概述

新課綱高中生活科技教學，強調專題製作的方式授課，且專題活動是要能涵蓋多種學科知識(STEM 或 STEAM)，並整合其概念性或程序性的知識，協助學生發展「理論導向」的設計製作方法，透過工程設計以及科學探究的歷程，培養問題解決及設計實作能力。研究發現，學生學習過程，能應用跨學科知識，針對特定主題進行設計與製作，兼顧數理等硬能力（Hard skills）和解決問題等軟能力（Soft skills），分享在教學的過程，如何進行知識探究，是發展較高層次的理論導向的工程設計實作活動的方法。(李隆盛、粘惠娟，2019)。因此課堂中學生能透過探究實驗、討論、實作原型等途徑，培養對於工程設計流程的認識，進而能應用工程問題解決的思維，解決生活中的科技問題，是這門選修課程設計的核心理念。

這裡以本校高中生活科技加深加廣選修課程「工程設計專題」為例，規劃設計STEAM跨領域專題設計製作的課程，期許學生能結合所學，整合知識、技能與態度，應用在實際生活化的設計情境中。學生設計製作與探究實驗的主題是「高壓空氣競速車」(圖1)，類似的主題在美國科技教育已有50年以上的歷史，也是目前世界參與人數最多的中學生科技應用競賽，可獲取的參考資源非常豐富，容易形成情境脈絡化的學習，達到STEM(STEAM)的教育理念，與新課綱強調的跨領域應用的素養教學。


圖1 高壓空氣競速車專題的跨領域(STEAM)知識應用架構

 課程規劃及學習策略

工程設計專題是新課綱生活科技部定的加深加廣選修課，目的是讓學生透過工程設計流程，包含：界定問題、蒐集資訊、發展方案、預測分析、測試修正、最佳化等，具體實踐設計製作產品的專題製作活動，藉此能夠理解分析工程設計與有效率的實踐設計問題解決能力的方法，下圖是課綱研修階段，對於課程規劃與實施方向的建議(圖2)。本課程以「車輛設計」為主題，讓學生學習運用科技工具(科學實驗儀器 數位設計工具)，進行STEAM跨領域的科際整合探究實驗，並透過電腦輔助預測分析，車輛原型製作，效能實驗，改善與測試等活動，學習工程設計的流程，及跨領域整合的設計思考素養教學。


圖2 生活科技加深加廣選修 工程設計專題 課程規劃架構

 工程設計程序與跨領域應用探究實驗

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。(圖3)


圖3 跨學科課程的工程設計概念圖
資料來源：范斯淳、游光昭，2016，頁171。

本課程用「車輛設計」的主題(圖4)，讓學生學習工程設計的程序與方法完成專題製作，並透過科學化的數位分析工具評估與測試設計效能，活動設計採用探究實驗的歷程，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，包括科學與科技應用的跨領域整合，提供學生自主與自我學習知識的應用，深化工程設計思考與批判思考的能力建構，培育學生的科技素養，並提供高中學生未來大學升學的試探參考。

 
圖4課程設計主題與學生作品

車輛設計除了考慮功能與美學藝術外，設計師需懂許多工程方面的知識；包括工程材料特性與其加工成型技術，動力機械與控制系統，車輛動力學與行車控制原理…等許多的工程設計知識。因此車輛設計是一個複雜且龐大的工程開發專案，需要團隊的專業分工合作與整合，並根據市場喜好和產品定位、成本等不斷修改設計。因此不是單純美學藝術的展現就能設計車輛，需要工程設計的嚴謹程序，經過評估效能後，才能開發成熟穩定的產品。本課程將車體結構與車身外型設計兩個基礎的車輛設計主題，依據工程設計程序和方法，規劃四個車輛設計的探究實驗。並依據工程設計各階段的學習重點，整合實際動手的學習活動，讓學生探索工程學與理論學科的關係和應用。(圖5)

 
圖5 跨領域設計思考與工程設計探究實驗

 實驗(一) 滑坡滾動阻力實驗

這個階段實驗是讓學生對於車輛設計的①界定問題與條件限制有基本的了解後，分析解決問題所應該思考的因素為何? 我們的條件是規範同一尺寸的車輛(長20公分，寬8公分，高10公分)，在相同的限制下，設計出最佳效能的車輛。設計的初期讓學生先②蒐集資料，藉由記錄車輛設計課堂筆記的方式，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，讓沒有工程基礎的學生，提供觀摩參考的設計資源，激發更多關於解決問題的想法，組織後續發展的學習鷹架。這個活動主題是讓學生能建構一個車輛實驗的載具，包括輪子與車軸底盤系統，學生可以設計不同的輪子大小和軸距的車輛，讓學生能透過探究實驗活動學習車輛動力學，並了解物理力學與工程學的關係。滑坡滾動阻力實驗室用最簡單的方法，測試車輛在滑坡道克服路面與其本身滾動阻力的條件下，能夠減少耗能達到運行的最佳效率。(圖6)

 
圖6 學生製作車輛的輪軸系統與滑坡道滾動阻力測試

學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼?

