以可程式邏輯控制實現機電整合實習課程發展

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(1)國立臺灣師範大學工業教育學系碩士論文. 指導教授：曾煥雯. 博士. 以可程式邏輯控制實現機電整合實習課程發展 Programmable Logic Control to Realize Mechatronics Internship Program. 研究生：蕭文弘中華. 民. 國. 撰. 103 年 5 月.

(2) 以可程式邏輯控制實現機電整合實習課程發展學生：蕭文弘. 指導教授：曾煥雯. 博士. 國立臺灣師範大學工業教育學系. 摘要由於現代科技發展日新月異，企業界對於自動化人才需求逐漸增加，使得以可程式邏輯控制技術實現機電整合之實習課程成為一門不斷增長的學科。本研究在於發展一套「可程式邏輯控制課程」來實現機電整合，希望幫助學生在課程中不只學習到理論，更能夠動手實作，使學生能夠兼具理論與實作的能力，與業界達到良好的接軌。本研究在課程擬定部分，首先透過專家建議，編寫技術需求調查問卷，希望能更具體了解業界常用的機電整合元件與相關應用。將問卷調查之結果作統計整理並分析，依此作為課程編排與發展的主軸。而為了符合教學時限，並達到理論與實作兼具之效率性，本課程採以機電系統為主題做為課程實施方式，並將相關的感測器、驅動器與控制理論建構於機電系統之上作教學，希望讓學生在課程中能更直接接觸完整的控制過程。課程編排完畢後，實際將課程作教學實施，接著於課程中作隨堂驗收，收集學生在課程所遭遇之情況與問題，做為課程實施之回饋。最後將學生之回饋作整理，分析其回饋內容是否具有重要性與共通性，並透過專家給予建議，依此來修正程內容與教學方式作為本研究結果；透過課程之回饋與修正，使課程更能符合學生與教學之實際需求，讓課程與教學能更臻完善。關鍵詞：可程式邏輯控制、機電整合、課程發展、PLC 課程 i.

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(4) Programmable Logic Control to Realize Mechatronics Internship Program Student: Wen-Hung Hsaio Department of. Advisor: Dr.Huan-Wen Tzeng. Industrial Education National Taiwan Normal University. Abstract As the modern science and technology develops with each passing day, the demand for automation talents in business industries gradually increases, thus the course of programmable logic control and Mechatronics becomes an ever-increasing subject. The research aims at developing a “Programmable Logic Control Course” to achieve Mechatronics , expecting to help students learn theories and put them into practice, so that the students can obtain both theoretical and practical abilities to better connect with industries. In terms of course formulation, the study first works out the questionnaire on technical demands based on the experts’ advices, by which it is expected to learn the application of commonly-used components in industry in relative Mechatronics more specifically. The questionnaire results are used for statistical process and analysis to be used as the main line of course arrangement and development. In order to meet the teaching time limits and achieve both theoretical and practical effects, the course takes “mechanism system” as the theme for the implementation method and constructs related theories and elements on the mechanism for teaching, expecting that the students directly contact with complete control process. After finishing the course formulation, teachers should implement the course in teaching, and then check the course in classes to collect students’ situations and problems encountered in the course as feedback of course implementation. Finally, feedback results should be sorted to analyze whether the feedback contents are provided with importance and intercommunity, by which course contents and teaching methods can be modified.Accordingly to correct the process the content and teaching methods as a result of this study .Through feedback and amendment, the course can better conform to the actual needs of students and teaching, which can make the course and teaching more perfect. Keywords: programmable logic control, Mechatronics, curriculum development, PLC courses. iii.

(5) iv.

(6) 目錄摘要 ...................................................................................................................... I 目錄 .................................................................................................................... V 表目錄 ............................................................................................................... IX 圖目錄 ............................................................................................................... XI 第一章緒論 ....................................................................................................... 1 1.1 研究背景與動機 ..................................................................................... 1 1.2 研究目的 ................................................................................................. 2 1.3 研究限制與研究範圍............................................................................. 3 1.4 研究方法與步驟 ...................................................................................... 4 1.5 名詞解釋 .................................................................................................. 8 第二章文獻探討與回顧..................................................................................11 2.1 課程理論發展 ....................................................................................... 11 2.1.1 泰勒的課程發展理論 ............................................................. 17 2.1.2. 阿特金(Atkin)的課程發展理論............................................ 18. 2.1.3 羅頓(Lawton)的課程發展理論 .............................................. 19 2.1.4 楊朝祥的能力本位技術培訓課程發展 .................................. 20. 2.2 其他學者所提出之課程發展理論整理 ............................................... 23 2.3 機電整合的發展歷史介紹.................................................................... 26. v.

(7) 2.4 國外大學相關課程發展........................................................................ 29 2.5 國內大學相關課程現況........................................................................ 42 2.5 機電整合的系統架構............................................................................ 48 第三章研究設計與實施................................................................................. 51 3.1 擬定並確認研究之主題....................................................................... 51 3.2 問卷發展與專家審查........................................................................... 52 3.3 問卷統計實施與結果整理................................................................... 53 3.4 機電整合企業需求技術-問卷調查統計結果 ...................................... 54 3.4.1 溫度感測-統計結果 ................................................................ 54 3.4.2 位移感測-統計結果 ................................................................ 55 3.4.3 位置感測-統計結果 ................................................................ 56 3.4.4 速度感測-統計結果 ................................................................ 57 3.4.5 其他感測與周邊原件-統計結果 ............................................ 58 3.4.6 控制部分-統計結果 ................................................................ 58 3.4.7 驅動部分-統計結果 ................................................................ 60 3.4.8. 機構之實現-系統-統計結果 ................................................. 61. 第四章課程發展與規劃方案......................................................................... 63 4.1 決定課程發展方法與發展課程內涵 .................................................. 63 4.1.1. 可程式邏輯控制與機電整合實習課程課程分析 ............... 64 vi.

(8) 4.2. 本研究之課程發展-「感測」部分規劃介紹 ................................... 65. 4.3. 本研究之課程發展-「控制」部分規劃介紹 ................................... 70. 4.4. 本研究之課程發展-「驅動」部分規劃介紹 ................................... 74. 4.5 本研究之課程發展-「機構之實現-系統」部分規劃介紹 ................. 79 4.6 本研究之課程發展與實施方法............................................................ 83 4.7 實施課程與教學實現............................................................................ 87 4.8 研究結果與專家建議........................................................................... 96 第五章結論與後續研究............................................................................... 101 5.1 結論 ..................................................................................................... 101 5.2 後續研究 ............................................................................................ 102 附錄一「PLC(可程式邏輯控制)業界技術需求」調查問卷 .....................113 作者簡介 ......................................................................................................... 121. vii.

(9) viii.

(10) 表目錄表 2-1 課程發展之設計步驟 ........................................................................... 16 表 2-2 美國華盛頓 CAPSTONE UNIVERSITY 機電整合學程發展.......... 33 表 2-3 喬治亞理工學院-機械工程系機電整合課程發展 ............................. 36 表 2-5 澳大利亞莫納什大學機電整合(二)課程 ........................................... 39 表 2-6 澳大利亞莫納什大學機電整合(三)課程 ........................................... 40 表 3-1 溫度感測器的應用重要程度統計結果 .............................................. 54 表 3-2 旋轉式位移感測應用重要程度統計結果 .......................................... 55 表 3-5 限動開關(含微動)應用重要程度統計結果 ....................................... 56 表 3-6 近接開關應用重要程度統計結果 ...................................................... 57 表 3-7 速度感測應用重要程度統計結果 ...................................................... 57 表 3-8 其他感測與周邊原件應用重要程度統計結果 .................................. 58 表 3-9 PLC 控制應用重要程度統計結果 .................................................... 58 表 3-10. PC-BASE 控制應用重要程度統計結果 ......................................... 59. 表 3-11 其他控制應用重要程度統計結果 .................................................... 60 表 3-12 驅動部分應用重要程度統計結果 .................................................... 60 表 3-13 機構的實現(系統)重要程度統計結果 ............................................. 61 表 3-14 機電整合四大層面柯 -史樣本考驗結果 ......................................... 62 表 4-1 感測部分課程綱要 .............................................................................. 67 表 4-2 控制部分課程綱要 .............................................................................. 71 表 4-3 「驅動」部分課程綱要 ...................................................................... 75 表 4-4 「機構之實現-系統」部分課程綱要 ................................................. 82 表 4-5 系統與其涵蓋之相關內容綱要 .......................................................... 83 表 4-6 「機電整合」課程實施進度綱要 ...................................................... 87 表 4-7 氣壓臂控制之課程回饋結果整理 ...................................................... 96 ix.

