機器人教學對高中生工程設計表現影響之研究

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(1)國立台灣師範大學科技應用與人力資源發展學系碩士論文. 機器人教學對高中生工程設計表現影響之研究. 研究生：姚經政指導教授：張玉山. 中. 華. 民國. 一. ○ 六. 年. 一月.

(2)

(3) 機器人教學對高中生工程設計表現影響之研究研究生：姚經政指導教授：張玉山. 中文摘要本研究旨在探討機器人教學對高中生工程設計表現的影響。本研究為準實驗研究，採用不等組前後測實驗設計，對象為台北市某高中高中一年級的四個班級，隨機分派為實驗組及控制組，進行教學實驗。本研究以乒乓球發射器作為教學實驗的單元，在實驗組進行機器人教學；控制組進行一般生活科技教學。本研究蒐集課程活動前的工程設計表現自我量表成績作為前測分數，課程活動後的工程設計表現自我量表成績做為後測分數。在量化資料的分析部分，利用SPSS 22.0 for Windows進行平均數、標準差、獨立樣本單因子共變數分析，最後闡明研究發現。本研究的主要結論如下：1.機器人教學對工程設計之「限制」能力有正向影響。2.機器人教學對工程設計之「預測分析」「最佳化」能力無顯著正向影響。3.機器人教學對工程設計歷程之「定義問題」、「可行性分析」能力有正向影響。4.機器人教學對工程設計歷程之「確認需求」、「蒐集資料」、「產生想法」、「評估」、「實踐」能力無顯著正向影響。最後，本研究根據研究結果，針對機器人在高中端的教學以及後續研究，研提建議。. i.

(4) 關鍵詞：工程教育、工程設計表現、機器人教育。. ii.

(5) The Effect of Robot Teaching on Engineering Design Performance in Senior High School Author：Jing-Jheng, Yao Adviser：Yu-Shan, Chang. ABSTRACT The Purpose of this study was to investigate the effect of Robot Teaching on Engineering Design Performance in Senior High School. A nonequivalent pretest-posttest quasi-experimental design was used in this research. The objects were four high school freshman classes selected from a city high school and randomly assigned to the experimental group and the control group. A learning activity named Table tennis launchers. The experimental was taught using robot learning, while the control group was taught using the traditional (usual) way. Participant student’s engineering design scale performances before and after the experiment were evaluated. The one-way analysis of covariance were performed in this research by SPSS 22.0 for Windows. Those main results of this research were:1. The robot learning had a positive effect on student’s “constraints” abilities. 2. The robot learning has no significant effect on student’s “optimization” and “predictive” abilities. 3. The robot learning had a positive effect on student’s “problem definition” and “feasibility analysis” abilities. 4. The robot learning has no significant effect on student’s “hypotheses confirmed”, “gather information”, “generate ideas”, “evaluation”, “working” abilities. Finally, recommendations and suggestions were addressed for implementation of robot learning and future studies based on results of this research. iii.

(6) Keywords: engineering education, engineering design performance, robot education. iv.

(7) 目錄中文摘要 ........................................................................................................i ABSTRACT ................................................................................................ iii 目錄 ...............................................................................................................v 表次 ............................................................................................................. ix 圖次 ........................................................................................................... xiii 第一章緒論 .................................................................................................1 第一節研究背景與動機 ........................................................................ 1 第二節研究目的與待答問題 ................................................................ 5 第三節名詞解釋 .................................................................................... 6 第四節研究範圍與限制 ........................................................................ 7 第二章文獻探討 .......................................................................................11 第一節工程教育 .................................................................................. 11 第二節工程設計能力 .......................................................................... 15 第三節機器人教學 .............................................................................. 21 第四節相關研究現況 .......................................................................... 25 第三章研究設計與實施 ...........................................................................29. v.

(8) 第一節研究架構 .................................................................................. 29 第二節研究對象 .................................................................................. 31 第三節研究方法 .................................................................................. 31 第四節研究流程 .................................................................................. 33 第五節實驗設計 .................................................................................. 34 第六節研究工具 .................................................................................. 35 第七節資料處理與分析 ...................................................................... 51 第四章資料分析與討論 ...........................................................................53 第一節機器人教學對工程設計能力之影響...................................... 53 第二節機器人教學對工程設計歷程之影響...................................... 57 第三節工程設計歷程的分析 .............................................................. 68 第五章結論與建議 ...................................................................................95 第一節結論 .......................................................................................... 95 第二節建議 .......................................................................................... 98 參考文獻 ...................................................................................................100 一、中文部分 ...................................................................................... 100 二、英文部分 ...................................................................................... 102 vi.

