模組教具對學生的工程概念學習成效影響之研究

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模組教具對學生的工程概念學習成效影響之研究

A Study of the Effects of Modular Teaching Aids on

Learners’ Engineering Concept Learning

賴恩瑩臺北市立民族國中摘要本文旨在探討模組教具對學生的工程概念學習成效之影響，以提供學校日後推動工程教育之參考。本研究對象為臺北市立某高中二年級 10 個班級的學生，共計 417 人，分為實驗組 209 人，控制組 208 人。主要研究方法為準實驗研究法，並採用不等組前後測實驗設計，以模組教具教學單元-機械獸、學習單及工程概念學習成效評量表為研究工具。在資料分析方面，利用 SPSS 20.0 for Windows 進行平均數、標準差、獨立樣本單因子共變數分析及獨立樣本雙因子共變數分析。研究結果發現，模組教具應用對學生的工程概念學習成效優於傳統教學，模組教具應用對學生的工程限制概念及工程最佳化概念學習成效沒有顯著影響，模組教具應用對將近四成學生的工程預測分析學習成效優於傳統教學。關鍵字：教具、模組教具、工程概念。

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42 ABSTRACT

This study was to examine how modular teaching aids influenced different learners’ engineering concepts. This also served as a reference for schools to promote engineering education. The research subjects of this study were ten classes of eleventh graders from a Taipei Municipal Senior High School. They totaled 417 people with 209 people as an experimental group and 208 people as a control group.

The major research method was characterized by a quasi-experimental research design and a pre-post-test design. The research tools and instruments included the modular teaching aids-oriented instructional units—mechanical beasts, worksheets, and Engineering Concept Test. Concerning the analysis of the research data, this study utilized SPSS Statistics 20.0 for Windows not only to calculate the average and standard deviation but also to perform one-way ANCOVA and two-way ANCOVA.

The major research findings were: (1) the modular teaching aids assisted the students significantly better in learning engineering concepts than the traditional teaching modes; (2) the application of the modular teaching aids exerted no significant impact on the students’ learning of both constraint concepts and optimization concepts in engineering; (3) the modular teaching aids were more conducive to approximately forty percent of the students’ learning of predictive analysis concepts in engineering than the traditional teaching modes.

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壹、前言

中小學工程教育的教學活動之目的，並非培養學生未來從事工程相關領域的工作，而是藉由適當的教學策略與活動來增進學生的工程相關知識，進而提升學生對工程的興趣，以面對未來之所需，因為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（Starkweather，2004）。

教具可以激起學習者的興趣並且帮助老師容易地解釋概念(Rasul,Bukhsh, & Batool,2011)。許多科技材料在完成成品後就不能拆卸重複使用於其他單元裡，如此就顯得很不經濟。模組教具可以使老師教學時會比較方便而且可以隨時拆裝、調整、重建，變成其它教學單元，使用起來範圍相當有彈性。學生以模組教具為素材，不但取得容易且節省許多購買專用零件經費與加工製造的時間；在工程教育課程中，更能將有限的時間專注於主題的發想與探討，以及減少測試、調整、嘗試錯誤時的無謂浪費。模組化教具為支援教學模組，所開發設計的教具。本研究以「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。

工程教育的課程內容需要符合真實世界的需要(Dunsmore, Turns, & Yellin, 2011)，且工程教育在中小學階段，應該教導學生工程概念，工程概念課程應依據概念的學習與發展理論（The Theory of Conceptual Learning and Development，簡稱CLD理論），從具體模組教具教學，教導學生如何辨識，學生學會如何分類，進而形成相關工程概念。對於學生的工程教育來說，模組教具是否在工程概念的學習是否會產生影響，這是值得探討的問題； Dale(1969)主張學習者若要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，這樣他們才能對抽象符號描述的現實賦予意義。因此，本研究以「Dale 經驗金字塔」為理論依據設計以「LEGO 9797」模組教具，探討模組教具應用對學生的工程概念學習成效之影響。

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貳、文獻探討

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。

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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

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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

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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。

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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。

参、研究設計與實施

本研究根據研究目的及相關文獻分析資料，分別為研究架構、研究對象、研究方法及步驟、實驗設計、研究工具與資料處理。 一、研究架構 本研究旨在探討模組教具對學生的工程概念學習成效之影響，本研究的自變項為模組教具，依變項為工程概念學習成效，以「工程概念試題」來測量，探討自變項、依變項間之關係。架構圖如圖 2 所示：

