由科技融入教育趨勢初探STEM教育的驅動力

導讀
雲端技術、行動網路、大數據分析與人工智慧等科技快速發展,影響了人們的生活也改變了學習的樣態,科技融入教育,不只翻轉教學現場也引導教學內容,在教學和學習的未來正進入一個巨大變革的時代之際,政府將如何回應改變,讓學子們在新科技的浪潮下遊刃有餘地學習與探索,同時亦可掌握面對未來的知識與技能?因此,本文觀測主要國家教育政策回應科技趨勢之相關作為,並聚焦於各國如何強化推動STEM教育的制度與內容,以探索面對教育改革時各國培育學子知識與技能的策略選擇,再藉由綜整與研析前述政策制度內容,研提初步建議以主管單位參考規劃之用。
文章圖片所有權: https://ppt.cc/f74q2x ,Created by Lunaphoto
著作權聲明: CC0 Public Domain-可以做商業用途-不要求署名

科技正推動我們的教育體系走向改變的趨勢,相關研究亦指出,當人類的壽命不斷地延長時,也將增加對終身教育的需求,以因應快速變動的工作型態甚至日常生活。為探討未來教育推動方向與規劃重點,經濟學人智庫(Economist Intelligence Unit, EIU)於《至2030年的教育》(Education to 2030)報告中,對25個經濟體系交叉比對以提出5大教育體系發展指標,分別為:教育面向的公共支出、教育的可負擔性、青年失業率、STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics, STEM)畢業生與學校網路環境。藉由分析這些指標的變化程度以歸納出至2030年的教育將會受三大趨勢影響教育體系的發展,分別為人口變化(影響教育面向的公共支出、教育的可負擔性)、未來的工作與成功所需的技能(與青年失業率、STEM畢業生相關)以及科技的使用(反應學校網路環境的完備度)(EIU, 2016)。因此,就前述趨勢而言,不難察覺科技對教育的影響日益顯著,包括了教學內容上需維持提升學子的STEM能力,以及如何增強學子使用科技的能力。因此,本文將以科技如何對未來教育趨勢帶來改變為探討起點,進而觀察分析主要國家因應的行動與作為,期瞭解各國面對教育改革時的優先選擇策略,包括為何需提升學子的科技使用與研發能力以維持人才競爭力,以及各國如何強化推動STEM教育的制度與內容以達成策略目標,進而研提適宜我國的因應作法以為初步建議。

一、當科技改變教育的未來樣貌

科技的發展影響了人類生活的各個層面,以可汗學院(Khan Academy)為例,一個免費教育資源網站的興起,帶動並見證科技正逐漸改變教育的未來樣貌。2006年由印度孟加拉裔的創辦人薩曼・可汗(Salman Khan)創建的可汗學院(Khan Academy),是一個免費教育資源網站,也是一個可24小時隨時上課的網路家教,可汗學院網站上有四千多支約10分鐘長度的教學影片,主題涵蓋數學、科學、歷史與藝術等,內容符合由小學到大學的程度,也搭配相對應的習題。當個人使用者在網站註冊後將有專屬的知識地圖,可掌握個人的學習歷程,目前這些影片亦被點閱觀賞的次數高達二億五千萬次以上。比爾・蓋茲(Bill Gates)和Google對可汗學院進行經費贊助,擴大發展規模與促成更多與實體學校的合作計畫;2012 年誠致教育基金會引入可汗學院的架構至台灣,成立了均一教育平台(財團法人公益平台文化基金會,2014)。從前述可汗學院的發展歷程來看,可汗學院的創辦人薩曼・可汗一開始是因為家鄉的表弟妹需要數學、科學的家教,所以薩曼・可汗家中衣物間自製教學影片並放上YouTube(賓靜蓀,2017),期透過網路的傳播力量改善區域間的教育資源不平等,進而打開了教育的邊界,提供更多學習的彈性,如時間、地點、內容與進度等,我們從中預見未來教育樣貌,更發掘出科技融入教育帶來的效益。

