仿生設計的相關教學研究

1. TWA類比教學模式(Teaching with Analogies Model)

高淑芬和邱美虹(1998)認為類比的歷程應包含：從長期記憶中找出適合的類比 物(檢索階段)，然後將兩領域相似部分配對(對應階段)，最後應用對應的結果學習 目標領域的知識(學習階段)。對應是整個類比思考的核心過程。由此可知，仿生是 使用類比聯想作問題解決的策略。若從結構對應理論與基模歸納理論而言，仿生乃 是一種透過「結構相似性」以達成知識遷移的心智歷程。遷移是類比聯想中的關鍵 環節、對應是遷移時的必要機制，而結構又是影響對應的重要因素，因此，結構 (structural)、對應(mapping)、遷移(transfer)、匹配評估(evaluation)自然也就成為仿 類比中的重要關鍵步驟。

在運用類比的過程中應該注意類比物的選擇與呈現方式(presents)，選擇以學生 熟悉的事物作為類比物(source)，並應著重目標物(target)與類比物之間正確且整體 的對應關係及其限制(Gentner,1989)。然後，教師在進行類比教學時要適時地給予學 生引導和說明(Duit,1991)。當學生在進行類比聯想時需要一個互動的環境，透過小 組討論對話，讓學生自己思考，產生正確的對應，進一步組織、建構目標領域知識。

所謂類比物是學習者已擁有的認知結構或經驗。目標物是指類比中學習者未知 但想知道的知識。對應是將目標物與類比物做比較，把相似的的部分作一對一的配 對。圖形或模型呈現技巧是指類比教學的媒介以圖片、繪圖、模型的形式呈現，例 如海報、投影片或實物等。當科學概念抽象又無法以簡單的模型解說時，學生可從 投影片上圖解概念，產生具體的類比心象，引領學生從熟悉的概念領域(類比物)轉 移到不熟悉的概念領域(目標物)(盧秀琴，2005)。

由於類比的類型很多，依本研究的需要僅探討TWA類比模式。Glynn(1989)分 析 43 所學校(包括國中、高中和大學)的科學環境科學特定學域知識中使用類比的 情形，類比推理的實證研究及環境科學特定學域知識的編輯資料，發展出TWA類 比教學模式(Teaching with Analogies Model,)，引導教學者如何有系統的建構類比，

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作為學生解釋重要的科學概念時，使用教學策略上的指導方針。

TWA 模式包括六個教學步驟，本研究以蓮葉的自潔效應與奈米衛浴設備來舉 例：(1)介紹生物或科學概念：對已知的類比物概念適當的輔以圖片或模型加以說 明(蓮葉的自潔效應)。(2)喚起目標物的概念：以圖片、模型、討論或問答的方式讓 學習者了解目標物的概念(塗上奈米塗料的衛浴設備)。(3)指出目標物的屬性：說明 目標物的所有屬性(奈米大小、材質、結構…等)。(4)對應兩者相似的部分：說明類 比物與目標物之間的相似性(蓮葉與奈米之間的相似性)。(5)指出類比的限制：注意 類比物與目標物之間不相同之處以及容易混淆之處(蓮葉與奈米之間的不同處)。(6) 導出生物或科學概念的結論：結說明目標物的重要概念(奈米科學)。

2. 類比聯想模式(biomimicry design)

仿生學模仿生物的取徑，包括外表形態取向的模仿、顏色取向模仿、生物運動 取向模仿、群體行為取向模仿。若再以基模歸納理論、結構對應理論與學習遷移理 論的觀點來看仿生學則更為明確。例如：形狀類比(形態仿生)乃是觀察大自然的形 態，以形狀類比，發明出具體可用的事物。如看到魚擺尾的動作，發明了船的搖櫓。

