工程設計能力

NCETE（the National Center for Engineering and Technology

Education）在工程設計領域提出三個核心能力，這三個工程能力為限 制（Constraints），最佳化（Optimization）和預測分析（Predictive Analysis），簡稱 COPA。COPA 是工程設計概念性知識的核心(Merrill, Custer, Daugherty, Westrick, & Zeng, 2008)。

以下就這三個工程核心概念加以詳列:

(一)限制

限制的概念通常在構思流程前就要進行，意義為要求學生考慮 成本、經濟性、可行性、時間、材料和環境影響等因素，學生要能 將設計活動的限制在一開始就納入考量，以幫助自己發展出可行的 解決辦法。這個過程可以幫助學生更快速且明確地思考出解決辦法 (Jin & Chusilp, 2006)，若是一名專業的設計者，可以透過「限制」

這個步驟，搭配自己過去的經驗使自己迅速的從確認問題前進到解 決方法(Middleton, 2005)。倘如這個過程能夠熟練，學生在設計作 品製作流程時就可以很快排除不適合的方向，找到較好的設計方法 或解決方案。

(二)預測分析

預測分析的概念通常在構思中後進行，Eekels(1995)提到在工程 設計過程中，若發現某個行動的預測成果是不如預期的，通常會放 棄此行動，而再設計另一個動作，但如果沒有進行預測分析，在行 動時就只能以嘗試錯誤的方法進行。嘗試錯誤是在學生在生活科技 教育中最常見的製作方式，一般在課堂上，通常不會使用數學分析 工具當作設計的概念(Lewis, 1999; Merrill, 2001)。但同一個主題必 定存在著許多不同的設計和方法來解決問題，必須有計畫有步驟的 執行，否則將面臨無休止地徘徊在尋找一個解決方案的可能性 (International Technology Education Association, 2000)。

(三)最佳化

最佳化的概念通常在構思結束後進行，目的是要達到「最好」

的設計，欲達到這個目標需要考慮許多因素，包括生產力、強度、

可靠性、效率、利用率及使用年限等。為了產生最好的設計，工程 師在設計過程期間必須考慮到每個因素，並投入相當程度的技術和 管理，以決定最後的目標，將不良的效應減到最小，並使合乎需要 的效應最大化(Ertas & Jones, 1996)。

根據Arora(2004)，一個問題的構想過程大約需要花費它的總努 力的50%，最佳化的過程可以幫助設計者正確地規劃出解決問題的

方式，絕對是工程設計中至關重要的部分。

綜上所述，工程設計能力包含限制、預測分析與最佳化三大要素，

並強調「先思考，後執行」，以預測分析為主軸，而不是嘗試錯誤的 過程。

二、工程設計能力教學與評量 (一) 工程設計能力的教學

Zuga（2007）提到STEM四個學科的關係就像三明治一般，數 學、科學是旁邊的白吐司，不可或缺，但只是為了襯托出中間的內 容物；工程、科技便是中間的肉，是整個三明治的核心。這代表工 程是一個整合性的科目，以數學、科學做為知識基礎，運用結構化 的流程進行教學。

在教學的部分，Atman等人（2007）提出的工程設計流程，是 當面對一個複雜的問題時，可以採用的十個建議步驟，可以做為教 學重點的參考。其步驟與說明詳列如下表2-1。透過工程設計流 程，教師與學生可以在面對工程導向的活動時，更清楚知道如何有 結構地進行，且此流程不但以工程教學活動為主，成員的互動也被 列入其中，例如其中一道環節就是小組間的溝通與協調。

表 2-1 工程設計流程

步驟 說明

1.確認需求 確認需要解決的問題，以及其條件。

2.定義問題 列出機構、結構、功能等會遇到的問題。

3.蒐集資訊 利用書籍、網路找尋相似的範例。

4.產生想法 藉由參考範例為基礎，提出可實行的做法。

5.建構模型 依據想法，用簡易材料建模。

6.可行性分析 分析構造上的可行性，確認符合需求。

7.評估 分析構造的優缺點。

8.決定 從範例中選出最適合的方法。

9.溝通協調 進行小組討論，並提出改進的方法與建議。

10.實踐(製作) 實際製作並觀察執行結果，提出成功或失敗的因素做修正。

不過工程教育不容易有效的教育與管理（Do, 2013），因為不 同年級的學生能力會有顯著差異，甚至同齡的學生水平都不一定相 同。再來學生並不如專家有著充足的經驗與歷練（Akagi, 2015），

要學生初期就有好的表現並不容易。

(二) 工程設計能力的評量

Merrill（2008）提出的限制、預測分析、最佳化三大核心概念 即是評量學生工程設計能力時最主要的構面。而Atman（2007）提 出的工程設計流程，由於步驟較為詳細，且構面能與限制、預測分 析、最佳化等三個核心概念相呼應，因此可以將工程設計流程的步

驟做為次要構面，設計出對應的研究工具。

而工程設計的相關理論可以讓我們瞭解到，進行一個工程思考 活動的當下，可以從何著眼判斷學生的工程設計能力，為了解學生 工程設計能力的高低。Dym（2005）提出了工程設計思考的五個特 徵，特別著重在「設計」，包含：

1. 設計思想作為發散收斂的質疑 2. 關於設計系統的思考

3. 作出設計决定

4. 在團隊環境中的設計思想 5. 工程設計語言

Paul（2007）更直接提出了工程設計的檢核表，包含設計作 品、設計過程、溝通、團隊合作四個要素，若學生在這四個要素的 表現都相當亮眼，表示學生的工程設計能力在一定水準之上，並具 有高層次的思考能力以及面對當代挑戰的實力，詳細內容如表2-2。

表2-2 Paul（2007）工程設計檢核表

綜上所述，工程設計的教學與評量便是以數學、科學的知識做為基 礎，運用工程與科技的方式，設計不同的問題，讓學生能夠運用自身 所學，透過結構化的流程來擬定解決方案。

三、工程設計能力的重要性

Bybee（2013）指出高品質的工程教育與培養21世紀關鍵能力與維 持全球競爭力之間有密切關聯。工程設計能力代表了一名學生面對複 雜問題時，其規劃與解決能力的強弱，這些能力在今日非常重要，而 培養這項能力的搖籃將是中學的生活科技課程。Rose等人（2004）指 出當工程與科技教育相互結合時，國家便可以有更大的競爭力來面對 下一世紀的挑戰，即顯現工程設計能力的重要性。

本研究以三個工程核心概念「限制、最佳化、預測分析」為主要構 面，將「工程設計流程」中的十個步驟依照台灣現場教學狀況及資深 生活科技教師建議，將部分步驟合併，成為七個步驟的流程，並做為 次要構面，編製針對高中生的「工程設計能力量表」，進行預試，欲 評量學生機器人工程概念學習成效。