工程設計問題解決與 STEM 知識應用之關鍵

從前述之專題作品分析中，本研究發現學生所採用之機構設計複雜 度與難度有相當大的差異。在有限的實作時間內，影響學生選擇不同機 構設計之因素為何？學生作品設計之複雜度，是否與其作品之完成度與 精緻度有所關連？選擇不同設計複雜度的學生，其工程設計核心能力是 否有所差異？而學生機構設計與問題解決表現，又是否能連結到前面課 堂所學的機構 STEM 概念知識？

為深入探討以上問題，並使資料分析之結果更能具體反應學生之學 習表現。以下，本研究將學生機構玩具之「設計複雜度」視為類別變項，

依據學生專題作品之設計複雜度分為 3 組，深入剖析不同類型學生之表 現。其中，使用三個以上機構的為高設計複雜度組別、使用兩個機構的 為中設計複雜度、而低設計複雜度則僅使用一個機構。各組學生之得分 概況如表 4-8 所示，各評量項目之分析如後；同時，輔以質性分析的角 度，探討其機構 STEM 知識應用及問題解決表現之連結。

表 4-8

不同設計複雜度組別成績比較表 設計複雜度 評量項目

高設計複雜度 N=19

中設計複雜度 N=72

低設計複雜度 N=12 M (SD) M (SD) M (SD) 機構概念知識測驗 (後測總分) 53.37 (11.46) 56.46(14.31) 52.25(10.82)

機構基本知識 14.95 (4.40) 15.33(5.02) 15.67(4.33) 科學及數學概念應用 18.74 (6.40) 18.33(5.69) 16.33(5.77) 機構設計問題分析 19.68 (8.03) 22.79(10.27) 20.25(8.44) 工程設計核心能力 (平均分數) 4.46 (.60) 3.20(.86) 2.08(.77)

機構完成度 4.68 (.67) 3.53(1.21) 2.42(1.00) 製作精緻度 4.74 (.65) 3.42(1.12) 1.83(.83) 構想與應用 4.32 (1.00) 2.85(.71) 2.08(.79) 問題解決 4.11 (.88) 3.04(.98) 2.00(.95)

以設計複雜度分組之機構概念知識測驗成績分析

由前述第一節之分析可知，整體學生於機構概念知識之前、後測成 績有顯著的提升。然而，由表 4-8 之歸納可發現，當依據學生之設計複 雜度進行分組時，後測成績最高之組別卻是中設計複雜度的組別，其次 方為高設計複雜度組，而低設計複雜度組則略低。然而，在教學實驗前，

三組學生之機構概念知識程度是相近的，高設計複雜度組之前測成績為 44.47、中設計複雜度組之前測成績為 41.50、低設計複雜度組則是 38.17。

各組前測分數之間由 ANOVA 檢定來看，未達顯著差異（F=1.15、 p > .05）， 如表 4-9 所示。

表 4-9

以設計複雜度分組之概念知識前測 ANOVA 分析摘要表

平方和 自由度 平均平方和 F 顯著性

組間 298.70 2 149.35 1.14 0.32 組內 13046.40 100 130.46

總和 13345.11 102

在教學實驗後，在三個組別中其各自前、後測成績的進步幅度皆達 顯著差異。然而，透過 ANCOVA，以前測為共變數進行分析，則各組之 前的後測成績未有顯著差異，其 F(2, 99) = 1.01、p = 0.37、效果量 r = 0.02，如表 4-10 所示。

表 4-10

以設計複雜度分組之概念知識後測 ANCOVA 分析摘要表

Source SS

df

p

前測分數 2318.08 1 2318.08 14.49 0.00 組別 321.63 2 160.81 1.01 0.37 Error 15836.97 99 159.97

更進一步來看，圖 4-2 為各組前、後測成績之盒形圖（亦稱盒鬚圖）。 盒形圖中的長條形呈現資料的中間 50%部分，兩端分別為下四分位數及 上四分位數，中間的黑色橫線為中位數。上下延伸的線條頂端分別為最 大值與最小值，黑色點則為離群值。