結構類比(結構仿生)是經由已知事物的結構類比，找到類似結構的事物。如貝殼具 層狀堆疊的組織，層與層之間的強度較碳酸鈣更低，在貝殼承受外力時，破壞裂縫 會沿著層與層間移動，這種能量釋放的方式，裂縫較難快速傳遞，而使貝殼不易破 裂。陶瓷學者藉由這些觀察，模仿生物結構而製作的仿生陶瓷，有可能突破陶瓷的 脆性具有高韌性大幅改善陶瓷的性質(范賢娟，2014)。功能類比(功能仿生)是將一 種事物所具有的功能，經由類比而移植到其他事物上使用。仿蝙蝠而設計超聲波定 向。又如工程師因為觀察蛀木蟲會往堅硬的橡木樹裡鑽時，為自己建造前進的通道，

經由直線類比提出了潛盾施工法。行為類比(行為仿生)：在某種人類或動物的行為 中經由行為類比，引申解決現有問題的方法或創新的契機。例如電話信號在長距離 傳送時會減弱，而解決的方法的靈感則來自馬車驛站的傳遞過程，設置中繼站以加 強減弱的信號傳輸。如(圖2-7)所示，仿生設計螺旋(the design spiral)的設計步驟依

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序是：

(一) 辨識(identify)：列出欲被解決問題的特徵和設計概要。

(二) 轉換(translate)：將問題生物化，尋求來自自然界角度的設計概要。

(三) 觀察(observe)：尋找在自然界中可以解決該問題最優秀的生物。

(四) 擷取(abstract)：找出在大自然中可以達到目標的流程以及模範。

(五) 應用(apply)：以自然界中的模型發展出解決方法。

(六) 評估(evaluate)：是否達成符合自然法則的設計。

(七) 再辨識(identify)：發展並整理出從生命演化原則學習而得到的教訓，依此 成為一個循環。藉由設計螺旋的概念，從生物中尋求解答。

圖 2-7 Biomimicry 仿生設計螺旋流程圖

圖片來源：Biomimicry3.8 http：//biomimicry.net/about/biomimicry38/institute/

若將Biomimicry仿生設計螺旋流程圖，精簡說明則如(圖2-8)所示，包括：確定 要解決的問題、觀察生物(或生態系)、瞭解該生物(或生態系)特性、分析與歸納該 生物(或生態系)原理或機制、類推、應用、測試與取得實驗數據並改良、完成仿生 設計原型，發展成應用產品。

（一） 確定要解決的問題：

從紊亂的事實中客觀審視、分析並呈現問題。然後收集、整理相關資料，思考

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可能的問題並界定問題，欲被解決問題的特徵和設計概要。

（二） 觀察生物(或生態系)：

生物乃指設計者自然觀察到的生物。生物包含單一生物、群體生物、生物體上 的任一個部位，或者是生物世代等等。例如：獵豹、蟻群、鳥骨、豌豆世代、細胞 等等。

（三） 瞭解該生物(或生態系)特性：

在自然觀察該生物之後，該生物所表現出來的生物特性。包括：結構(structure)、

肌 理 (texture) 、色澤(color) 、偽裝或保護色(camouflage) 、擬態 (mimicry) 、共生 (symbiosis)、防禦(defensive mechanism)。例如：獵豹跑得很快、鳥可以自由飛翔、

蟻窩內的溫度可以保持恆定等。

（四） 分析與歸納該生物(或生態系)原理或機制：

生物機制即生物為何能表現出該特性的原因，例如：海豚皮膚組織可以減輕阻 力增加速度，高空鳥類中空的骨骼使體重變輕等等。但此原因可能只是達到該生物 特性的原因之一，或許還有其他的因素可以幫助達到該效果。

（五） 類推、應用、測試與取得實驗數據並改良：

量測生物所展現出來的能力，或者是將該生物機制加以應用後的結果，例如：

應用白蟻窩的生物機制後，所蓋出的房屋之溫度測量值為何，是否適合人類居住。

（六） 完成仿生設計原型，發展成應用產品：

在瞭解達成該特性之生物機制後，以實驗或其他方式評估其可行性，最後形成 的完整概念。此部分並不限定只能用在哪一個領域，而是一項達到某種效果。例如：

海豚的流線體型可以達到降低行進間阻力的效果，而這個方法不僅可以應用在船艇，

也可以應用在航空器上，但其主要的目的是不變的，流線的體型可以減低阻力、增 加航速。將該仿生設計之概念應用於某領域之產品

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圖 2-8 Biomimicry 仿生設計步驟圖 資料來源：本研究整理與繪製