(11) 表 4-8 輸帶控制之課程回饋結果整理 .......................................................... 97 表 4-9. 交流、直流、步進電動機控制之課程回饋結果整理 .................... 97. 表 4-10. 步進電動機定位控制之課程回饋結果整理 .................................. 98. 表 4-11. CNC 軸控之課程回饋結果整理 ..................................................... 99. 表 4-12 電梯控制之課程回饋結果整理 ........................................................ 99. x.

(12) 圖目錄圖 1-1 研究步驟流程 ........................................................................................ 5 圖 1-2 控制系統基本組成 ................................................................................ 9 圖 2-1 傳統課程概念 ...................................................................................... 12 圖 2-2 當前課程概念 ...................................................................................... 12 圖 2-3 奈德爾(NADLER)的課程發展模式 ................................................... 15 圖 2-6 機電整合系統的發展與其附加價值的變化曲線 .............................. 27 圖 2-7 喬治亞理工學院機電整合課程實體展示機 ...................................... 31 圖 2-8 機電整合四大層面 .............................................................................. 49 圖 2-9 機電整合交互作用架構圖 .................................................................. 50. xi.

(13) xii.

(14) 第一章緒論由於現代科技發展日新月異，企業界對於實作與理論並濟的人才需求逐漸增加，這也使得可程式邏輯控制與機電整合課程在學術中成為了一門發展迅速，各大學如雨後春筍一般不斷在開設並增長的一門工程學科。發展一套能夠幫助學生在畢業後能與業界接軌，容易尋找到就業機會變成為了一門重要的議題。本文將提出針對機電整合課程發展的教學課綱，以作為機電整合實習課程之發展。本章將於第一節提出研究背景與動機；第二節解說研究目的；第三節解說研究限制；第四節則介紹研究的方法；最後於第五節針對研究步驟進行解說。 1.1 研究背景與動機近年來由於科技發展迅速，企業界對於人才的需求往往需要具備跨領域的知識與技能，而一些跨領域的專業課程與科系也在各大學紛紛的講授與開設，其中「可程式邏輯控制課程」，在各個學校不同的工程科系中都有開設與講授，亦在當今的電機與機械企業中應用廣泛。一般的「可程式邏輯控制課程」，在不同系所中所講授的內容差異性卻很大，如何能夠提升教學品質，一直是身為教育工作者所需要努力思考的目標與方向，而「追求優質教育、提振學習樂趣」也是落實教學改革之重要議題[1]。我國的經濟發展上，技術人員與工程師是我們科技發展的重要資源，對於技術人才的需求，專業教育具有非常舉足輕重的地位，而越來越多的電機、機械、機電等相關工程科系學生，畢業後在控制或製造相關的領域中尋找就業機會，這些畢業生，易受高科技產業的發展. 1.

(15) 趨勢的影響、人力結構的需求與工作技術日新月異的劇烈衝擊 [2]。同時再加上中國對岸產業的磁吸效應，使得我國產業也同時面臨這些新興國家勞動便宜與低成本競爭，這也讓我國大量企業流失外移，而如何去面對這些風雨飄搖的考驗，我國的產業應該要如何因應與轉型才能面對外界充滿挑戰的環境，是相當重要之課題。 [3]。推動自動化生產，強化我國大學畢業人才的競爭力，來提高我國人才在國際上的競爭地位，才是最有效的方法。而自動化的推動，其根本居建立在機電整合的基礎上。當今熱門產業，例如半導體或是光電產業等，對自動化與機電整合人才需求殷切，而作為培訓未來工程師與技術人員的學校教與機關，也應該好好仔細去思考如何培養產業界所需要的自動化控制的人力[4]。機電整合課程的發展與開發，是面對目前產業需求的最佳良藥。基於上述的背景，本研究動機是希望能發展出一套具有系統性與架構性的教學課綱，透過課綱的規畫來實行教學，讓學生能夠接觸到整個機電控制的過程，幫助未來相關科系的大學畢業生能夠具備理論與實作的能力，以期達到能夠幫助學生們順利與業界接軌的目標。 1.2 研究目的本研究的具體目的在於希望能發展一套「可程式邏輯控制課程」教學綱要來實現機電整合的目標；凸顯國立台灣師大所開設的可程式邏輯控制課程之特色，有別於其他學校的傳統可程式邏輯控制課程，並提升可程式邏輯控制課程的教學品質。本研究具體目的說明如下： 1. 透過文獻分析與資料蒐集，初步了解當今相關課程發展的概況。 2. 確立企業主對於可程式邏輯控制相關產業對元件、設備與控制理論之需求，並發展問卷。透過問卷統計，以了解教學方面哪些知識與 2.

(16) 內容是必要的。 3. 確定「可程式邏輯控制課程」發展的教學目標，透過問卷統計與專家建議，來擬定教學目標，確立學生須習得哪些相關技術。 4. 擬定「可程式邏輯控制課程」的教學架構與內容完成上述步驟後，擬訂出機電整合相關教學課綱。 5. 「可程式邏輯控制」課程回饋整理與修改透過學生的回饋、報告、作業繳交，與考試成績等，來評鑑其教學品質與結果，實施檢討與改進。 1.3 研究限制與研究範圍本研究因為時間與經費的限制，故將研究範圍與限制分別描述如下： 1. 本研究所發展的「可程式邏輯控制課程」發展所實施對象僅以研究者所就讀的國立台灣師範大學之師大工業教育學系-能源組、師大工業教育學系-電機電子組、應用電子科技學系所開設之可程式邏輯控制課程為主。若被採行之其他系所之課程規劃時，可能會因為地區性與學校性質，當地的產業類型等因素而有限制性或適用性的問題產生，此時則須適度作調整。 2. 由於經費限制，本研究專家會議中徵詢的對象設定為對本研究領域有深入認識且具業界經驗的學者專家，而並無針對校外或產業界的技術人員。 3. 本研究中所針對的的問卷調查對象，僅針對從事可程式邏輯控制相關行業具有 2 年以上實務經驗的企業主、工程師與技術人員，與具有控制相關學術經驗的教授學者來進行簡單的抽樣調查與分析統計。教育課程理論學者專家與相關科系學生則不在徵詢範圍之內。. 3.

(17) 4. 本研究在實作與控制等實驗部分，由於控制器的品牌甚多，本研究無法涵蓋所有的廠牌與內容，故所採用的控制器廠牌為一般較為常見的 FX2 可程式邏輯控制器來應用於本研究課程中。 5. 由於可程式控制在機電整合相關產業上的應用範圍相當廣泛，本研究因為時間與物力關係，無法詳細兼顧所有的相關控制與感測器等應用，故本研透過專家建議，選取重要的主題作為課程之內容。 1.4 研究方法與步驟本研究第一步是先收集各種文獻來做分析，目的在於了解課程發展的理論，並同時研究探討機電整合課程的發展模式，接著透過資料的收集與各文獻的交叉比對，來發展出調查問卷，內容是針對當前業界機電整合與 PLC 常用的元件與控制內容做調查與統計，在問卷發放之前，我們事先召開了專家會議，請專家針對問卷內容先行做評估與審核，並匯集機電整合與 PLC 領域專家的各方意見來做修改與補充，接著再實行問卷發放。問卷發放後，我們將問卷回收的結果作統計與整理，透過整理出的內容，來確定當前業界常用的元件與控制技術需求，並依照統計的結果作為依據，建立本課程發展的研究方法與步驟。本研究之研究步驟流程如圖 1-1。. 4.

(18) 圖1-1 研究步驟流程. 5.

(19) 為了達到本研究的目的，茲將所採取的研究方法與研究之步驟分別說明如下。 1. 擬定並確認研究之主題擬定本研究之主題，並經可行性評估與討論後確認研究主題和研究的方向。 2. 文獻探討與分析參考文獻包含期刊、書籍、論文等，並將之整理作分析，目的在於了解國內外相關課程發展狀況來奠定研究的基礎，並進一步探討學校課程發展理論如何與機電整合教學相互結合，來初步擬定本研究規劃方案與內容。 3. 初步建構課程發展之內涵透過前述研究方法中的文獻探討與分析，將所收集到的資料作統整並歸納，再配合教學的課程發展的理論與模式，初步建構出「以可程式邏輯控制實現機電整合實習課程發展」課程內涵，並就課程規劃. 之發展模式與教學大綱來做為建構課程的主軸。 4. 專家審查與問卷統計上述步驟完成後，接著擬定問卷初稿，並將初稿交由專家做審核，其問卷內容為注重在當前業界所認為的重要理論與技術內涵上。透過專家審查並提供建議後，將問卷重新整理並修改，使問卷更完善並更具專家效度。上述部分完成後接著進行問卷發放與施測，將問卷送至各機電整合相關之企業，由企業主與主管、工程師等作為施測的對象，透過他們自身的業界經驗與認知來填答問卷，施測目的在於了解當前業界對於機電整合人才所需要具備的能力與知識需求，依此來發展課程來，達到業界與學界之連結。接著將施測結果整理，以作為本次機電整合 6.

