一、模組教具
教具（teaching aids）的設計是為讓學習過程更有效、更快速、更滿意的設備或機械裝置，
教具將複雜的內容簡單化、組織化，並且很完美地將新舊概念相結合。所以，教具有利於學 生了解教師所教導的課程內容(Jamian & Baharom, 2012)。本研究在發展教具的時候會配合教 材的內容，讓教材的內容能充分的融入教具中，使學生在操作教具時，能有興趣且容易學習 課程內容。
「教學模組」（teaching module）是一個主題式教學的教案，或稱之為一個「大單元教學 計畫」 。陳文典提出教學模組具備統整性、實用性、彈性化及趣味化特色(曾常亮，2010，頁22-頁23）。教學模組主要是一種把教學組織起來的材料，通過使用教學模組，老師做出課程决 定用計時任務的教學和適當的期限，當教學時，他們合併他們認為相關內容與並且補充給學 生，教師憑藉著既有的知識去決定何種教學模組要實施或不要實施，這種過程在教師生涯中 不斷的持續著(Saleh, Rahman, & Saleh, 2010) 。教學模組是一套提供教師與學生使用的材料，
可以用來教學與自學，沒有固定的模式，但許多教學模組採用主題式架構(曾常亮，2010)。在 大主題的教學目標下，發展出相關的次主題或子問題，再依據次主題的性質，以多樣的教學 活動，達到教學目標。本研究以「機械獸教材」為一教學模組，有「齒輪」、「槓桿」、「扭力」
及「連桿」等四個次主題，教導學生機械獸教材的工程概念。
Dale(1969)主張學習者若要能有效地運用更多的抽象教學活動，他們必須先建立有許多具 體經驗的庫存，因此，本研究在設計教具時，以「Dale經驗金字塔」為理論依據，視聽教育學 者戴爾(Dale，1969)設計一經驗塔(Cone of Experience)，說明了學習過程是由具體而抽象，循 序漸進，圖1 為戴爾經驗金字塔。
圖1 戴爾的經驗金字塔
資料來源:修改自Panadero, Roma, & Kloos (2010)
依據圖1，戴爾經驗之塔理論要點是：
1. 經驗之塔最底層的經驗最具體，越往上升，則越趨抽象。
2. 教育應從具體經驗入手，逐步進到抽象，有效的學習之路，必須充滿具體經 驗。
3. 教育不能僅止於具體經驗，而要向抽象和普遍發展，要養成概念。
4. 學校中應使用各種教育工具，可以使得教育更為具體，從而造成更好的抽象學 習。
模組化教具的內涵為支援教學模組，所開發設計的教具。本研究以「Dale的經驗金字塔 理論」為理論基礎，從具體經驗加深學生的印象，進而轉化成抽象的機械獸工程概念。以
「LEGO 9797」為教具，教學內容為「機械獸教材」的教學模組，因此，「LEGO 9797」中的 相關教材為本研究的模組化教具。
二、工程概念
Chu 和 Treagust（2006）認為概念的發展是促成學生有效學習為主要目標，而概念的來 源是影響學生概念學習與發展的重要因素。概念的分類與發展階層理論很多，但是以「概念
的學習與發展理論（The Theory of Conceptual Learning and Development，簡稱CLD理論）」最 為常被學者引用，此理論為美國威斯康辛大學教授Herbert 和Klausmeier 所提出，再加上 Ghatala、Frayer 等人補充，使之完備。
CLD 理論關注於四個連續階層：具體階層、辨識階層、類別階層、形式階層等四個階層 的概念獲得，以及概念在了解原則、分類關係、解決問題上的應用（陳嘉斌，2009）。
(一) 具體階層（Concert level）：學習者可以辦認出曾接觸過的事物，如「齒輪」這個 概念，當第一次看見齒輪後，爾後再看見齒輪，可以正確辨認出「齒輪」，即是達 到具體階層。
(二) 辨識階層（Identity level）：說出已學習過的例子，之前學習的事物，以不同的角 度、形式出現時，仍然可以辨認且說明，如「蝸桿」雖然改變了外觀樣式，但基本 上仍具有齒輪的概念，能清楚的說明並將歸類蝸桿為「齒輪」的概念，就是達到辨 識階層。
(三) 類別階層（Classificatory level）：推論至新的例子，對於同類東西兩個以上不同的 例子，依不同的屬性分類，再遇見屬於同屬性的事物時能將其推論並歸類於同種概 念，例如在一堆齒輪中，能分類成正齒輪、內齒輪與傘形齒輪等類。
(四) 形式階層（Formal level）：學習者可以正確的辨別概念例子，說出概念名稱，並可 以具體的說明某項概念的定義屬性，且能夠清楚的分辨此概念與其他類似概念的差 異之處，比較出其異同，如學習者可以依自己歸納屬性建立的假設，辨別不同齒輪 的概念，並驗證假設，比較出各種結構的特性與使用時機及其異同之處。