(9) 附錄 ...........................................................................................................109 附錄一學習單 .................................................................................... 109 附錄二工程設計能力自我量表........................................................ 110 附錄三學生作品照片 ........................................................................ 113 附錄四課後訪問紀錄單 .................................................................... 114 附錄五教案設計 ................................................................................ 115. vii.

(10) viii.

(11) 表次. 表 2-1 工程設計流程 ................................................................................... 18 表 3-1 本研究實驗設計 ............................................................................... 34 表 3-2 實驗組─機器人教學流程表 ............................................................ 37 表 3-3 控制組─乒乓球發射器教學流程表 ................................................ 40 表 3-4 高中生工程設計能力量表問題內容分配表 ................................... 43 表 3-5 工程設計能力自陳量表結果摘要表 ............................................... 46 表 3-6 工程設計能力量表因素分析摘要表 ............................................... 48 表 3-7 工程設計能力量表信度分析摘要表 ............................................... 50 表 3-8 開放式編碼示例 ............................................................................... 52 表 4-1 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................... 53 表 4-2 不同教學方式在工程設計表現-「限制」之共變數分析摘要表 . 54 表 4-3 不同教學方式在工程設計表現-「限制」之描述性統計量 ......... 54 表 4-4 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................... 55 表 4-5 不同教學方式在工程設計表現-「預測分析」之共變數分析摘要表............................................................................................................. 55. 表 4-6 不同教學方式在工程設計表現-「預測分析」之描述性統計量 . 56 表 4-7 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................... 56 ix.

(12) 表 4-8 不同教學方式在工程設計表現-「最佳化」之共變數分析摘要表 ................................................................................................................. 57 表 4-9 不同教學方式在工程設計表現-「最佳化」之描述性統計量 ..... 57 表 4-10 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................. 58 表 4-11 不同教學方式在工程設計表現-「確認需求」之共變數分析摘要表............................................................................................................. 58 表 4-12 不同教學方式在工程設計表現-「確認需求」之描述性統計量 59 表 4-13 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................. 59 表 4-14 不同教學方式在工程設計表現-「定義問題」之共變數分析摘要表............................................................................................................. 60 表 4-15 不同教學方式在工程設計表現-「定義問題」之描述性統計量 60 表 4-16 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................. 61. 表 4-17 不同教學方式在工程設計表現-「蒐集資料」之共變數分析摘要表............................................................................................................. 61 表 4-18 不同教學方式在工程設計表現-「蒐集資料」之描述性統計量 62 表 4-19 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................. 62 表 4-20 不同教學方式在工程設計表現-「產生想法」之共變數分析摘要表............................................................................................................. 63. x.

(13) 表 4-21 不同教學方式在工程設計表現-「產生想法」之描述性統計量 63 表 4-22 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................. 64 表 4-23 不同教學方式在工程設計表現-「可行性分析」之共變數分析摘要表......................................................................................................... 64 表 4-24 不同教學方式在工程設計表現-「可行性分析」之描述性統計量 ................................................................................................................. 65 表 4-25 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................. 65 表 4-26 不同教學方式在工程設計表現-「評估」之共變數分析摘要表 66 表 4-27 不同教學方式在工程設計表現-「評估」之描述性統計量 ....... 66 表 4-28 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................................. 67 表 4-29 不同教學方式在工程設計表現-「實踐」之共變數分析摘要表 67 表 4-30 不同教學方式在工程設計表現-「實踐」之描述性統計量 ....... 67 表 4-31 學生自然經歷工程設計流程之比例總覽（以小組數計算） .... 85. xi.

(14) xii.

(15) 圖次圖 3-1 研究架構圖 ....................................................................................... 29 圖 3-2 研究流程圖 ....................................................................................... 33. xiii.

(16) xiv.