高設計複雜度 中設計複雜度 低設計複雜度

深色：機構概念知識 前測成績 白色：機構概念知識

後測成績

圖 4-2. 不同設計複雜度組別機構概念知識成績

由圖 4-2 可以看出，高設計複雜度之學生其機構概念知識整體表現 與中設計複雜度學生相近，但存在有少數後測成績偏低的學生。中設計 複雜度組之機構概念知識後測成績分散情況相當明顯，最高分與最低分 之學生皆在此組別之中，顯示此組別學生之機構概念知識程度差異較大。

再看設計複雜度低的學生，其整體成績變異幅度較小，多數學生成績偏 低。然而，整體來看不同設計複雜度組別之基本機構概念知識程度應是 相近的。

但若回頭檢視第二節表 4-7 的分析結果可以發現，機構概念知識測 驗得分較高的學生，其玩具專題整體表現應是較佳。由此可見，學生之 機構概念知識雖會影響其玩具專題表現，但尚有其他重要的因素影響著 學生的專題表現。

以設計複雜度分組之玩具專題成績分析

其次，由各組玩具專題之「機構完成度」、「製作精緻度」、「構想與 應用」和「問題解決」等面向來看，如表 4-8 所示，機構設計複雜度越 高的學生，其整體機構完成度及製作精緻度之得分都越高。為進一步確 認各組之間的差異，本研究運用 ANOVA 分析與事後比較，以了解各組 之分數是否達顯著差異，其結果如表 4-11 所示。再經由事後比較可知，

高設計複雜度的組別，其各項表現都顯著優於中、低複雜度的學生；而 中設計複雜度的組別，則是顯著優於低複雜度的學生。

深入來看，高設計複雜度的學生，其機構完成度及製作精緻度都在 4 分以上，代表所完成之作品多數加工精確，且能順利運作。另一方面，

從口頭報告的得分也可看出，製作複雜度較高之機構的學生，其對於設 計概念與機構原理的說明也越詳盡，代表其確實了解各種機構所能產生 運動方式；同時，亦能確實解決製作過程中所遭遇的問題，方能實踐其 設計構想。

反觀選擇製作難度較低之機構的學生，其成品的精緻度與完成度反 而較差。由機構玩具作品之得分可知，低設計複雜度的學生，有半數的 機構玩具無法順利動作，製作亦較粗造。由口頭報告之分數亦可發現，

其對於設計概念與機構原理的說明也較差，且多無法解決製作過程中所 遭遇的問題。

表 4-11

言，凸輪為學生最常採用的機構種類，其次是搭配連桿之凸輪連桿組，

再者才是齒輪組的運用，此外，尚有少數學生應用橡皮筋做為輔助連桿 運動的動力來源，或是運用搖桿製作出曲柄裝置。

表 4-12

設計複雜度分組之統計歸納表

設計複雜度 該組作品中運用的機構種類(次數)

凸輪 凸輪連桿 連桿 齒輪 曲柄 其他

高設計複雜度 17 11 0 12 1 5

中設計複雜度 71 8 3 0 0 1

低設計複雜度 12 0 0 0 0 0

總計(N=103) 100 19 2 12 1 6 註：每位學生所設計的機構玩具可能運用到 1 種以上的機構。

（一）高設計複雜度的作品分析

由前述分析可知，高設計複雜度的學生能活用凸輪、凸輪連桿、及齒 輪等不同機構進行組合與傳動，同時亦會應用橡皮筋等其他材料提供不 同的動力來源。以圖 4-3-1 的學生作品為例，此作品主題是製作一台火 車及一個號誌燈，其機構設計概念是藉由凸輪帶動號誌，並運用齒輪帶 動火車，其中垂直的齒輪為自行設計之零件，僅保留三分之一的輪齒以 產生間歇運動的變化，使其火車之轉動可與號誌配合，在號誌升起時火 車停止轉動，而號誌下降時火車轉動。

圖 4-3-1.