再者,以近來在臺灣引發討論與大力推動的人工智慧(artificial intelligence)為例探討科技對教育可能的影響,本文參採美國史丹福大學人工智慧百年研究專案(One Hundred Year Study on Artificial Intelligence)小組的研究報告《人工智慧百年研究:二○三○年的人工智慧生活》(One Hundred Year Study on Artificial Intelligence: Artificial Intelligence and Life in 2030)提出的趨勢觀測內容可知,人工智慧正在改變教育的樣貌,並為教育帶來更多新的應用,包括:1)教學機器人:指藉由提供運用各種語言程式等新型感應技術所建立的機器人,具有可協助國小、國高中(K-12)學校的學生學習程式編碼和理性演繹等功能。2)智慧輔導系統(Intelligent Tutoring Systems, ITS)和線上學習:智慧輔導系統主要以人機對話、客製化輔導的新型演算法,掌握學生的學習與問題等。另外,大規模開放式線上課程(Massive Open Online Courses, MOOCs)和其他各種線上教育模式也將持續地發展與推動。3)學習分析:透過線上學習課程所收集的數據資料推動了學習分析領域的快速發展,線上學習課程不僅有利於擴散,也是數據收集和實驗場域,將有助於科學發現並提高學習的品質(Stanford,2016)。

當教育的樣貌逐漸改變,就個人而言,面對新型態的教育模式,學子們是否有基本能力去使用軟硬體設備以達到學習成效?新的模式下個人所被培養的知識與技能是否可回應未來生活的需求?就國家層級而言,人才的競爭力可否趕上、超越科技的變化進而領導創新呢?政府又該如何研提政策與方案以因應這些改變帶來的衝擊呢?

二、主要國家教育政策納入STEM教育之現況

當「科技 X 教育」以銳不可擋之勢來到我們的生活之中,如何善用科技來達成並加乘學習者接受教育的成果,甚至翻轉教育的主客體改以學習者為教學系統中心的未來趨勢,是許多國家早已開始關注相關問題,整體而言,各國正逐漸調整教育政策制度內容及學校(組織面向)以帶動教學內容(教師面向)與教學現場(環境面向)的變化,期加速學習的成效(學生面向)並從量變產生質變,以回應科技融入教育的趨勢。再者,若以現階段影響教育較為顯著的科技,例如雲端技術、行動網路、大數據分析與人工智慧等,當這些科技融入了教育時,不只為了回應「與其授之魚(學習內容),不如授之「漁」(學習方式)」的教育思維,更有必要也有需要應讓學子們對「釣竿」有所認知,甚至可瞭解如何改良「釣竿」,使其在不斷變化的學習環境下仍可以釣到魚,甚至研發出新的「釣竿」或新的「養魚模式」。因此,為了培育學子具有研發創新的能力,STEM教育將起關鍵的作用。STEM教育涵蓋科學、技術、工程與數學等學科內容,近來亦把藝術(Art)加入成為STEMA,綜整而言是一個將各領域統整學習的理念,並強調橫跨各科之間的關聯性,期以更廣域、更全面地的思維來培養學習者具備基本資訊處理與管理技術以及科學研究能力等技能。所以STEAM教育不是只進行不同學科的整合,更要教導學子們判斷與解決問題的能力,藉由STEM教育培養基本能力,進一步具備跨領域的整合能力,對某些需基礎研究與創新應用的領域如航太等,因為以STEM奠定了好的內功,才能推動跨域研發與領域創新,進而厚實創新研發能量以維持國家的競爭力(黃敦晴,2018a;范斯淳等,2016)。

有鑑於此,主要國家在教育政策內容的調整上,已將STEM教育作為策略選擇,擬透過加強STEM教育與相關課程的推動力道,為學子打好基礎來迎接科技融入教育的未來樣貌。本文現就對美、英與德等主要國家的STEM教育政策方向及方案推動內容的觀察與研析,分別簡介如下:

