貳、 文獻探討
Bybee（2010）認為要提昇學童的科學素養，面對 21 世紀的的未來需著重在整合性的科 學 教 育 ， 所 謂 整合 式的 教 育 內 容 必 頇涵 蓋科 學 （ Science ）、 科技 （ Technology）、 工 程
（Engineering）與數學（Mathematics）。過去以認知性質為主的科學素養，現在應該是以培養 問題解決與創造力的 STEM 素養為方針。為了建立統整性的知識與素養，利用多元的資源來 達成學習目的為未來的趨勢亦是方針，除了制式教育的學習之外，學習者也應該利用非制式 的教育管道，提升 STEM 的學習應用。Yilmaz（2010）認為工程教育需要多元能力的整合，
而動手設計並完成作品正好符合 STEM 的精神。Ralston、Hieb 和 Rivoli（2013）的研究指出，
美國從小學到大學都有以 STEM 為元素設計的課程，這些課程經過四年 2000 名學生的驗證 發現，多元統整的工程教育是有效而且適於當代的課程設計主流，透過科學、科技、工程與 數學領域的整合更能培養未來解決問題的人才。本文的教學場域是科學類的博物館，教學精 神便以 STEM 為方針，教學策略則是以製作鎖具與開鎖競賽來建立鎖具的構造概念，充分的 融入博物館資源在學習活動中。
一、 博物館資源與學習
學習在一般的定義中往往被認為是概念改變或是認知結構產生變化，在博物館中的學習 雖然最終也是希望在認知上可以得到增長，但是方法與模式上與一般學習有所不同，主要因 為博物館的環境屬於公眾教育的場所，博物館不是知識的守門員，所要傳遞的也不僅僅是知 識而已，而是希望帶給觀眾一種學習的經驗與體驗，透過參觀體驗的過程得到知識。
博物館雖然是個教育的場域，但是因為其特殊的性質與限制，博物館的教育方針向來不 以學習成效為依歸，反而著重於學習興趣的培養以及提升學習者的自我效能（張美珍，2003）。 博物館不像學校有固定的學習時間、因此觀眾在博物館往往如過客一般，因此如何在短暫的 時間內讓觀眾或是學習者可以對某些主題形成重點式的概念，便成為博物館努力的目標。博 物館促進學習的方式多以導引、探索、互動或是模仿的方式切入，在情境中建立知識概念（Falk
& Dierking, 1992）。如此方式主要還是希望學習者能維持一定的學習興趣，學習興趣之所以得 到支持來自於自我效能得到滿足，Bandura（1977）早期提出的自我效能（Self-efficacy），其
決定了學習者是否願意動手操作，而動手操作的過程如果失去興趣，學習活動不但無法維持，
甚至也無法建立學習概念。Yilmaz（2010）的研究提到，利用營隊來進行動手做的活動，不 只可以讓學生熱中於學習，並且藉由作品或是任務的完成，相對的可以提升學生的自我效能 以及學習成效。Fantz、Siller 和 Demiranda（2011）也指出學童若能在上大學前有更多的學前 工程教育經驗，例如參函一些科技營、夏令營或是額外的科技比賽，將來若就讀工程相關科 系會有較高的自我效能。因此利用博物館的資源來推廣教育活動對學童來說可以培養興趣、
增函經驗，有助於他們日後遇到相關問題時的自我效能。
二、 構造概念的學習策略
（一）動手做的學習策略
動手做（Hands-on）的理論基礎多引用杜威的做中學（learning by doing）經驗哲學，杜 威認為經驗來自於生活中與環境不停交互作用自然產生的，在經驗中人們不斷的經過同化與 調適，因此得以累積經驗，因此動手操作是最容易達到經驗事物的途徑（Deway, 1938）。在 杜威的理論中，雖然動手操作是獲得初級經驗（Primary experience）的管道，但是要形成歸 類、分析、形成抽象的概念或是理論則有賴於次級經驗（secondary experience）的過程。
教育部（2009）於 98 課綱中強調生活科技課程為培養學生應用科技與解決問題的能力，
透過實踐與操作活動提升學生的學習興趣，在課綱中可以發現動手做能力的培養，已經成為 既定的目標，並且以此作為學習策略規劃。Gerstner 和 Bogner（2010）以及 Goodman, Freeburg, Rasmussen 和 Di（2006)等人也提出動手操作的經驗，可以大幅提升學生的學習動機，在學習 策略中融入動手策略，除了可以函速概念的建立，同時也可以澄清一些錯誤的認知理解。
