速從確定問題(問題空間)前進到解決辦法，透過對問題的限制進行評估並且從情境中尋找他們過去已經解決的有關問題(Cross, 2002； Cross, 2004； Middleton, 2005)。這類似於以Middleton的修正模型，問題空間作為問題狀態，目標狀態確定，並且搜尋，Middleton的搜尋狀態被視為確認限制；在反覆在問題狀態和目標狀態之間移動，並且同時把一個不清楚的問題分解成明確的附屬問題(Cross, 2002； Ho, 2001)。 (二) 最佳化（Optimization）設計的延伸超越了簡單的生產設計，遵循限制或標準定義。最佳化的目的是要達到“最好＂的設計，相對於一套優先標準或限制。這些措施包括最大化的因素，如生產力、強度、可靠性、效率、利用率及使用年限等。為了產 29 .

(44) . 生最好的設計，工程師在設計過程期間必須做很多技術和管理方面的決定。全部這樣決定的最後的目標將使不良的效應減到最小，在使合乎需要的效應最大化時，生產「更好，與人和自然的法律相調和的更有效率，不那麼昂貴的解決辦法」(Ertas & Jones, 1993)。最佳化通常在一個設計問題的構想期間存在。根據Arora (1989) ,一個問題的構想需要大約解決它的總努力的50%。最佳化技術提供明確的程序去幫助設計者正確地規劃問題。例如， Statnikov (1999)略述當構想一個設計問題時，設計者能應付的3 個問題︰ 1 .尋找什麼？ (導致確認性能準則) 2 .在那裡搜尋？ (導致確定全部限制施加於設計，這產生一套可行辦法) 3 .怎樣搜尋？ (導致確認非常適於問題被解決的具體的特徵的最佳化技術) 構想一個設計問題取得一個最佳的解決辦法經常包含把問題的文字描述改為一個明確的數學陳述，這個過程能使設計者根據被確定的性能準則搜索最佳設計。最佳化方法經常使用數學概念，例如向量、基礎代數和分析，並且最佳化變量的微積分。 30 .

(45) . Arora (1989)指出設計最佳化問題的適當構想，重要的是一定要清楚理解最佳解決辦法就如構想一樣好。 (三) 預測分析（Predictive Analysis）: 在對科學、工程和科技職業的評論，Deal（1994）指出工程師應用數學和科學的原則以解決問題，這些工具推展到設計過程的分析的階段描述一個工程的不可缺少的部分 (Harris & Jacobs, 1995)。Eekels（1995）的預測組件的功能在工程設計過程中，觀察如何指出如果有條件的預測聽起來很不利的，那麼我們一般簡單地放棄這一行動，並設計另一個動作，在建造一設計的原型之前，這是明智的決定。Hayes (1989) 觀察預測分析在計劃的環境過程中進行，並非任務環境，帶有幾個不同的優勢︰（a）移動環境規劃中可以被輕鬆地撤消，而任務環境的行動不能被推翻。（b）預測分析是相對便宜的。（c）它允許設計的靈活性。 Hayes (1989)主張“三思而後行＂的過程對於工程設計是至關重要的，工程設計是預測而不是嚐試和錯誤的過程。嚐試和錯誤是在科技教育教室中用在教學的主要方法，在科技教育教室裡，通常不會使用數學分析工具當作課程設計和標準設計的概念(Lewis, 1999; Merrill, 2001)。Lewis (2005)主張概念設計是科技教育的標準範圍內，科學和數學應教導幫助學生通過分 31 .