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49 自變項依變項教學方法工程概念學習成效 模組教具應用教學 傳統教學 整體評分 限制 最佳化 預測分析圖 2 研究架構圖 二、研究對象 (一) 在研究進行前，為修正試題、改進研究工具，共有二組預試對象。第一組為臺北市立某高中二年級 3 個班級的社會組學生，男生 55 人（45.8％），女生 65 人（54.2％），共計 120 人，進行「機械獸工程概念試題」的預試。第二組臺北市立某高中二年級 1 個班級的自然組學生，男生 28 人（68.3％），女生 13 人（31.7％），共計 41 人，進行「機械獸結構設計-以樂高模組為教具」教學活動流程的預試。 (二) 本研究對象為臺北市立某高中二年級 10 個班級的自然組學生，共計 417 人，男生 308（73.9％）人，女生 109（26.1％）人，分為實驗組 209 人，控制組 208 人。臺北市立某高中於二年級實施生活科技課程，每週兩節課，一節課 50 分鐘，每週生活科技的上課時數為 100 分鐘。

為避免因研究對象態度所產生霍桑效應(Hawthorne effect)與強亨利效應(John Henry effect)，對實驗內在效度的影響，均未告知兩組學生正在進行實驗。

三、研究方法與步驟

本研究方法為準實驗研究法，探討模組教具教學對高中學生工程概念學習成效的影響，並採用不等組準實驗設計(quasi-experimental design)中之前後測實驗設計(pre-post-test design)，分別進行為期5週9節課的實驗教學。將研究對象高中學生分為實驗組與控制組，以本研究的

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50 認定問題、收集資料、提出假設、設計研究方法發展模組教具發展工程概念評量工具實施工程概念前測 _{實施工程概念前測} 實施傳統教學實施模組教具教學實施工程概念後測實施工程概念後測控制組實驗組比較學習成效提出結論與建議撰寫研究報告「機械獸工程概念試題」評量工具對兩組學生進行前測，然後對實驗組實施模組教具教學，對控制組實施一般的生活科技課程教學，進行相同教學時數之後，以「機械獸工程概念試題」評量工具對兩組學生進行後測。本研究為相關研究，以量化方式了解學生模組教具與工程概念學習成效之關係。研究流程依序為決定研究主題、設立研究目的、設計教學活動、確認量表工具、進行預試、進行教學活動與測驗、資料整理與分析及撰寫報告，本研究流程如圖 3 所示：圖3 研究步驟圖 四、實驗設計 本研究從常態編班的高中學生之中，採用隨機方法抽取10個班級，再用隨機分派的方式將這些班級分為實驗組和控制組，兩組學生皆有畫機械獸設計圖。在實驗前，兩組學生均接受本研究的評量工具的前測驗（O1，O2），然後實驗組除進行一般的生活科技課程的教學外，另增加接受模組教具教學（X），並分組動手操作樂高、組裝成一機械獸；控制組則只接受一

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51 般的生活科技課程教學，並沒有動手操作樂高，完成一實際作品。在經過5週的教學後，即讓兩組學生再接受評量工具的後測驗（O3，O4）。最後將兩組的前後測成績加以比較，以瞭解實施模組教具教學的成效。為達到本研究的研究目的，本研究採取不等組準實驗設計中之前後測實驗設計。實驗設計如表1所示: 表 1 本研究的實驗設計組別前測實驗處理後測實驗組 O1 X O3 控制組 O2 O4 X：表示實驗組接受模組教具應用的實驗處理 O1、O2：分別表示兩組學生接受工程概念學習成效評量工具的前測 O3、O4：分別表示兩組學生接受工程概念學習成效評量工具的後測教師對受教學生應一視同仁，避免產生比馬龍效應((Pygmalion Effect)，教師不能以偏概全的主觀心理臆測而產生月暈效應(Hallo Effect)，對實驗內在效度產生影響。 五、研究工具 本研究以Dale的經驗金字塔為理論基礎，並參考張玉山(2011)「太陽能機械獸」教學單元而設計出「機械獸結構設計-以樂高模組為教具」教學活動單元，如圖4。圖4 機械獸提供實驗組學生相關模組教具，培養學生利用模組教具建立相關工程概念，有充分使用有限的材料達到最佳的效果，做出能行走的機械獸。研究教學活動設計估計上課時間為每節

