工程設計思考

第一節 工程設計思考

臺灣十二年國民基本教育課程綱要草案已訂定科技領域為必修學分，

強調導引國中教育注重創新思考潛能之啟發，培養程序規劃及流程執行之 能力(十二年國民基本教育課程研究發展會，2015)。高中階段則著重在「工 程設計」，強調藉由工程設計的專題製作活動，提供學生跨學科、STEM 知 識整合的學習，並藉此發展其在科技與工程領域的設計、創新、批判思考 等高層次思考能力（國家教育研究院，2014）。其中，工程設計能力是講求 手腦並用（hands-on and mind-on）、藉由活動導向（activity-oriented）、運用 專科教室（lab-based）並實踐知識（praxiological knowledge）等（國家教育 研究院，2014），同時善用工程設計及相關之電腦技術（如 3D 模型、電腦 模擬）以解決問題。故本節將就工程設計思考歸納出由淺而深的理論基

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礎，以期對工程設計思考的整個輪廓能有更基本且深入的認識探討及分 析。

一、 工程設計思考之理論基礎

何謂「設計」？就設計的本質而言，設計是一種綜合的造型活動，產 品則是一種日常生活器具，設計透過產品反應當時的生活型態、美學價 值、流行風尚、經濟發展與文化層面等。可見「設計」的意義會隨著出現 的脈絡而有所不同，很難予以單一定論。設計是所有人類活動的基礎，任 何行為的計畫與塑形都是朝著一個渴望、可預見的目標，並構成的設計的 過程（楊路，1972）。雖然設計一詞有許多的定義與派別，不同派別有其不 同的解釋，但許多設計師能製造出令他充滿自信的產品，但卻不一定能解 釋清楚這些產品是如何製造出來。因此，設計師必須藉由腦中所進行的設 計思考程序，經過發想、構思、執行的複雜過程，才能了解背後的知識體 系，學會如何思辨。Dym 等人（2005）指出「設計思考」的定義，認為設 計思考之概念性定義有五項：

（一） 發散與收斂的提問過程

設計是一個整合和解析的過程，設計過程中的每個步驟都會由各種答 案發展出來。工程師無論在研發技術或尋求解答時，習慣用理性的、量化 的思維模式去思考問題、解決問題，講求按部就班、循序漸進，因此，要

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求推論過程中的每一個步驟、階段之事物，都需接受嚴格的定義及推論正 確無誤（Dym, et al., 2005）。在設計流程的階段，需要不同的設計策略與方 法來運用，Jones（1988）將設計思考分為三個階段，以「發散」、「轉變」、

「收斂」區分為三大類別：（1）發散思考（divergent thinking）：以不同的角 度與方向加以思考進而產生新的構想，目的在於打散或破解原來的綱要，

構想無限擴大發散出無數個方案；（2）轉變思考（transformation

thinking）：目的在於彙整資訊，透過資訊所傳達之意象或內涵藉由創意聯想 轉變構想的元素；（3）收斂思考（convergent thinking）：目的在於將眾多的 設計構想方案藉由各學理方法將其精簡至符合使用方案。

運用發散－收斂的思維來假設工程問題的框架，事實上，以此種推理 問題的方式來進行設計的開頭，已經被證明與培養學生的學習能力呈現正 相關的效果（Dym, et al., 2005）。因此，如何形成“問題”顯然成為設計思 考的一個重要流程，完成一個設計並非單純的描述、呈現設計方法，而是 於設計過程中，表達腦中思考的內容。

（二） 思考有關系統思維

系統思維，是問題探究及日常作業中都常用到的探索途徑與思維取 向。尤其，當面對著複雜多變的待解問題時，作業者能否適切地藉系統性 思考以綜觀全局、沿波討源，常成為能否成功解題的關鍵（陳可恭，

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2002）。當然，在科技教育上，系統概念的建立與系統分析能力的培養，就 更顯重要了。例如，就以我國最近所推行的「十二年國民教育課程」而 言，每個國家採取不甚相同的科技教育之實施方法，嘗試將科技教育與工 程教育進行綜合，旨在透過 STEM(Science, Technology, Engineering, & Math) 的科技課程尋求發展新知識，融合 STEM 學科概念的設計與探究，帶領學 生針對性地達成活動的方針（國家教育研究院，2014），則系統概念的重要 性，誠不言可喻。此外，許多大專院校創立了專業的系統設計、系統工程 及相關領域的課程（Ng, 2004），而針對工程設計思考過程中常遭遇的問 題，Dym 等人（2005）等人提出設計思考系統方面的具體論述：

1. 思考系統動態學（thinking about system dynamics）

系統動態學（System dynamics）又稱為系統動力學，是美國麻省理工學 院教授 Forrester 於 1956 年所提出，具有擅長處理週期性問題、在數據缺乏 的條件下仍可進行研究、擅長處理高階與非線性具時間變化的問題等特色

（蘇懋康，1988）。一般而言，系統思維在問題解決上之應用，主要包含兩個 進程的交互為用，包含尋找系統「輸入」、「結構」與「輸出」之間的基礎關 係，又稱為順向演算，如圖 2-1（A）；另一方面，由已知的「輸入」配合順 向演算的背景理論，以逆演可以擬合「輸出理論值」與「輸出觀測值」的「系 統結構解」，又稱為反向演算圖 2-1（B），而結合此二進程反覆操作，便能不 斷地進行問題解決的活動（張瓊、于祺明、劉文均，1994）。

