高雄市生活科技競賽的設計意涵與實踐分析
朱耀明 國立高雄師範大學工業科技教育學系副教授 壹、前言 生活科技月刊報導有關生活科技競賽的訊息，大多以台北市的生活科技競 賽訊息為主。2005 年生活月刊第三十八卷第四期，則報導了有關桃園縣九十三 年生活科技競賽的訊息及台北縣福和國中生活科技學藝競賽的報導。相較於高雄 市每年進行生活科技競賽的努力情形與成果，未見相關文章發表與報導。為分享 高雄市生活科技競賽的努力情形，茲以最近四年高雄市生活科技競賽的內容與成 果，與關心生活科技的讀者們分享，也讓有意辦理生活科技競賽活動的教師瞭解 高雄市生活科技競賽的辦理過程與成果。 高雄市每年舉辦生活科技競賽，主辦單位為高雄市政府教育局二科。多年 以來，教育局均委託高雄市大仁國中辦理生活科技競賽，該校也是高雄市生活科 技中心學校，擁有完整的木工場、綜合工場。九年一貫課程實施之後，大仁國中 同樣面對自然領域壓縮生活科技領域教學的問題，加上資深的生活科技教師逐一 退休，在生活科技教育的推動上面臨嚴峻的挑戰。在諸多不利生活科技推動環境 下，大仁國中與國立高雄師範大學工業科技教育學系秉持推動生活科技的使命， 在有限的經費與人力，共同努力辦理生活科技競賽。期望藉由生活科技競賽活動 的舉辦，讓學校對生活科技教學的重視，及提供生活科技教師擁有一個生活科技 的活動舞台。筆者連續四年協助辦理高雄市生活科技競賽，在四年的辦理過程 中，思考競賽活動的意涵，不斷修正生活科技競賽的方式，企圖有助於生活科技 課程的推廣與落實，而生活科技競賽活動的調整，同時也衝擊老師對競賽方式的 思考。 高雄市生活科技競賽的方式，主要採取生活科技課程的特色—「設計與製 作」做為競賽的核心，同時以科技創作發展歷程為競賽的依據，讓學子從創意構 想的發想、構想的篩選到實際科技的創作活動。學生需要針對題目進行「設計」 與「製作」，然後根據製作的成果進行評比，以決定名次，整體比賽的過程與台 北縣市、桃園縣的內容大同小異。但在實際的競賽活動中，究竟是否對老師或學生有所幫助？對學校生活科技教師的教學有所啟示？對生活科技的推廣有否助 益？這些問題都考驗著如何規劃整體的競賽活動，活動的成果也檢視了競賽活動 的意涵。 貳、競賽活動的規劃與設計 高雄市共有四十四個公私立中學，歷年辦理生活科技競賽時，主要分成高 雄市北區與南區同時比賽，各區選取前三名及佳作數名。另外則有最佳造型、最 佳創意、最佳筆記等獎項。活動的進行於活動前三∼六個月進行領隊說明會，邀 請各校學校代表參加，會中說明該年度的競賽的重點、評量的重點、參賽人次資 格、需要攜帶的工具或材料等相關事項，並進行相關的問題答詢活動。通常說明 會的內容並不提供競賽的題目，因此，老師與學生並不清楚競賽的題目，但攜帶 的工具多少反映出題目的方向。競賽題目的重點主要以科技發展歷程的模擬、科 學與技術的認知與應用、設計與製作的歷程、科學態度的培養、過程技能的運用、 與科技創作的詮釋為主。評量的重點則強調科技創作的歷程，如觀察、構想（創 意）、評估（決策）、設計、製作、測試、修正、完成；產品的功能達到特定的 需求，如功能的要求、結構的完整性、造型的設計；及設計與報告的撰寫等。茲 將最近四年生活科技競賽活動的設計與實踐及競賽的意涵與轉折敘述如后。 一、九十三年度：以機器構造為主的競賽--投石器的設計與製作 1.背景 本次競賽的內容主要以模擬攻城投石器的設計製作為主。