工程設計歷程的分析

本節主要分析學生是否經歷工程設計歷程，工程設計歷程可分為確 認需求、定義問題、蒐集資料、產生想法、建構模型、可行性分析、

評估、溝通與協調、實踐等階段。不論是實驗組或控制組，學生僅知 曉要製作一台乒乓球發射器，及比賽場地與規則的規劃，是否因教材 的不同自然發展出每個歷程正是本研究的重點，其中學生的回饋是在 課程結束後以活動單搭配教師問答而得。

一、 確認需求

在此階段中，學生應要在製作前明確訂出欲製作的乒乓球發射器需 要擁有哪些功能，而後根據這些功能發展出不同的機構設計，以利規 劃加工的程序與方式。以下主要由「控制組」與「實驗組」來分析學 生在此階段的思考情形。

(一) 控制組：於「確認需求」步驟中，了解學生是否定義欲製作之 乒乓球發射器的功能，如以下紀錄。

管口能調整角度，可以旋轉，可以控制發射的遠近。(S01_1109_01) 想過上下左右調整，還有調整角度。(S01_1109_03)

我們想要讓檯面能旋轉，然後可以升上去降下來。(S01_1109_04)

在此階段可以歸納出，控制組的學生約有35%的組別經歷過

「確認需求」的階段，其中可分為調整發射器的角度(S01_1109_03 等)、高度(S01_1109_04等)、射程(S01_1109_01等)。

若學生有經歷過此歷程，就等同於有了確切的目標，也是想為 自己的作品帶來更多的變化，如此一來在後面的階段針對材料的使 用、機械結構的設計就會更明確，如要旋轉會用到螺絲、螺帽，要 調整高度可以利用木釘製作卡榫等。不過也有一部分同學並沒有思 考這麼多，打算做出一台有發射功能的機器就好，如以下紀錄。

本來有想要調整高度，但是不會做。(S01_1109_08) 想要可以調整角度，可是最後沒做出來。(S03_1109_01)

有17%的學生因為生活科技的知識與技能尚不足以支持製作的 想法，雖然在一開始有思考過發球機是否要有額外的附加功能，但 最後都作罷。

(二) 實驗組：於「確認需求」步驟中，了解學生是否定義欲製作之 乒乓球發射器的功能，如以下紀錄。

只要能投出去就好，然後自己把球投出去之後又可以接回球。

(S05_1110_01)

我們想要觸控操作發射，並讓機器人能夠自動校準。(S05_1110_10) 有確定它需要能投球，上下運作擺臂、前進的功能。(S07_1110_05)

在此階段可以歸納出，實驗組的學生有80%的組別經歷過「確 認需求」的階段（排除未經歷以及答案與功能性較無關聯者），其 中可分為移動(S07_1110_05)、自動回收球(S05_1110_01)、感應器 遙控(S05_1110_10)

。

(三) 比較：

發球及收臂、收球與撿球。(S05_1110_06)

我們想要做放桌球的小平檯，還有長長的手臂。(S07_1110_09)

兩組學生在此階段僅知道他們最終目標是做出一台乒乓球發射 器。實驗組學生使用樂高積木組合乒乓球發射器，這樣的材料限制 反而使他們知道該如何著手進行機構的設計(S07_1110_09等)，同時 樂高積木的眾多功能性讓學生了解到不論是要移動或是旋轉都是可 行的，甚至還可利用馬達製作自動回收球的裝置(S05_1110_06等)，

因此在作品的定義歷程就容易自然產生。

控制組學生一開始的材料是木板、木條、螺絲、馬達等，要在 腦中將材料組合並把功能規劃出來，需要參考資料或範例，較不直 覺，此歷程的自然產生比例也就較少。

在量表上，這項歷程是不具顯著差異的，其原因可能是評量方 式不夠多元、不夠適切所導致。

二、 定義問題

在此階段中，學生需要思考納入上一階段所定義的功能，是否會在 設計與製作帶來困難，由於與上一階段有所關聯，若無經歷「確認需 求」階段，則不會經歷此階段。以下主要由「控制組」與「實驗組」

來分析學生在此階段的思考情形。

製作過程中，預想的功能會不會帶來什麼困難，如以下紀錄。

如果要做這些功能，時間會不夠，而且不太清楚怎麼做。(S01_1109_01) 不知道怎麼精準確定螺絲的位置，還有固定。(S101_1109_02)

比較麻煩，而且不知道該怎麼做。(S01_1109_03)

在此階段，可以歸納出，控制組的學生約有29%的組別經歷過

「定義問題」的階段，其中可分為時間不夠(S01_1109_01等)、技術 不足(S101_1109_02等)。

腳架會不穩，加橫桿應該可以解決。(S03_1109_03)

有學生並沒有思考額外功能，但針對課程一開始設定要製作的 部件，即發射管與腳架進行思考(S03_1109_03)，因發射時會有後座 力，計分器也有高度，腳架若不夠高、不夠穩，就無法穩定進球。

(二) 實驗組：於「定義問題」步驟中，了解學生是否思考在設計與 製作過程中，預想的功能會不會帶來什麼困難，如以下紀錄。

程式要能寫得出來。(S05_1110_03) 找不到零件穩固擺臂。(S05_1110_07)

手臂太重，投擲力道太大會破壞結構。(S07_1110 10)

在此階段可以歸納出，實驗組的學生有75%的組別經歷過「定 義問題」的階段，其中可分為對樂高零件不熟悉(S05_1110_07等)、

程式撰寫困難(S05_1110_03等)、結構設計的困難 (S07_1110 10 等)。

要能自動校準角度，會很難測量角度。(S05_1110_10)