(46) . 析設計過程中有關設計的預測。《科技素養標準：科技的研究內容》中加強預測分析系統方面的內容。因為存在這麼多不同的設計和方法來解決問題，設計師必須是有計畫有步驟的，否則將面臨無休止地徘徊在尋找一個解決方案的可能性＂ (International Technology Education Association, 2000, p. 91)。完整的工程概念必須包含限制、最佳化與預測分析三要素；限制為考慮成本、經濟性、可行性、時間、材料和環境等影響，工程限制的考慮必須要完整的；最佳化的目的是要達到“最好＂的設計，將不良的效應減到最小，使生產力、強度、可靠性及使用年限等達到最大效應；Hayes 主張“三思而後行＂的過程對於工程設計是至關重要的，工程設計是預測而不是嚐試和錯誤的過程。本研究以三個工程核心概念「限制、最佳化及預測分析」與「機械獸教學單元」中的教材內容，建立雙向細目表，編製「機械獸工程概念試題」，進行預試、正式施測，以評量學生機械獸工程概念學習成效。. 第四節相關研究現況一、模組教具模組教具為支援教學模組，所開發設計的教具，模組教具可以隨時拆裝、調整、重建，變成其它教學單元，使用起來範圍相當有彈性，因此模組教具的研發對教學有相當的幫助。以下是有關模組教具的相關研 32 .

(47) . 究: 教師的教學知識應用到數學教學與學生的數學成績強烈相關。然而，從需求分析研究，偏遠地區的學校缺乏能力和受過專業訓練的數學教師，特別是關於學科教學知識（Pedagogical content knowledge, PCK）。一個研究項目進行了重新調整/再培訓的教師的PCK的四個主要科目，即英文、馬來文、科學和數學的意圖；11個模組KBSR（全名為馬來文kurikulum bersepadu sekolah rendah，小學綜合課程）數學的發展，這些模塊包含創新策略，教師在他們的數學課堂教學中可以採用和改編，這些策略包括溝通、推理、數學的連接和解決問題等數學過程(Saleh, Rahman, & Saleh, 2010)。電力設備局部放電（PD）的監測是一種有效的預測性維護工具，其結果是，有關的PD和相關的測量技術的理論的理解是現在專業電源工程師必要的知識。Chatterjee、Dey 和 Chakravorti (2011)提出了一種模組化課程的設計經驗，使分佈在不同的模組ABET標準在很大程度上滿足PD 現象。教學方法包含傳遞PD和測量的相關概念理論講授，以及實驗室實驗、作業、打開的演示等；評價方法包括考試、口頭和書面報告，評估團隊合作的有效性，並通過學生的反饋過程。學生反饋的分析結果顯示，學生喜歡這課程並認為這將有助於他們的專業發展。在香港，工程動畫軟體教學模組的開發是為了教導香港的化學工程 33 .

(48) . 學生在一安全的技術過程學習相關知識。為了激發學生的學習興趣，模組設計基於一個可視化的過程，他們透過決策積極參與。分為三個階段的發展，每個階段的擴展模組是根據本地、國際同行和學生用戶透通過反覆的行動研究週期評估結果而來，該過程涉及了學術部門和一個中央教育發展單元之間的密切合作。進行一些評估，包括軟體的可用性測試，使用的學術和實業家反饋，來自世界各地學生的評價，包括香港、澳大利亞、法國和北愛爾蘭的同行評價。這些評價的結果表明，該模組可以使用在不同背景下作為一種有效的學習工具(Noakes, Chow, Ko, & McKay, 2011)。伺服電機被廣泛用於計算機數控（CNC）機器，因此，在本科或研究生工程課程，動作控制是一個大課題。儘管幾個教學大綱包括運動動態主題在他們的課程中，但既沒有合適的工具，可用於設計和模擬多軸運動控制，也不是一個高效率的理論與實踐之間的鏈接。Rivera-Guillen、 de Jesus Rangel-Magdaleno、 de Jesus Romero-Troncoso、Osornio-Rios 和 Guevara-Gonzalez (2012)提出了一種教育，教學多軸伺服電機控制運動動力學的開源工具，這個工具可以讓學生產生其應用到數控機床的多軸運動和導出這些運動。一個模擬模組的嵌入式控制器的性能評估，擬議的教學工具允許使用的感應式教學方法以支持學生的學習，實驗室操作建議的工具可用於運動動力學系統的教學。 34 .

