應用實作風帆車推動國小STEAM統整課程之探討(第二章)
第二章 文獻探討
本研究以風帆車為主題作為研究課程教學設計並以動手做的方式實施課程，探討STEAM統整課程的特色與教學設計對於教學現場實務運用作為本次行動研究主題。
本研究課程方案於教學上實際面臨問題與修正，同時瞭解研究對象於本次「一路順風！奔跑吧！風帆車」經過STEAM統整課程教學，學習前後之差異。綜合以上目的，本研究進行文獻蒐集、分析與探討，作為本次研究之分析書寫依據。本章彙整與研究相關文獻資料，分為二節做探討：第一節為STEAM統整課程理論探討；第二節為統整課程理論探討；第三節為教學目標認知、情意、技能理論探討。
第一節 STEAM統整課程理論探討
壹、STEM教育目的與理念
在2011年美國州長協會（NGA）提出的報告顯示STEM教育的成效，接受STEM教育者在薪資水平上比未接受STEM教育者提升11%，以最高中位數收入調查前十大學士學位專業顯示在有接受過STEM統整教育，過去十多年來接收過STEM教育者的工作機會是非接受STEM教育者的三倍。（National Governors Association, 2011）。
STEM教育是一種教學和學習方法，用來幫助學習者統整科學、科技、工程和數學的技能。STEM素養是一種統合能力，可以交錯運用科學、科技、工程、數學方面的知識在真實的生活環境。(National Governose Association, 2011)。透過STEM統整課程學習後，使學習者具備面對二十一世紀的競爭力。（Maryland State Department of Education, 2012）。STEM的教育宗旨是以設計和探索為目的，並對技術問題解決進行科學的探索。(柳棟等，2013)包含科學素養、科技素養、工程素養和數學素養等面向。科學素養著重在引發個人發出「為什麼」的想法探討科學的知識與原理；科技素養注重「如何做」，培養使用、管理、理解與評價科技的能力；工程素養是在真實情境中利用科學發現與科技的發展實地運用材料設計製作出工具，滿足該情境之需求；數學素養是獲取科學知識之基礎，運用客觀邏輯評價新科技，並透過精細的計算幫助製作出工程產品過程之問題解決(范斯淳，2016；郭家良，2014；周雍傑，2014)。
簡佑宏、張玉山、簡爾君(2016)STEM課程著重培養學生21世紀的STEM素養。其主要內容如下：
科學素養(Scientific literacy)：指運用科學知識理解自然界並參與影響自然界的有關決策，主要包括三大領域：生命與健康科學、地球與環境科學、以及科學技術。
科技素養(Technological literacy)：指在現代社會中使用、管理、理解與評價技術的能力。學生應當知道如何使用科技，瞭解科技發展的歷程，並具備分析科技對自身、國家乃至全世界所可能造成之影響的能力。
工程素養(Engineering literacy)：工程設計是把科學與數學原理系統地、創造性地用於實踐的結果，其中包含：設計、生產、運作效能、機械、流程和系統等內涵，工程素養即是瞭解科技是如何透過工程設計的歷程而產生。
數學素養(Mathematical literacy)：面對不同情境之數學問題時，能有效的進行分析、推斷、並透過假設、闡述，解決、表達和解釋等數學解題之技巧，正確的傳達自身之想法。
美國NRC(2011)指出，STEM改革具有三個主要目標：(1)提升STEM領域研究與就業人數；(2)提升STEM就業人員能力；(3)提升學生STEM素養。NAE和NRC(2014)歸納各項研究發現，美國STEM教育目標可歸納五種面向：(1)培養STEM素養；(2)提升二十一世紀競爭力；(3)儲備STEM相關職業之勞動力；(4)透過STEM教育提升學習者學習興趣與參與能力；(5)發展STEM教育跨學科知識連結之能力(范斯淳，2016)。