概念本身是抽象的，常常是周邊知識與其他概念的複合體（張玉山，1992）。一般而言，
科技雖然快速地變遷，然而它所運用的概念與原理卻相對地不變。因此，概念學習的途徑是 把工程系統或現象中的主要概念與原理辨認出來，然後透過結構化的教學活動讓學生了解這 些概念與原理，進而產生學習遷移的一種教學途徑 ，這多方面的概念是緩慢並逐步構建 (Devichi, & Munier, 2013)。
經過NCETE（the National Center for Engineering and Technology Education）所作的努力，
工程在工程設計領域的三個核心概念，已成為需要在中學階段科技教育的關鍵領域。這三個
工程概念為限制（Constraints），最佳化（Optimization）和預測分析（Predictive Analysis），
簡稱COPA。COPA是在讓學生理解工程設計能夠做的所需的概念性知識的核心(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（ Constraints ） 的重 要性 已列 在科 技 素養 標準 中： 《 科 技 的研 究內 容 》 (International Technology Education Association, 2000)。在八個標準，限制被視為一 個反覆的過程，通常要求學生要考慮成本、經濟性、可行性、時間、材料和環境影 響，限制的考慮必須要完整的。
(二) 最佳化（Optimization）設計的延伸超越了簡單的生產設計，遵循限制或標準定義。
最佳化的目的是要達到“最好”的設計，相對於一套優先標準或限制。這些措施包 括最大化的因素，如生產力、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做很多技術和管理方面的決定。全部這 樣決定的最後的目標將使不良的效應減到最小，在使合乎需要的效應最大化時，生 產「更好，與人和自然的法律相調和的更有效率，不那麼昂貴的解決辦法」(Ertas &
Jones, 1993)。
(三) 預測分析（Predictive Analysis）: 在對科學、工程和科技職業的評論，Deal（1994）
指出工程師應用數學和科學的原則以解決問題，這些工具推展到設計過程的分析的 階段描述一個工程的不可缺少的部分 (Harris & Jacobs, 1995)。Eekels（1995）的預 測組件的功能在工程設計過程中，觀察如何指出如果有條件的預測聽起來很不利的，
那麼我們一般簡單地放棄這一行動，並設計另一個動作，在建造一設計的原型之前，
這是明智的決定。
完整的工程概念必須包含限制、最佳化與預測分析三要素；限制為考慮成本、經濟性、
可行性、時間、材料和環境等影響，工程限制的考慮必須要完整的；最佳化的目的是要達到
“最好”的設計，將不良的效應減到最小，使生產力、強度、可靠性及使用年限等達到最大 效應；Hayes (1989) 主張“三思而後行”的過程對於工程設計是至關重要的，工程設計是預 測而不是嚐試和錯誤的過程。
Brophy、Klein、Portmore和 Rogers ( 2008)分析工程教育如何能獲取科學、科技、工程和 數學（STEM）相關的知識和技能，並提出幾個教學模式當作例子，說明工程課程如何與P-12 課程相結合(Martinez-Jimenez, Salas-Morera, Pedros-Perez, Cubero-Atienza, & Varo-Martinez, 2010)，以下是基礎工程課程及活動:
塔夫茨大學工程教育推廣展中心（CEEO）的核心目的是改善工程教育。為此，“CEEO
”的宣傳、研究和工具開發方面的工作，使工程和設計方便和可行在P-12教室。該中心在過 去十年裡最顯著的項目一直是LEGO工程。LEGO工程項目圍繞塔夫茨大學和LEGO集團10年 的合作關係；基於LEGO教育產品，LEGO提供工具和資源給教育工作者，最引人注目的是 Mindstorms。該中心最初選擇的LEGO材料，其實現大多數的 P-12工程工作，能和大學程度一 樣好；因為它們易於使用，使學生有動力進行動手做工程設計項目。這是以LEGO為模組教具，
發展學生的工程概念的例子。
本研究以三個工程核心概念「限制、最佳化及預測分析」與「機械獸教學單元」中的教 材內容，建立雙向細目表，編製「機械獸工程概念試題」，進行預試、正式施測，以評量學生 機械獸工程概念學習成效。