(20) 課程發展研究的主軸與參考依據。透過統計截過做為課程內容發展之基礎，與專家討論如何安排並建構課程。 5. 決定課程內涵與建立課程綱要將統計結果做整理並歸納，找出其課程內涵的重要部分，將其結果整理歸納，並與教學教師作討論，選取出合適的課程內容，建立課程綱要並安排出教學進度。 6. 實施課程與教學實現將上述步驟所安排之結果作課程的教學與實現，授課教師為本研究論文之指導教授。教學過程接有採取全程錄影作為紀錄，而課程實施的對象為國立台灣師範大學的應用電子科技學系與工業教育學系之學生，開授課程名稱為「可程式邏輯控制」。 7. 課程實施之回饋在課程實施的過程中，將學生回饋的反應與建議做紀錄並整理，接著進行交叉比對，找出其課程實施中學生所發生的問題與遇見的困難，針對作回饋作分析，接著將其問題與困難做共通性與重要性的分類，作為本研究之結果，也作為後續課程修正的指標。 8. 修正課程內涵將課程實施所獲得的學生回饋結果作整理，歸納出其學生於課程中所遇到的問題，並歸納出其問題的「重要性」與「共通性」，接著針對回饋之結果召開專家會議，尋找出最合適的課程修正方法，以改進本課程所遭遇之問題，並於後續研究中進行持續的回饋與修正，使課程更臻完善。 9. 撰寫研究報告將本次研究的結果作整哩，將其結果撰寫成研究報告。 7.

(21) 1.5 名詞解釋本研究主要名詞有「機電整合」、「PLC 控制器」、「感測器」、「控制」、「驅動器」、「機構之實現-系統」分別界定如下： 1. 機電整合機電整合(Mechatronics)這個單字，係由日本安川電機公司的資深工程師Tetsuro Mori 先生於1969 年所提出，是結合機械(Mechanics) 前五個字母與電子(Electronics)後七個字母組合而成[6]。即機電整合係指機械與電子工程的有效整合體[7]。我國翻譯為機電整合，中國則翻譯為機電一體化。而在1996 年，美國的電機工程和機械工程學會(IEEE/ASME)中所出版的機電學刊(Transactions on Mechatronics) 創刊號中，針對機電整合的定義係指，「機電整合」是「整合機械、電子、計算機和智慧型控制並將之應用在工業產品的設計和程序的製造」[8]。機電整合即是將機械與電子電機及計算機工程等各領域的學科加以整合後，具體的發揮並實現自動化的一門實用的學科與技術，其理論的內容包括了機械工程、電子電機工程、控制工程、計算機工程等各學科領域，而應用部分則為自動化技術實現上的綜合應用[9]。 2. PLC 控制器 PLC 的英文全名是：Programmable logic Controller，可程式邏輯控制器，係一種數位運算操作的電子控制系統，專為工業環境之應用所設計之控制器。它採用了可程式化的儲存器，用於其內部作程式的儲存。將使用者所下的指令程式儲存後，輸出用來執行邏輯運算，順序控制，定時計數與算術操作等各種控制，亦可透過數位與模擬來控制各種類型的機械或生產過程。是自動化工業控制的核心部分[11]。 8.

(22) 5. 感測器感測器可以用來檢測出被控制機器系統中各式各樣的物理量之狀態，比如位置、速度、加速度、流量、震動、力量、轉矩、扭矩等。其功能就好比生物系統中的接收器，這些狀態資料可做為控制系統在控制過程中所必要的資訊與情報。因此感測器的角色是負責感測各種狀態，並將狀態回饋到控制器去，形成迴路。 6. 控制控制是指使用者給定的條件和目標，對控制器輸入指令，對受控體造成影響的過程。而控制系統的基本要件包括： (1) 控制的目標 (2) 控制系統組件 (3) 結果或輸出這三種基本要件的基本關係如圖 1-2 所示。. 圖1-2 控制系統基本組成以更科學的術語來說，目標(objectives)就是輸入(inputs)或激勵訊號(actuating signals)，而結果就是輸出(outputs)或控制變數(controlled variables)。一般而言，控制系統的目的就是通過控制系統的元件，將輸入用以設定的方法來控制輸出。. 9.

(23) 7. 驅動器機電整合之驅動器即電動機，也常稱之為馬達，是利用電磁感應由電能產生機械能，由外部輸入交流電或直流電即有轉矩輸出。電動機是由靜止部分之定子(stator)以及與電動機轉軸結合為一體之轉子(rotator) 所構成，定子所產生的磁場和轉子所產生的磁場引起交互作用產生轉矩 (torque)而轉動。 8. 機構「機構」係一種由人工物件(零件)所構成的組合。這些零件多半透過標準化的所製成，例如齒輪、皮帶、鍊條、槓桿、連桿或輪軸等。透過這些零件的搭配組合，形成相對運動或交互作用可將所施加的能量轉換成最有用的機械功，以幫助人類完成指定的任務或勞動。. 10.

(24) 第二章文獻探討與回顧為了完成「以可程式邏輯控制實現機電整合實習課程發展」之建構，本章節便針對相關文獻與理論做探討，來確立本研究的理論與基礎，本章節主要分成下列五個部分，分別是 1. 探討專家學者對於課程理論發展的相關文獻。 2. 針對機電整合的歷史發展做介紹。 3. 國外大學相關課程發展 4. 國內大學相關課程現況 5. 機電整合的系統架構透過本章節的文獻探討，以確立本研究之課程內涵，透過文獻探討分析當前的 PLC 與機電整合之現況，將文獻探討之內容整理做為參考，並導入研究過程中，將課程做實現。 2.1 課程理論發展培訓出產業界所需求的技術人才，是大學院校教育的主要目的之一，因此為了使學生的能力與知識可以達到業界所需求的水平，則其教學的內容必須符合業界所需要的知識和能力，亦即在課程的發展過程中，應該廣大徵求當前業界人士之意見，目的為使課程所教授的內容譨更實用且實際 [12]。卡威爾(Caswel)l 與坎貝爾(Campbell)兩位專家學者認為課程乃是學習者的經驗，學校課程是指透過的學校指導之下，學習者所獲得的一切經驗[13]。. 11.

(25) 李大偉、王昭明(1989）認為，早期的課程概念是建立在教師透過某種方式，傳授給學生本身所學與生欲求的知能[10]，如圖2-1 所示。. 圖2-1 傳統課程概念但近來已逐漸轉趨強調課程應建立在課程理論之上，乃注重教學內容的選擇以及發展有系統、有組織的教材安排，以圖2-2表示[10]。. 圖2-2 當前課程概念王文科（1991）認為課程可分為科目與教材兩個部分，其內涵與課程設計有關，而針對某些科目的課程設計他認為常採取下列三個原則 [14]。. 12.

(26) 1. 透過專家判斷來決定要教授的科目。 2. 使用若干準則，並採用適當的教材。 3. 為了能讓學生可以精熟所選取的教材，教學者需要設計出適當的教學方法，並實際落實。王文科（1991）也認為課程在擬訂後，接著便要決定需要透過何種學習的方式來達到所訂立的目標[14]。學習經驗將會對學生產生潛移默化的累積性影響，因此在教學時有三大原則須要注意： 1. 連續原則：重要的目標須時時刻刻以不同的方式予以引導，學生才能徹底地學習。 2. 順序原則：有延續性的學習經驗，須彼此相互呼應，以便每次能讓學生深入學習該科。 3. 統整原則：學生在學校遭遇的各種學習經驗，彼此在邏輯與結構上，應具有關聯性。羅文基(1990)整理奈德爾(Nadler)的課程發展模式，從能力本位的觀點，認為專業課程的發展可分為八個主要步驟，且每一個步驟都要有評鑑及回饋，分別說明如后。 [15] 1. 評估職業需要：從個人及組織的發展，評估某一項職業的需要。 2. 界定工作需求：過有關文獻文析、問卷調查或實施實地訪問及觀察方法，確實掌握及了解該項職業在工作上的需求。 3. 確定學生需要：比較工作需要及學生已具備的知識，了解學生在此一職業課程中的需要。 13.