陳家騏、古建國(2017)丁杰、蔡蘇、江丰光、余勝泉(2013)在第二屆STEM國際教育大會述評中引述了Berry對STEM的看法，認為STEM教學是一種將科學、科技、工程及數學等四種學科領域緊密相連，以整合方式進行教學，使學生建立正確科學概念與技能，以解決生活中所面臨問題的跨領域學習。並提出有三種模式可實施之：教師為中心教學模式(The Teacher Project Approach)、學生為中心教學模式(The Student Project Approach)以及學生自主學習模式(Using Student Led Project as the Curriculum)。
黃子榕(2014)指出真實的問題往往是複雜的，必須牽涉到不同領域的知識。STEM教育為學生提供了最好的方法去解決問題，讓學生從整體的意義概念上去了解，而不是零碎片段的知識記憶。周雍傑(2014)STEM課程即將科學、科技、工程、數學這些能力加以訓練，加強各層面整合能力，以增加學生的創造力。
壹、從STEM到STEAM
簡佑宏、朱柏穎、簡爾君(2017)美國推行STEM教育行之有年，然而推動至今發現STEM教育仍然缺乏提振學生科學學習興趣的重要觸媒劑。為了能更提升學生的學習興趣，世界各國探討如何將人文方面的藝術、設計融入STEM形成STEAM教育，讓學生因融入設計與藝術而對科學、數學等學科知識感到興趣。其後，陸續有人認為STEM更應該將藝術設計(Art)納入，使成品的製作更具有設計感及美感，就成了STEAM。從設計思考角度切入STEAM就會發現，從人的需求為出發點，發現問題與解決問題的歷程，達到以人為本，跨團隊合作、做中學習，正好與十二年國民基本教育自發、互動、共好的精神不謀而合張玉山(2018)。
羅德島設計學院在STEM的教育課程中，加入Arts，認為藉由美感的培養可以有效整合科學、科技、工程與數學的知識。透過藝術概念整合STEM各領域並以學生為中心的專題式學習，能使學習者融會貫通各領域的知識葉柏維(2017)。趙惠玲(2015)認為在規劃跨領域美感課程時，有兩種發展可能，分別為藉由藝術領域輔助其他學科領域的學習，以及檢視學科知識中與美感相連接的部分加以運用。透過藝術概念與美感元素等內涵，應用藝術實作、藝術鑑賞等活動，可以做為輔助其他學科學習的媒介、資源與策略。藝術活動的開放性質，在教育場域的所有學科屬性中，最能包容不同學科領域之多元教學目標。美學大師蔣勳(2009)認為「美，或許不在劇院、不在音樂廳、也不在畫廊；美，其實就在我們生活中。」藝術亦須要整合STEM相關知識，才能在設計產品時真正具有後續持續開發的潛力，避免在最初設計時因問題解決與批判思考能力不足，設計出構想新穎卻無可行性之產品簡佑宏、朱柏穎、簡爾君(2017) 。
貳、有關STEAM統整課程的相關研究
國內利用「STEAM」為研究主題的不在少數，以下為研究者以「STEAM」為關鍵字於臺灣碩博士論文加值系統做論文名稱精準系統搜索，至107年8月5日止共有369筆資料。其中與本研究相關論文資料，其研究對象涵蓋國小中高年級、國中、高中生，研究的主題包含用於國小的自然與生活科技領域、英語領域；國中的生活科技課程；高中的機器人課程等範圍。
研究者僅取與本研究相關研究表列如下，以探討國內STEAM相關研究趨勢。
表格2-1臺灣碩博士論文加值系統STEAM教學相關研究 | |||
| 作者 | 研究題目 | 研究對象與方法 | 研究結果與發現摘要 |
| 李孟軒(2018) | STEAM探究式教學對學習態度及創造力之研究 | 1. 研究對象為國民中學七年級學生 2. 研究方法採準實驗研究 | 1. 學生經過5E探究式教學法教學後，在學習態度、創造力上上有顯著提升。 2. 透過5E探究式教學法，學生在學習STEAM主題創新課程上能輕鬆融入課程。 3. 研究者在進行本研究之過程中，有提升自我教育專業之能力。 |
| 陳鈴珠 (2017) | STEAM教育在國小高年級空氣單元教學之研究 | 1. 研究對象小學五年級學生 2. 研究方法採準實驗研究 | 1. 實驗組學生在科學態度之表現，皆顯著優於對照組。綜合以上優點，STEAM教學可促進學生科學素養的提昇。 2. 在研究者的成長方面，有提昇課程設計能力、精進研究深度、促使學生主動與跨領域的多元學習。 |
| 陳佩萱 (2016) | 美感素養與英語STEAM課程對國小學生運算思維與英語學習之影響 | 1. 研究對象為國小五年級學童 2. 研究方法採準實驗研究法。 | 1. 研究結果發現：美感素養程度對於運算思維、STEAM態度與英語學習成就與藝術創作有正面的影響。 |