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52 課50分鐘，每週2節課，共計教學5週9節課450分鐘，並視教學情況酌量增減上課時間。參與本研究的學者專家包括對科技教育有多年研究及教學經驗之台灣師範大學科技系教授，以及教學經驗豐富、專業之台北市某高中生活科技教師。本教學活動編製後將透過一位學者（台灣師範大學科技系教授）及兩位專家（台北市某高中生活科技教師、台北市某國中生活科技教師）進行審查，審查的內容包含教案內容、教學媒體(ppt)及教學流程等，建立專家效度與內容效度，在進行教學前以一個班級進行預試，確認可行性。本測驗試卷是屬於非標準化測驗，教師自編成就測驗，主要為紙筆測驗，用以進行實驗處理之前後測，以瞭解學生工程概念認知方面，是否會因為實驗處理不同而有差異，其編製過程為預試題目40 題，經回收有效的預試試卷後，進行試題分析，選取鑑別指數達.20以上，正式試題問卷為30題。試題結果分析如表2：表2 機械獸工程概念預試試題結果分析 試題題號 預試/正式 高分組 答對率 低分組 答對率 難度(P) 鑑別度(D) 備註 1/1 0.931 0.541 0.736 0.39 保留 2/2 0.414 0.194 0.304 0.22 保留並修改 3/3 0.552 0.25 0.401 0.302 保留 4 0.448 0.297 0.3725 0.151 刪除 5/4 0.586 0.378 0.482 0.208 保留 6/5 0.448 0.222 0.335 0.226 保留 7 0.345 0.2 0.2725 0.145 刪除 8 0.103 0.111 0.107 -0.008 刪除 9 0.172 0.057 0.1145 0.115 刪除 10/6 0.483 0.25 0.3665 0.233 保留 11 0.345 0.405 0.375 -0.06 刪除

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53 12 0.276 0.222 0.249 0.054 刪除 13 0.241 0.143 0.192 0.098 刪除 14/7 0.552 0.278 0.415 0.274 保留 15/8 0.931 0.5 0.7155 0.431 保留 16/9 0.621 0.167 0.394 0.454 保留 17/10 0.793 0.257 0.525 0.536 保留 18/11 0.621 0.167 0.394 0.454 保留 19/12 0.517 0.139 0.328 0.378 保留 20/13 0.31 0.083 0.1965 0.227 保留 21/14 0.828 0.361 0.5945 0.467 保留 22/15 0.448 0.2 0.324 0.248 保留 23/16 0.621 0.194 0.4075 0.427 保留 24/17 0.931 0.583 0.757 0.348 保留 25 0.414 0.389 0.4015 0.025 刪除 26 0.241 0.306 0.2735 -0.065 刪除 27/18 0.724 0.361 0.5425 0.363 保留 28/19 0.621 0.417 0.519 0.204 保留 29/20 0.793 0.278 0.5355 0.515 保留 30/21 0.414 0.194 0.304 0.22 保留 31 0.414 0.278 0.346 0.136 刪除 32/22 0.483 0.139 0.311 0.344 保留 33/23 0.655 0.324 0.4895 0.331 保留 34/24 1 0.583 0.7915 0.417 保留 35/25 0.828 0.216 0.522 0.612 保留 36/26 0.69 0.324 0.507 0.366 保留 37/27 0.448 0.189 0.3185 0.259 保留

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54 38/28 0.828 0.351 0.5895 0.477 保留 39/29 0.586 0.135 0.3605 0.451 保留 40/30 0.483 0.162 0.3225 0.321 保留工程概念試題，經預試分析後，30題機械獸工程概念試題符合鑑別度0.2以上之標準，這 30題機械獸工程概念試題之雙向細目表，如表3 所示，且各題項與限制、最佳化與預測分析總分相關係數皆達0.3以上，如表4、表5、表6 所示：表3 機械獸工程概念正式試題雙向細目表教學目標教材內容限制最佳化預測分析小計齒輪 3 2 1 6 連桿 2 1 4 7 扭力 4 3 1 8 力矩 2 3 4 9 小計 11 9 10 30 表4 限制題項與限制總分的Pearson 相關題項第 2 題第 4 題第 6 題第 7 題第 8 題第 14 題第 15 題第 20 題第 21 題第 22 題第 29 題相關 .410** _.333** _.329** _.338** _.385** _.381** _.307** _.547** _.364** _.452** _.519** 顯著性 .000 .000 .000 .000 .000 .000 .001 .000 .000 .000 .000 **. 在顯著水準為0.01時 (雙尾)，相關顯著。

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55 表5 最佳化題項與最佳化總分的Pearson 相關題項第 3 題第 5 題第 9 題第 16 題第 18 題第 19 題第 23 題第 24 題第 28 題相關 .409** _.307** _.421** _.519** _.448** _.370** _.301** _.498** _.492** 顯著性 .000 .001 .000 .000 .000 .000 .001 .000 .000 **. 在顯著水準為0.01時 (雙尾)，相關顯著。表6 預測分析題項與預測分析總分的Pearson 相關題項第 1 題第 10 題第 11 題第 12 題第 13 題第 17 題第 25 題第 26 題第 27 題第 30 題相關 .422** _.482** _.362** _.478** _.388** _.437** _.499** _.312** _.361** _.360** 顯著性 .000 .000 .000 .000 .000 .000 .000 .001 .000 .000 **. 在顯著水準為0.01時 (雙尾)，相關顯著。 六、資料處理與分析 本研究主要採用量的資料分析，研究者在量表及測驗施測完成後，去除無效量表後，將所回收的量表資料輸入電腦以SPSS 20.0 for Windows進行統計分析，並針對本研究之研究問題進行分析與考驗，茲說明如下: 1.平均數:以平均數來呈現「機械獸工程概念試題」的重要數值，可代表數值資料的均衡點，「模組教具應用教學」與「傳統教學」對學生工程概念學習成效是否不同的依據。 2.標準差:以標準差來呈現「機械獸工程概念試題」個題目填答之差異情形，以此種方式進行分析時，標準差差異越大，表示離勢越大。作為探討高中生工程概念學習成效得分的離散情形。 3.獨立樣本單因子共變數分析:以學生前測的工程概念分數、工程限制概念分數、工程最佳化概念分數及工程預測分析概念分數為共變量，不同教學法對依變項工程概念學習成效之「工程概念」、「工程限制概念」、「工程最佳化概念」及「工程預測分析概念」進行共變數分析。