(27) 4. 決定目標：根據學生需要，決定課程目標，再轉換為包含技能、知識與態度的學習目標。 5. 編製課程編製課程的主要包括有考慮相關因素或變項、選擇教學內容、編排教學順序與擬定教學計畫。 6. 選擇教學策略考量學習理論、學校行政措施及組織文化與學生特質等因素，選擇最有效的教學策略。 7. 獲取教學資源主要可分為教學設備、經費預算與教師人力等三項資源。 8. 實施教學上述各項工作都已準備或規劃完成之後，即開始實施教學，運作整個課程計畫。 9. 評鑑與回饋上述各項工作，均須隨時加以評鑑，以獲取有關的回饋資訊，作為修正或最後決定的依據。評鑑的主要目的乃在獲取資訊，並透過分析再作決定。上述之內容，其流程如圖2-3 所示。. 14.

(28) 圖2-3 奈德爾(Nadler)的課程發展模式國內的教育課程發展專家學者，李大偉、王昭明認為專業課程發展之設計步驟應分為以下六大步驟，而本研究則遵照此課程之設計步驟，以可程式邏輯控制來實現機電整合之實習課程發展。其研究步驟經研究者整理，大綱如表 2-1[16-18]。. 15.

(29) 表2-1課程發展之設計步驟設計步驟分析就業市場. 說明良好的專業課程，需有完善規劃與彈性制度，使課程內涵和組織能隨著業界的改變作適時的修訂。針對課程所需之行業進行分析，了解該行業的工作內. 進行行業分析. 容以及需要具備哪些知識、技能或工作守則等，已確立課程目標，並提供做為課程目標擬定的依據。考慮學習者的心理特質，配合教育哲學理念與當代社. 擬定課程目標. 會、經濟狀況以及專家建議，擬定課程目標，接著再根據課程目標編寫教學目標，以作為學生學習依據，教師教學的準則。塔巴(Taba)提出六項決定課程內容的原則 1. 有效且富有意義的知識 2. 與社會發展現況具有一致性. 確定課程內容. 3. 深度與廣度的平衡 4. 適用廣泛的學習目標 5. 考慮學生學習經驗的可能性與適應性 6. 適應學生的需求與興趣課程教材的編排需考慮下列原則： 1. 順序原則. 課程組織. 2. 統整原則 3. 心理原則 4. 社會化原則 5. 重點原則此步驟本質上是在確定教學目標在課程發展中被實現. 課程評鑑與回饋. 的程度，其目的是得知教學目標是否正在實現或者已被達成，以作為後續課程修正的依據。. 16.

(30) 2.1.1 泰勒的課程發展理論泰勒所提出的課程發展模是課程設計的主流模式，主要偏重於「目標模式」(objectives model)，其理論主要重視課程設計中，目標的分析與設定，並強調以行為目標方式敘述呈現，接著依據所訂定的行為目標來編製發展課程。目標模式亦稱之為「工學模式」(technological model)，由此可顯示其重視課程的的技術層面，此模式將課程設計視為中性的技術性活動，強調要需以合理、慎思、並系統化的方式來設計課程，以完成既定的目標。一般在課程發展中，抱持「科技主義」導向的課程意識型態者，會偏好採取此一課程之設計模式。因為「目標模式」者的哲學觀，膠著重於於原子論與決定主義，其基本教學的主張，是希望透過教育來決定學生發展的行為特徵，以達到所預定的行為發展目標，並透過測量預定的行為改變是否達成，亦即學生是否學得我們希望學生發展的行為。而泰勒所提出的「泰勒法則」(Tyler rationale)，是強調課程設計應遵循四個步驟： (1) 決定教育目標 (2) 選擇教育經驗 (3) 組織教育經驗 (4) 評鑑達成情形由泰勒法則明顯可證，目標模式是以教育目標的決定為核心與首要的考量，並強調目標與結果之間達成程度的衡量。[19]. 17.

(31) 2.1.2. 阿特金(Atkin)的課程發展理論阿特金(Atkin)提出的課程模式「羅生門模式」 (Rashomon approach)，. 係屬於「歷程模式」的學派的代表，此模式對於課程的設計，較不注重「課程目標」或「課程內容」的事先決定，亦不去硬性地預定學生學習的行為結果。本模式強調的是歷程，亦即教學的過程與方法或原則。此一模式認為，教是在教學過程中能達到的目標，有許多結果是並非預期的，而學生的興趣也會隨教學過程而隨時改變。因此課程的發展並非去事先預定詳述目標，而是先著重於詳述程序、原則和過程，接著在活動與經驗中不斷地改變與修正。其課程設計程序為： (1)設定一般性目標 (2)設計並實施具有創造性的教學活動(含編製與課用的教材) (3)記錄與敘述教學活動引起的結果(不受限於前定的一般性目標) (4)評鑑教學活動引起的結果(不受目標限制的評鑑) 本模式發展的成敗，需高度仰賴教師素質，教師若具備一定的專業素質，並能夠把握適當的程序原則與方法，便容易達成理想的課程的設計。本模式其興趣焦點在於訓練思考方式、分析能力、求知技能、理解能力等學習，而非著重於內容知識。其教學方式，偏重於使用討論，並針對具爭議性的問題進行開放性探究，過程中去針對學生的興趣與需求來選擇課程內容。主張學生對於課程的主動參與，而教師扮演催化者或共同學習者的角色，站在輔導與引導學生的立場來幫助學生學習。歷程模式的成敗，需高度仰賴教師素質，若教師素質不如理想時，恐怕影響學生學習內容與品質。若不同學生間的需求或興趣有所差異時，教師對於教學的取捨也是一種考驗。其次，也容易產生相對性價值觀的問題，不易讓所有的學生學得最基礎、最必需習得的課程共同內容。[20]. 18.

(32) 2.1.3 羅頓(Lawton)的課程發展理論. 羅頓(Lawton)的所提出的「Lawton」係屬於「情境模式」學派，主張課程發展必須預先進行學習情境的分析與評估。在課程設計中，必須先分析情境，接著根據此情境來擬定課程目標，再依據課程目標來設計與發展課程，最後經過師生教學的詮釋與實施後的結果，來進行評估與回饋。本模式的優點係從事課程設計時，較其他理論更加重視教育情境與課程系統的總觀。而至於其缺點為需從文化選擇的角度來發展與設計課程，太過於重視社會需求，而易忽略學生個人興趣或知識體系。除此之外，也容易受到特定的社會意識型態的所牽制，對於弱勢的學生較為不利。情境模式雖然注重情境、文化分析，但是隨後仍然會擬訂課程目標，簡而言之，其多數課程設計之要素與程序，與目標模式相當類似。整體而言，目標模式、歷程模式、情境模式三者之間，僅是所注重的焦點或設計出發點略有不同，而彼此之間並非截然對立或不同的三個模式。[21]. 19.

(33) 2.1.4 楊朝祥的能力本位技術培訓課程發展. 楊朝祥（1984）認為培養就業技術所需的系統的教學模式，係首先需要分析教學內容，來確立教學的目標，接著以這些教學目標作為教學與評鑑之標準 [22]。康自立(1982-1994)認為，如應用於工業課程發展之教學應包含下列之各項步驟，略述如下[23]： 1. 蒐集與分析就業市場資料從人力資源之規劃立場來看，大學的教學的目標是供應業界的技術人力需求；另一方面，從學生的觀點來看，大學受教育的主要目的是提供就業能力培訓的機會，故發展技術專業的大學課程的首要步驟是收集並且分析業界市場發展的資料。 2. 進行能力分析確定業界市場的特定行業所需求的技術人力後，接下來便進行該行業的能力分析，最主要的工作是分析研究者所需要的研究行業，以便能夠熟悉該行業的內涵與主要工作應該具備哪些技能及知識與就業態度。 3. 確定教學內容透過上述的能力分析過程後，確立了所研究之行業的內涵與工作需要具備哪些技能及知識與就業態度。但課程的發展如果要教導學生就業所需的全部技能、知識和態度。礙於修業時間的限制，要在規定的時間內把一個該行業就業所需的全部技能、知識和態度全部傳授給學生，是難以實現的。所以教學的內容雖然是以業界的能力分析的結果為依據，但要經過研究者審慎的選擇與專家作評估。選擇適合且以業界經常使用的重要理論與技術與入行時的就業新鮮人所應具備或需要執行的任務 20.