攻城投石 器在各個不同區域、國家、朝代均有其重要的地位，擔負者攻擊與抵禦 外侮的重要器具，達文西的手稿中也有許多攻城器的設計，是科技發展 歷程中重要的一環，且學生在不同的電影中，也可看到許多類似的器具。 學生具有攻城投石器的相關概念，加上學校在槓桿與虎克原理的理論經 驗，因此，投石器的設計與製作在學生的基本能力上，應該足以勝任。 2.競賽方式 大會於領隊會議時，要求學生攜帶夾背鋸、鋼尺、螺絲起子、直角 尺等工具。大會則於現場提供各組相同量的木板板材及三種不同樣式的 金屬彈簧及橡皮筋等，參賽學生三人為一組，於上午九時三十分起至下 午二時止，中午十二時至十二時三十分鐘休息，在四個小時的時間中，
進行攻城器的設計與製作。學生需要繪製設計圖、製作投石器，並撰寫 工作報告。時間結束之後，則進行量測各組投石器投射「石頭」的距離， 並作為評量的依據之一。整體評量的重點包括投石器的功能、機構設計、 設計創意、及競賽報告撰寫等。學生三人必需要分工合作，繪製設計圖、 撰寫電腦報告並列印、現場製作投石器並試驗修正，競賽時間非常緊湊。 3.競賽成果與檢討 大部分的參賽隊伍，大多都能夠完成投石器的設計與製作，僅有少 數隊伍未能製作出具有功能的投石器。在構思設計上，學生大多能夠順 利的將創意表達，繪製設計圖，其中有不少具有令人驚豔的設計隊伍。 經檢視未能順利製作完成的原因是無法正確掌握製作的能力，以致空有想 法但卻無法完成。從投石器的設計與製作中也察覺學生在木材的加工上，普遍 缺乏應有的加工能力，木材的端面不平整，鋸切歪斜，究其原因主要是鋸切選 用不正確的鋸切工具，加工的方法錯誤，缺正確的使用方法所造成。訪談多位 帶隊老師得悉，九年一貫課程壓縮了生活科技上課的時間，上課不再前往實習 工場，學生接觸工具操作的機會變少，尤其是加工困難耗時的材料如木材或金 屬等在上課過程中，高雄市許多學校已逐漸不再操作，學生缺乏應有的「技術 加工」能力。在此背景環境之下，思考生活科技競賽的方向是朝向檢核學校的 教學成果，還是導引學校教學？生活科技競賽的成效是否具備有影響學校教學 的功效？如何善用生活科技競賽協助教師的教學呢？ 二、九十四年度：以運輸科技的科技系統設計--氣墊船 1.背景 在上屆生活科技競賽活動後，察覺學生在技術操作能力上無法滿足 競賽的要求。因此如何設計出與教學相關且符合學生能力的競賽活動， 同時又能協助教師的教學，變成本屆設計的重要思考問題。本次競賽的 主題以運輸科技為主，因此題目的構思以運輸載具為主。往年的題目包 括設計一個能夠滑行最遠的車輛、太陽能車的設計等。為避免相同的題 目及提供教師教學的參考活動的背景下，本屆的競賽以氣墊車的設計製 作為主。氣墊車是載具的一種，具有特殊的功能及行進方式，在科技發 展過程中非常特別，經常吸引人們的目光。但氣墊車也有其功能上的限 制，系統上需要達到特定的要求，故在現行環境中並未能普及應用。以
氣墊車的創作與設計作為題目，學生可以從中瞭解氣墊車設計上的基本 要求，包括電路、馬達的電學基本知識，向下推力、重量、重心、氣室、 裙擺、進氣量、出氣量、浮力、載重、前進推力等因子，而這些因子彼 此相關，互相影響，對於建構「氣墊船」這個科技產品，學生需要建立 起科技系統的概念。因此，氣墊車的設計與製作除了競賽活動提供老師 與學生新奇的視野外，將來在科技發展與應用上，也有探索與分析的空 間，有助於學校的教學活動設計與發展及建立學生科技系統概念。 