圖 4-3-2. 圖 4-3-3.

圖 4-3. 高設計雜度機構玩具作品範例

觀察高設計複雜度組之作品可發現，這些學生所設計的機構玩具皆 有獨特的故事性，且玩偶之間的動作多是有意義的互動，需透過機構運 動時序或特定運動方向的控制方能達成。如學生所述：

問：這個機構玩具呈現的動作有哪些？應用的機構種類（原理）有哪些？

學生 A（圖 4-3-1）：就是轉的時候（火車）轉一下會停一下，然後跟號誌的動 作會配起來，應用到了凸輪跟半圈的齒輪。

學生 B（圖 4-3-2）：有用到就是齒輪、然後凸輪。齒輪是讓這個球可以左右移 動，然後凸輪是讓皮卡丘上下動，另外還有連桿。

學生 C（圖 4-3-3）：就是有用到連桿，就是假如這個是凸輪（左手握拳），這邊 用螺絲釘鎖了一根連桿（右手食指動作），然後凸輪在轉的時候，連桿上面套 鐵絲，玩偶就會一直上下還有前後擺動。

由學生的口頭說明可以發現，這些學生對各種機構之功能應有清楚 的理解，方能靈活的運用不同的機構進行搭配組合，甚至自製較為獨特 的機構零件。換言之，高設計複雜度組的學生雖不一定在測驗上能取得 高分的成績，然而在投入專題的過程中，仍然展現出了較佳的知識應用 與發展方案能力。

同時，當這些學生遭遇問題時，其解決問題的想法亦較為靈活，而較 不會受限於教師所提供的範本或材料。此外，在口頭報告的過程中，也 可以明確的說出希望能再改善的部分，並提出可行的方案。如學生所述：

問：在製作過程中遭遇最大的問題為何？解決的方法為何？

學生 A（圖 4-3-1）：就是齒輪有時候會很卡，然後凸輪有時候也會很卡。需要 上蠟，然後調整位置。

學生 B（圖 4-3-2）：就是比如說，像這樣垂直的齒輪，一開始就是會卡卡的，

轉不起來。然後就是皮卡丘太高，會撞到球，所以就是用這樣（彎折的鐵絲）

往後再往上，才不會卡到球。然後一開始不知道怎麼讓東西左右移動，我就

去問老師，老師就給我一個連桿，然後說教室後面有一個類似的範本可以參 考，我就參考那個做出來。

學生 C（圖 4-3-3）： 就是凸輪的角度太大，所以在轉的時候會導致連桿一直撞 到上面，就會卡住，所以我就把桿子鋸短，就比較不會卡。

問：這個機構玩具是否還有待改進的地方？你認為可以如何改進？

學生 A（圖 4-3-1）： 可能可以做兩台火車，然後就轉兩圈。

學生 B（圖 4-3-2）： 就是本來希望球到最右邊的時候，右邊的皮卡丘可以蹲下 再起來，然後如果還有時間，我會想研究一下怎麼樣把這個弄到最好。

學生 C（圖 4-3-3）： 我會把凸輪的角度設計的比較不那麼陡，就是讓他比較平 緩，然後他前面尖尖的地方比較短，就會比較平滑。

在參與觀察亦中發現，這些設計複雜度較高的學生大多願意主動花 費較多的時間投入製作。其中，許多學生都曾利用課餘的時間至生活科 技教室製作機構，在遭遇問題時亦會較積極請教教師或同學，對於機構 設計專題展現出明顯的學習興趣與動機。

在參與觀察亦中發現，這些設計複雜度較高的學生大多願意主動花 費較多的時間投入製作。其中，許多學生都曾利用課餘的時間至生活科 技教室製作機構，在遭遇問題時亦會較積極請教教師或同學，對於機構 設計專題展現出明顯的學習興趣與動機。