(34) 來做為教學的主要內容。 4. 編寫行為目標當教學內容確定之後，它們就必須被行為目標化，亦即教學內容必須被寫成一系列行為目標，以作為教學及評鑑的標準。行為目標的編寫是能力本位教學中的一個特色，完整的行為目標通常包含行動、情境與評鑑的標準等三個部分。 5. 蒐集或發展教材行為目標僅提供了教學與評鑑的標準，而其本身並不能用來作為教學的工具，所以在行為目標編寫完畢之後，就必須蒐集或發展教材以作為教學之用。 6. 計畫教學能力本位化教學是以學生為中心的教學方式，而教師的主要目的是輔導相互差異的學生達到相同的結果─ 預定行為目標，故需要一個教學計畫，以規劃教師應如何教及學生應如何學。 7. 實施教學由於能力本位教學是一種以學生為中心，講求適應學生個別差異的教學方式，故教師的任務與傳統教師的任務略有差異，教師負擔的主要工作為教學與解決學生有關的問題，傳統教學教師的任務大致以教學為主，能力本位教學因為是以學生為中心的個別化教學，教師以解決學生有關的問題為主要任務。 8. 評鑑教學能力本位化教學與傳統教學最大的差異在於學生學習結果與學生 21.

(35) 所花的學習時間。傳統的教學方式規定所有的學生必須在學校裡待上一段相同的時間，但都不硬性規定學生必須達到一定的水準；而能力本位教學則規定學生必須達到預定的水準，至於其他學習得時間完全取決於學生的能力及學習的速度而不作硬性的要求。所以評鑑在能力本位教學中是一個極重要的步驟，它不僅決定學生是否能繼續學習另一個新的單元或者是否已完成整個學習過程，同時評鑑結果可以用來發掘整個課程的優缺點，而作為修改行為目標、教學計畫、教材以及教學方法的依據。 9. 修正、更新課程經過評鑑總會發現課程缺失之處，例如行為目標不夠實際、教學計畫不夠周延、教材不盡完善以及教學方法有瑕疵等，凡此都必須加以修正。由於技術變化的快速，行業技能內容也因而快速地變更，為了使教學內容能密切配合行業需求，課程內容必須時時更新。綜合以上整理有關能力本位教材發展所需的各項因素，課程之建立適用於我國的能力本位技術培訓教學發展系統[24-25]。. 22.

(36) 2.2 其他學者所提出之課程發展理論整理 1. 巴那錫(Banath)提出教育的系統[26]可分以下四項層次： (1) 機構的層次（institutional. level）-- 學校系統(school. system）。 (2) 行政的層次(administrative）-- 系統的管理（system-wide）。 (3) 教學的層次（instructional. level）-- 教學的方案和科系. （instructional programs and departments）。 (4) 學習經驗的層次（learning experien c e level）-- 學生的班級（classes. of. students）。. 2. 巴特勒(Butler)認為發展教學系統[27]的過程有以下四個必須階段： (1) 確定系統目標。 (2) 發展初步的系統設計。 (3) 發展、測試和修正系統。 (4) 設置和實地測試系統。 3. 安德魯(Andrews) 與古德森(Goodson)在分析多個教學設計模式之後發現，大多數的模式都包含了教學環境分析、目標之確定、學習者特性分析、學習內容分析、教學策略選擇、媒體選擇、活動設計、教材發展、測驗題目的編訂、教材測試等等[28]。 4. 羅密周斯基(Romiszowski)所發展出來的教育訓練系統圖示模式，如圖2-4。此模式主要之特色在於將教學之流程予以詳細之描述，對於各教學要素之掌握，以及對教學品質之確保有很大的幫助[29]。. 23.

(37) 圖2-4 羅密周斯基的教育訓練系統模式. 24.

(38) 5. 迪克(Dick) 與卡瑞(Carey)的系統化教學設計模式是當今廣為熟知的教學系統。此流程的各階段若能順利推展將可達成確認教學的結果、發展教學、有效教學的評量等三種功能[30-31]。如圖2-5。. 圖2-5 迪克與卡瑞的系統化教學設計. 25.

(39) 2.3 機電整合的發展歷史介紹由於在本研究課程發展中，機電整合係課程發展的主體內涵，茲將機電整合發展的回顧與探討做介紹與說明。隨著科技發展迅速，現代日常生活中我們隨處可見許多科技產品，如交通的捷運運輸系統、醫療的電動式輪椅、通訊的手機或傳真機、居家生活的洗衣機、電扇、空調系統等，這些電器用品皆與機電整合密不可分，我們可以體會機電整合的技術幾乎是無所不在，已成為現代生活的重要一環。[32-33] 機電整合從名稱上來解釋，就是有「機械」與「電機電子」做統整與連接。傳統上，以前「機械」與「電機電子」為不同的學科，並且各自獨立的發展，但隨著科技發展與人類的需求，機械與電機電子的關係卻漸漸地越來越密切。為了技術人才的迫切需求，便開始發展出了將機械與電機這兩門學科做整合的構想，並從教育方面與職能訓練開始落實。 [34- 35] 機電整合「 Mechatronics」此字彙起初是由日本的公司YASKAWA 內的工程師 Tetsuro Mori 先生在 1969 年所提出。這個字彙是由 Mechanism(機構工程學)或是Mechanics(機械工程學)取前面五個字母與取Electronics(電子工程學)後面七個字母來組合而得。在日本當地稱 Mechatronics為電子機械學；我國則稱之為機電整合學或機電工程學；中國大陸則稱之為機電一體化。不過發展至今，科技的產品越來越多樣化，機電整合的內涵已經不再只是僅僅的機械或電子的整合而已。到了 1980年代，產業開始積極並多樣性地引進各種不同的技術，來提升產品的質與量，並應用於自動化來減少產品的成本，減低人力成本的需求。目前常見的機電整合技術有機器人、自走車(AGV, Automated Guided 26.

(40) Vehicle)、計算機整合製造系統 (CIM,Computer Integrated Manufacturing) 與彈性製造系統(FMS,Flexible Manufacturing System) 等，這些機電整合的應用中，電腦的使用扮演了舉足輕重的角色，故便開始引進了資訊工程的技術(Information. Engeneering Technology)來幫助機電整合技術能. 夠更加的突破，更上一層樓。故1980年代的機電整合，進入了利用電腦控制的機電整合。[36-38] 到了1990年代，機電整合技術大批的引進了有線傳輸與無線通訊， GPS衛星定位、網路通訊與遠端監控等技術，而進入了利用電腦網路控制機電整合(Computer-Controlled Networking Mechatronics )時期。. 圖2-6 機電整合系統的發展與其附加價值的變化曲線. 27.

(41) 圖2-6表示了機電整合技術的發展過程與其系統的附加價值隨年代的趨勢圖，我們可以由圖得知機電整合最初皆以機構型的型態來發展，接著於1975~1975年左右引入了微處理機於機構的控制中，硬體的邏輯控制裝置逐漸被軟體所取代，而軟體的控制技術成為主流。值得注意的是，系統整體的附加價值隨年代的發展而逐漸提高，但機械與機構的附加價值卻因電機與軟體的興起而逐漸降低。[39-40] 到了21世紀時至今日，機電整合技術已蓬勃發展，並增添了更多的多樣性與豐富性，引入了光機電整合技術(Optomechatronics)，微機電技術(MEMS, Micro-electromechanical Systems Technology)，生醫技術 (Biomedical Electronics)等，這些不同技術的引進與結合，激盪了不同領域之間工程師與研究者的靈感，將所發展出的技術充分的運用於生活之中，所以機電整合與生活已是息息相關。因此，我國無論是在學術研究或是業界發展方面，仍需繼續努力，除加強研究發展之外，尚須多採用機電整合之技術，多接受自動化的概念，以提升我國技術之水準。[40-41]. 28.

(42) 2.4 國外大學相關課程發展 PLC與機電整合課程在不同的國家發展程度不同，針對不同國家工業自動化的發展特色與需求，在大學講授的機電整合課程發展狀況也五花八門。世界各地不同的大學採取了不同的授課方式來針對機電整合課程，以配合當地工業發展所需之技術人才，來滿足國家在工業發展上的需求。以下茲將所收集文獻上各國大學所發展之機電整合相關課程做些概述。了解世界各地區機電整合發展概況，以期幫助本研究之課程發展能有更多的參考與整合。 1. 美國華盛頓 Capstone University 所開發之機電整合課程華盛頓Capstone University大學開設了一系列的課程，另加入技術的選修課程。所有的課程涵蓋在三個學年度中，並於大學四年級那年，將機電整合課程推入最高潮，將前三年的所學實現於專題研究中，為期10 週的設計課程中，讓學生組織成學生團隊，每個團隊負責不同的機電整合項目，並將成品公開發表出來[42-48]。 2. 澳洲莫納什大學( Monash University) 之機電整合課程 Monash University設計了一套完整且具有平衡性的機電整合課程。此套課程強調兩大重點： (1) 建模分析技能 (modelling analysis skills) (2) 實驗/硬體實現技能 (experimentation/hardware implementation. skills.). 該校並成立了發展委員會，委員來自不同的工程學科和行業。主要功能是設置課程目標，希望能與當地產業緊密合作，以確保所培訓之畢業人才能滿足當地產業的的需求。而機電整合的教學人員大多為從事機 29.