| 陳韋岐 (2016) | 高職廣告設計科實施STEAM課程之行動研究 | 1. 研究對象高職生。 2. 採行動研究。 | 1. 實施STEAM課程需具體擬定課程主體、控制好教學時間、避免使研究對象過度依賴研究者給予問題解決方法。 2. 實施STEAM課程，學生於構想階段和發展階段之實作能力表現較為優良，實作結果科學概念表現較差。 3. 實施STEAM課程，學生在發現問題、提出解決方案、選擇解決方案之問題解決能力表現良好。 |
| 表格2-1臺灣碩博士論文加值系統STEAM教學相關研究(續) | |||
| 趙嘉浩 (2015) | STEAM機器人課程鷹架對5C關鍵能力與機器人學習自我效能影響之研究 | 1. 研究對象為高中生。 2. 採準實驗研究。 | 研究結果發現較低的機器人學習輔助鷹架反而對學生5C能力中的合作能力、創造力、溝通能力有正面的影響，同時對機器人學習自我效能之概念理解與高層次認知技巧面向有顯著正面的影響。 |
| 蔡釋鋒 (2016) | STEAM課程統整模式運用於國中生活科技教學對於學生知識整合應用之研究 | 1. 研究對象為國中生。 2. 研究方法採問卷法。 | 1. 研究結果發現，高分組的學生在工程領域知識的學習表現、概念知識與程序知識的學習表現、程序知識的實務表現、後設認知的實務表現較低分組學生高。其餘統計結果對高低分組無顯著差異。 2. 女生在認知歷程–創造向度的學習表現與程序知識的實務表現較男生高，其餘各項統計結果對於性別無顯著差異。 |
| 鄭雯文 (2017) | 國小高年級推動STEM課程統整之行動研究 | 1. 研究對象為國小高年級 2. 採行動研究法 | 1. STEM統整課程經專家協助後在國小階段實施是可行的。 2. STEM統整課程有助於提升學生知識整合應用與問題解決能力。 3. 研究者透過STEM統整課程提升專業成長。 |
| 資料來源；研究者自行整理 | |||
在華藝電子期刊以關鍵字「STEM」搜尋至107年8月12日止，可以找到13,370筆相關資料，以關鍵字「STEAM」搜尋至107年8月12日止，共有3,750筆資料，其中與本研究相關的實作課程研究如下表列出：
| 表格2-2 華藝電子期刊STEM教學相關研究 | |||
| 姚經政林呈彥 (2016) | STEM教育應用於機器人教學－以6E教學模式結合差異化教學 | 1. 研究對象為國中生 2. 實作活動課程 | （1）學生遇到困難時，應以引導的方式取代給予正確答案；（2）機器人的教學涉及STEM學科，學生能力會有差異，因此必須以差異化教學的觀點因材施教；（3）確認學生的邏輯觀念正確是機器人教學中最重要的一環。 |
| 陳冠吟 (2015) | STEM 取向的科技教育－以鼠夾車為例 | 1. 研究對象為高中生 2. 實作活動課程 | 使用 STEM教學模式前，學生必頇要具有足夠的先備知識，否則在無先備知識可以利用的情況下，STEM教學模式若無法確實的引導學生去整合學科間的知識，可能會使學生因挫敗感而放棄。 |
| 陳立庭 (2017) | 從STEM觀點教導造型磁鐵之探討 | 1. 研究對象為國中生 2. 實作活動課程 | 研究者認為採用 STEM的觀點教導造型磁鐵，能讓學生理解科學、科技、工程、數學之間的連結性。 |
| 葉栢維 (2017) | STEAM理論融入國小科技實作的活動設計：橡皮筋動力車向前衝 | 1. 研究對象國小學生 2. 實作活動課程 | 科技玩具主題課程有效提升學生學習興趣。STEAM跨學科整合學習，可以有效融合各領域的專業知識。 |
| 葉栢維 (2017) | STEAM理論融入高中科技實作活動設計－以手機號角音箱設計為例 | 1. 研究對象為高中生 2. 實作活動課程 | 依據STEAM教育的理念進行課程的設計，學生可以在專題式學習的引導之下，有效的整合五大學科的知識與能力。 |
