工程設計取向 STEM 教學模組

依據第五節所規劃之 En-STEM 設計模式，本研究發展之 En-STEM 教學模組，主要包含三個 STEM 實作單元及一個機構玩具設計製作專題

（以下簡稱為「玩具專題」）。詳細的發展歷程說明如下：

確認教學目標

選擇適切的科技議題或科技產品之研發作為課程主題

本課程之主題選自於「特定工程領域重要基礎知識」，以機械與機電 工程領域當中基礎的「機構設計與應用」為主題。採用機構設計為主題 之原因，是因機構設計為工程領域相當重要的基礎概念，其設計歷程需 應用許多 STEM 相關概念知識，可做為學生未來進入工程領域的基礎。

本課程以專題導向的學習模式為主軸，透過專題活動引導整體課程及 STEM 實作活動的規劃，以協助學生了解機構設計相關之概念知識，並 能應用於專題設計與製作歷程當中。

確認 STEM 知識範疇

本教學模組以「機構設計與應用」為主題，其內容涵蓋日常生活 常見之機構，包含：槓桿、連桿、齒輪、凸輪、曲柄、繞性傳動機構 等。因機構非現行高中課程中常見的主題，因此為找出適合之知識範 疇，本研究於發展階段一教學模組時，便已針對機構學概念進行分析，

透過專家會議界定適用於高中階段的知識範疇（如圖 3-6 所示）。

圖 3-6. 機構學架構圖

而後，參照物理、數學、科技等學科之課程綱要，及階段一教學 實驗之經驗，並考量教學時數的限制，精鍊 En-STEM 教學模組中所觸 及的機構概念，並界定主要相關之 STEM 知識架構。詳細內容如圖 3-7 所示：

圖 3-7. STEM 概念知識範疇架構圖

確認課程預期達成的教學目標及學習表現

本課程之教學目標，聚焦於「強化學生 STEM 知識之連結與應用」， 依照課程主題，所規劃之具體教學目標及學習表現如下：

本教學模組預期達成的教學目標為何？

1. 學生將了解常見機構之種類、運動型態及功能。

2. 學生將了解機構設計所需應用的基本科學及數學知識。

3. 學生將了解機構在日常生活中應用的實例及其對工程發展的重要性。

4. 學生將了解如何運用工程設計流程，設計可動的機構玩具。

5. 學生將學習如何應用機構相關 STEM 知識，解決設計與製作過程的問題。

學生將獲取的知識與技能

構思引導學生學習的關鍵問題

哪項活動將展現學生的認知理解？

機構玩具設計製作專題

1. 學生必須應用本學期所學的機構知識（連桿、齒輪、凸輪、曲柄等），並使 用教師所提供之材料（木材、鐵絲等），自行設計並製作一個機構玩具。

2. 此機構玩具至少需能產生兩種不同型態或頻率的運動（如：上下運動、旋轉、

擺動、左右平移等）。

3. 製作過程中需填寫機構玩具設計學習單，並於評量時進行口頭報告。

4. 此項作業為單人作業。

哪些資料必須被收集，以呈現學生的學習表現？

需收集的形成性評量有….

STEM 實作單元之學習單：在各單元中學生必須透過探究式的實驗活動來學 習如何設計各種機構及相關的科學與數學原理，學生將透過學習單記錄其探 索、設計及實驗的過程。

機構玩具設計單：學生在完成機構玩具設計專題過程中需完成的學習單，主 要用於引導學生完成其機構玩具設計的歷程。

需收集的總結性評量有….

STEM 概念性知識測驗：STEM 概念性知識測驗為總結性的評量，透過前後 測的方式了解學生對於機構種類、功能、相關科學及數學原理等面向的學習 表現。

STEM 態度量表：用於了解學生對於 STEM 知識彼此之間的關連性的看法，

藉此了解本課程是否能幫助學生提升其對於整合性 STEM 知識的態度。

機構玩具作品：學生最終完成之機構玩具成品

專題口頭報告：學生於繳交機構玩具成品時，需透過口頭報告的方式說明其機 構玩具設計製作時的相關構想與解決問題的歷程，，以了解學生是否真正應用 科學及數學知識解決問題。

各項評量工具之評量面向與標準為何？

STEM 實作單元之學習單：主要評量面向包含「機構基本知識」、「探究實 驗」、及「挑戰思考」。

機構玩具學習單：主要評量面向包含「設計構想」、「概念知識應用」、及「可 行性預測」。

STEM 概念性知識測驗：主要評量面向包含「低階：機構基本知識」、「中 階：科學及數學概念應用」、及「高階：機構設計問題分析」。

STEM 態度量表：主要評量面向包含「興趣」、「自覺能力」、及「價值」。 機構玩具成品：主要評量面向包含「設計複雜度」、「機構完成度」、及「製作 精緻度」。

專題口頭報告：主要評量面向包含「構想與應用」及「問題解決」。

建構學習經驗

規劃學生將會經歷的學習經驗

依據可用的教學時數，安排適切的教學流程及學習經驗。並運用 WHERE TO 的原則檢視這些學習經驗是否能幫助學生達到所期待的 學習表現。詳細之學習歷程規劃如下：

如何安排有順序的教學與學習經驗，以達成預期的學習表現？

1. 以必要問題為引導，透過影片、圖片等多媒體的輔助，使學生了解機構與機 械在日常生活所扮演的角色，及在機械與機電工程領域的重要性。W, H 2. 說明並與學生討論整體活動流程（包含各實作單元及專題製作活動），使學 生了解課程流程、活動規範及評量標準。W