(49) . Sanchez 和 Bucio (2012) 採用LEGO當作教學教具，當作研究生程度的第一期培訓班的離散事件控制系統（discrete-event systems,DESs）課程，要求學生使用LEGO積木設計和實施一模組化分層離散事件監控，進行協調並構建一個完整的自動化製造系統（automated manufacturing system,AMS）。引入統一的設計標準和術語經常用於製造的設計方法。軟體工具提供了可編程邏輯控制器（a programmable logic controller,PLC）的執行監控架構所需的所有計算和翻譯任務，分配加強監控理論講授過程中的所有的基本概念。LEGO模組教具提供實際操作經驗的優點和缺點和重要的理論，和有關DES控制器在工程中的應用使用的實際問題。模組教具可用於數學教學、電子工程、化學工程、電機工程及離散事件控制工程等，從以上相關文獻可知，模組教具為有效學習工具，因此本研究開發工程概念學習相關模組教具，可預期它對學生的工程概念學習會有影響。二、Kolb學習風格的相關研究近年來越來越著重因材施教，學生的「個別差異」也成為世界各國許多教育改革關切的項目，因此有關學生獨特「學習風格」的相關研究便逐漸增多（沈怡伶，2008）。以Kolb的學習風格理論所進行之研究頗多，涵蓋的內容也相當廣泛。黃馨慧(2007) 研究不同媒體教學對不同學習風格的國一學生學習成就 35 .

(50) . 之影響，結果顯示進行電腦簡報教學者的學習成就，以「聚歛者」最高，「調適者」次之，「擴散者」再次之，「同化者」最低。 Can (2009)以描述性研究確定科學教師的學習風格，調查一、二、三和四年級的學業成績、性別和他們有機會接觸到教育的類型與學習風格的影響，透過 Kolb學習風格量表數據的研究而獲得。研究隨機取樣 273位一、二、三和四年級穆拉大學科學系2008-2009學年秋季學期的學生教師。在研究中獲得的數據，進行描述性統計分析，包含次數、百分比、非參數統計和卡方。結果發現學生的學習風格雖然和一、二、三和四年級的學業成績沒有顯著相關，但學習風格和他們的性別及接觸到教育的類型有顯著相關性。 Metin、Yılmaz、Birişçi 和 Coşkun (2011)探討職前教師在性別和年級水平變數方面的學習風格，這項研究是在2010年春季學期進行，這項研究的樣本包括347位在阿爾特溫喬魯赫大學部的小學科學教育學院職前教師。以“Kolb學習風格量表＂作為數據收集工具。使用次數、百分比、平均數、標準差、獨立樣本t檢驗和單因子變異數的數據進行了分析；結果顯示，在學生中是佔主導地位的學習風格為調適者，其次分別為聚斂者、擴散者和同化者的學習風格，學生的學習風格和性別、年級間並沒有顯著差異。 D'Amore、James 和 Mitchell (2012)認為教師了解學生的學習風格是 36 .

(51) . 重要的，他們調查大學一年級護理和助產學生的學習風格，這些學生的人口特徵是否影響其學習風格；一個橫斷面調查，包括人口問題和Kolb 學習風格庫存的利用，有78％的回答率（N =345）。在這項研究中調查的大多數一年級學生的擴散者（29.5％），其次是的同化者（28.8％）、調適者（23.9％）及聚歛者（17.9％），因此，護理和助產系學生主要為擴散者、同化者與調適者的學習風格。 Caulley、Wadey和Freeman (2012)進行一前瞻性研究計畫，調查整形外科住院醫師的學習風格，該項目調查了2009-2010年度整形外科住院醫師的學習風格，調查13位第一年整形外科住院醫師，主要研究者使用 Kolb學習風格量表與每個參與者直接1對1的訪談，聚斂學習風格的住院醫師（53.8％）是最常見的，住院醫師表現出了很高的抽象構思結合積極實驗和以行動為導向的學習技能，這結果在制定具體教學策略以配合各學習風格是有用的，將提高今後的教學與學習。根據相關研究顯示:(1)Kolb學習風格對教師、醫師、大學生和國中生的影響是不一樣的；(2)學習風格在媒體應用上有顯著效果；(3)學習風格對教師、醫師、大學生和國中生都有影響。根據文獻分析學習風格對學習是有影響，因此，學習風格對工程概念的學習是不是也會有相類似的影響或效果，有待本研究進一步做深入的探討。三、工程概念的學習 37 .