(二) 仿生設計的相關教學研究

仿生學談創新也談設計思考，是一種以設計為導向的課程。除此之外，洞見 (insight)、觀察在設計思考的過程中，扮演極重要的角色。若要培養未來具有創新 能力且能夠跨領域合作的工程師。教師除了給學生專業知識之外，接下來要教學生 學如何運用觀察、發想與構思的技能，再從實作中不斷改良或是創新。因此，仿生 設計思考基本上就是一種觀察(observation)、發想(inspiration)、類比(analogy)、構思 (ideation)與執行(implementation)的探索過程。

Gardner(2012)以設計為導向的學習(design-based learning activity)，利用仿生學 的學科內容，培養學生的創造力(creativity)和技術創新，以解決新的科學問題的教 學設計。以教學實務分享之方式發表教學方法，例如：蓮葉表面的「奈米」結構所 造成自潔效應，來說明發明防污功能的玻璃、磁磚衛浴設備、衣服和奈米塗料等民

1. 想要解決生活 中的民生或環境 保護問題.

2. 從大自然找啟 發，自然觀察生 物（或生態系）

3. 瞭解該生物

（或生態系）特 性

4. 分析與歸納該 生物（或生態 系）機制 5. 類推、應用、

測試、取得實驗 數據並改良 6. 完成仿生設計原 型，發展成應用產 品以解決問題

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生用品等，依照這個案例來介紹仿生背景知識。接著，將學生分成4-5個設計小組，

並給每一組一套仿生配對圖卡，圖卡上分別畫上有仿生生物卡與科技產品卡。生物 卡顯示一種生物，然後在卡片的背面提供該生物簡短的結構或行為內容。技術卡則 顯示仿生科技產品的圖片，卡片背面一樣有提供該科技產品的簡短說明。接下來教 師說明配對卡的規則，有助於指向學生適當的配對。然後要求學生進行技術卡與生 物卡的配對，並要求學生提出口頭說明，他們是怎麼想出之間的配對關係，就像仿 生學家研究某種特定生物體而設計出仿生科技產品的過程。接下來學生接受以設計 為導向的學習，其教學步驟為：(1)定義一個問題或找出一種需要、(2)上網收集關 於當前解決方案的資訊信息、(3)檢視多種替代解決方案、(4)選擇和設計的最優化 的解決方案、(5)鼓勵學生實作一個仿生科技產品的原型。在這個大家一起參與的 活動中，每一位學生都可以針對自己的疑惑提出問題，這或許會有助於解決一些小 組所不能預見到的方案的潛在問題。

盧秀琴(2013)提出科學戶外教學的課程設計，包含從探討植物如何適應環境，

建構生物多樣性的認知概念開始，到「仿生學」中人類社會如何向動物學習以發明 機器，然後以親子昆蟲生態之旅來重新認識臺灣的生態環境，知道人類所面臨的環 境問題及因應解決之道；最後認識太陽能，並實地應用太陽能來煮食、計算節省的 能源和降低多少二氧化碳的排放，最終能學習使用自然能源以減少環境的汙染。當 進行科學戶外教學時，建議國小自然領域教師可以採用「動態評量」與「檔案評量」

建構生物多樣性的認知概念開始，到「仿生學」中人類社會如何向動物學習以發明 機器，然後以親子昆蟲生態之旅來重新認識臺灣的生態環境，知道人類所面臨的環 境問題及因應解決之道；最後認識太陽能，並實地應用太陽能來煮食、計算節省的 能源和降低多少二氧化碳的排放，最終能學習使用自然能源以減少環境的汙染。當 進行科學戶外教學時，建議國小自然領域教師可以採用「動態評量」與「檔案評量」