(17) 第一章緒論本章內容分別闡述本研究之研究動機與目的、研究限制與待答問題。共分四節，第一節是研究背景與動機，第二節為研究目的與待答問題，第三節為名詞釋義，第四節則是研究範圍與限制。. 第一節研究背景與動機一、工程教育(engineering education)的重要性在台灣的中等教育中，工程是一門蓄勢待發的學科。Dugger （1993）曾經提出工程與科技的差異，他認為工程比起科技是更有科學、數學理論基礎的學科。以往的科技教育通常以嘗試錯誤的方式進行活動，但為了培養21世紀的關鍵能力，工程教育是近來各國逐漸追求的方向，過去十年以來，工程教育已經受到越來越多的關注（Do, 2013）。台灣中學工程教育的教學活動之目的，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。美國總統Obama（2009）認為：「要鼓勵年輕人成為事物的決策者，而不只是消費的決策者」，意即為了面對未來，提升國家的競爭力，應當要培養年輕世代工程設計的能力，即是發明、製作、評估、改進相關的能力，而不是只能使用。工程設計的過程本身就是. 1.

(18) 發明造物的歷程，若適當的在生活科技課程中加入工程教育，便有機會培養學生工程設計能力。Rose, Gallup, Dugger, & Starkweather （2004）指出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。Bybee（2013）更直接點出高品質的工程教育與培養21世紀關鍵能力與維持全球競爭力之間有密切關聯。雖然工程相關能力相當重要，但在台灣的中學教育環境，工程教育並不容易推動，林坤誼（2014）認為台灣的教育最常為人所詬病的便是過度著重在學科知識，這也使得中學的生活科技課程無法正常化教學，導致工程教育的推動依然有很大的瓶頸。面對中學生活科技的困境，我們更應該想辦法結合熱門教材，並展現出本科目無可取代之處，目前教育環境中，許多機器人教學僅是強調程式的撰寫，如此對於工程並沒有幫助，運用機器人教導學生解決生活上問題的能力，教導學生生活上常見的機械結構，教導學生如何對機械做控制，這樣才能使未來高中端的工程教育有機會落實。因此本研究盼望利用熱門教材─機器人，結合工程教育，培養學生相關的能力，面對更多的挑戰。二、工程教育為高中課綱主軸十二年國民基本教育生活科技領域高中階段著重在「工程設計」，強調藉由工程設計的專題製作活動，提供學生跨學科、STEM 知識整. 2.

(19) 合的學習，藉此發展其在科技與工程領域的設計、創新、批判思考等高層次思考能力。其中機電整合的原理與應用是高中端重要的內容之一，學生可以透過教師安排的情境，設計製作流程並發揮創意，運用科學、科技、數學、工程的學科知識，利用機器人實踐創意構想，解決遇到的問題，這即是工程設計能力的展現。在21世紀的今天，生活上面對的問題已經趨向複雜化，我們不能只是嘗試錯誤來解決問題，應該要教導學生擁有預測分析、最佳化，以及規劃流程的能力，才能夠面對這個時代的挑戰。本研究因應十二年國民基本教育課綱將工程教育列為生活科技課程高中端的主要走向，便以工程教育做為研究的主軸。三、機器人教學對於工程教育的必要性 Casad & Jawaharlal（2012）、李彥林、郭建新、胡蓉（2010）、費躍農、邱建、李偉民、李福明（2008）等學者將機器人引入工程教學，認為這是相當切合工程教育的主題。機器人教學的優點在於學生不僅需要使用他們在科學、數學方面的知識，更必須動手製作機構、結構，挑選適當的材料與零件進行實作，達到知識與實作並重的目的。機器人教學提供學生實務製作的機會，機械結構的設計更是工程設計能力的體現。目前教育環境中，機器人教學定位尚未明確，且缺乏教育行政部門整體的規畫（陳怡靜、張基成，2015），許多教學僅是. 3.

(20) 強調程式的撰寫，並購買廠商開發的套裝車把每個功能使用過一次，沒有機構的概念，也沒有問題解決的理念，如此對於工程教育並無太大幫助。由於機器人比起其他傳統生活科技教材，有著更多材料、零件上的限制，學生因而更需要進行比較、評估、預測成效，所以本研究認為機器人比起其他教材，在工程教育上是有必要性的，工程教育落實，學生的工程設計表現就會逐步提升，也藉此確立使用機器人做為本研究探討工程設計能力的想法。. 在台灣，工程教育的研究尚為數不多，在我們的教育環境裡面使用機器人教學是否會提升工程相關能力還有待近一步研究，本研究基於上述動機以及替台灣少有的工程教育研究貢獻一份心力，以機器人教學對於高中生工程設計表現之影響作為研究主題。. 4.