這個階段學生學習的重點是了解車輛行駛的滾動阻力來源，透過車輛重力位能轉換為動能的過程觀察，學習車輛設計在滾動阻力有甚麼要注意的地方。我們提供的底盤設計範例，學生能理解摩擦力在車輛設計有”控制”與”節能”的兩個矛盾與設計目標衝突的意義，需要平衡兩者，取其重點在設計決策當中。所有的工程設計都會有適切與平衡的考量，而各項細部條件的優劣，都會影響到最後的結果，所以讓學生理解最佳化在工程設計的程序當中，都是一個永無止境的挑戰。

學生怎麼做探究實驗？

學生主要是透過觀察滾動到下坡段，直行平面路段的滾動實況，判斷自己設計與製作的底盤與輪軸系統，是否符合基本的實驗需求條件。學生修正的部分是，如果有車行方向單側摩擦，能透過量測的方法，判斷輪軸平行度還是高度對稱性是否有問題。如果是滾不遠，會判斷是輪胎正圓度還是輪軸的預負荷空隙太緊。

學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？

初期學生對於機具使用與加工程序，尚未能符合這個強調精確度與品質的專題實作需求，教師需要給予技術與操作練習的引導，學生才能製作正圓度高，與摩擦損失小的輪軸系統，完成後續工程的探究實驗與設計思考能力學習。 先期製作一個基本的底盤載具，可以輔助後續設計製作，在車身與造型的空間與結構設計整體思考，尤其是對於空間理解能力較差的學生，不至於一切都仰賴在電腦3D建模的憑空想像，有個具體的形體，學生可以觀察與思考。這裡提供課堂學生動態的畫面來說明(圖7)，許多的學生必須雙手有實體，才能思考設計，提出合理適切的方案。透過觀察的學習是很直覺而且有效的，這也符合多年教學經驗的心得。

 
圖7學生透過實作與實驗連繫對科技的認知和應用能力

 實驗(二) 流體分析模擬實驗

這個階段實驗是讓學生先提出初步的設計構想與③發展方案，避免未來設計不良與時間上的浪費，活動採用電腦3D建模與數位分析的方式進行，透過軟體(Autodesk Flow)(圖8)將幾個自行設計的初步構想進行④預測分析。學生可以評估效能後在來後續的設計製作，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，這是工程設計在研發產品時的重要歷程，也是學生學習科學化的評估設計，和設計思考能力建構的關鍵步驟。電腦輔助工程（Computer Aided Engineering），主要用於模擬分析、驗證和改善設計。這裡學生要先完成車輛設計的3D模型，電腦才能用立體空間的數值，與物理擬真的環境進行模型的分析。圖(9)


圖8Autodesk Flow空氣流體分析軟體，可以預測分析車輛外型的風阻，顯示氣流的流線，讓設計者判斷外觀設計的空氣力學效能


圖9學生使用3D建模軟體設計車輛外型並進行空氣力學效能的預測分析實驗的畫面

學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼?

這個階段學生學習的重點是了解下面幾個概念
1.電腦3D模型可以轉換為空間的數值資料，透過電腦計算網格細分後的有限元素分析方法，依據設計構想的3D模型，推論預測分析的流體力學效能，評估設計構想的優劣。
2.流體力學的概念知識，對車輛車身的各部位壓力的影響，學會透過壓力分佈圖，判斷車輛左右側平衡穩定性。
3.透過空氣流線圖的分析，判斷車身造型的設計是否有重要瑕疵，與評估造型修改的策略。
4.實際觀察推導出來的空氣阻力值與車身的風阻係數，從幾個初擬的設計方案中選擇較佳的進入後面的工程設計程序，原型製作實際的模型。

學生怎麼做探究實驗？

這個階段會要求學生擷取四個測試實驗的圖表，說明觀察到的資訊有甚麼，並記錄在工程筆記中。目前的階段是設計方案的評估與預測分析，主要看學生提出修正的看法與最後決定的設計方案為何，評量學生的認知與判斷是否合理。