(一)美國

自2007年10月,美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)發佈報告《國家行動計畫:應對美國科學、技術、工程和數學教育系統的緊急需要》(A National Action Plan for Addressing the Critical Needs of the U.S. Science, Technology, Engineering, and Mathematics Education System),對美國政府提出警示應加強學生的STEM教育,之後美國前總統歐巴馬於2009 年啟動「教育創新(Educate to Innovate)」行動,擴大數理相關領域的教育資源、培養學生的科技理工素養,希望美國學生的STEM能力可以追上世界平均水平(NSF, 2007;洪潔雯,2016;黃瑽寧,2018)。

2011年美國國家科學技術委員會(National Science and Technology Council, NSTC)下成立專責推廣STEM教育的委員會(The National Science and Technology Council’s Committee on STEM Education, CoSTEM)。2013年,美國總統科技政策辦公室(Office of Science and Technology Policy, OSTP)發布了《聯邦科學、技術、工程、數學教育策略計畫》(Federal Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) educations strategic plan ),該計畫從2013~2018年對美國未來5年STEM教育發展策略目標、實施方式、評估指標等提出完整的規劃(科學網,2016)。在美國積極推動STEM教育革新以及強調大學與職涯準備度(college and career readiness)的政策引導下,2013年公布的「新世代科學標準」(The Next Generation Science Standards,NGSS)對美國K-12階段科學教育之課程與教學產生相當程度的整合與影響,此標準強調科學教育中三個維度,即實踐(practices)、跨領域概念(crosscutting concepts)和學科核心概念(disciplinary core ideas),成為美國各州政府設定STEM 課程目標的重要依據(Next Generation Science Standards, 2013; NSTC, 2016; OSTP, 2016)。

根據美國白宮及教育部的規劃, 2014年透過預算整合規劃所提出的STEM國家人才培育策略受到各界的矚目。當時歐巴馬政府的2014財政年度聯邦政府預算,指定由聯邦教育部統合聯邦11個部會經整合後的112項不同STEM計畫,並也指名國家科學基金會(NSF)協助,以改變過去各部會各自為政的STEM計畫,整合各部會資源共同提升推動成效。另一方面,亦重視非由正式教育體系所推廣的STEM教育,如透過史密松寧機構(Smithsonian Institution)與聯邦各部會之合作強化STEM教育的推廣,也將補助國家科學基金會持續擴大升相關計畫,讓年輕學子及成年人都有更多機會在校園外接觸STEM教育的體驗與學習。此外,針對中小學STEM教育也提出了切實、具體的規劃,包括實現各州STEM 創新網絡合作、培訓優秀STEM 教師、建立STEM 專家教師團、資助STEM 重點學校和增加STEM科學研究投入等。再者,美國明確地解決弱勢群體平等接受STEM教育的問題,關注女性、少數民族及身心障礙人士等學生的需求,擴大相關教育資源以提高弱勢群體學生的STEM 參與程度,(黃敦晴,2018c;教育部電子報,2013)。

2016年美國針對人工智慧此一新興科技陸續提出《國家人工智慧研究發展策略計畫書》(The National Artificial Intelligence Research and Development Strategic Plan, 2016/10)、《準備迎接人工智慧未來》(Preparing for the Future of Artificial Intelligence, 2016/10),以及《人工智慧、自動化與經濟》(Artificial Intelligence, Automation, and the Economy, 2016/12)等,在這些計畫與政策的內容中指出人工智慧將如何影響未來職場,為使學生在此衝擊下仍可順利接軌未來工作的技能需求,在教育上預作回應與調整,是決策者及教育者的當然職責(White House, 2016)。美國總統川普(Donald Trump)亦於2017年宣示,未來工作在科技發展的趨勢下,將更加需要STEM相關(尤其是電腦科學)的技能。川普要求教育部長在合法的前提下,推廣高品質STEM教育(特別聚焦電腦科學)視為教育部的優先政務之一,並且從2018會計年度起,於分配補助款時作為優先考量條件(MoneyDJ, 2017)。

2018年6月,美國白宮科技政策辦公室舉行STEM教育高峰會,從中央政府、教育、勞動、科學等部會、地方官員,從幼稚園到大學老師、產業、勞工、社會教育機構及非政府組織等皆派出代表與會,各種專家和代表們齊聚討論未來5年符合美國競爭法案(America Creating Opportunities to Meaningfully Promote Excellence in Technology, Education, and Science Act, America COMPETES Act)的聯邦STEM教育策略。2007年後歷經了布希、歐巴馬、川普三任總統,為維持國家競爭優勢需強化STEM教育的政策訴求,不曾因政黨輪替而減弱推動力道(黃敦晴,2018b)。