(43) 電整合相關的研究者，以保持他們的知識符合最新潮流。並於課程中教導學生相關的產業設計和製造，並設計出滿足客戶需求的產品。課程發展過程中並與業界積極聯絡，以其達到有利於學術與業界之間建立橋樑。 [49-57] 3. 美國喬治亞理工學院-電機工程學系越來越多的電機工程的學生畢業後在控制系統或製造領域的應用尋找就業機會。為了希望幫助學生與業界接軌該校理念在於讓學生實際接觸到整個控制過程。喬治亞理工學院，發展了一套新的工業控制和製造過程的課程，凸顯該科系電機工程特色有別於和其他學校的基本控制課程。課程的核心是利用一組實驗室實體教具，提供學生離散邏輯控制和連續變數的控制的實際演練與操作機會。課程與實驗的內容包含植基於PC介面的PID控制和使用PLC的離散邏輯控制，提供學生實際的學習經驗。課程內容包括程序控制，離散邏輯控制，生產線系統和生產的控制。其實體教具如圖2-7。[58-63]. 30.

(44) 圖2-7 喬治亞理工學院機電整合課程實體展示機 4. 美國喬治亞理工學院-機械工程學系與其他一般典型的主科相比，其實機電整合這們課程是「瞬息萬變」的，故必須隨著產業的發產來不斷的將課程做調整規劃與重新評估。而技術發展其實早在現今已經發生了巨大的變化，因為微處理器和感測器變得更小，執行效率更快，且可靠度增加而成本降低。故該系所課程係採用微處理器作為其主要的控制器。該系所之機電整合課程主要被分成兩個部分。 (1) 課程部分課程部分主要先介紹機電整合的各部分層面，包含種感測器、控制與驅動器。接著介紹基礎理論部分，內容包含數位邏輯運算，程式編譯與撰寫，微處理器結構等。最後介紹進階理論部分，此部分則是講授電力電子技術、轉接口電路、信號處理、AD/DA轉換、 31.

(45) 串/並連通信與計時器等。 (2) 實驗部分。實驗部分設計了四項實驗主題，一系列的非正式講座，與最後的期末報告。 (a) 實驗一第一項實驗是一項簡單的練習，讓學生熟悉EVB的編輯與程式的撰寫。學生學習如何從線上下載EVB，利用EVB寫出一則簡單的程式並做編譯。老師指定要求學生下載老師上傳的程式碼，該程式碼中有故意插入部分的錯誤，要求學生進行除錯。 (b) 實驗二第二項實驗是教導如何控制I/O接口來進行8顆LED的順序亮暗控制，從00到FF，十六進制轉二進制。 (c) 實驗三第三項實驗是模擬信號進行取樣和處理，並側重運算放大器電路，A / D轉換器，處理器標誌和數據處理。每一組都利用會斯登電橋與OPA電路來量測懸臂樑中應變規的數據。 (d) 實驗四第四項實驗主題是做信號處裡、並將電路區隔和脈衝寬度調變來做直流馬達傳速控制。這項實驗提供學生實際的閉迴路控制實例與展示了穩定度與頻寬的觀念。 (e) 期末專題在期末專題部分，讓學生自行分組，而每一組都需要在期末實作出一項專題，讓各組學生依照自己的興趣與創意來自訂題目，將課程中所學的知識作實現。專題原則須滿足本課程需求，建立於機. 32.

(46) 電整合之上，並利用EVB來做程式撰寫。在進行專題實作之前，每組須繳交規劃的時程表，每組都要排定時程在每周與老師確認進度與討論，以確立作品可以在期限內做完。在期末考周每組將上台做期末報告，除了書面與口頭報告外，也要將它上傳到網路做結果呈現[64-69]。本節所介紹之機電整合課程發展以國際目前較具知名度，並對機電整合發展歷史悠久與純熟之學校做概述性介紹，目的在於初步了結其相關課程發展狀況，其他相關學校詳細之機電整合課程發展內容[40-50]經研究者整理，如表2-2至表2-6。表2-2 美國華盛頓Capstone University 機電整合學程發展美國華盛頓 Capstone University 授課目標： (1)自動控制的理論與應用 (2)古典的控制方法與系統的穩定度設計課程主題綱要 (1)系統建模 (2)狀態表示法和線性化自動控制. (3)拉普拉斯變換與轉移函數. (ME471). (4)時間響應和頻率響應 (5)開迴路和閉迴路系統 (6)波特圖、根軌跡法 (7)Routh-Hurwitz and Nyquist 穩定性分析 (8)增益補償和相位補償 (9)系統設計 (10)計算的分析和設計工具-Matlab. 33.

(47) 授課目標： (1)學習如何將類比的物理訊號透過儀器轉換為電的數位訊號 (2)於生產線與產品製造上的相關應用授課目標： (1)儀器的各種動態響應分析儀器儀表. (2)轉換器的理論. (ME473). (3)各種量測(速度、加速度、壓力、流量等) (4)儀器校準 (5)橋式電路 (6)放大器、濾波器和補償器 (7)頻譜分析 (8)對於計算方面的分析和數據處理的 (9)軟體工具採用 Matlab。授課目標：基礎機械設計提供一個全面的介紹，並使用一個嵌入式微型計算機作為一個實現的功能元件。. 嵌入式計算 (ME477). 授課內容： (1)計算機體系結構， (2)計算機編程 (3)演算法設計 (4)介面通訊和通訊協定。授課目標：. 機電整合設計導論(ME395). (1)了解設計原理和設計出實用的工具用於機電整合。 (2)學習團隊合作，創造力和集思廣益。. 34.

(48) 授課內容： (1)決策過程 (2)設計模型 (3)知識產權 (4)工程經濟學 (5)項目規劃 (6)產品責任和道德等。授課目標： (1)旨在為學生提供的一個機會，讓學生以整合研究的思路的方式，在每個獨立的課程主題中，完成開放式設計的問題。 (2)本學程的機電整合課程頂點。機電整合工程設計(ME495). 授課內容： (1)每個團隊都負責開發自己的主題功能和設計規範，組織並展開工程設計工作。 (2)發表專題舉例： ‧人力潛艇的軸測力計設計。 ‧板載汽車測功機 ‧滑雪板受力分布的量測. 35.

(49) 表2-3 喬治亞理工學院-機械工程系機電整合課程發展喬治亞理工學院-機械工程系課程目標： (1) 培養學生具有跨學科、實作與編輯程式語言的能力。 (2) 課程發展目標是希望學生能夠學習如何應對工作中的挑戰，以及學習如何團體合作。 (3) 本課程主要被分成兩個部分，課程部分與實驗部分。課程部分主要是介紹正式的理論與觀念；實驗部分則是手動操作並將理論與觀念做實現。授課內容： (1) 基礎理論課程機電整合設計 (ME4447). ‧各種感測器介紹 ‧控制器介紹 ‧致動器介紹 ‧數位邏輯運算 ‧程式編譯與撰寫 ‧微處理器結構 (2) 進階理論課程 ‧電力電子技術 ‧轉接口電路 ‧信號處理 ‧AD/DA 轉換 ‧串/並連通訊傳輸與計時器。 (3) 實驗課程. 36.

(50) ‧Motorola 68HC11 EVB 模組板的認識與介紹。 ‧熟悉 EVB 的編輯與程式的撰寫。 ‧控制 I/O Port 來進行 8 顆 LED 的順序亮暗控制。 ‧模擬信號進行取樣和處理。(包含 OPA、A / D 轉換器惠斯登電橋的應用。) (4) 期末專題表 2-4 澳大利亞莫納什大學機電整合(一)課程澳大利亞莫納什大學授課目標：為學生建立一個機電整合的基礎知識。本課程分為兩個層面，為機電整合作介紹，如下。 (1) 知識與理論層面 ‧職業介紹。 ‧了解機電整合所涵蓋的多學科領域。 ‧熟悉目前業界熱門的機電整合技術。 ‧熟悉機電整合技術的基礎理論。機電整合(一) ‧熟悉機電整合設計過程的知識。 (2) 技術與實作層面 ‧能夠識別企業自動化任務與效益最大化。 ‧團隊工作，利用機電整合技術知識解決「真實生活」工業的問題。 ‧利用電腦與工具解決工程問題。 ‧與業界聯絡和群體間的溝通。 ‧有效的書面和口頭溝通。. 37.

(51) 授課內容： (1) 課程主題： (2) 固體力學，應用力學（機械原理）; (3) 基礎電子產品（類比與數位）; (4) 電機和電子驅動器 (5) 電力電子技術 (6) 計算機工具和編程語言簡介 (7) 機電整合設計 (8) 機電整合項目 (9) 材料力學。 (10) 相關數學。. 38.