學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？

學生對車輛設計的概念知識不足，甚至有錯誤的理解與看法。教師需要在3D建模與工程預測分析前面階段，多介紹車輛流體力學的概念，並實際舉例說明，方能提高學生的理解與分析能力。這裡建議如下(圖10)所示，使用實際的3D模型案例到分析軟體，調整風速，開啟壓力與空氣流線模式，說明車身壓力的變化與物理的關係，當壓力變化對車輛操控性能的影響。


圖10 空氣流速 流線與3D模型表面的壓力變化分析

 實驗(三) 風洞車身阻力實驗

車輛外型設計有較好的空氣力學設計，除了有助於節能、降低噪音之外，更是增加行車穩定性與性能的重要方法，是車輛設計的一個重要環節。雖然前面階段3D建模與數位分析實驗，可以概略預測外型設計的效能，但是實際上空氣力學的理論頗為複雜，仍有科學未知之處，所以還不能全由電腦模擬，須製做模型經過風洞實際測試。這也是許多複雜工程專題的常見狀況，真實世界複雜變化與未知現象，受限於設計者能提供的條件與設計構想，難以憑藉數位的3D模型能夠分析判斷的，需要實體模型的驗證才更為準確。任何的工程專案研發過程，時間與資源都是有限的，我們在前一個預測分析的實驗後，讓學生對自己設計的幾個車輛中⑤選擇方案，減少嘗試錯誤的時間耽誤。這種透過科學數據後的權衡判斷，使整個設計問題解決過程具有效率，及系統性的思考，是學生學習問題解決能力的重要方法。整個工程設計的活動最終，學生要能依據設計方案，完成設計製作並真實的測試檢驗，所以⑥建模測試是讓學生實際測試，比較實際的狀況與預期結果的差異。尤其工程技術與材料應用，常是科技產品進化的重要動力，沒有真實的動手學習建模，是沒有辦法學習工程的應用層面，學習的內涵較為表面，學不到過程中的程序知識，就少了很多創造能力和解決問題能力的學習。(圖11)


圖11 學生製作的車輛外型和底盤結合後，在風洞中的空氣阻力測試

風洞（Wind tunnel）是一種產生人造氣流的管道，用於研究空氣流經物體所產生的氣動效應，是空氣動力學的研究工具，也是學生模型製作完成後效能檢測的工具。這裡我們自行設計製作了一個簡易的風洞教具(相關過程與製作方法於附件)，讓學生作品能夠進行科學化的檢測，後續車輛模型修正調整後也能檢核實際的效能，是工程設計課程實施的重要設備。圖(12)


圖12 學生車輛作品在風洞進行風阻值的實際量測

學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼?

這個階段學生重點知識的學習
1.了解氣流通過車身會因為氣流速度變化，而改變每個車身部位的壓力，對車輛行駛的穩定性造成影響。
2.風洞實驗設備，需要利用的整流與狹窄密閉通道的設計，方能提高風速，觀察與鑑別設計好壞。所以好的實驗設計，對於工程設計有重要的影響，並扮演關鍵因素。
3.可以透過一些流體力學的理論知識，例如寬德效應（Coandă Effect）設計車輛在高速行駛需要的改善方案，並透過風洞的煙霧實驗，觀察是否有效。

學生怎麼做探究實驗？

這個階段會提供下面這17個理論的設計原則(圖12)，讓學生透過風洞實驗的具體觀察，檢核自己的設計是否有甚麼不洽當，與需要調整的地方，初步提出改善的想法。


圖13 17個車輛外型空氣動力設計優化的原則

學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？

這裡會面對到兩種類型差別的學生，有消極與將就的，和態度積極尋求改善的。消極與將就的學生，會要求他們完成工程設計學習單裡的三個設計檢核與改善，提出想法與紀錄在學習檔案中。而態度積極尋求改善的學生，會提供更多資源與輔助製作工具，例如3D印表機，讓學生可以縮短重新製作需要的時間，並提高製作原型的品質。比較正向的具體成效會發現一些優秀的作品，如下(圖14)的作品，空氣阻力值量測數據很低，且模型的精緻度高


圖14高壓空氣競速車的風洞實驗

這個階段會是整個工程專題製作中需要時間較長的階段，會發現學生在學習態度與對其未來的是否適性的的教師角度觀察，如果是學生具體的學習成效，很難是即時性的，應該是比較長遠的，例如：