(二)英國

英國的STEM 教育是採國家層次的策略推動,經費配置重點以高等教育和大學的創新研究為主。由於STEM 技能對於知識密集型經濟的未來至關重要,2014年英國工業聯合會(Confederation of British Industry, CBI)的報告中指出,至2010年將約有40%的英國職工被列為「知識型員工」,到2020 年此比例預計將超過50%。英國皇家社會科學政策中心於2014 年發布報告《科學與數學教育的願景》(Vision for Science and Mathematics Education),該報告提出英國未來科學與數學教育發展藍圖及2030年的願景,希望所有的學生應學習數學和科學直到18 歲。

由於學徒制是英國傳統的學習方式,同年英國政府提出新技術教育體系項下15 項新的技術途徑,期改進與完善學徒制的課程和運作機制,增強社會的認同感和滿足企業的需求,現階段學徒制亦成為英國培養STEM人才的重要途徑。其他如英國政府三年期的計畫“Your Life”,其目的為鼓勵青少年持續進修A-level的數學和物理學,以增加16 歲及以上青年人對數學和科學研究的參與,期望在3 年內,參加A Level 課程中學習數學和物理的人數可達50%。此外,英國最大的STEM 專業教師發展網絡「國家科學學習網絡」(National Science Learning Network)提供多樣的線上與線下培訓方式,與其他機構建立夥伴關係,每年為超過15,000 名教師和其他工作人員提供專題培訓和支持。

英國的STEM 教育的經費來源主要還是由政府編列,此外,政府對私部門的基金會、企業以及其他社會團體如有意參與STEM 教育相關方案,政府會對其有相關的獎勵和減稅政策。整體而言,英國從學徒制的支持、鼓勵學習者修習STEM科目及教師培訓等方面著手,在基礎教育方面並未有明顯的規劃與改變,對於把STEM教育當作國家未來發展策略考慮的當下,完整考量課程內容、教學方式、生涯發展與應用領域等各方面的系統性設計,並進行整體規劃及編列預算支持是有其必要性的(European Schoolnet , 2015)。

(三)德國

德國長久以來對職業教育甚為重視。由於語系的不同,英語系國家將科學、技術、工程、數學簡稱為STEM教育,德國則是將數學、計算機科學、自然科學、技術(Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik, MINT),簡稱為MINT教育。隨著新興技術的研發,德國政府推動「工業4.0」的進展,亦帶動德國產業結構轉型調整,進一步來看,對勞動市場與人才造成的深遠影響實不容小覷。當簡單且重複的勞動工作正逐漸被自動化、人工智慧等技術取代時,為了保持勞動者就業能力,教育的內容與推動的機制確有調整的必要性。

德國聯邦教育及研究部於2012年在調查報告《MINT展望-MINT事業與推廣指南》中指出:某些行業、地區和職業的高級技工缺口已產生很大的缺口,且部份創意與科技工作領域,如數位科技、軟體工程、基因科技等逐漸形成新的人才需求,因此確保勞動力的量與質將是聯邦政府的教育政策規劃重點,期透過整合MINT教育與終身教育,創造永續發展的MINT教育,以促進MINT教育鏈(Bildungskette)的發展。例如德國國家航天與空間研究中心主持的DLR校園實驗室(為新型的課外教育設施),針對具MINT天賦的中學生提供相關計畫的參與機會,約有超過20萬學生參與過此專案。在高等教育部份,柏林工業大學(TUB)開設為期一年的「MINTgrun」前導課程,學生不僅可參加數學、資訊、自然科學、科技等各科系的課程活動,也可在計畫實驗室如機器人實驗室、環境實驗室、創意與科技實驗室等,累積實作經驗並學習不同領域的技術。此外,慕尼黑工業大學(TUM)規劃「studium MINT」的前導學期,提供MINT科系概覽,項下包含五大模組,分別為基礎知識(入門基本知識的學習)、軟實力(跨科際及DIY工作坊)、導航實作(講授課與實作、拜會參訪)、計劃應用(跨科技應用從其他模組習得的知識)以及行業前景(業界人士作為導師),藉此提供學生更多的接觸機會與更多元的觀察視角,有助於學生掌握未來的學業與職涯的規劃。另一方面,亦有企業開放設置實驗室,如德國巴斯夫公司學生實驗室鼓勵學生來到實驗室,運用實驗室設備及所學知識來動手實作,親身體驗創新探索的過程(楊亞平,2017;天下,2016)。

