高職機械力學教學目標及相關研究

壹、機械力學教學目標

依據教育部技職司於民國 87 年 9 月公佈之工業職業學校機械群

「機械力學」課程標準，機械力學為所有機械類科必修的科目，專門 研究物體受力後產生的運動，力作用於物體所產生的內、外效應之科 學，因內容偏重於機械工程方面的問題，所以稱為機械力學。機械類 科是安排在第三學年的上下學期施教，上學期教授之機械力學(I)，內 含靜力學、運動學及動力學；下學期教授之機械力學(II)則專門探討材 料力學。依教育部定(1998)之機械力學教育目標為：

1. 熟悉力學的原理與知識，並能應用於日常生活上 2. 熟悉力學的原理，以作為日後自學或進修的基礎 依教育部定(1998)之機械力學課程大綱如表 2-6：

表 2-6 機械力學課程大網

領 域 單元主題 教學參考節數 冊 別

緒論 4

同平面力系 8

重心 4

靜力學

摩擦 4

直線運動 4

運動學

曲線運動 4

動力學基本定律及應用 4 動力學

功與能 4

機械力學(I)

張力與壓力 4

剪力 4

平面的性質 6

梁之應力 8

材料力學

軸的強度與應力 6

機械力學(II)

目前很多職校為配合學生升學，因此將機械力學挪到高二來上。

由於學生程度不佳上課的進度較慢，機械力學(I)無法在高二上學期上 完，上不完的部份會挪到高二下學期上。

貳、機械力學相關研究

國內有關高職機械力學的相關研究統整如下(如表 2-7):

表 2-7 高職機械力學的相關研究

陳崇彥(2003) 高職機械類科「機械力學」實施創造思考教學成效之研 究：在實施創造思考教學後，學生在機械力學學習成就 有顯著的提升。

林鉦森(2003) 力學題目的求解步驟為：先進利用水平思考法將解題方 法及重點提示展示給學生了解，再依垂直思考法講解解 題之步驟，換句話說，學生學習機械力學同時會使用到 水平思考法及垂直思考法。

林誠祥(2002) 高職工科學生合作學習與機械力學學習成效及班級氣氛 之關係研究：在實施合作學習法後，學生在機械力學學 習成就及學習態度有顯著的提升與改善。

吳明雄、鄭志 賢、魏嚴芳 (2002)

職業學校學生技術創造力培養之研究，在機械力學的教 學活動設計上，融入適當的創造思考技法及創新發明實 例的講授來激發學生的想像力、增進學習成效。

參、物理科學教學教學困境之研究

Nersersian 與 Chi 認為科學教育之困難在於學生需要獲得難理解的 抽象概念之事實；例如建築設計中的樑可表徵為一個框架，它具有墩 距、負載、支撐和最大彎曲應力(屠名正譯，2003)。物理科學在教學上 的困難，則是由於物理概念常與人類憑直覺、知覺與想像的概念相反，

因此物理科學的教學不只要讓學生學正確的概念，還要學生放棄不正 確的概念(Gunstone & White，1981)。

機械力學是物理科學的一部份，從相關的文獻我們可以瞭解學生 對某些力學知識概念存在著錯誤理解與想法：

一、 力的概念

學生對力這個字存在著不同的定義，一般來說，學生認為力是 讓物體發生或產生改變的東西，他們對力的描述往往包括了能量、

壓力、運動、伸長等字眼，年輕的學生會將力與活的東西聯結在一 起(Watts，1983)。學生往往把力視為一個物體的屬性(如力量是存在 物 體 內 部 ) 而 不 是 物 體 與 物 體 之 間 的 關 係 (Osborne ， 1985) ； Caramazza、McCloskey & Green 發現很多人對運動現象所建立的心 智模型，與中古時期的推進力理論相當：讓物體運動的力量，在物 體 運 動 一 段 時 間 後 ， 這 股 推 力 才 會 逐 漸 消 失 (李 美 綾 譯 ， 2001)；

Clement(1982)研究發現，學生普遍認為「運動本身暗示了推力的存 在」，物體上拋後仍受一向上的力量作用，此力會逐漸減小一直到上 拋的最高點。除此之外，學生把會動的物體視為受力而被動(不動) 的物體(如桌子)視為完全未受力(Gunstone & Watts，1985)，要教導 高中學生將被動物體受力概念整合到力的概念是一項困難的工作 (Minstrell，1989)。

二、 牛頓運動定律

學生相信要讓物體保持定速的狀態，就需要有某個東西去支持 它，而且運動的狀態與力的數量呈比例關係，也就是說不會移動的 物體，就是未受到任何力量作用；而移動的物體則一定在其運動方 向上受到一個力量的作用。學生也相信阻止物體從靜止狀態加速的 原 因 是 摩 擦 ， 換 句 話 說 學 生 搞 不 清 楚 慣 性 與 摩 擦 概 念 (Brown &

Clement，1992)，對於高中生而言，要幫助他們改變其想法需要一 些特別設計的教學教法。學生無法理解互動物體之間的作用力與反 作用力的關係，他們相信會動的物體(比如人的手)才能運用力，而

被動的物體是不行的(Gunstone & Watts，1985)。McDermott(1993) 研究顯示，學生即使是在接受高中及大學物理教育後，仍然保有這 些錯誤的物理概念。

學生利用既有概念與經驗進行新的學習，但這些既有的概念往 往與科學知識相異，相關的文獻研究顯示，要改變學生錯誤的概念 是一件很困難的事，學生面對新的概念時往往會和舊有錯誤概念進 行統合共存(Hewson & Thorley，1989)。Roth, McRobbie, Lucas &

Boutonne 發現，單靠老師以口頭解說，在課堂上示範違反直覺的異 象，並不能有效促成學生概念的改變，灌輸式教法，未能提供學生 一個反省既有概念的機會，無法有效促成概念改變的學習任務(張慧 貞，2003)。

我們對物理定律所建立的心理表徵，會深深的影響我們的思考 與行動以及對事物的預測，如果心智模型是錯誤的(比如太空船引擎 壞掉後，太空船將「停下來」)，所作的預測自然也是錯誤的，正確 的心智模型將減輕學習與偵誤的負擔，讓我們面臨類似的學習情境 時，作更有效率的學習(李美綾譯，2001)。如何糾正學生錯誤的物 體概念、建立正確的物理心智模型進而提高學生學習物理之學習成 效呢，張慧貞(2003)綜合國外普通物理教學改進方案，歸纳出下面 幾點特徵：

1. 強調物理觀念的理解，減少數學推導。

2. 藉由文字(非數學符號)闡明物理概念。

3. 引用生活化情境來包裝問題。

4. 教學步調合理化。

5. 破除單向傳授，強調學習參與。