(21) 第二節研究目的與待答問題根據前節所述，本研究的目的與待答問題如下：一、研究目的根據研究背景與動機，本研究欲達成下列目的： (一). 探討機器人教學對工程設計能力之影響. (二). 探討機器人教學對工程設計歷程之影響. 二、待答問題根據上述之研究目的(一)，本研究之待答問題如下： 1.1機器人教學對學生的工程設計能力-限制是否有影響？ 1.2機器人教學對學生的工程設計能力-預測分析是否有影響？ 1.3機器人教學對學生的工程設計能力-最佳化是否有影響？根據上述之研究目的(二)，本研究之待答問題如下： 2.1機器人教學對學生的工程設計歷程-確認需求是否有影響？ 2.2機器人教學對學生的工程設計歷程-定義問題是否有影響？ 2.3機器人教學對學生的工程設計歷程-蒐集資料是否有影響？ 2.4機器人教學對學生的工程設計歷程-產生想法是否有影響？ 2.5機器人教學對學生的工程設計歷程-可行性分析是否有影響？. 5.

(22) 2.6機器人教學對學生的工程設計歷程-評估是否有影響？ 2.7機器人教學對學生的工程設計歷程-實踐是否有影響？. 第三節名詞解釋一、機器人教學機器人教學就是使用機器人做為教材的課程，內容結合機械結構以及電路整合，主要使用於教導學生機構與結構的概念，並教導學生運用各種電子零件以及感應器控制機器人的方法，以解決各項生活上可能會發生的問題。本研究以任務導向營造出情境與目標，學生必須在限制中做出解決方案的評估、在機器人的運作上盡可能達到最佳效率，力求切合工程教育的重點。二、工程設計能力工程設計能力就是工程教育活動中學生所應用的能力，根據Merrill, Custer, Daugherty, Westrick, & Zeng（2008）提到的工程設計能力核心概念，包含限制、預測分析、最佳化等三大構面。本研究發展出一份「工程設計表現量表」，讓學生以自陳式的方式進行工程設計能力的評量。三、工程設計歷程工程設計歷程就是學生個體在學習工程概念的過程中所經歷過的階 6.

(23) 段，根據Atman, Adams, Cardella, Turns, Mosborg & Saleem（2007）所提出的工程設計歷程，分為十個階段。為了呈現學生學習歷程的表現，本研究透過半結構式訪談問卷，作品，以及工程設計表現自我量表，進行觀察。. 第四節研究範圍與限制本研究透過研究者設計之「乒乓球發射器-以樂高機器人作為教學工具」教學單元來探討機器人教學對高中生工程設計能力之影響。因為工程教育在台灣並沒有發展過量表，因此本研究試著發展一份量表，讓學生使用自陳式的評量，透過前後測對學生的工程設計能力進行測量。一、研究範圍 (一) 研究變項 1. 機器人教材本研究設計一教學單元「乒乓球發射器─以樂高機器人作為教學工具」教導學生工程設計相關概念，教學內容包含扭力、力矩、機械結構、控制等學科知識，並期盼建立一套完整的工程設計教學流程，包含設計、模擬、製作、評估、最佳化等工程設計流程，實踐工程教育。選擇樂高做為機器人教學工具的原因為整合度高，初. 7.

(24) 學機器人的學生較不容易感到困難。 2. 工程設計表現本研究將工程設計能力與工程設計歷程的能力合稱為工程設計表現，Merrill(2008)提到工程設計能力主要有三個主題：限制、最佳化、預測分析，Atman等人（2007）提出的工程設計歷程分為十個步驟，這兩份文獻包含工程設計表現的要點，本研究並依此進行「工程設計表現量表」的發展，會使用這兩份文獻作為本研究主要的理論依據是因為與本研究主題「工程能力」相符，且引用的學者眾多，因此較為合適。 3. 學習表現生活科技課程學習表現的構面繁多，本研究所提及之學習表現包含書面資料、作品兩大類。書面資料可分為學習單、檢核表；作品依照運作情形可分為造型、結構、功能性。 (二) 教學單元本研究之教學單元為樂高乒乓球發射器之製作，包含機械結構、機電控制兩部分。學生需藉由工程設計流程製作出一隻能行走於陸地的機器人，並有發射乒乓球的功能。根據學生蒐集資料的不同，在機械結構的部分可能會有不同的作品產出及結果。. 8.