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56 4.獨立樣本雙因子共變數分析:主要在考驗不同教學方法是否對學生的工程概念學習成效產生交互影響及單純效果的影響。本研究以工程概念前測分數作為共變量，並輔以效果值（effect size）來說明研究結果的實際應用價值。分析接受不同教學方式的高中生在工程概念學習成效之差異情形。研究對象為台北市某高中二年級 10 個班級的學生，有效樣本為 322 人，分為控制組 164 人，實驗組 158 人。分析方法採用單因子共變數分析，以教學方式為自變項，高中生在工程概念後測量表總分為依變項，工程概念前測量表分數為共變數，進行單因子共變數分析，分析結果如下： (一) 描述性統計實驗組與控制組前後測得分之平均數和標準差如表 7 所示，代表接受模組教具教學的學生，其後測平均數的工程概念、工程限制概念、工程最佳化概念及工程預測分析概念皆高於接受傳統教學的學生，且接受模組教具應用教學的學生，其標準差皆小於接受傳統教學的學生，表示其離散程度較小，代表實驗組的平均數代表性高。表 7 實驗組與控制組學生在工程概念量表的平均數與標準差工程概念的類別組別人數前測後測平均數標準差平均數標準差限制控制組 164 19.94 7.79 22.71 7.40 實驗組 158 20.63 6.01 23.88 6.49 最佳化控制組 164 16.44 6.64 19.84 5.98 實驗組 158 17.41 5.94 21.08 5.77 預測分析控制組 164 16.42 5.64 18.54 6.15 實驗組 158 16.31 5.08 19.87 5.42 量表總分控制組 164 52.80 16.06 61.09 16.12 實驗組 158 54.41 12.52 64.83 13.46

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57 (二) 模組教具應用對學生的工程概念學習成效之影響 1.迴歸係數同質性考驗首先對實驗組和控制組之工程概念量表總分進行組內迴歸係數同質性考驗，所得結果如表 8 所示，其 F 值未達顯著水準(F=0.841，p>.05)，符合組內迴歸係數同質性，故可進行共變數分析。表 8 工程概念量表總分與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表變異來源 SS df MS F P 迴歸係數同質性 131.576 1 131.576 .841 .360 誤差 49726.714 318 156.373 R 平方 = .309 (調過後的 R 平方 = .302) 2.共變數分析結果經統計分析結果得知，不同的教學法對高中生在工程概念總分之表現有達到顯著差異（F=4.147，P<.05），表示模組教具應用與傳統教學對高中生工程概念學習成效有顯著差異，結果如表 9 所示。實驗處理效果顯著，經實驗處理後，實驗組的學習成就（調整後平均數等於 64.376）顯著優於控制組（調整後平均數等於 61.534），代表模組教具應用的效果比傳統教學的效果好，如表 10 所示。表 9 工程概念量表總分與教學方法之單因子共變數分析結果來源 SS df MS F P 教學方法 648.206 1 648.206 4.147 .043 誤差 49858.290 319 156.296 R 平方 = .307 (調過後的 R 平方 = .302)

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58 表 10 工程概念量表總分之估計的邊緣平均數組別平均數標準誤差 95% 信賴區間下界上界控制組 61.534a _.977 _59.612 _63.456 實驗組 64.376a _.995 _62.418 _66.335 使用下列值估計出現在模式的共變量: 前測總分 = 53.5921. (三) 模組教具應用對學生的工程限制概念學習成效之影響 1.迴歸係數同質性考驗首先對實驗組和控制組之工程限制概念量表進行組內迴歸係數同質性考驗，所得結果如表 11 所示，其 F 值未達顯著水準(F=0.138，p>.05)，符合組內迴歸係數同質性，故可進行共變數分析。表11 工程限制概念量表與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表變異來源 SS df MS F P 迴歸係數同質性 5.629 1 5.629 .138 .710 誤差 12962.743 318 40.763 R 平方 = .172 (調過後的 R 平方 = .164) 2.共變數分析結果經統計分析結果得知，不同的教學法對高中生在工程限制概念之表現未達到顯著差異（F=1.583，P>.05），表示模組教具應用與傳統教學對高中生工程限制概念學習成效未有顯著差異，結果如表 12 所示。表12 工程概限制念量表與教學方法之單因子共變數分析結果變異來源 SS df MS F P 教學方法 64.346 1 64.346 1.583 .209 誤差 12968.372 319 40.653 R 平方 = .171 (調過後的 R 平方 = .166)