| 簡佑宏 張玉山 簡爾君(2016) | STEM取向準工程課程設計：以二氧化碳賽車單元為例 | 1. 研究對象為高中生。 2. 專題製作活動。 | 十二年國教的理念中，STEM整合及工程教育是重要的目標。但是工程教育在實施上仍有挑戰；工程教育的內容龐大，如果沒有完善的課程規劃，將會消耗許多時間讓學生進行冗長的紀錄與解釋，反而消耗了學生對學習的熱情。因此，審思如何透過準工程教育，協助學生具備 關鍵能力、科技與工程素養，深具重要性。 |
| 資料來源；研究者自行整理 | |||
陳家騏、古建國(2017)綜合以上各研究論述可發現：教學者在進行 STEM教學前必須要熟悉課程主題之間的聯繫，並了解學生程度，避免教材內容和學生程度有落差，造成課程不順及學習狀況不佳；在課程進行時要給學生足夠的時間思 考、討論以及摸索實作，同時避免有學生落單不參與。研究者自身的專業成長亦十分重要。以下就研究者專業成長部分與STEAM統整課程導致研究對象態度改變，以及STEAM統整課程主題間聯繫與學生程度預想分述如下：
李孟軒(2018)提到研究者在進行STEAM探究式教學對學習態度及創造力之研究之過程中，有提升研究者教育專業之能力。陳鈴珠(2017)在研究者的成長方面，有提昇課程設計能力、精進研究深度、促使學生主動與跨領域的多元學習。鄭雯文(2017)在研究結果也提出研究者透過STEM統整課程提升專業成長。
李孟軒(2018)學生經過STEAM探究式教學後，在學習態度、創造力有顯著提升，並輕鬆使用STEAM主題創新課程融入課程。葉栢維(2017)的研究中也指出依據STEAM教育的理念進行課程的設計，學生可以在專題式學習的引導之下，有效的整合五大學科的知識與能力。陳韋岐(2016)在研究結果指出實施STEAM課程，學生在發現問題、提出解決方案、選擇解決方案之問題解決能力表現良好，鄭雯文(2017)的研究也指出相同結果。在趙嘉浩(2015)的研究中也指出機器人學習輔助鷹架對學生5C的合作能力、創造力、溝通能力有正面的影響。陳鈴珠(2017)提出STEAM教學可促進學生科學素養的提昇。陳佩萱(2016)也說到美感素養程度對於運算思維、STEAM態度與英語學習成就與藝術創作有正面的影響。
陳立庭(2017)認為採用STEM的觀點教導造型磁鐵，能讓學生理解科學、科技、工程、數學之間的連結性。姚經政、林呈彥(2016)提到在課程當中學生遇到困難時，應以引導的方式取代給予正確答案。陳韋岐(2016)提到實施STEAM課程需具體擬定課程主體、控制好教學時間、避免使研究對象過度依賴研究者給予問題解決方法。簡佑宏、張玉山、簡爾君指出(2016)工程教育的內容龐大，如果沒有完善的課程規劃，將會消耗許多時間讓學生進行冗長的紀錄與解釋，反而消耗了學生對學習的熱情。因此，審思如何透過準工程教育，協助學生具備關鍵能力、科技與工程素養，深具重要性。陳冠吟(2015)也提出使用 STEM教學模式前，學生必頇要具有足夠的先備知識，否則在無先備知識可以利用的情況下，STEM教學模式若無法確實的引導學生去整合學科間的知識，可能會使學生因挫敗感而放棄。鄭雯文(2017)在研究結果發現指出設計STEM統整教學課程在國小階段實施，經專家協助後是可行的。
依據研究者整理目前國內STEAM統整教學相關研究多半採取準實驗研究法，經過研究課程之後再以問卷的方式統計實驗組與對照組的STEAM素養態度是否有顯著不同。本研究將採取行動研究法，以實作風帆車來推動國小STEAM統整課程的實施研究。林坤誼 (2016)在進行STEM 跨領域統整時，應該以關鍵的知識為主即可，而並非期望學生能將所有與該活動相關的科學、數學、科技與工程知識，都能夠透過STEM專題製作活動進行統整，亦即，當學生在設計解決問題的方案時，哪些科學、數學、科技或工程的知識會有助於學生進行設計，教師便應該結合日常生活中的實例進行介紹，並讓學生學習進行理論導向設計，這樣才能夠深化學生的問題解決能力。
壹、小結
STEAM統整教學的核心概念便是透過實作課程引導學生學習科學、科技、工程、藝術、數學的主要核心概念。教師在教學當中應該以學生為主要中心，逐步引導學生透過實作課程學習到所要學習的相關STEAM核心概念。教師在引導學生學習STEAM統整概念時要特別注意設計好鷹架，避免學生在學習過程當中因為太難而萌生退意。