(25) (三) 研究對象本研究之研究對象為台北市某市立高中，生活科技教學正常化的學生，共4個班，144個人。二、研究限制本研究使用樂高機器人，實施機器人教學並探討學生工程設計能力的影響，因受限於時間及人力等客觀因素，本研究結果推論有以下之限制： (一) 研究對象的限制本研究以台北市的高中學生為研究對象，由於研究地區與研究樣本之限制，不宜將研究結果推論至所有的高中學生，只適合對情境相近的學生。 (二) 教學硬體的限制樂高機器人整合度高，也可使用藍芽進行搖控，可供遙控的載具包含智慧型手機、平板電腦，而各種載具的系統與等級皆不相同，例如ios對開發者較不友善，無法安裝非官方的app，android才是比較理想的作業系統，但不一定每位學生都有該系統的手機，甚至有學生可能沒有手機，這些因素都會影響到教師的教學。將樂高機器人使用於教學研究上的案例在各高級中學逐漸出現，學生必須從程式開始學習，並學習程式運行的原理，相當適合. 9.

(26) 工程導向的生活科技課程，因此本研究在機器人教材的選用上採用樂高機器人。. 10.

(27) 第二章文獻探討本章的目的在針對本研究工程教育、工程設計能力、機電整合教學及相關文獻加以探討，以建立本研究的理論基礎，全章共分為四節：第一節為工程教育、第二節為工程設計能力、第三節為機電整合教學、第四節為相關研究近況。. 第一節工程教育一、工程教育的定義工程和科技兩者之間有著密切的關係，兩者在本質上都講求實用和目的（李隆盛、林坤誼、莊善媛，2006）。但在社會快速的變化之下，我們需要更多解決問題、處理大量資料、參與團體互動能力的人才，而這些能力都是工程相關的知識應用，而不是以往科技教育的問題解決。所以工程教育的定義旨在培養學生處理更龐大、更加複雜問題的能力，以面對快速進步的社會。二、台灣的工程教育 107年推動的十二年國教生活科技課綱高中部分以工程教育為主軸，強調工程設計的專題製作活動（十二年國民基本教育課程研究發展會，2015），其原因是由美國的STEM教育延伸而成。STEM教育的理念為整合科學、數學的學科知識，並透過科技與工程的方法進行實. 11.

(28) 作，藉此發展科技與工程相關領域的創新、設計、批判思考等能力，（國家教育研究院，2014）因此工程相關概念正是STEM的核心。 Sanders（2008）提到工程教育的教學可以培養三項能力，分別是應用數學、科學、工程的能力，設計與實驗的能力，使用多學科知識的能力，顯現工程能力在生活中應用的廣度。多學科的課程在訓練工程師方面有很好的潛力（Sharma, 2017），Bybee（2013）在《The Case for STEM Education Challenges and Opportunities》一書中更提到高品質的 STEM教育與培養21世紀關鍵能力與維持全球競爭力有密切關聯，意即工程教育在現代具有舉足輕重的地位。台灣在2006年就已規劃選修科目「科技與工程」以協助對科學、科技或工程領域有興趣的學生，為未來的工程教育做準備，而在十二年國民基本教育高中端將要正式啟動。即使工程教育是中學生活科技課程未來的主要走向，但在台灣要能夠落實這樣的教學實屬不易，林坤誼（2014）認為台灣的教育最常為人所詬病的便是過度著重在學科知識，生活科技課程受重視的程度並不高，為了要突破這樣的困境，比起以往嘗試錯誤的教學方式，具結構性流程的工程教育更能培養學生精準的選擇最適切的解決方案，來面對日常生活問題，更能凸顯這門科目的重要性。. 12.

(29) 三、工程教育教學模式工程教育的重點在於建立學生自身經驗，並設計問題或困境，讓學生依據建立的經驗，做出詳細的規劃與預測，擬定解決問題的最佳方案。因此本研究在教學使用6E教學模式，此教學模式是Burke（2014）提出，共分為六大步驟。六個步驟的中文譯名主要參考張玉山，楊雅茹（2014）所撰寫的STEM教學設計之探討一文，並經詞句美化後得出，這六大步驟分別如下： 1. 概念導入（Engage）：使用講義、投影片等教學工具等，引起學生的好奇和投入。教師可以透過提問，連結學生之前的學習經驗與知識，並進一步評估學生的能力以決定教學內容的深淺。學生則大略認識本單元的主要概念、確認瞭解學習的內容為何，並設定學習目標、接觸教材及設備。 2. 自身理解（Explore）：教師利用經過設計的課間活動，提供學生建構自身學習經驗的機會。在此階段，教師可以使用提問引導學生思考問題，鼓勵學生參與討論及小組合作。學生則藉由參與，累積、建構自身的知識。 3. 解釋與定義所學（Explain）：在課程經過一大段落後，教師透過提問確認學生對於課程目前的認知程度是否正確。學生解釋所學到的東. 13.