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59 (四) 模組教具應用對學生的工程最佳化概念學習成效之影響 1. 迴歸係數同質性考驗首先對實驗組和控制組之工程最佳化概念量表進行組內迴歸係數同質性考驗，所得結果如表 13 所示，其 F 值未達顯著水準(F=.314，p>.05)，符合組內迴歸係數同質性，故可進行共變數分析。表13 工程最佳化概念量表與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表變異來源 SS df MS F P 迴歸係數同質性 9.405 1 9.405 .314 .576 誤差 9526.351 318 29.957 R 平方 = .148 (調過後的 R 平方 = .140) 2. 共變數分析結果經統計分析結果得知，不同的教學法對高中生在工程最佳化概念之表現未達到顯著差異（F=2.197，P>.05），表示模組教具應用與傳統教學對高中生工程最佳化概念學習成效未有顯著差異，結果如表 14 所示。表14 工程最佳化概念量表與教學方法之單因子共變數分析結果變異來源 SS df MS F P 教學方法 65.670 1 65.670 2.197 .139 誤差 9535.756 319 29.893 R 平方 = .147 (調過後的 R 平方 = .142) (五) 模組教具應用對學生的工程預測分析概念學習成效之影響 1. 迴歸係數同質性考驗首先對實驗組和控制組之工程預測分析概念量表進行組內迴歸係數同質性考驗，所得結果如表 15 所示，其 F 值達顯著水準(F=6.047，p<.05)，不符合組內迴歸係數同質性，故不可進行共變數分析，因此必須改詹森-內曼法。採用詹森-內曼法所獲得的統計結果如表 16 所示。

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60 表15 工程預測分析概念量表與教學方法之迴歸係數同質性檢定摘要表變異來源 SS df MS F P 迴歸係數同質性 178.674 1 178.674 6.047 .014 誤差 9395.568 318 29.546 R 平方 = .141 (調過後的 R 平方 = .133) 表 16 模組教具應用對高中生在工程預測分析方面的詹森-內曼法統計資料摘要組別 SSw(Xj) SSw(Yj) CPwj df SS'w(Yj) df bwj awj 控制組 5190.24 6173.31 2522.22 157 4947.63 156 0.49 10.56 實驗組 4057.45 4619.86 835.20 163 4447.94 162 0.21 16.51 將表 16 的資料代入林清山(2002, p.494)所提出的詹森-內曼法公式，可獲得兩條迴歸線的交叉點，亦即在工程預測分析概念前測成績 21.24 分，而控制組與實驗組有顯著差異的兩個分數區間，分別是 16.49 與 44.05。圖 5 為以詹森-內曼法所獲得控制組與實驗組的兩條迴歸線。此兩條迴歸線並不平行，且有交叉點，顯示控制組與實驗組的迴歸係數並不相等，因此不適合採用共變數分析。兩條迴歸線相交於前測成績為 21.24 分的地方，在相交點的左下方，實驗組的後測成績高於控制組的後測成績，但在前測成績低於 16.49 分時，實驗組的後測成績才會顯著高於控制組的成績；然而在兩條迴歸線的相交點的右上方，控制組的後測成績高於實驗組的後測成績，但在前測成績高於 44.05 分時，控制組的後測成績才會顯著高於實驗組的成績；至於若前測成績介於 16.49 與 44.05 分之間，控制組與實驗組的後測成績並未達顯著性的差異。控制組前測成績高於 44.05 分的有 0 人，占控制組人數的 0％，控制組前測成績低於 16.49 分的有 63 人，占控制組人數的 38.41％；實驗組前測成績高於 44.05 分的有 0 人，占實驗組人數的 0％，實驗組前測成績低於 16.49 分的有 63 人，占實驗組人數的 39.87％。依據此一詹森-內曼法的分析，在工程預測分析概念方面，於 322 位研究對象中，有 126 位達顯著水準，其餘 196 位皆未達顯著差異，表示模組教具應用對 126 位高中生（占全部學生數的 39.13％）的工程預測分析概念學習成效比傳統教學效果好。

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61 圖 5 控制組與實驗組在工程預測分析概念的詹森-內曼法分析