為讓參賽學校的教師對氣墊車具有一般的概念，以便指導參賽學生 設計製作氣墊船，因此在活動前五個月即九十四元月，召開領隊說明會， 說明競賽的內容方向，並提供氣墊船的基本模型，內容包括馬達的推力、 配線、造型等（如圖 1,2）領隊會議中，並未公布競賽的題目，僅提供競 賽的方向，讓教師可以在課堂中，讓學生製作氣墊船，並檢討改進氣墊 船。 圖 1 氣墊車 正面 圖 2 氣墊車背面 2.競賽方式 本次比賽時間於九十四年五月十九日舉辦，競賽的題目為「設計一 台可以浮起在水泥平面上，能載重一定重量，且能前進的氣墊運輸工具 」。載具設計需求包括載重與速度功能，載重量以承載最高的重量（螺 帽的顆數），需在 20 秒內能夠順利前進 30cm；速度則量測前進 2.4 公尺 的時間(無負載)。在結構上要求氣墊船之馬達必須固定、電池座需要固 定、線路佈線穩固、整齊、穩固、整體結構堅固，碰撞物體時，不會解 體或電池掉落；造型上大小不得超過長 40 寬 30 高 15cm、製作載貨區 以置放貨物區及請考量機能與外觀設計。
大會於領隊會議時，要求學生攜帶電線撥線工具、畫線工具、保麗 龍切割工具、保麗龍接著劑、影像與檔案處理設備、量測工具如三用電表、 尺等。大會當天提供參賽隊伍三分保麗龍及珍珠板各一；八顆 AA 金頂電 池；電線、膠帶、廣營公司之馬達 EM300 1 顆、EM100 1 顆、及 3V 馬達 2 顆；扇葉 EP4025*2、EP5030*2 等。並提供馬達與扇葉組合的測試數據 如表 1 等，讓學生從數據上瞭解如何選用馬達與扇葉。 表 1 EM300 馬達＋扇葉測試表 螺旋槳 電壓 (伏特) 電流 (安培) 推力公克 功率 (瓦) 效率克/瓦 EP4025 4.8 4.5 93 21.60 4.31 EP4025 6 5.9 129 35.40 3.64 EP4025 7.2 7.8 155 56.16 2.76 EP5030 4.8 6.3 130 30.24 4.30 EP5030 6 8.2 168 49.20 3.41 參賽學生三人為一組，於上午九時三十分起至下午二時止，中午十二時至 十二時三十分鐘休息，在四個小時的時間中，進行氣墊船的設計與製作。學生需 要繪製設計圖、製作氣墊船並撰寫工作報告。 圖 3 競賽過程 1 圖 4 學生找尋重心 3.競賽成果與檢討 學生經過四小時的競賽，學生需要考慮如何讓氣墊船浮起來，並設 計推進器讓氣墊船可以前進，所有學生都需要克服(1)如何保持氣墊船氣 室的空氣壓力高於氣墊船的重量；(2)讓氣墊船直線前進。大多數的參賽 學生察覺到氣墊船升起提高電壓增加風量，但同時卻因電池重量增加兩
相抵銷兩難的問題，無法前進的問題等，因此需要分析諸多問題，逐一 排除。對於控制氣墊船因為作用反作用力所產生的旋轉問題，有參賽學 生設計出雙馬達核心的方式見圖 5。另外學生在造型上有相當大的變化 如圖 6。 圖 5 雙馬達設計 圖 6 氣墊船造型設計 從學生的報告中可以瞭解，學生掌握工作的程序與問題排除的方法，對於 氣墊船的設計活動，持肯定的態度，如 A 校學生在報告中寫著「有趣、生動、 活動腦筋、是我們對製作氣墊車的第一印象，製作過程有趣生動…….對於科 學實驗的製作有了更深的一層見解」；B 校：「此次的實驗遇到了許多困難， 我們也一直很努力的想辦法，最後完成的作品讓我們很有成就感，…這些解決 問題的方法未來可以應用在生活中」。C 校：「經過此次的設計，瞭解一個設 計製作是一件嚴肅且須極付創意的動作，我們也在這次的研究學到了團結及應 用的經驗」。 