(30) 西，並藉由教師的建議加以改良。 4. 工程（Engineer）：學生運用所學知識，將概念、技術、及態度應用到主要問題，以獲得更深的理解。這個問題可以是教師刻意設計的，也可以是此領域容易碰到的瓶頸，教師在此階段介紹設計與資源的概念及其互動，說明設計的程序並提供相關資源，引導學生在工程設計與探究中學習。若學生在此階段能夠對應問題，提出解決方案，便是對於教師教學的單元有著較深度的理解。 5. 深化經驗（Enrich）：讓學生做更深入的學習，以便將所學應用到更複雜的問題。教師提供資源，或提供整合性、複合性的題目，例如進階版本的綜合題型，讓學生將目前所學的知識與概念作新的應用。 6. 評量成果（Evaluate）：讓師生雙方瞭解學習的效果。在研究過程中，教師通常利用前測工具測知學生的學習需求和不足，而在一連串的教學步驟後，利用後測工具確認學生是否達成學習目標，完成形成性與總結性評量。工程教育將會是中學生活科技未來的主軸，其教學方式有別於以往嘗試錯誤的方式，以模擬、預測分析、最佳化等概念為主，學習者可以透過各種不同的方式來學習（Driver, et al., 1994；Tsai, 1998a, 2001； Driver & Bell, 1986）更能建立學生結構化的問題解決思考模式，是21 世紀維持競爭力重要的關鍵能力。. 14.

(31) 第二節工程設計能力一、工程設計能力的意涵 NCETE（the National Center for Engineering and Technology Education）在工程設計領域提出三個核心能力，這三個工程能力為限制（Constraints），最佳化（Optimization）和預測分析（Predictive Analysis），簡稱 COPA。COPA 是工程設計概念性知識的核心(Merrill, Custer, Daugherty, Westrick, & Zeng, 2008)。以下就這三個工程核心概念加以詳列: (一)限制限制的概念通常在構思流程前就要進行，意義為要求學生考慮成本、經濟性、可行性、時間、材料和環境影響等因素，學生要能將設計活動的限制在一開始就納入考量，以幫助自己發展出可行的解決辦法。這個過程可以幫助學生更快速且明確地思考出解決辦法 (Jin & Chusilp, 2006)，若是一名專業的設計者，可以透過「限制」這個步驟，搭配自己過去的經驗使自己迅速的從確認問題前進到解決方法(Middleton, 2005)。倘如這個過程能夠熟練，學生在設計作品製作流程時就可以很快排除不適合的方向，找到較好的設計方法或解決方案。. 15.

(32) (二)預測分析預測分析的概念通常在構思中後進行，Eekels(1995)提到在工程設計過程中，若發現某個行動的預測成果是不如預期的，通常會放棄此行動，而再設計另一個動作，但如果沒有進行預測分析，在行動時就只能以嘗試錯誤的方法進行。嘗試錯誤是在學生在生活科技教育中最常見的製作方式，一般在課堂上，通常不會使用數學分析工具當作設計的概念(Lewis, 1999; Merrill, 2001)。但同一個主題必定存在著許多不同的設計和方法來解決問題，必須有計畫有步驟的執行，否則將面臨無休止地徘徊在尋找一個解決方案的可能性 (International Technology Education Association, 2000)。 (三)最佳化最佳化的概念通常在構思結束後進行，目的是要達到「最好」的設計，欲達到這個目標需要考慮許多因素，包括生產力、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考慮到每個因素，並投入相當程度的技術和管理，以決定最後的目標，將不良的效應減到最小，並使合乎需要的效應最大化(Ertas & Jones, 1996)。根據Arora(2004)，一個問題的構想過程大約需要花費它的總努力的50%，最佳化的過程可以幫助設計者正確地規劃出解決問題的 16.

