科技領域機器人專題課程設計規劃理念

這次12年國教新課綱的變革，新加入科技領域的課程受到各界期待，其中機器人專題是新課綱高中加深加廣選修課的亮點，也是科技領綱中特別強調跨科跨領域整合的課程，未來會在高中學生學習歷程中，扮演重要的選修課程參採資料。機器人專題需要依據科技領域課程之基本理念規劃，希望能培養學生更深入探索機器人應用，整合應用科技知識與技能之能力，增進學生對科技領域學習興趣，以試探與發展未來生涯所需之科技專業知能。

課程是一系列有計畫的學習經驗，教學則是促進學習經驗有意義的活動。為了達成有效的教學，教師必須依據自身授課的需求，選用或編寫教學過程中可用的素材，以形成授課的教材；同時，運用有效的教學方法，將知識傳遞給學生，使其能產生有意義的學習。所以本文用高中學生程度，能自行設計製作機器人的角度來探討機器人專題課程規劃(圖1)，學習內容部分銜接新課綱科技領域高中必修的學習內容，用加深加廣的概念規劃生活科技在機電整合與機器人設計製作的聯繫關係，實際在臺北市立大同高中(以下簡稱本校)透過選修的方式實施兩年的課程實驗與修正改進過程，分享目前課程設計的經驗與實施成果。

圖1. 學生在機器人專題選修課學習設計製作機器人

體驗活動誘發機器人的應用創意與想像

機器人專題課程初始的階段，藉由學生初步接觸機器人科技應用的體驗(圖2、3)，導入創意與設計思考的探究，讓學生組織合乎邏輯的機器人科技創新應用想法，以未來機器人科技能服務人類的議題，提出對於機器人未來的可能性想像。教學上建議教師可以營造一個利於創意思考的環境，提供一些不同功能的機器人產品，實際體驗機器人操作或執行上的特點，引導學生在課程初期階段，能夠充分進行擴散性思考以激發創意構想，增加對後續實作課程的期待與學習興趣。

圖2. 學生體驗無人機的飛行狀況


圖3. 學生體驗居家看護機器人的使用方法

所以課程除了重視機器人的相關實作知能學習，在面對未來科技的發展的機器人創意應用，生活、人文與環境等社會的議題，是否有更完善的解決策略，或對現實科技仍不能滿足的需求，讓學生能提出自身觀點，並用3D擬真的動畫方式予以呈現。科技始終來自於人性，這個活動的目的希望引起學生對科技發展有期待也有想像，透過簡易的3D動畫的學習、逐格動畫與影片的編輯和3D模擬器的製作，增強學生的創意表達與溝通能力(圖4、5)。

圖4. 學生自行繪製機器人的3D模型


圖5. 學生自行建構機器人物理模擬器分析研究功能

系統化機器人機電控制能力的建構方法

從許多跨學科課程的內涵來看，無論是專題導向、問題導向或探究導向的課程設計，皆有一個共通的目標，即引導學生藉由設計製作的歷程，理解並統整相關的設計製作知識，使其所學習到的概念能和專題或問題產生連結，完成系統化的課程活動。本課程安排在本校的跑班選修課程實施，每週四上午固定安排兩個小時，學生需要在這有限的時間內，完成不同階段的課程任務。因此，引導學生了解機器人有關機電整合的物理力學、機構設計、感測技術、程式邏輯等知識，都在非常緊湊的時間內完成，需要有效能的教學策略。
如何規劃能有效幫助學生建構、整合、並連結知識與經驗之前導學習活動，是教材設計過程中的關鍵要素，因此在學生機器人專題製作前，規劃三個基礎探究實驗的活動(12小時)，讓學生將其所需之知識與能力拆解成為小型的學習任務，主要以馬達及程式控制設計方法為主題，建構學生所需機器人的設計知識、技能與實務經驗，後續再規劃進階的任務挑戰機器人設計製作的實作專題(24小時) (圖6、7)。這種藉由一系列的前導學習活動，可幫助學生按部就班的學習機器人設計與問題解決策略，避免學生在之後開放性的機器人專題導向課程中感到不知如何開始。

圖6. 機器人專題課程規劃


圖7. 學生進行馬達控制實驗的探究活動

自行建置容易學習與管理的教學輔具

機器人設計製作是過程相當複雜的整合型教學活動，學習的歷程除了要有固定的知識與操作技術，還要強調讓學生自行設計與發展機器人整合應用能力的學習，這樣才能算符合科技領綱理念的素養學習。所以教學輔具應該要能夠給予快速改造不同設計發展的空間，並使用普及性高，容易取得的電子控制元件製作，學生的學習才不至於限制在某個機器人固定模組的框架中。所以我們的教具是目前最多人使用的Arduino控制系統，搭配普及性高的馬達和感測元件，設計上與樂高的結構與機構零件結合使用，發揮其彈性組合與設計功能的廣泛性(圖8)。教具是在機器人機電整合實驗探究活動的階段使用，便於在兩個小時的小主題活動實驗調整與改造，不至於需要額外加工的時間調整構造，能快速引導學生有更多設計創意與機電整合能力的學習，作為輔助整合能力發展的鷹架學習機制。後續學生再發展自製的機器人應用作品，可以更為容易，學習成效也更好。