肆、結果與討論

本研究探討模組教具應用對高中生工程概念學習成效的影響，結果顯示模組教具應用對高中生工程概念學習成效比傳統教學效果好，模組教具應用對39.13％高中生的工程預測分析概念比傳統教學效果好，但對工程限制概念及工程最佳化概念並無顯著差異。

根據戴爾的經驗金字塔，人們通常會記得90%做過的東西(Panadero, Roma, & Kloos, 2010)。透過開發和實際操作的教具，可以建立學生的學習興趣，使學生喜歡學習，興趣是學習動機的原動力，活潑的教具，用來引起學生的學習興趣，也可以保持他們的注意力，提高學習成效(Huang, Chou, Yen, & Bai, 2012)。模組教具應用符合十二年國民基本教育課程綱要，在科技領域方面基本理念上的學習強調應以學習者的活動為主體，重視開放架構和學校本位的方法，以探討及實作的方法進行，強調首腦並用、活動導向、設計與製作兼顧、智能與態度並重；在教學目的上希望培養學生「了解自我發展潛能」、「主動探索研究」、「獨立思考與解決問題」的能力，實作有助於高層次思考，加深學生對工程概念的印象、使記憶持久。因此，具體的模組教具應用使學生主動學習，加深學生的印象，進而轉化成抽象的機械獸工程概念，所以經實驗證實，模組教具應用對學生的工程概念學習成效比傳統教學效果好。 21.24 44.05 16.49 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 控制組實驗組

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在國外有很多模組教具應用的研究，如在香港，工程動畫軟體教學模組的開發是為了教導香港的化學工程學生在一安全的技術過程學習相關知識，且該模組被評價為可以使用在不同背景下作為一種有效的學習工具(Noakes, Chow, Ko, & McKay, 2011)。Sanchez 和 Bucio (2012) 採用 LEGO 當作教學教具，當作研究生程度的第一期培訓班的離散事件控制系統， LEGO 模組教具提供實際操作經驗的優點和缺點和重要的理論，和有關 DES 控制器在工程中的應用使用的實際問題。從以上國外模組教具應用的研究可知，模組教具應用為有效學習工具，與本研究研究結果相同。工程限制概念為要求學生考慮完整，在問題確認階段處理限制因素，可以幫助學生發展可行的解決辦法，模組教具應用對學生的工程限制概念學習成效沒有顯著差異，為學生對問題的理解程度不夠；工程最佳化的目的是要達到”最好”的設計，最佳化技術提供明確的程序去幫助設計者正確的規劃問題，模組教具應用對學生的工程最佳化概念學習成效沒有顯著差異，為學生的實踐能力及作品表現能力不夠；工程設計是預測而不是嚐試和錯誤的過程，科學和數學教導學生通過分析、設計過程中，預測分析工程設計，模組教具應用對學生的工程預測分析概念學習成效有 126 位達顯著差異，其餘 196 位皆未達顯著差異，可能是因為這 196 位學生對數學、物理的學習與實用無法結合。本研究使用「LEGO 9797」為模組教具，結果發現模組教具應用對學生的工程概念學習成效有正向效果，代表實施模組教具應用教學對於學生的工程概念學習是有幫助的，是因為模組教具應用引起學生的興趣、注意力，提高學習效果，可以幫助學生理解工程概念，加深學生對工程概念的印象、幫助記憶持久。但對工程限制概念及工程最佳化概念並無顯著差異，可能是因為需要更多的教學時數，讓學生更明白工程限制概念、工程最佳化概念的涵義。在工程預測分析概念有126位達顯著水準，其餘196位皆未達顯著差異。模組教具應用可幫助學生學習工程概念，教師在教學中可以使用模組教具，因此，建議在未來的生活科技課程中，可以逐年增購相關工程概念的教具，以滿足工程概念教學需求，讓學生在動手操作中學習工程概念。