(33) 方式，絕對是工程設計中至關重要的部分。綜上所述，工程設計能力包含限制、預測分析與最佳化三大要素，並強調「先思考，後執行」，以預測分析為主軸，而不是嘗試錯誤的過程。二、工程設計能力教學與評量 (一) 工程設計能力的教學 Zuga（2007）提到STEM四個學科的關係就像三明治一般，數學、科學是旁邊的白吐司，不可或缺，但只是為了襯托出中間的內容物；工程、科技便是中間的肉，是整個三明治的核心。這代表工程是一個整合性的科目，以數學、科學做為知識基礎，運用結構化的流程進行教學。在教學的部分，Atman等人（2007）提出的工程設計流程，是當面對一個複雜的問題時，可以採用的十個建議步驟，可以做為教學重點的參考。其步驟與說明詳列如下表2-1。透過工程設計流程，教師與學生可以在面對工程導向的活動時，更清楚知道如何有結構地進行，且此流程不但以工程教學活動為主，成員的互動也被列入其中，例如其中一道環節就是小組間的溝通與協調。. 17.

(34) 表 2-1 工程設計流程步驟. 說明. 1.確認需求. 確認需要解決的問題，以及其條件。. 2.定義問題. 列出機構、結構、功能等會遇到的問題。. 3.蒐集資訊. 利用書籍、網路找尋相似的範例。. 4.產生想法. 藉由參考範例為基礎，提出可實行的做法。. 5.建構模型. 依據想法，用簡易材料建模。. 6.可行性分析. 分析構造上的可行性，確認符合需求。. 7.評估. 分析構造的優缺點。. 8.決定. 從範例中選出最適合的方法。. 9.溝通協調. 進行小組討論，並提出改進的方法與建議。. 10.實踐(製作). 實際製作並觀察執行結果，提出成功或失敗的因素做修正。. 不過工程教育不容易有效的教育與管理（Do, 2013），因為不同年級的學生能力會有顯著差異，甚至同齡的學生水平都不一定相同。再來學生並不如專家有著充足的經驗與歷練（Akagi, 2015），要學生初期就有好的表現並不容易。 (二) 工程設計能力的評量 Merrill（2008）提出的限制、預測分析、最佳化三大核心概念即是評量學生工程設計能力時最主要的構面。而Atman（2007）提出的工程設計流程，由於步驟較為詳細，且構面能與限制、預測分析、最佳化等三個核心概念相呼應，因此可以將工程設計流程的步. 18.

(35) 驟做為次要構面，設計出對應的研究工具。而工程設計的相關理論可以讓我們瞭解到，進行一個工程思考活動的當下，可以從何著眼判斷學生的工程設計能力，為了解學生工程設計能力的高低。Dym（2005）提出了工程設計思考的五個特徵，特別著重在「設計」，包含： 1.. 設計思想作為發散收斂的質疑. 2.. 關於設計系統的思考. 3.. 作出設計决定. 4.. 在團隊環境中的設計思想. 5.. 工程設計語言. Paul（2007）更直接提出了工程設計的檢核表，包含設計作品、設計過程、溝通、團隊合作四個要素，若學生在這四個要素的表現都相當亮眼，表示學生的工程設計能力在一定水準之上，並具有高層次的思考能力以及面對當代挑戰的實力，詳細內容如表22。. 19.

(36) 表2-2 Paul（2007）工程設計檢核表主要構面. 次要構面. 說明. 過程. 定義問題. 能說明問題的性質(如材料、功能)。. 識別問題. 能辨別問題的特性以便於解決。. 依照需求構思解決方案. 對於不同的解決方案，能考慮到相關者(教師、學生)的需求。. 構思解決方案. 能草擬問題可能的解決方案。. 發展預測模型. 能預測解決方案的結果。. 生產. 能利用簡易材料(如：風扣板)實踐預測方案。. 系統結構. 規劃出來的流程是一步接一步的。. 循環. 規劃出來的流程是環狀、不斷重複的。 (例：設計→規劃流程→評估→最佳化，每個不同的解決方案都可以按這個步驟重複執行). 提高質量. 設計出來的方案，要能提升機器人的品質。. 安全性. 解決方案應能滿足社會的安全需要。. 關懷. 解決方案應滿足相關者的需求，或有關社會議題關注。. 小組討論. 解決方案是否經由討論確認符合成員需要。. 預測元件. 能利用數學或科學應用於預測。. 運算分析. 能利用數學進行手臂機構運作的運算。. 美感. 機器人要有造型或外型上的設計。. 分析. 能將機器人每個部件及功能進行分析，確認可行性。. 限制. 能在指定的預算或材料內進行設計。. 最佳化. 能透過測試，想辦法讓機器人的運作更有效率，減少資源與時間的浪費。. 具邏輯的. 設計方案能遵循結構化、系統化的設計過程。. 文案. 能夠透過學習單記錄設計步驟、規劃流程的內容。. 整合文案. 能將設計步驟、規劃流程的相關內容整合寫在學習. 社會性. 工程屬性的了解. 評估. 單上。繪圖. 能將解決方案的設計圖繪出。. 限制. 在預算及材料的限制上，能評估解決方案是否能執行。. 製造與原型. 能製作出作品，向老師與同學展示。. 20.