3. 進行各 STEM 實作單元學習活動，幫助學生建立必要知識與技能（包含機 構種類及功能的認識、科學及數學原理的應用、工具使用、工程設計流程等）。 E

4. 進行專題設計活動，引導學生回想之前各單元所學到的內容，從中發想玩具

週次 進度 工具 備註 7 齒輪測距儀單元二（探究實驗） 齒輪測距儀教學 PPT、

探究實驗學習單 8 齒輪測距儀單元三（挑戰活動）

9 曲柄及凸輪玩具單元一（概念講解與 實作、探究實驗）

曲柄及凸輪玩具教學 PPT

探究實驗學習單 10 全校性活動停課

11 曲柄及凸輪玩具單元二（探究實驗、

挑戰活動）

曲柄及凸輪玩具教學 PPT

探究實驗學習單 12 第二次期中考停課

13 後測、機構玩具專題說明 STEM 概念知識測驗

（二）

後測

14 機構玩具專題 機構玩具學習單

15 機構玩具專題 16 機構玩具專題 17 機構玩具專題

18 學生繳交成品，口頭報告錄影 STEM 態度量表 後測

發展教材內容

發展 STEM 實作單元

依據規劃之教學目標、學習表現、及 STEM 知識範疇，本研究發 展出三個 STEM 實作單元，包含：「槓桿秤」、「齒輪測距儀」、與「曲 柄及凸輪玩具」。各單元皆有其對應之主要科學、科技、及數學概念知 識，如表 3-4 所示。

表 3-4

理解、以學習應用機構相關概念知識。其中機構基本知識、探究實驗為

(eNGINEER)

 發展方案

具，說明不同類型槓桿的功能；而後藉由 3D 模擬軟體，模擬不同連桿 之運動軌跡。其次，進行探究實驗實作活動，先組裝槓桿秤模組，再測 量不同重量之木塊並記錄其刻度，以幫助學生實際了解力與力矩的變化，

及不同長度連桿的差異（如圖 3-8 所示）。在進階的挑戰思考活動方面，

則是要求學生思考如何改善槓桿秤之設計，以提升其測量精確度（如圖 3-9 所示）。學生之實作情形則如圖 3-10 所示。

探究實驗 挑戰思考

藉由測量不同重量的木塊，了解槓桿 原理與力矩平衡的應用。

練習運用不同機構零件，思考並嘗試 改造槓桿秤，以提升測量的精密度。

圖 3-8. 槓桿秤單元探究實驗實作活動 圖 3-9. 槓桿秤單元挑戰思考實作活動

圖 3-10. 學生運用槓桿秤進行木塊之測量與記錄

不同重量的木塊

記錄卡紙

（二） 齒輪測距儀單元

齒輪測距儀之設計，是教師先運用實體的教具，引導學生了解齒輪 比的概念，而後，運用 3D 模擬軟體說明不同種類齒輪之功能與運用方 式。其次，進行探究實驗實作活動，先組裝齒輪測距儀並量測轉盤每格 單位之真實長度（依照使用的齒輪比不同，各組會有差異），而後再測量 不同曲線的長度（如圖 3-11 所示）。在挑戰思考活動方面，則是要求學 生設計組裝進位齒輪，並思考不同齒輪比搭配可能產生的結果（如圖 3-12 所示）。學生之實作情形則如圖 3-13 所示。

探究實驗 挑戰思考

藉由使用齒輪測距儀測量並記錄桌面 上三種曲線（S 型、U 型、O 型）的長 度，了解不同齒輪比搭配應用的效 果。

練習運用不同齒輪的搭配，設計出特定 倍率的二進位輪盤，以提升測量的精密 度。

圖 3-11. 齒輪測距儀單元探究實驗活動 圖 3-12. 齒輪測距儀單元挑戰思考活動

圖 3-13. 學生運用齒輪測距儀進行曲線測量與記錄

（三） 曲柄及凸輪玩具單元

曲柄及凸輪玩具單元之設計，則是教師先藉由電腦 3D 模擬及實體 樂高模組之示範，介紹凸輪及曲柄相關知識，使學生對其機件組成具備 基本的理解，並藉由 3D 模擬軟體及影片動畫了解到曲柄及凸輪機構的 運動方式。而後，進行探究實驗實作活動，要求學生組裝凸輪模組，並 繪製不同形狀凸輪之運動軌跡，藉此了解不同凸輪可產生的運動模式

（如圖 3-14 所示）。在完成探究實驗活動後，學生進一步則進行挑戰思 考活動，透過曲柄模組的組裝，了解曲柄的運動方式、比較凸輪與曲柄 的優缺點、並進一步思考其他可能替代曲柄功能之機構零件（如圖 3-15 所示）。學生之實作情形則如圖 3-16 所示。

探究實驗 挑戰思考 藉由觀察並記錄由不同凸輪（凸輪 A、凸輪

B、凸輪 C）所帶動之從動件（指針）移動 軌跡，了解不同凸輪的應用。

比較曲柄與凸輪之優缺點差異；思 考並嘗試運用不同機構零件以取代 曲柄機構之功能。

比較曲柄與凸輪之優缺點差異；思 考並嘗試運用不同機構零件以取代 曲柄機構之功能。