從教師的訪談得悉，教師對氣墊船的設計活動，都持高度的肯定，許多老 師表示「此活動可以用在課堂上」、「學生上起來也很有精神」、「學生對氣 墊船的活動覺得很好玩」、「要控制氣墊船很不容易，需要探索許多問題」， 這些意見點出了生活科技競賽活動可以提供教師教學設計的參考用途。 雖然大多數參賽學生能排除問題，但仍有少部分學生則無法掌握氣墊船的 設計概念，例如缺乏進氣口的設計，無法察覺馬達正反轉所產生的吸力與推力 所造成的影響。此代表著少數學校學生並沒有從老師參與領隊會議中，獲得氣 墊船設計的關鍵知識，以至無法掌握氣墊船設計的基本的概念。此也反映著少 數學校對於生活科技競賽活動的忽略。究竟生活科技競賽對學校、教師的重要 性為何？另外，學生似乎對「生活科技競賽」與「科學活動」的混淆，有待釐
清。 參、九十五年度：資訊傳播設計--達文西密碼 1.背景 本屆的主軸在於資訊傳播的主題上。上屆生活科技競賽活動後，老師 的反應很好，因此，本屆的議題以能夠吸引學生興趣及可提供教師教學參 考的角度進行設計。恰巧當時剛好是達文西密碼的小說及電影正風行，因 此以訊息傳播為主要的設計重點。內容強調訊息的設計、編碼、解碼的過 程，並考慮編碼解碼過程的「實用」、「效率」因素。讓學生在設計過程 中，除了達到功能的考量外，仍須考慮現實的「效率」問題，能夠迅速、 正確、安全的將訊息由傳達傳遞者，傳遞至訊息的接受者。為了避免教師 的過度指導，則在領隊會議時，僅提供競賽的主題在於「資訊傳播」，並 不需特別準備工具，學生僅需要攜帶紙筆，對此，教師多表歡迎，可減輕 教師的負擔。 2.競賽方式 本次比賽時間於九十五年五月二十九日舉辦，競賽的題目為「簡易加 密與解密的設計」。參賽隊伍需以最正確、安全、快速的方式設計一個加 密的方式，並紀錄加密設計的構想與方式，並撰寫報告。加密的訊息的內 容包括英文、數字、中文字，例如「飄飄何所似 天地一沙鷗」、不具意 義之英文字如「nbanksoft」、及一串數字「9822155862」。學生設計好加密 方式後，成員根據所給的題目，進行加密，並正確迅速的把訊息加密後， 寫出加密後的訊息。加密後的訊息則送給在另外教室的另一位沒有接觸到 原始訊息的同學進行解密，由同學將訊息解密後，還原成原來的訊息，評 審則審查解密後的訊息是否正確。加密後的訊息同時公布，供其他各組的 參賽學生解讀密碼，為避免訊息被輕易破解，每一參賽隊伍的訊息皆不相 同。 比賽的時間則分階段進行。為讓學生具備共同的基礎經驗，在比賽一 開始，介紹有關密碼的設計方式，例如採用數學演算法、置換加密法、等 距字母序列、注音拼音當作轉換工具法或其他加密法如運用一本書當成解 碼鑰匙，採用書籍的頁數、行數、字數作為編碼等，讓學生對加密的方法 有一定的認識。然後提供需要加密的訊息給各參賽隊伍，進行創意的編碼
設計。學生設計好編碼原則後，編碼者與接收者需要分開不同教室，進行 訊息的解碼工作（如圖 7）。人力的分配與活動項目如表 2，訊息編碼答案 紙如圖 7 所示。學生有充分的時間討論，彼此分享密碼的設計邏輯構想， 現場並由本系研究生提供諮詢服務，解答有關競賽編碼題目的問題，但不 提供任何構想。 圖 7 參賽隊伍進行密碼設計 表 2 達文西密碼競賽流程表 時間 活動項目 參與同學 0840~0920 競賽說明 ABC 三位同學 0920~1020 討論編碼事宜 ABC 1020~1100 編碼共兩份，一份交給解碼，一份 公開破解挑戰 AB 1110~1200 解碼 破解密碼 撰寫報告 C B A 1200~1230 中餐 1230~1420 破解密碼 撰寫報告 BC A 1430~1500 計算成績 休息