(52) . 工程教育的學習就是在學習工程概念，20世紀90年代中期以來，工程教育一直是國家長期研究的主題。在這二十世紀的最後十年，需要徹底改變工程教育比在任何時間，在過去的幾十年似乎更可信(National Science Foundation,1995)。前國家科學基金會工程助理署長John Brighton 在2004年，於鹽湖城ASEE領導工作坊主題演講中表達意見認為「任何人都不應等到高中畢業後才接觸工程」(Douglas, Iverson, & Kalyandurg, 2004, p. 4)。Brighton暗示工程教育必須在學生的學術生涯盡早開始。研究表明，學生早在小學就能夠處理科學的題材，如物理，程式設計，和高階數學(Duncan, Diefe-Dux, & Gentry, 2011)。 Ríos、Cazorla、Díaz-Puente 和Yagüe (2010)提出了一種教育的合作專題式學習方法。這種方法出現在馬德里理工大學的本科課程的最後幾年。研究著重於這方面經驗的演變，專題式學習方法嵌入歐洲高等教育區（EHEA），大學和研究生課程結合國際計畫管理協會（IPMA）的管理能力並擴大其範圍到整個教育的策略。結果顯示該方法提供了三個主要的優勢：（1）它有利於在技術、個人和情境能力的培訓;（2）在專業領域的實際問題的處理;（3）透過整合教學和研究促進協作學習。 Coller 和 Scott (2009)提出在本科機械工程課程的核心課程之一已被完全重新設計。在新的數值方法課程，所有的作業和學習經驗，是圍繞一個視頻/電腦遊戲。學生編寫的計算機程序來比賽、模擬汽車在跑道 38 .

(53) . 的任務。這樣一來，學生能夠學習和貫徹數值方法的內容。以視頻遊戲設計的課程根植於人們如何普遍接受學習的理論。文章介紹了一項研究，評估視頻遊戲為基礎的課程的有效性。結果表明，以遊戲為基礎課程的學生，課堂之外，平均花費大約兩倍的時間在他們的課業。在概念構圖鍛鍊，相比傳統的講座/教科書為基礎的數值計算方法課程，以遊戲為基礎課程的學生表現出更深層次的學習。 Schaf、 Müller、Bruns、Pereira 和 Erbe (2009)研究旨在提高遠端協同合作與教育的研究，和相關的控制和自動化工程教育的實效。個人、社會和文化等方面被認為是在合作學習環境的發展中重要的要求。控制和自動化教育，其中包括混合現實實驗室實驗，這是一個協作的學習環境。擬議的環境承載遠程實驗室實驗，使學生工作在不同的地點之間發展合作項目。 Brophy、Klein、Portmore和 Rogers (2008)分析工程教育如何能獲取科學、科技、工程和數學（STEM）相關的知識和技能，並提出幾個教學模式當作例子，說明工程課程如何與P-12課程相結合 (Martinez-Jimenez, Salas-Morera, Pedros-Perez, Cubero-Atienza, & Varo-Martinez, 2010)，以下是基礎工程課程及活動: 塔夫茨大學工程教育推廣展中心（CEEO）的核心目的是改善工程教育。為此，“CEEO＂的宣傳、研究和工具開發方面的工作，使工程和設 39 .