整體而言,德國的教育政策藉由對兒童和青少年進行MINT的興趣吸引和機制激勵,期鼓勵學習者們沿著MINT教育鏈獲得發展,同時也在政府的支持下持續實施MINT教育,再加上企業、學者專家們等共同參與,形成公私協力共同培養MINT人才的機制,不僅可讓學習者們獲得豐富多元的教育資源,也可使資源得以統整揮發最大的效用。

參採前述四大面向統整美、英與德三國STEM政策的觀測重點可知,各國在現有的教育政策上已作出相對調整,包括在課程內容上加重STEM教育的比重並下向扎根,期能從小學且突破性別刻板印象的強化學子學習STEM科目的興趣,再系統性的支持學習者們在之後國、高中(即在K12之前)仍有持續性學習的管道與機會。另一方面,在師資上亦需要加強老師專業職能的能力,提升STEM的教學師資並帶動企業適時加入成為人才培育的一環,亦可借助相關的人工智慧技術應用以輔助教學需求,提供學生更多元的學習管道,並以更全面性、長期性的政策推動來深化STEM能力。但在前述的教學與學習過程中,如美國與英國此類以政府為主要的執行者與經費來源的政策規劃思維,或在不同的國情脈絡下也應有所調整,可考量德國的教育鏈制度,不僅讓STEM教育成為終身性教育,亦鼓勵企業加入作為人才培育的一環。本文現依前述四大面向摘整比較美、英與德三國STEM政策的觀測重點如表1所示。

表1美、英與德三國STEM政策之重要措施

國家別
STEM教育

STEM教育

MINT教育
政策目標 積極提升卓越科技、教育和科學,打造國家競爭優勢 希望所有的學生應學習數學和科學直到18 歲 確保勞動力的量與質,促進MINT教育鏈的發展
推動方式 國家主導,帶動社會全面積極參與配合,教育補助款優先配置在推廣高品質STEM教育 國家層次的策略推動,經費配置重點以高等教育和大學的創新研究為主 整合MINT教育與終身教育,創造永續發展的MINT教育
--組織面向 制定策略計畫與標準,作為規劃指引及課程設計依據 在學徒制基礎之上,提出新技術教育體系項下15 項新的技術途徑 高等教育體系中設置MINT前導課程與前導學期
--學生面向 提高弱勢學生群體參與STEM 學習的興趣與機會,重視女性和少數民族等學生 鼓勵青少年持續進修A-level數學和物理學,以增加16 歲及以上青年人對數學和科學研究的參與 大學生得參加MINT相關科系課程,並可在計畫實驗室進行實作與學習跨領域技術
--教師面向 培訓優秀STEM 教師
建立STEM 專家教師團
由STEM 專業教師發展網絡「國家科學學習網絡」提供多樣的線上與線下培訓方式 在MINT前導學期中,延聘業界人士作為導師
--環境面向 實現各州STEM 創新網絡合作
資助STEM 重點學校
增加STEM科學研究投入
對私部門的基金會、企業以及其他社會團體如有意參與STEM教育相關方案,政府提出相關的獎勵和減稅政策 連結企業、學者專家們等共同參與MINT教育鏈 的發展,形成公私協力共同培養MINT人才的機制
資料來源:本研究彙整製表。