圖 8 訊息加密、解密答案紙 在學生競賽的同時，也安排領隊老師進行「太陽能車的設計與製作」教學 示範活動，由國立科學工藝博物館提供教學材料、示範模型等，讓教師除了帶 隊之外，同時也習得科技創作的教學活動。 學生編寫好密碼之後，填寫加密後之訊息（如圖 9），並公布在大會場的 後面，供參賽學生解密，各組同學設法破解學生的訊息如圖 9。訊息範例如圖 10 所示。 圖 9 加密後之訊息公布並提供其他隊伍破解 圖 10 加密後訊息範例 3.競賽成果與檢討 學生所設計的編碼形式繁多，包括音符、圖形、數字等，部分學生受 到手機的影響，許多採用注音方式替代，輕易的被其他同學破解。有參賽 學生設計出矩陣方式，編碼與解密非常具有效率，也很正確，但有部分學 生的創意很好，但卻傳遞困難，正確性與再現性不高。經過漫長的五個小 時的時間，從學生密碼設計的過程中，感受到學生在競賽過程的積極設計 與編碼解碼的樂趣。
從本次的競賽活動中，學生與老師都快樂的參與此次的競賽活動，活 動中除了競賽的成分外，同學加密的方式常讓人摸不著頭緒，添加了許多 破解密碼的「挑戰趣味」。老師表示可以把此活動帶回課堂中作為教學使 用，此種的競賽方式，老師與學生不需事先特別為競賽而準備，老師上課 可以不用受到競賽的干擾，老師與學生對此活動的接受到都相當高。 但也有部分教師擔心競賽活動應「反映」教師教學與學生的學習成 果，若競賽結果，無法凸顯實際從事生活科技上課的老師及認真學習的學 生，對推動落實生活科技教學方面，恐有負面效應。學校也會因競賽活動 與學校教學的相關性降低，造成學校不需要推動生活科技課程正常教學， 只要選擇頭腦聰明反應迅速的學生前來參與比賽即可的疑慮。 肆、九十六年度：校園節水創意設計 1.背景 在辦理生活科技競賽活動前舉辦競賽說明會時，學校教師經常反應生 活科技的教學問題，最常被提及的是升學壓力，生活科技課程不考，學校 老師或學生不重視等問題。因此，構思本年度的生活科技競賽時，特別請 高雄市教育局提案討論修改高雄市高中入學的相關辦法，將生活科技競賽 的成績納入多元入學方案的採計得分。此案獲得高雄市教育局的同意，將 生活科技競賽成績得分比照自然領域競賽活動成績，共同計入高雄區 96 學 年度高級中等學校多元入學實施計畫中，將生活科技領域競賽成績與數學 競賽、自然競賽同時列入考生特別條件之項目及量化計分表中，提高學校 學生參加的意願。 為提高本次競賽的曝光率及水準，本年度的競賽採取「科技創作展」 方式進行，邀請國立科學工藝博物館共同合作。為讓生活科技教師的教學 與活動，能獲得學校的支持與協助，競賽題目與國立科學工藝博物館科技 教育組同仁共同討論，思考結合環境、校園、教學、研究、創意、製作等 方向，而發展出九十六年校園節水競賽活動的題目，並申請水利署專案補 助，擴大舉辦。競賽的場地從高雄市「大仁國中」移至「國立科學工藝博 物館」展示大廳。活動的方式則改變以往當天比賽的方式，採取為期三個 月的「科技專案研究」方式。