(54) . 計方便和可行在P-12教室。該中心在過去十年裡最顯著的項目一直是 LEGO工程。LEGO工程項目圍繞塔夫茨大學和LEGO集團10年的合作關係；基於LEGO教育產品，LEGO提供工具和資源給教育工作者，最引人注目的是Mindstorms。該中心最初選擇的LEGO材料，其實現大多數的 P-12工程工作，能和大學程度一樣好；因為它們易於使用，使學生有動力進行動手做工程設計項目。 Yilmaz、Jianhong、Custer 和 Coleman (2010)介紹了一個工程推廣夏令營，旨在吸引和鼓勵高中學生以及提高他們對各個工程領域的組織和執行的認識。該營的課程包括動手做、有競爭力的設計導向工程項目，從多個學科：電氣、環境、機械、土木和化學工程等領域著手。工程課程提供足夠數量的當前、最新科學知識和大量實際操作，這是最有效的方法之一，範圍從一個高中程度的工程課程發展，向中學生介紹現代工程內容，以工程為基礎，設計特定的機器人競賽的方法。這些方法在某種程度上吸引學生在大學前想從事於工程學科。以上工程概念學習方法包含專題式、視頻遊戲、遠端學習合作、 LEGO和夏令營等五種學習方法，本研究以「LEGO」為模組教具，教學單元為「機械獸結構設計」，採用專題式學習法，教導學生學習機械獸工程概念，符合潮流趨勢。四、學習風格與工程概念的學習 40 .

(55) . Ictenbas 和 Eryilmaz (2011)研究Atılım大學工程專業學生在學習風格。以VARK問卷評量參加本課程且來自不同部門學生的學習風格並且進行比較。這將是一個指南為提供給不同的工程部門教師，教師根據學生的學習風格，改進他們的課程。在所有四種不同學習風格(視覺、聲音、讀寫及動覺)的工程專業學生，動覺學習被認為是一種有效的學習方式，這個結果將支持實際應用中的工程課程強調分析能力和較強的解決問題的能力。學習風格的研究表明，在從課程中獲得最大的學習效益是很重要的。受訪的樣本顯示約25％的學生喜歡課堂上的多模態學習方式，其次是動覺風格，需要實實在在的措施，以加強學科知識。 Orhun(2012)研究工程專業學生的學習風格與微積分課程的成就之間的關係，微積分課程在工程教育過程中是一個重要的課程，透過學生學習特點的策略選擇，對學生的表現在課堂上建立一個強烈的影響以提高工程專業的學生在微積分課程的獲得成功水平；以Kolb學習風格量表測量學生的學習特點，並以ANOVA統計方法分析學生學習風格與微積分課程成績之間的關係。學生學習風格分類結果為43％為聚合型、32％為同化型、17％為擴散型及8％為調適型，進行變異數分析，以評估在工程程式設計師的微積分課程的成就與學習風格之間的關係。結果表明，對於不同的學習風格在微積分的成績是有顯著差異，聚歛型和同化型學生的表現比擴散型和調適型學生較佳。 41 .

(56) . Direito、Pereira 和 Duarte (2012)探討工科大學生的自我效能感(軟性技能)和學習風格的關係，工程教育文獻中指出軟性技能(包含溝通與團隊合作等)對於每一個工作場所尋求共識願景的重要性，研究對象為四所葡萄牙公立大學337位工程專業學生(292名男性和45名女性)，大學生的自我效能感以Schwarzer 和 Jerusalem的一般自我效能感量表（General Perceived Self-Efficacy scale ,GSE）進行評估，以Felder 和 Soloman所發展的學習風格指數(the Index of Learning Styles,ILS)評量大學生學習風格，結果顯示大學生表現出的偏好大多為主動的、感覺的、視覺的及循序的學習風格，這些大學生還顯露出高自我效能感。. 42 .