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圖2-1 （A）順向演算；（B）逆推系統結構

資料來源：張瓊、于祺明、劉文君（1994）。科學理論模型的建構。臺北市：淑馨出版社。

然而，晚近由於系統分析能力的提昇及系統觀的改變，人們已逐漸意識 到：有許多現實世界的系統運作（像全球變遷、經濟改革等），其因果並非單 純的線性關係，而是以複雜、渾沌、非線性的動態機制呈現（陳可恭，2002）； 因此，Doyle（1997）提出了一個有效提高系統動態思考的研究，以系統思考 來解決動態複雜性的問題，亦即提升工程設計之思考。從系統中思考物件之 間相互作用的連結性、推理性，達成有效推理簡單系統的動態，而該研究後 來實施於工程教育的課程訓練中。

2. 處理不確定性（reasoning about uncertainty）

由於工程設計是由不完善的訊息模型及模稜兩可的目標所組成，所以有 時不確定因素的影響反而會更加突出（Dym, et al., 2005）。在工程行為甚至更 廣泛的人類行為領域中，「不確定性」（uncertainty）均被描繪成人類行為狀態 的必要特質（Anderson, 2006），我們的生活中充滿著不確定的事物，而其中 的模糊、疑惑與難以抉擇性，反倒能引起新觀念與新想法的產生。在工程研 究的範疇，不確定性與工程建構過程的機動性相關，例如Sweeney & Sterman

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（2004）提出：設計者在參與設計時，對問題及其解決方案會發現自己某些 部份知道與某些部份不知道，而填補這一裂縫的正是學習過程。更進一步對 於工程設計的課程上支持相關主張，他們認為工程設計思考的教育路上，課 程內容至少應該要包含：（1）概率統計課程；（2）分析不確定因素的工程課 程；（3）更強調實作設計活動；（4）考慮不確定的技術選修和人文課程。

工程的不確定性依據問題解決階段而面臨不同的情境。Atman 等人（2007）

提出符合工程程序課程教學的「工程設計活動流程」（詳第二章第一節），而 將問題解決過程區隔八個階段：定義問題、搜尋解決問題的資料、產生構想、

進行建模、分析可能性方案、評估方案、做出決定及與團隊溝通。在每一個 階段中都會遭遇不同的不確定性，該工程設計模式提供工程問題搜尋相關研 究之理論架框，作為觀察各個階段之不確定程度。

3. 進行評估（making estimates）

系統設計常面臨的一大挑戰，即是隨著變數及系統因子的相互作用增加，

同時也超出了設計者掌握系統細節的能力（Dym, et al., 2005）。在工程設計評 估可行方案與問題中，可以透過訓練設計者選擇有效的數值，學會推定相近 的物理參數，則能更容易達成系統設計的設定目標，然而，工程教育目前雖 強調了複雜的精算方法，卻沒有教導估算近似值的相關技能（Linder, 1999）。 工程設計思考的教學方式與課程設計之存在目的，便是在建立一個完整的系 統評估架構及項目，並決定各評估項目之權重，使得學習評估工程設計所遭

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遇的問題更加準確與改善推估近似值的能力。

4. 進行實驗（conducting experiments）

系統的設計很少會完全運用基本的科學原理的達成目標，在大多數的 情況下，系統的設計也需要使用一些經驗值的數據和實驗。因此，教導學 習工程設計的學習者實驗與研究，能使他們具備工程設計及實驗執行，以 及分析與解釋數據之能力。Box 和 Liu（1999）認為工程師還必須利用物 理的數據以及模型的實驗來學會演繹和歸納的過程，達到有效地規劃和分 析實驗的結果，及利用工程模型和實驗研究來達成工程設計的最終目的。

（三） 做設計的決定

設計工作是不斷作決策的過程，而決策的依據則在資訊的完整與設計 問題的發現。如何培養與取得設計和工程的知識呢？Hazelrigg（1999）曾 提出“為了使工程設計產生最佳的結果，設計的過程中可能需要培養對於 數學能力的基本認識；由於，工程設計是一個包含許多密集的做決定過 程，尚需要學習其他領域，如經濟學的決策理論”。該學者認為最佳解決 方案的概念來自經濟學，特別是在多重目標間理性選擇的問題，所以，是 找幾個可能的方案，而不只是一個標準答案，是充分而非必要的邏輯條 件。Cony 等人（1990）曾探討設計知識之間的連結性概念在設計問題中的 應用，在設計的過程中，設計者常藉由泡泡圖（bubble-diagram）的方式去

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呈現設計知識（包括物件與關係），此種圖像化的類比（diagrammatic analogy）方式，呈現設計知識的方式乃以符號（或稱物件），與符號間關係 為主要的構成元素；其強調圖像連結性的資訊（connectivity information），

呈現設計知識（包括物件與關係），此種圖像化的類比（diagrammatic analogy）方式，呈現設計知識的方式乃以符號（或稱物件），與符號間關係 為主要的構成元素；其強調圖像連結性的資訊（connectivity information），