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附錄一

機械獸工程概念試題「預試試題」

（ A ）1.六個齒輪，最大40齒，最小8齒，最大與最小齒輪的轉速比為(A)1:5 (B)5:1(C)4:1(D)1:4。（ D ）2.如右圖所示之齒輪組，設A、B、C、D 齒之齒數分別為30 齒、40 齒、15齒及55 齒，且A輪的轉速為440rpm，則D 輪的轉速為？(A)34 rpm (B)72 rpm(C)86 rpm (D)90 rpm 。（ A ）3.呈上題，這種齒輪組，可稱為(A)減速齒輪組 (B)加速齒輪組 (C)加速、減速皆可 (D) 加速、減速皆不可。（ B ）4.何種齒輪傳動時，所能傳動力最大，噪音最小，且在兩平行軸間傳動？(A)直齒正齒輪(B)螺旋齒輪 (C)斜形齒輪 (D)針形齒輪。（ C ）5.蝸桿與蝸輪傳動作功時，其兩軸在空間交角通常成 (A)30_(B)45_(C)90_(D) 180_。（ B ）6.欲得較大減速比，則應採用 (A)正齒輪組 (B)蝸桿與蝸輪組 (C)人字齒輪組 (D)斜齒輪組。（ C ）7.一般蝸輪蝸桿轉速比，蝸輪轉速／蝸桿轉速＝ (A)蝸桿直徑／蝸輪齒數 (B) 蝸輪齒數／蝸桿直徑 (C)蝸桿螺旋數／蝸輪齒數 (D)蝸輪齒數／蝸桿螺旋數。（ A ）8.一雙線蝸桿與50齒蝸輪嚙合傳動，若蝸桿之轉速為100rpm，則蝸輪之轉速為 (A)4 (B)200 (C)2 (D)20 rpm。 ( B ) 9.齒輪傳動時齒面的部分是屬於 (A)滾動接觸 (B)滑動接觸 (C)滾動中帶滑動 (D) 剛體中間連接。（ A ）10.目前常見的變速腳踏車，前齒輪多是固定大小，而後齒輪則有好幾個不同大小的齒輪可以變換，前齒輪固定，以下前齒輪與後齒輪比，哪一種最費力(A)4:1 (B)3:1 (C)2:1 (D)1:1。（ C ）11.腳踏車如何使它動起來？原理？（變速腳踏車）啟動時前面用大齒輪，後面用大或小齒輪？上坡時前面用大齒輪，後面用大或小輪？變速如何變速？(A)藉由人體的施力，產生曲柄（踏板）搖桿（大腿）機構來驅動；(B)啟動時速度變快，後輪用小齒輪。 (C)上坡時速度變慢，後輪用大齒輪。 (D) 上坡時速度變慢，後輪用小齒輪。（ A ）12.如右圖，連桿組中，可以繞固定軸做360°旋轉者稱為？ (A)曲柄 (B)搖桿 (C)連接桿 (D)機架。 ( B ) 13.在機械獸中，連桿最主要是利用何種輸入的動力轉換為行走的動力(A)槓桿 (B)扭力 (C)齒輪 (D)作用力與反作用力。（ D ）14.機構連桿裝置中，僅做擺動運動者稱為 (A)連桿 (B)曲柄 (C)機架(D)搖桿。（ A ）15.下列哪一種是機械動力中的旋轉運動(A)摩天輪 (B)海盜船 (C)雨刷(D)升降機。

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66 （ A ）16.曲柄搖桿機構中(如下圖)，則必為 (A) AC + CD ＞AD (B) AC + CD ＜ AD (C) AC + CD ＝AD (D)以上皆有可能。（ B ）17. 人騎腳踏車如圖所示，AB_、BC_、CD_、AD_{四連桿機構，} 屬於下列何種應用？ (A)雙曲柄機構 (B)曲柄搖桿機構 (C)雙搖桿機構 (D) 曲柄滑塊機構。（ B ）18.當人騎腳踏車時，曲柄為 (A)手 (B)踏板 (C)小腿 (D)大腿。（ D ）19.當人騎腳踏車時，搖桿為 (A)手 (B)踏板 (C)小腿 (D)大腿。（ C ）20.在曲柄搖桿裝置中，若搖桿的長度為曲柄的2倍，則當曲柄迴轉1次時，搖桿擺動 (A)4 1 (B)2 1 (C)1 (D)2 次。（ B ）21.在製做機械獸時，馬達扭力是不是越大越好? (A)是(B)不是(C)都可以(D)無所謂。（ A ）22.在製做機械獸時，如果你所設計的腳越多隻，則你所需的扭力為何?(A) 越大 (B) 越小 (C)都可以(D)無所謂。（ A ）23.在設計太陽能車時，常常哪一種原因無法克服摩擦力，所以太陽能車無法動 (A)馬達扭力(B)連桿設計(C)輪胎轉速(D)馬力。（ B ）24.陳爸爸的車子馬達扭力過小，常常在太多東西時，車子就不能啟動，可是陳爸爸通常這時會一直試著啟動馬達，但都是失敗，請問陳爸爸這種動作，對車子馬達是否會造成影響(A)不會，馬達只是接近空轉，吃了一些電，但沒有輸出，這對馬達影響不大(B)會，力矩過小，馬達帶不動負載，馬達會吃更多的電，效率下降，能量損失變成熱能，熱能高時會破壞馬達的絕緣，這對馬達有嚴重的影響 (C)這要看馬達的性能而定，有些會有影響，有些不會影響(D)這樣看車子的廠牌而定。（ C ）25.齒輪系中，齒輪轉速較慢者，以即扭力(A)較小(B)不變(C)較大(D)無關。（ A ）26.呈上題，以小齒輪帶動大齒輪，則小齒輪的扭力需求為何? (A)較大(B)不變 (C)較小(D)無關，但轉速需求較高。（ B ）27.變速箱齒輪的功用為 (A) 降低扭力 (B) 改變扭力、轉速及方向 (C) 提高轉速(D) 減少摩擦力。（ C ）28.機械獸結構中，馬達的扭力作用為何? (A) 沒有作用 (B) 改變行走速度 (C) 使機械獸行走(D) 改變方向。（ A ）29.用同一螺絲起子，旋轉螺絲鎖住物體，下列何者正確？(A) 旋轉螺紋較密的螺絲時，較省力 (B) 旋轉螺紋較疏的螺絲時，較省力(C) 旋轉螺紋較密的螺絲時，較費力 (D) 省力，費力和螺紋疏密無關。