其中也有部分同學提出的構想遠遠超出課程所學能應付的狀況 (S05_1110_10等)，例如機器人要自動回收球再將球丟出，雖然競賽 等級的選手應可做到，但學生在機構、程式上的知能都不足以應 付。

(三) 比較：

大部分的人在腦中閃過構想時，通常會思考可行性與困難點，

或許有少部分的人並不會特別去思考，但可以確定的是若沒有特別 進行構想的動作，這個階段也就不會產生。控制組學生除了材料，

可能還需要認識機具與五金零件，不確定性較高，可能是導致學生 自然進入此階段比例較少的原因；而實驗組在上一個階段比例本就 比控制組多，自然進入這一階段的比例自然也較高。另外實驗組所 用的所有工具及材料就是樂高與電腦，需要掌握的部分較少，這可 能是實驗組與控制組在此階段有顯著差異的原因。

三、 蒐集資料

在此階段中，學生需要回答是否有參考外部資料以利進行設計與製 作，且參考了哪些外部資料。以下主要由「控制組」與「實驗組」來 分析學生在此階段的情形。

(一) 控制組：於「確認需求」步驟中，了解學生是否參考各界資 料，以利作品設計與製作，如以下紀錄。

老師上課投影片給我們看的。(S01_1109_01) 我們有上網看造型。(S01_1109_03)

老師上課發的講義。(S01_1109_09)

有上網看過發球機的成品。(S03_1109_06)

在此階段可以歸納出，控制組的學生約有59%經歷過「蒐集資 料」的階段，其中分為教師的講義(S01_1109_09等)、上網

(S03_1109_06等)。

若學生有經歷此階段，表示其有認知到搜尋外部資料可以協助 自己作品更加進步，也可以克服些許遇到的問題，即是問題解決能 力的展現，在工程設計中也是相當重要的一環。

(二) 實驗組：於「蒐集資料」步驟中，了解學生是否參考各界資 料，以利作品設計與製作，，如以下紀錄。

參考LEGO本子。(S05_1110_05)

我們有成員負責蒐集資料、書上資料還有其他組的做法。(S05_1110_06) 網路。(S07_1110_03)

到測試區看同學做好的作品的樣式及功能。(S07_1110_05)

在此階段可以歸納出，實驗組的學生約有85%經歷過「蒐集資 料」的階段，其中可分為參考樂高手冊(S05_1110_05等)、上網搜尋 資料(S07_1110_03等)、參考同學成品(S05_1110_06等)。

其中參考同學成品的比例佔大多數，這在生活科技的課堂上很 常出現，因為同學條件跟自己一樣，但他們做得出來，便成為了指

標性的參考對象，比翻書、上網還要更實際。

(三) 比較：

實驗組的課堂中會不斷發生某組參考同學並改良後得到更好的 成績，吸引更多同學來參考改良這樣的狀況，尤其是在使用樂高積 木可以快速拆裝的情況下更為明顯。不過在控制組模仿同學的案例 就少很多，一方面每個同學效率都有所不同，另一方面若手上已經 為半成品，也很難改成與別人相同。另外也許是手邊有電腦的原 因，加上樂高積木做成的乒乓球發射器資源較多，實驗組的學生在 網路上找資料的比例比控制組高一些；控制組也有學生參考網路資 料，不過是拿手機找喜歡的設計來製作乒乓球發射器。

四、 產生想法

在此階段中，學生應利用教師提供或網路尋得的範例，產生出兩個 以上的想法，以利往後進行可行性分析時能決定出最佳的方案。以下 主要由「控制組」與「實驗組」來分析學生在此階段的思考情形。

(一) 控制組：於「產生想法」步驟中，了解學生是否藉由手上的參 考資料，發展出兩個以上的構想，如以下紀錄。

想過一個砲口水平，一個砲口向斜上，但技術不夠。(S01_1109_03) 想了好幾個很好的構想，但是都做不出來。(S03_1109_01)

在此階段可以歸納出，控制組學生有64%的組別經歷過「產生

(S01_1109_03等)。

控制組學生有經歷過此階段的，大多都以做不出來作收，以致 學生的成品多是尺寸、造型不同，在功能上都是基本款。而功能上 與其他同學有所不同者分兩類，一類是能夠實踐自己簡單構想的；

一類是邊做邊想，根據課堂環境的限制，如機具、材料等隨時變化 自己作品的構想，並沒有在一開始就確立目標開始動工。

(二) 實驗組：於「產生想法」步驟中，了解學生是否藉由手上的參 考資料，發展出兩個以上的構想，如以下紀錄。

側邊發球，或是正面發球。(S05_1110_06) 投籃式或灌籃式。(S07_1110_01)

自動發射，或自己決定如何發射。(S07_1110_03)

在此階段可以歸納出，實驗組的學生有70%的組別經歷過「產 生想法」的階段，其中可分為機構的改裝(S07_1110_01等)、控制的 方式自動發射，或自己決定如何發射。(S07_1110_03等)。

在實測階段時，學生依然是邊做邊改，以模仿得分高的組別或 是逐步修正為主，較接近過往嘗試錯誤的方法。

(三) 比較：

此階段著重於學生是否在看到範例後產生多個想法，實驗組的 學生僅有一組提到技術不足的問題，可能是因為樂高機器人所需的

知能在於組裝積木與撰寫程式，並不像一般生活科技實作活動一樣

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