1.原型製作後的實際量測會和預測分析結果有落差，也可以發現許多細節沒做好會有不如預期的感覺，如果能觀察到實際製作原型的量測數據，與設計製作的關聯性，提出或實踐改善做法，就是重要的學習，尤其是棄而不捨的態度，更是理想的學習，更勝於知識面向。

2.原型製作後的風洞實驗學習，有許多材質與進階的加工程序，是讓學生學習製作品質提高的解決問題程序性能力，唯有透過實作與錯誤中精進，方能學習生活科技在實作的問題解決能力的提升。

 實驗(四) 高壓空氣推進測試

學生在製作完成作品之後，最後一個步驟是進行整車的效能測試，檢驗是否達到預期的目標。⑦評估修正是在測試與評估階段常會發現許多小問題，持續修正與改善作品的設計細節，是完成優良作品的必備條件，也是學習良好的工作是態度，這種精益求精的務實精神，是工程師應有的職業態度，可以在生活科技課程中透過改善作品的效能修正，讓學生學習良好的工作態度。⑧最佳化是在測試與評估的過程，可能出現構想的缺失，或者另外有改善設計構想的方法，例如實際在進行高壓空氣推進測試，學生會發現作品啟動的瞬間，通常會有飄浮難以控制的現象，可能需要像賽車的設計，需要增加空氣動力配件(輪拱 側流板 水平翼 尾翼…等)，改善高速情況下的穩定性，最終的效能才能趨於理想。實際於課程實施常常受限於時間，我們可以讓學生針對最終方案的分析與改造提供記錄，一方面記錄學習歷程的研發心得，也提供後續設計製作者參考。


圖15 高壓空氣推進測試實驗與最佳化改善

學生在此階段所學的跨領域知識是甚麼?

這個階段是比較綜合性的測試，學習的重點知識是在測試條件下，車輛動力學的歷程變化和車輛設計關聯性的理解。例如:
1.在發射初期是能量轉換，提供高壓空氣的作用力給我們的高壓空氣競速車動能，學生要能理解最高速度產生的時候，也是動能最高的時候。如何縮短能量轉換的時間，產生最高的加速度，在車重、作用力提供角度、噴射氣流的引導，輪軸底盤的設計…等，需要的工程設計思考。
2.車輛動力學的歷程後續是如何減少能量的損失，是車輛設計在滾動阻力和車輛空氣動力效能的最佳化改造，方能減少能量損失，快速達到競速的設計目標。

學生怎麼做探究實驗？

基於課程實施的時間有限，會避免學生用破壞性全面改造的方法，提供三個可以具體改善的原則，而不至於花費太多時間與資源的最佳化設計修正方向
1.底盤結構強化與輕量化
2.車輛行駛穩定性提升，主要是空氣動力套件的附加
3.車身輕量化與表面光滑處理

學生所面臨的問題及挑戰有什麼？教師要如何引導？

學生普遍上會對自己製作的成果不甚滿意，多數的狀況都是耐心不足，無法學會設計製作上許多動手製作的實作能力，也缺乏轉換概念知識到設計思考的能力。教師可以提供重做的時間與資源，給予有心學好與願意深入研究的學生。有關概念知識提高設計思考的部分，可以使用3D動畫，或在3D繪圖軟體內解說，輔助學生學習理解概念性知識和車輛設計的關係。


圖16 使用3D模型動畫說明科學的應用概念

 教學評量

專題設計製作是一個複雜心智歷程，在實際動手的過程中，運用技術性與實作性知識，並透過詳細計劃及構想，與選用適當的工具與材料來製作出作品。活動過程透過學習單的檔案評量、實作評量（工作態度檢核表、工具操作與材料選用檢核表）、作品標準參照評量（依活動目標與任務製訂標準）、紙筆測驗等四種評量。檢核表內綜合題型能夠看出學生對於所學的整合，包含知識的吸收程度與車輛設計的思維。

評量標準：

1.學習歷程檔案（界定問題、車輛設計課堂筆記、初步構想草圖、探究實驗紀錄與效能評估說明、選擇方案設計圖、製作步驟說明、問題解決紀錄、最佳化改善說明）（20％）

2.實作評量（工作態度檢核表、工具操作與材料選用檢核表）（15％）

3.紙筆測驗 (車輛設計認知評量)（15％）

4.作品標準參照評量 （50％）

 學生作品與課程分享資源

最後提供一些學生作品的照片，和課程設計與實施方式的課程資源網站，提供各位教學先進參考：


圖17 學生的車輛設計作品

 文章來源