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67 （ A ）30.假設有A、B、C 三支螺絲，其鎖緊扭力分別為1 kg-m、6 N-m、5.3 lb -f t。試問下列敘述何者正確？ (A) A 螺絲鎖緊扭力最大，B 螺絲鎖緊扭力最小 (B) B 螺絲鎖緊扭力最大，A 螺絲鎖緊扭力最小 (C) C 螺絲鎖緊扭力最大，A 螺絲鎖緊扭力最小 (D) A 螺絲鎖緊扭力最大，C 螺絲鎖緊扭力最小換算公式: 1 kg-m=7.233 lb-ft=9.807 N-m 1 N-m=0.738 lb-ft=0.102 kg-m 1 lb-ft=1.356 N-m=0.138 kg-m （ C ）31.電動機又稱馬達，可以控制其電壓影響電動機的扭力。請問我們在製作機械獸所使用的馬達可否改變其扭力(A)因為是機械獸所用馬達為直流電，所以可以改變扭力(B) 因為是機械獸所用馬達為交流電，所以可以改變扭力(C) 因為是機械獸所用馬達為直流電，所以不可以改變扭力(D) 因為是機械獸所用馬達為交流電，所以不可以改變扭力。（ A ）32.有關力矩的敘述，下列何者錯誤？ (A)力矩可使物體發生移動 (B)力矩定義為支到力作用線的垂直距離與作用力的乘積 (C)力矩是有方向的物理量 (D)力矩是測量力的旋轉效果的物理量。（ C ）33.如右圖，阿福欲施力將一圓柱推上樓梯，如圖中所示，以哪一種方式推動，所需的作用力最小？ (A) F1 (B) F2 (C) F3 (D) F4。（ B ）34.亞基米得說：「給我一個支點和一支夠長的槓桿，我就能舉起地球！」如果真有一個支點，則下列哪種槓桿可以達到目的？（▲ 表示支點，→表示施力，○表示地球） (A) (B) (C) (D) （ A ）35.魯夫將魚掛上秤鉤後，調整秤錘位置，使桿秤保持靜力平衡如附圖。下列何者正確？ (A)魯夫手提的力大於魚的重量 (B) 魚的重量等於秤錘重量 (C)魯夫手提的力增大，會使桿秤轉動 (D)秤錘再往右移，會使秤桿作逆時鐘方向轉動。（ C ）36.當施力20公斤重時，拔釘器恰可以拔動釘子，如圖所示。則下列敘述，何者錯誤？（假設拔釘器重量不計） (A)拔釘器是支點在中間的槓桿 (B)施力對支點造成的力矩為逆時針方向 (C)釘子的抗力為140公斤重 (D)拔釘器是一種省力的工具。

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68 （ C ）37.如附圖所示，蹺蹺板左端著地呈靜止，不考慮蹺蹺板的重量，小孩重量35 kgw距支點 0.8m，父親重量60 kgw距支點 0.4m。則下列敘述何者錯誤？(A) 支點處的支撐力為90 kgw向上 (B) 小孩產生的力矩大於父親產生的力矩(C) 父子的合力矩＝0 kgw．m (D) 父親重力對支點而言，將造成順時鐘方向的力矩。（ C ）38.右圖為指甲刀之示意圖。指甲刀的「斜線部分」為一簡單機械，關於此簡單機械的敘述，下列何者正確？ (A) 它是支點在中間的第一類槓桿省力機械 (B) 它是施力點在中間的第三類槓桿省力機械(C) 它是施力臂大於抗力臂的機械 (D) 它是抗力點在中間的第二類槓桿省時機械。（ A ）39.必定省力的槓桿，支點、施力點、抗力點三者中，何者會在其餘兩者的中間？ (A) 抗力點 (B) 施力點 (C) 支點 (D) 以上均可。（ D ）40.莊子一書提到「桔槔」的裝置（前重後輕，挈水若抽），下列敘述何者錯誤？ (A) 支點在中間 (B) 省力裝置 (C) 應用槓桿原理的水利裝置 (D) 省功裝置。