三、結論:台灣的下一步

科技融入教育的趨勢帶來的效益,由前述可汗學院的興起及史丹福大學的研究等案例可知,學習者將擁有更多的學習自主性,未來的教育將以學習者為中心,教育不再只從「師者,傳道、授業、解惑」為規劃教學內容的起點,而是要思考如何培養學習者面對快速變動未來的基本能力,包含:「閱讀、搜索、辨別真偽」三種基本能力(孫憶明,2014)。再者,綜整、梳理各國推動STEM教育措施可發現,STEM教育涵括多學科的跨域整合之學習與應用,擴大了需閱讀與搜索資訊的範疇,同時強化了其能力,再加上跨域整合的過程中,需要對知識與技能有更深層的認知方能促成創新應用,也可從中建立系統觀與邏輯思考,進而提升辨別真偽的能力。再者,未來的生活,不論是在學或在職,愈發地需要藉由STEM教育協助學子培育相關能力,不僅要有技術知識,還包括批判性思維、邏輯、數學推理和數值分析、程式編碼設計以及更廣泛的科學方法能力,簡言之,藉由在學的STEM教育培養的這些能力將是未來社會大部份職業所需求的就業能力,同時,教育和技能也一國是生產力變化的決定因素。因此,STEM教育帶來的驅動力甚為關鍵,透過他山之石,對於我國如何在教育體系導入STEM教育,並啟動其驅動力量促成具科技基本能力人才的量變進而帶動質變,本文初步建議的策略方向如下:

(一)引發學習者對STEM課程的學習意願與實作動機:

在電子產品當道的現代生活,青年學子可稱得上是數位原民,對使用科技輔助的教學工具或是對於線上課程的接受度,應不易產生抗拒心態,但會因城鄉之間原有的數位差距,造成不同的學習效果。如何落實STEM課程的學習,城鄉間教學師資與基礎環境等資源不均的現象,即成為首要解決的問題。其次,應透過系統性及實用性課程的安排銜接,引導學習者們將技能應用到日常生活或職場求職,改變學習者們只求通過考試即可,卻不知如何運用知識與技能的狀況。當STEM教育成為基礎教育中必要的一環時,帶動學習者們對STEM課程的興趣並培養所需之技能或知識,進而落實到與生活應用相關,將是STEM教育的主要目標。

(二)建置多元學習管道引導學習者生涯規劃:

在擬定 STEM教育相關措施時宜考量的學習者生涯發展情境,其中畢業後的發展方向應是關注焦點。就業市場上的各級產業需要人才的投入,但產業的需求不應在學習者們畢業後進入社會時才被瞭解與重視。因此,當國小、國高中(K12)之前的STEM教育是為學習者們奠定基礎、培養興趣時,如何在進入大學後依個人能力選擇繼續深化技能成為專業人才,或是應用技能連結其他學科知識成為跨域人才,這將是STEM教育中研擬相關課程廣度與深度的主要考量。另外,為孕育人才並使所學有所用,學研產多元師資不可或缺,即是應整體考量除了現行的教學師資外,來自研發部門或產業部門的師資是否宜規劃納入相關延攬措施,讓學習者們可儘早掌握產業發展動態,進而作出回應以順利銜接就業。

(三)強化學習者整合創新能力蓄積研發能量:

STEM教育對研發創新的影響可分為兩大面向,一是透過STEM教育培育創新應用能力進行特定產業的產品與服務的改變,使其更有效率、更精準、以量身打造的方式提供產品與服務;二是運用STEM教育的跨域整合能力在產品製程、企業管理或商業流程上,帶動產業升級與轉型。因此,若能強化學習者在STEM的相關能力,培養具備跨域整合能力的人才,不僅可協助各領域產業與未來科技發展趨勢接軌,更可維持國家整體競爭力並創造經濟效益。

整體而言,STEM教育驅動教育內容重點的調整配置,繼而推動以學習者為主體延展了個人的技能,面對科技融入教育的趨勢之際,學子們可更好更深地與真實的生活、未來的職場互動連結。藉由STEM教育驅動國家政策的調整,回應科技對未來教育樣貌的改變力道並逐漸影響變化方向,期能拉近了教育的「學」與職場的「用」之間的落差,讓人才養成從量變產生質變,滿足各領域產業未來人才需求的量與質。

延伸閱讀