(52) 表2-5 澳大利亞莫納什大學機電整合(二)課程澳大利亞莫納什大學授課目標：本課程分為兩個層面，為機電整合作介紹，如下。 (1) 知識層面 ‧ 熟悉智慧型控制系統。 ‧ 理解感測，人工知覺在工業自動化中的應用。 ‧ 熟悉工業自動化與機器人技術，感測器和人工知覺的概念。機電整合 (二). ‧ 熟悉工程的生產和計算機輔助製造。 (2) 技術層面 ‧ 培養團隊執行與參與關於機電整合 ‧ 製造環境中執行工程任務。 ‧ 培養選擇和設計自動化的技能（任務和設備），學習如何以最大限度提高效率和生產率。 ‧ 滿足工業的技術需求，希望學生能夠利用現有的知識與方法(機械，電子和計算機領域知識)，來全面的解決現代製造系統的問題。. 39.

(53) 授課內容： (1) 機械及機械原理設計 (2) 控制工程 (3) 機器人（工業應用程序） (4) 微處理器的應用; (5) 計算機工程 (6) 遙感和人工智能（AI） (7) 機電整合工程（ 6hr/week）。表2-6 澳大利亞莫納什大學機電整合(三)課程澳大利亞莫納什大學授課目標：本課程分為兩個層面，為機電整合作介紹，如下。 (1) 知識層面 ‧工程管理知識的了解 ‧ 了解產品設計與市場導向。 ‧ 身為專業工程師的義務與責任 ‧ 社會福利和永續發展與該行業的職業道德。機電整合 (三). ‧ 理解機械設計中的高等機器人與高等控制。 (2) 技術層面 ‧能夠運用工程和科學的知識解決技術問題。 ‧ 工程專業管理技能，適用於最後一年的執行此項目，其包括專業的溝通和表達。授課內容： (1) 工程管理 (2) 高等的機器人 (3) 機械設計 40.

(54) (4) 數位影像 (5) 重要專題世界各大學為了應對產業對機電整合工程師的需求，在大多數國家學術單位都在想盡辦法發展高效率課程。透過上述資料的整理與歸納發可普遍發現，一門成熟的機電整合課程，往往需要具備以下幾點特色。 (1) 能夠配合適當的教具展示機電整合的控制過程(例：機械手臂操作)，提供學生能夠學習達到機電整合技術與工業自動化的教學目標。 (2) 可提供高品質的培訓的實作課程，學習到更多學科的知識。並融合控制理論的多樣性，配合實際的實驗與操作，讓學生同時學習到硬體架構、PC 與 PLC 的操作，與程式的撰寫等。 (3) 在機電整合課程中，授課的主題範圍和時間跨度分配，需要具有可調整的彈性空間。並讓學生在此過程中一直不斷的反饋並修改教學方式。 (4) 機電整合可透過與業界合作發展課程，將以加強學術界和工業界之間的關係。 (5) 機電整合教育的本質，是向學生傳授有關團隊工作的概念，以實現共同的目標。本節探討了國外大學的機電整合課程發展，膫解機電整合課程儘管在工程學科上的發展深具挑戰，但機電課程發展迄今為止，是非常令人期盼的。如何選定課程主題與教學方式，來配合學生的需求與程度，在教學中是需要不停學習並修正的課題。. 41.

(55) 2.5 國內大學相關課程現況一、國立彰化師範大學工業教育學系. 國立彰化師範大學工業教育學系開設了「可程式控制技術」課程，其課程大綱茲將整理如下： 1. 可程式控制器簡介 2. 可程式控制器軟體介紹與操作 3. 機電整合介紹 4. 可程式控制器指令介紹與操作 5. 可程式控制器與電腦連線及監控 6. 應用指令解邵及設計 7. 狀態流程圖設計 8. 實例應用分析 9. 專題報告開設課程目的係因可程式控制器 PLC 在產業自動化中，一直扮演很重要的角色。本課程由 PLC 之編輯軟體的使用開始，教師於課堂上講解可程式控制器的基本概念、基本指令、應用指令，輔以教師提供之教材進行實機之操作與範例練習。經由 PLC 程式設計範例，循序漸進的指引學生進入可程式控制器程式之撰寫，包含步進階梯圖與狀態流程圖的熟悉與應用。最後，讓學生能結合可程式控制器與機電整合模組來製作專題。[79] 二、台灣大學生物產業機電工程學系台灣大學生物產業機電工程學系開設了「機電整合機電整合及實習」課程，其課程大綱茲將整理如下：[80]. 1. 簡介(包括示範操作與簡易實習) (1) 機電整合之定義與架構 42.

(56) (2) 傳統系統與機電整合系統之比較 (3) 機電整合系統之應用 (4) 學習機電整合課程之方向與原則 (5) 示範操作 (6) 四驅車實作之實習 2. 基本電子儀器介紹與實習 (1) 三用電表 (2) 示波器、信號產生器、電源供應器 3. 基本控制概念與控制器實習 (1) 基本控制概念與分類 (2) 控制器之架構 (3) 控制器之選用要點 (4). PLC控制器. (5). CPLD控制器. 4. 控制上常用之電子元件與實習 (1) 電子元件之發展與應用 (2) 控制上常用之電子元件及其應用 (a) 類比元件二極體、雙載子接面電晶體、場效電晶體、閘流體與單接面電晶體、放大器、振盪器 (b) 數位元件 Inverter, AND, OR, Decoder, Multiplexer 5. 感測器與實習 (1) 感測技術概念 (2) 感測器之分類 (3) 農業上常用感測器 43.

(57) (4) 感測器選用要點 6. 致動與傳動系統與實習 (1) 電動機 (2) 機構 (3) 油壓系統 (4) 氣壓系統 7. 機電整合系統 - 期末計畫與報告台灣大學生物產業機電工程學系開設此課程目標係以「控制工程」為核心，將機械、電機與資訊系統加以整合之系統化技術，並常應用於產品的設計與製造上。而加強工程學系的學生在機電整合方面之教育與訓練是世界各國的趨勢。機電整合與實習這門課程著重於學理之介紹與實作能力之培養，以及系統性能之評估。每周授課兩小時，並配合兩小時的實習課程，主要強調如何將“機”與“電”整合起來，達到預期的目標與功能。三、國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系開設的「機電整合」課程內容包含相關機電元件的工作原理，以及控制的方法與應用，課程中也將配合器材示範，加強學習效果。整體而言，此課程希望學生能習得以下知識： 1. 機電系統之組成、組成元件和其工作原理 2. 電力信號處理、開關及感測元件之特性 3. 各種電氣傳動器(馬達)之特性與應用 4. 基本 PID 自動控制原理及應用其課程大綱整理如下： 1. 控制系統及機電整合簡介 2. 微處理器及微控制器 44.

(58) 3. 運算放大器及信號調整 4. 開關、繼電器及電力控制元件 5. 機械傳動元件及系統 6. 感測元件原理 7. 電氣傳動器(直流、步進、交流馬達) 8. 機械傳動器(電磁管、液壓、氣壓) 9.. PID伺服控制原理與應用. 本課程希望能夠培養學生具備分析工程問題，並且運用數學、科學、工程知識以及應用現代化工具、方法加以解決問題。且能夠規劃、設計與執行實驗，並且可以分析實驗結果與解釋數據所代表意義。並能夠注當前與機械工程相關之技術發展、時事議題，並瞭解對環境、社會及全球的影響，從而體認專業倫理、社會責任，以及持續學習的重要。每周授課時間三小時。[81] 四、國立中興大學機械工程學系國立中興大學機械工程學系開設了「機電整合應用與實習」課程，目的在於培養機械工程師機電整合設計之基礎能力，著重精密機械工程、電子(電腦)控制及系統整合性思考等技術之整合訓練。為精密機械及自動化機械設計必備的基本常識。其課綱茲整理如下。[82] 1.機電整合學之介紹 2.微處理機於機械系統設計之整合應用 3.介面應用技術 4.感測器應用簡介、致動器及驅動器應用 5.及時控制技術 6.直流伺服馬達介面技術實作 7.專題實作：. 45.