圖8. 教師自行設計的Arduino機器人教具模組與其應用方式

專題式教學培養自主學習能力

具體說，專題是一種複雜的任務行動，它是根據挑戰的問題或任務，提供學生機會在一段時間內自主從事相關的工作，由學生主動投入設計發想、解決問題、擬定決策或是研究行動，並完成實際的作品及成果發表。這裡我們用救災的需求概念，讓學生設計能遠端監控的機器人當設計主題，強調機器人能夠爬坡、越過障礙物、夾持物品與運送物資的功能。
學生在專題過程中的學習經驗累積，是教師課程設計重要的目標，可以針對重要的關鍵知識或能力規劃不同類型的學習單元，例如針對越野、舉伸或夾持功能的機構(圖9)，規劃小主題的觀摩學習，再分配可用的教學時間，讓學生自主設計製作機器人的活動能夠獲得延續。這些功能也是許多任務挑戰機器人比賽常見的項目，學生可以自行參考的設計資源非常的多，所以專題製作的初期不至於沒有參考的方向，容易形成典範學習的方式，藉由自主行動的學習機制，去引導學生後續機器人的專題設計製作。

圖9. 學生自製的機器人進行夾持、搬運、爬坡與越野的測試實驗

跨領域整合學習機器人的設計思考

臺灣高中課程長期以來以分科教學為主，使得學生很難將學校所學到的知識充分應用於日常情境的問題解決之中，這是現行教育體制長期的困境，要能充分實踐新課綱素養教學的理念非常不容易。所幸即將上路的高中新課綱提供高中課程更多的彈性，也鼓勵校內老師能跨領域開設課程，可以規劃更多能讓學生適性發展的選修課程，接軌世界主流國家教育的共同趨勢。這樣的跨領域整合概念在機器人教育中非常容易能具體實踐，尤其是讓學生學習自己設計製作一個機器人，過程中引導機器人設計需要的科學或數學知識，學生藉由設計製作的歷程，理解並統整相關的STEAM知識，學生學過的知識能和設計主題產生連結，相關的設計思考學習是整合性的能力，就需要應用許多學科知識和實作技能，這樣的過程中真實學習設計問題的解決方法。這次機器人專題是本校與臺灣師大科技系合作的高瞻計畫研發的課程模組，課程設計的實施強調跨領域整合，由自然科與生活科技科跨科合作，共同以救災為概念發展不同的課程模組，於國、高中部課程中實施(圖9)。課程設計榮獲科技部第三期高瞻計畫的許多肯定，包括高中高瞻課程組特優、國中高瞻課程組優選、高中學生成果組優選、高中教具設計組特優和高中教師教學組特優等獎項(圖11)。

圖10. 學生為APEC學者介紹自行設計製作的機器人


圖11. 機器人專題課程模組在科技部高瞻計畫獲得許多肯定

透過參加機器人比賽深化與延續課程的學習

任何比賽都是最學習成果嚴格的考驗，目前各界辦理的機器人比賽相當多，許多比賽與學生機器人專題課程學習內容相似，都可以列為學生課程實施後的課餘發展活動(圖12、13)。所以教學現場若是遇到願意參加比賽的學生，教師的責任應該都是願意提供更多的資源與空間，放手讓學生盡情地發揮，讓學生專題課程的學習，可以有機會獲得延續。此時對於學生的學習也不再只是有限的課程學習內容，可以深入到更多層面的學習，對於年輕有理想的同學，透過參加比賽可能會是改變其未來的重要歷程。這兩年學校機器人專題選修課程實施之後，每年都會有將近10餘名學生對於機器人比賽有興趣，主動表達參加比賽的意願，所以學校也專門設置一個小空間，讓學生可以課餘在這裡製作比賽的機器人，藉由參加比賽學生彼此的互動討論，精進學習機器人的進階設計製作能力，可以讓學生獲得許多機器人比賽的肯定。

圖12. 學生課餘參加機器人比賽的製作活動


圖13. 本校學生參加FRC機器人比賽獲獎接受總統表揚

結論

本文以高中學生機器人設計製作的學習需求為起點，透過進階的專題導向的設計製作課程，完成機器人設計實作能力的學習，引導學生針對工程領域能有更多元、深入的適性發展，達到科技領綱規劃機器人專題選修課的目標。課程設計強調對於機器人主題的應用探索與設計思考的學習，所以課程開始先進行3D建模與未來機器人科技應用的體驗活動，除了能提供後續設計想法表達與製作能力，也希望建構學生對機器人科技應用有較為宏觀的想法，不至於受限目前課程資源與教學設備的不足。接下來進入三個小主題系統性的機電整合探究實驗課程活動，作為學生設計與製作機器人的基礎能力建構，對於機器人功能機構的動力與控制能有實作能力，這部分是依據科技領綱加深加廣的延伸學習。課程最後以任務挑戰機器人設計製作的專題方式進行，讓學生能以自主探究的學習方式，整合機器人設計與製作相關知能的學習。課程活動規劃皆以較低成本的方式自製教具，便於學生學習與教師教學管理，希望提供能普及在各個學校選修課程的實施參考。