2.競賽方式 為讓學校重視本次競賽活動，節水競賽的問題需要學校「總務處」的 配合，蒐集學校用水情況及檢視分析學校用水情形，因此在九十五年十二 月二十八日召開競賽說明會時，由教育局發文邀請學校總務主任、生活科 技教師、學生代表三人共同參加。會中說明整個活動精神與內涵、競賽內 容與呈現方式介紹、競賽規定與注意事項說明及討論。並邀請省水專家及 水利署工程師現場提供省水的概念與技巧等教育訓練(圖 11)。 圖 11 省水教育訓練邀請水利署正工程師傳遞省水專業知識 本次活動競賽方式分為兩個階段，第一階段參賽學生於九十六年三月 九日前，必須完成省水創意筆記的填寫，筆記內容包括(1)校園用水狀況分 析，學生蒐集學校用水狀況，瞭解學生用水系統及水量分析；(2) 校園節水 構想與策略分析，說明策略與繪製節水系統設計圖，並描述每個設計構想 的來源、問題分析、決策的因素及整體評估；(3)小組會議的歷程與記錄。 第二階段，則於九十六年三月二十九日，於國立科學工藝博物館大廳展示 出自己小隊的創意製作解決方案成品或模型，並張貼海報，接受評審委員 的審查與質詢。 本次評審委員邀請水利署副署長、科長、工程師三人、自來水公司代 表一人、民間家省水專家一人、工研院專家代表兩人、大學教授代表四人、 科學工藝博物館代表二人等十三人，分成三組分別審查創意筆記及現場的 模型製作與科技創意構想的報告（圖 12,13）。
圖 12 競賽評審專家合影 圖 13 專家審查與學生發表 3.競賽成果與檢討 經過密集三個月的努力，參賽學生終於完成了此次的競賽，學生的節 水創意成果相當豐富，教育局、水利署對於融入現實環境進行問題解決的 科技創意持高度肯定。此次共有四十五所國中參與這項競賽，競爭激烈（圖 14,15）。此次競賽由承辦單位與高雄市教育局「環保小組」協商，考量提 供經費補助獲獎的學校，讓學生節水的創意計畫能夠實現。因此，參與比 賽的學生們都很希望自己的作品能夠得獎，因為得獎的話，就可以有付諸 實現的機會，納入校園永續計劃中推行。 圖 14 學生作品 1 圖 15 學生作品 2 本次的生活科技競賽活動，動用的人力與時間非常的大，在辦理的過 程需要協調的人事物相當多，也造成承辦單位很大的負擔，尤其蒙國立科 學工藝博物館科技教育組黃俊夫主任、張美珍副研究員、王裕宏助理研究 員及組內同仁的大力協助，方能完成。
不少教師事後表示，為了此次的競賽活動犧牲整個寒假，需要付出很 多的時間，但學生從整體的活動過程中，深入的瞭解學生的生活情境，從 蒐集資料開始、分析資料、找到問題核心，進行蒐集解決問題的相關資料， 進行小組討論、創意構想、分析構想並進行設計製作，整個過程進行完整 的紀錄。整體的競賽歷程宛若科技發展歷程的縮影，從學生的心得報告中 可以瞭解學生的感受。此次參與競賽活動的同學從競賽的經驗中，獲得人 生難以忘懷的經驗，對學生個人而言，對科技學習有深切的影響。 伍、結論 生活科技的推廣與落實需要更多的努力，高雄市的生活科技競賽曾幾乎停 辦，學系教師與筆者從辦理四年的生活科技競賽活動中，每年都會參照辦理的成 果及反應的意見進行調整，也與高雄市生活科技教師共同合作。經過四年來的努 力，承辦單位透過舉辦生活科技競賽活動，競賽的方式提供了老師教學的參考， 讓學校教學能夠更順利推動。透過結合其他單位團體，吸引大家的目光。修改高 中多元入學計畫，讓生活科技的競賽成果有助於升學，改善生活科技教學的外在 環境，將競賽的題目與日常生活相結合，讓教師在學校中更有發揮的空間。這些 的努力，只是推動生活科技教學的一小部分，往後生活科技還有更多的事項需要 努力，期待對生活科技有興趣的老師們能共同努力。