(59) (1) 倒單擺系統機電整合實作 (2) 樑與球系統機電控制實作 (3) 滾動控制系統實作 (4) 滾珠螺桿及氣壓臂系統控制實作 (5). X-Y 平台機電系統運動控制實作. (6) 五軸機器人機電控制實作 (7) 繪圖機機電控制實作 (8) 撓性臂抑振及定位控制實作 (9) PID 控制參數自調技術實作. 五、國立宜蘭大學生物機電學系國立宜蘭大學生物機電學系開設「機電整合工程」課程旨在建立生物產業中機電整合的基礎知識、整體系統概念與實務經驗。同學配合機電整合實習中分組實習，最後以單晶片控制器、感測器回路、驅動電路與機構，設計並製作可實際運作之完整的自動控制系統。[83] 其課綱茲整理如下。 1. 機電整合概論、基礎電路介紹 2. 感測器基本電路 3. 感測器 4. 單晶片控制器架構 5. 單晶片控制器硬體 6. 單晶片控制器軟體 7.. 單晶片控制器應用. 8.. 量測與資料擷取. 9.. 期中考. 10.. PLC及其它控制器 46.

(60) 11. 電動機原理與控制 12. 液氣壓系統與其它致動器 13. 基本機構及機械系統 14. 介面與驅動電路 15. 自動控制原理此課程由三位老師聯合授課，每周二小時正課，並配合「機電整合工程實習」課程實習。透過本節整理，膫解可程式邏輯控制與機電整合課程在國內大學相關科系發展的現況，其教學內容與教學方式相當多元與多樣，但也造成此課程在不同學校中教學的內容差異性極大，故如何提升教學的品質，幫助學生建立理論與實作的能力，也成為本研究努力的目標與方向。. 47.

(61) 2.5 機電整合的系統架構機電整合的發展與日常生活以緊密結合並息息相關，而究竟何謂「機電整合」呢? 機電整合是屬於標準的「科際整合」型態的技術(陳以撒，1994)，他需要結合許多領域的知識，例如：機械、電子、電機、資工、控制、工業工程等背景知識。因為其牽涉的範圍非常的廣泛，所以產生了許多不同的定義，而從不同的角度出發，會有些許的差異，但原則上殊途同歸，都有相當的基本共識。根據學者Buur 博士對機電整合的定義如下： Mechatronics is a technology which combines mechanics with electronics and information technology to form both functional interaction and spatial integration in components, modules, products and system.[70] 根據Buur 博士所下的定義，我們可以發現他針對了三個方面來對機電整合的架構作闡述。[70-71] 1. 就背景知識層面：機電整合包括了機械、電子與資訊。 2. 就研究對象層面：機電整合涵蓋了元件、模組、產品與系統。 3. 就研究目標層面：機電整合目標是希望能達到功能上的交互作用並完成空間上整合。而根據研究者所查閱的參考文獻中，在1996年所出刊的IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 第一卷(Vol.1)的第一、二集(No. 1與No.2)，這兩期對於機電整合的架構、內涵以及各國機電整合的發展與歷史有相當詳盡的回顧，有助於瞭解機電整合整體發展過程與全貌。而值得注意的是，在研究文獻中，普遍會發現一個現象，比如電子背景的人不懂機械，懂機械的人不懂電機，而常常在彼此間的溝通上存在著很大的差距。 48.

(62) 然而，機電整合既然是「科技整合」他所牽涉的自然是一套完整的自動化控制系統，一般而言，機電整合系統，可大致歸納為四大層面，包括控制器(Controller)、感測器(Sensor)、驅動器(Actuator)與機構(Mechanism)。如圖2-8所示。. 圖2-8 機電整合四大層面機電整合是在各種學科(機械、電機電子、控制、工業工程等)之不同領域之間做整合的一項技術，其中涵蓋了控制、感測、驅動與機構，為了落實機電整合的應用並將它付諸實現，自動化產業變成為了支撐機電整合技術的重要核心，而機電整合則是自動化產業發展的重要推手 [76]-[78]。自動化產業中，機電系統為機電整合的實現與應用，一個完整的機電整合系統之交互作用架構圖如圖2-9所示。. 49.

(63) 圖2-9 機電整合交互作用架構圖圖2-9說明了機電整合系統架構，其可大致歸納為四部分：控制器、感測器、驅動器與機構。控制器就好比人類的大腦，透過使用者下達指令，將訊息做訊號處理，送至驅動器產生運動，讓機構啟動運作，以達到使用者所需的操作目的，一方面機構上裝置著各式各樣的感測器，就好比人類的感官神經，將機構的訊息做訊號處理回饋至控制器，使控制器不斷的做修正，以維持機構運作的穩定性並減少誤差。由此可知，機電整合一門理論與實務兼具，高度跨領域且交叉整合的學科，其中包括了控制、感測、驅動與機構等，它們的原理、架構的設計不能被分開對待，而必須從「整合觀點」、「同步設計」、「系統角度」出發[71-75]，來達到機電之間的介面整體最佳化。. 50.

(64) 第三章研究設計與實施本章節根據研究目的進行有系統的研究設計與實施規劃，並透過專家建議，採取適切方法，希望能獲得有效的研究結果，本章主要先針對課程確立階段說明如后。本章節內容主要分別如下： 1. 擬定並確認研究之主題 2. 問卷發展與專家審查 3. 問卷統計實施與結果整理 4. 決定課程發展方法與發展課程內涵 3.1 擬定並確認研究之主題. 與指導教授開會討論後，並經可行性評估與討論後確認研究主題和研究的方向，並擬定本研究之主題，接著進行相關文獻資料的蒐集並整理。資料蒐集主要是參考國內外各大學所發展的機電整合教材與課程的發展狀況。主要目的在於透過現有文獻資料作有系統的整理，經過歸納和分析後以澄清相關研究問題所在，並藉此來確立本研究方向且能有效的避免做出錯誤的研究策略。再著手進行研究之前，研究者先透過圖書、期刊、雜誌以及論文著作等，配合網路資源的搜尋，將與課程發展與規劃的相關理論與實務之文獻蒐集整理，作為研究理論基礎，再深入探討本研究相關課程發展之理論基礎、發展模式及規劃原則等，問卷統計結果與專家意見綜合整理歸納，以確認採行課程發展之策略。再就機電整合的內涵與定義、範疇及實務能力等加以探討瞭解，來初步擬訂「以可程式邏輯控制實現機電整合實習課程發展」之課程教學目標、內涵與教學大綱。. 51.

(65) 3.2 問卷發展與專家審查. 將文獻綜合整理後結果作交叉分析比對，取出機電整合課程中重要的理論與章節內容之交集，以作為機電整合課程中的必備知識之主題，並以各學術機構開發課程與相關機電整合教科書重要內容之聯集，將機電整合課程初步擬訂完成「機電整合」課程中所需必備的專業知識與技術內涵，並將之整理發展出問卷。希望透過本問卷發放至業界中作統計，了解當前業界對於機電整合人才能力之需求，期以達到學術與業界接軌的目的。問卷內容亦經過專家召開會議作評估與專家訪談討論其問卷內容並透過檢核之過程，待將問卷整理與修正後，並再次作專家審查以確認問卷其內容的架構與規劃之完整性，期能達成問卷之有效的信效度。問卷的擬定方式與專家討論後的結果，針對本研究課程做初步規劃，將問卷架構分類為四大構面如下： 1. 感測層面 2. 控制層面 3. 驅動層面 4. 機構與系統層面而本研究問卷的編排，則依照此四大構面作編寫，部分構面依照研究需要再細分成其他子構面。初步擬定完問卷後則再邀請其他專家舉行會議評估、檢核，共同審查其問卷內容，希望藉由專家對「機電整合之業界技術需求調查研究問卷」提供實務與寶貴的意見，以作為課程之發展與規劃的依據，經匯集整理作修訂後，再次經專家審查後確立，接著實行問卷發放，來完成此研究目的。本階段邀請專家對象為具備對「機電整合」有深入認識的專家學者、在大學講授「機電整合」課程之大學教授與產業界之技術人員。. 52.

(66) 3.3 問卷統計實施與結果整理. 在文獻分析與專家審查部分結束後，本研究即接著進行問卷發放予統計，本研究於2013年五月初，採立意抽樣法，陸續將問卷寄發至各業界機電相關企業著手進行問卷調查。問卷調查所針對的企業公司如下： (1) 崑山電機有限公司 (2) 浩昇開發科技股份有限公司 (3) 集研科技股份有限公司 (4) 勝捷光電股份有限公司問卷發放實施對象主要針對企業主、機電整合相關工程師與技術人員，並於2013年五月底前將問卷回收。發放問卷共計70份，有效回收問卷52份。將問卷內容之各構面進行描述性統計分析並將感測、控制、驅動與機構與系統層面做柯-史單一樣本考驗。計算出各題項之算術平均數之結果來代表其重要程度，將其平均數大小作為依據，作等第排序以表示教學之重點與分配時數。並使用SPSS for Windows 統計軟體進行柯-史單一樣本考驗（Kolmogorov-Smirnov one sample test），確認實施對象各項能力重要程度及實行難易度的贊同之趨勢，其統計之結果將整理至下一節。. 53.