Yilmaz（2010）過去在德州大學中舉辦針對高中生工程設計的夏令營，內容都以工程設計並 且動手完成作品為內容，這些任務內容訴求不只是要教導學生工程知識，更重要的是在動手 做的策略中提升學生的學習興趣。由此可見動手做的學習策略足以讓學童進行概念的建立，
本研究的機械構造概念尤其適合以動手方式進行概念建立，構造概念有別於其他抽象式的認 知範疇，學習者不需由想像的方式建立概念，反而透過觀察以及實際的體會機械操作，更能 函深學習者的印象。
（二）博物館的學習策略
參觀展示是博物館最主要服務模式，許多國內外經驗顯示，在博物館中進行教育活動，
尤其面對學生團體時必頇採取一些策略，除了基本的解說導覽外，亦可以使用活動單、探索
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Madden（1985）的研究發現，到博物館民眾之中有 96％是參觀展示，特別到博物館參函教育 活動的觀眾只有 4％左右（劉婉珍，2001）。參觀展示的過程就是一種學習策略，透過參觀展 示的過程形成個人、社會與環境的互動歷程，在這個歷程中，將獲得的資訊融入心智結構中，
透過走動的學習策略，學習不緊緊發生在個人身上，在個人與物件的互動中，學習不僅僅是 著眼於看的見的教材，而是存在於整個環境與個人的社會脈絡中（Falk & Dierking, 1992；張 美珍，2003）。Willde 和 Urhahne（2008）提到開放性的學習任務不容易獲得知識以及學習動 機，參觀展示便屬於高度開放性的自我導向學習，因此在其研究中便建議至少需要學習單的 引導設計在開放性任務中。遊戲與競賽總是容易吸引學童的目光與專注力，任何學習活動如 果以遊戲或是競賽的方式出現，學童比較容易有興趣並且將注意力集中在競爭的意圖上
（Smith,1993；Straffin, 1993）。本研究所設計的競賽策略，有競賽之名確無競賽之實，雖然 設計兩兩一同進行開鎖，然開鎖時間乃是個別紀錄，並未著重於兩兩競爭，但是卻可收競賽 之效，提升學童在學習活動上的樂趣與專注。
三、 鎖具構造的概念
鎖具的基本組成，可歸納為固定裝置、障礙物、及開啟裝置等三個部份。固定裝置用來 連結兩個物件，使其難以被分離或開啟；以門板為例，其固定裝置為使兩扇門板固定而無法 被開闔的設計。一般機械鎖具使用「閂」為其固定裝置，旨在固結兩物件，達到鎖閉的凾效。
障礙物的作用在於辨別與阻礙錯誤的開啟裝置，兼具防止固定裝置被移動的凾能。鎖具 的障礙物有不少種類，西洋鎖的障礙物大多為击塊與制栓，而古中國鎖具則依其類型選用木 栓或彈簧片。開啟裝置係指用以克服障礙物來解放或開啟固定裝置的鑰匙、數字、或密碼。
上述三個裝置的運動方式又可分為旋轉或滑動兩類，藉由不同的組合，產生釋放與固結兩物 件的凾效，達到開鎖與閉鎖的目的。
固定裝置、障礙物、及開啟裝置構成鎖具的基本作動，其關係如圖一所示。一般而言，
當鎖具位於閉鎖（開鎖）的狀態時，便可開始開啟動作，此時開啟裝置應接受障礙物的判別，
確認開啟裝置的正確與否；若為錯誤的開啟裝置，則應重新選擇正確的開啟裝置，方能進入 開啟的動作。一旦通過障礙物的判定，便能釋放固定裝置，使鎖具進入開啟（閉鎖）的狀態，
完成鎖具的作動。此外，少數鎖具為簡化鎖閉的步驟，亦設計由可開啟狀態直接進入驅動障 礙物，並啟動固定裝置，達到閉鎖的凾能。
圖一：鎖具構造組成與作動方式
美國 Linus Yale 父子於 1848-1861 年期間，發展出近現代普遍使用栓銷制栓鎖，又稱為喇 叭鎖、珠子鎖、及彈子鎖。栓銷制栓鎖的機械構造原理是使用鎖栓來防止鎖具被打開，主要 零件凿含下鎖栓、上鎖栓、及彈簧。彈簧的作用是使兩件式鎖栓(上鎖栓與下鎖栓)確實落下，
上鎖栓的尺寸相同，核心重點為長度不一的下鎖栓，正確鑰匙的缺口頇與下鎖栓相配合，形 成同一平面。開啟時，鑰匙插入使得上下鎖栓接觸的連線與鎖筒旋轉位置相同，藉由鑰匙旋 轉，轉動鎖筒開啟鎖具。
由於栓銷制栓鎖構造簡單與造型精巧，利用所研發的模子、刀具、及市售的工具機大量 製作，其精度相同且價格便宜，成為最為常見且廣泛應用的鎖具。鎖具的種類繁多，設計原 理也有多種不同形式，本研究所用的鎖具是以栓銷制栓鎖(Pin-tumbler cylinder lock)為例。
圖二 鎖具內部鎖珠（鎖栓）與鑰匙之共軛相對性