應用工程設計流程以強化職前科技教師的工程設計思考能力
112年10月08日
【本篇報導由科技應用與人力資源發展學系 林坤誼特聘教授研究團隊提供】 STEM教育的實施常會忽略科技與工程，導致科技與工程人才培育的問題仍舊無法解決（Strimel & Grubbs, 2016）。針對此一問題，Song et al.（2016）以及Brophy et al. （2008）等人皆認為若能規劃以工程設計為主軸的科技學習活動，應能有效協助落實STEM教育，讓學生能夠真正跨領域的統整學習。就科技教師的工程設計知識結構的相關研究而言，工程專家與生手之間的差異，會與科技教師在工程設計歷程中所關切的點有所不同，而職前科技教師的知識結構與其在工程設計歷程中所關切的重點，則是現階段相關研究較為缺乏，且有待探究的重要課題之一。本研究著重在探究職前中學科技教師的工程設計知識結構，以瞭解其對於工程設計思考的理解，藉此提出職前中學科技教師的工程設計知識結構的現況與問題。依據本研究的資料分析結果，主要研究結論如下：（1）融入工程設計思考流程的職前教師在界定問題、產生構想、建模和可行性分析等四個方面的工程設計思考表現較佳；（2）職前教師在進行STEM專題製作活動時，應優先加強有關建模和重新設計的步驟學習，以加強複雜與精密的思考能力。 Science, Technology, Engineering and Mathematics（STEM）education的議題在近年來十分受到重視，對於如何吸引更多大量的優秀人才投入STEM領域更是值得關切（Holmes, Gore, Smith, & Lloyd, 2017）。然而，Strimel & Grubbs（2016）指出，STEM教育的實施常會忽略科技與工程，導致科技與工程人才培育的問題仍舊無法解決。針對此一問題，Song et al.（2016）以及Brophy et al.（2008）等人皆認為若能規劃以工程設計為主軸的科技學習活動，應能有效協助落實STEM教育，讓學生能夠真正學習跨領域的統整學習。以工程設計為主軸的科技學習活動有助於落實STEM教育，但在進行此一工程設計取向的實作活動教學時，教師是否具備正確的工程設計知識結構，便是值得探究的重要研究課題（Atman et al., 2007; Hannah, Joshi, & Summers, 2012）。 就有關科技教師的工程設計知識結構的相關研究而言，工程專家與生手之間的差異，會與科技教師在工程設計歷程中所關切的點有所不同，而職前科技教師的知識結構與其在工程設計歷程中所關切的重點，則是現階段相關研究較為缺乏，且有待探究的重要課題之一。本研究著重在探究職前中學科技教師的工程設計知識結構，以瞭解其對於工程設計思考的理解，藉此提出職前中學科技教師的工程設計知識結構的現況與問題，並協助其未來進入中學的職場時，能夠妥善將工程設計歷程融入科技實作活動中，進而協助更多中學階段學生培養工程設計能力，以試探未來進入工程相關領域的興趣。 依據本研究的資料分析結果，以工程設計思考流程為主的STEM專題製作活動，分析其接受工程設計思考程序的職前中學科技教師（實驗組），和接受科技問題解決程序的職前中學科技教師（對照組），研究者實施教學活動之研究結果的助益如下：（1）融入工程設計思考流程的職前教師在界定問題、產生構想、建模和可行性分析等四個方面的工程設計思考表現較佳（如圖1）；（2）職前教師在進行STEM專題製作活動時，應優先加強有關建模和重新設計的步驟學習，以加強複雜與精密的思考能力。 圖1：實驗組職前教師的工程設計思考改變情形 說明1：圓圈代表工程設計思考的不同步驟，圓圈內的百分比代表具備該項思考步驟的職前科技教師比例；從上圖可知，在進行工程設計思考教學前，有五個缺少的工程設計思考步驟，皆在實驗教學後有所改善。 說明2：PD指界定問題、IFG指蒐集資訊、IG指發展構想、M指建模、FA指可行性分析、E指評量、C指溝通、DM指做決定、R指實踐、RD指修訂設計。 工程設計歷程之教學方式的優點，目前雖強調了複雜的精算方法，然而在實施方面仍是有許多的困難（Linder, 1999），許多現場教師還是會認為窒礙難行，主要仍是以時間不足為拒絕實施的因素。若能在課堂前分析出職前中學科技教師普遍比較缺乏的概念，多添加一些工程設計思考教學的元素，必定能增加教學的成效，同時也不會增加太多的時間在摸索和嘗試錯誤的步驟上。工程設計活動可有效提高職前中學科技教師解決所面臨的真實性問題，並使其能獲得練習和提升不同的技能及知識整合的能力（Woods, 1995; Cardella et al., 2002）。 原文出處： Lin, K. Y., Wu, Y. T., Hsu, Y. T., & Williams, P. J. (2021). Effects of infusing the engineering design process into STEM project-based learning to develop preservice technology teachers’ engineering design thinking. International Journal of STEM Education, 8(1), 1-15. https://doi.org/10.1186/s40594-020-00258-9 註：本文獲得International Journal of STEM Education期刊首頁肯定，為2021-2022兩年中引用次數排名第二的文章。