(37) 綜上所述，工程設計的教學與評量便是以數學、科學的知識做為基礎，運用工程與科技的方式，設計不同的問題，讓學生能夠運用自身所學，透過結構化的流程來擬定解決方案。. 三、工程設計能力的重要性 Bybee（2013）指出高品質的工程教育與培養21世紀關鍵能力與維持全球競爭力之間有密切關聯。工程設計能力代表了一名學生面對複雜問題時，其規劃與解決能力的強弱，這些能力在今日非常重要，而培養這項能力的搖籃將是中學的生活科技課程。Rose等人（2004）指出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，即顯現工程設計能力的重要性。本研究以三個工程核心概念「限制、最佳化、預測分析」為主要構面，將「工程設計流程」中的十個步驟依照台灣現場教學狀況及資深生活科技教師建議，將部分步驟合併，成為七個步驟的流程，並做為次要構面，編製針對高中生的「工程設計能力量表」，進行預試，欲評量學生機器人工程概念學習成效。. 第三節機器人教學機器人教學正是使用機器人做為教材，教導學生機械結構原理與機電整合控制方法。對邏輯思考能力與應用能力的培養有所幫助，是台 21.

(38) 灣十二年國民基本教育生活科技重要的教材，盼藉由機器人的教學提升高中生工程設計的能力。一、機器人的重要性 Wilson（2010）提到由於近年來勞動力成本，以及對技術的要求越來越高，機器人的重要性已經日益凸顯，且會是未來的主要產業（Yoo, 2015）。機器人可以運用在各行各業，包含食品的生產、危險環境的探測、精密且不失誤的操作等，必然是未來一大趨勢。Casad 和 Jawaharlal（2012）以機器人製作來引入 STEM 教學，認為機器人教學是工程教育適切的主題，學生不僅學習工程知識，還開發解決問題的能力（Makino, 2012）。由於機器人的教學包含結構、控制、結構化的流程、複雜問題的解決，這些步驟都可以培養學生的工程設計能力，因此機器人在近年來逐漸變成火紅的教材。台灣在新頒布的十二年國教課綱生活科技課程部分，高中端的主軸為工程設計，而其教學內容正是機器人與控制的設計應用（十二年國民基本教育科技領域課程綱要委員會，2015）。足以顯見機器人不僅在業界占有舉足輕重的地位，在未來的生活科技課程也是主要課程之一。機器人走入中小學是時代的趨勢，這個課程可以培養學生的統整能力、創造力及問題解決能力，為了迎接機器人時代的來臨，需從中小學的機器人教育開始（陳怡靜、張基成，2015）。. 22.

(39) 二、機器人教學的現況目前中小學多數學校仍以校本課程、社團或營隊活動進行機器人教學，多以生活科技或資訊科技專長的老師授課（陳怡靜，2012）。在高中的生活科技課程中，機器人教學從純粹的控制，到這一、兩年已經轉變為以機械結構為主、控制為輔的課程。從網站及相關文獻得知，各校為了發展機器人課程，需採購教育機器人設備，各校年度設備費不足，需積極爭取各項競爭型計畫，如高瞻計畫、高中優質化、均質化等專案計畫，以充實教育機器人設備來進行機器人課程（陳怡靜，2012；林建良等人，2013）。 Casad（2012）在STEM的課程中以機器人作為主要教材，Eguchi （2016）提到學校透過培養學生參加青少年機器人世界盃（RoboCupJunior）來增加STEM學科的經驗，且能更有效提高學生學習機器人的意願（Akagi, 2015），台灣在新課綱上也明確列出機器人教學是核心教學內容，這樣的趨勢讓機器人教案越來越豐富。目前常見的機器人教材有樂高的動力機械套件，內含主機、馬達、積木，可以輕鬆做出許多機械結構。而開源的 Arduino 可以結合 3D 列印、雷射切割來製作出不同的機械結構組件，自由度更高，也是相當熱門的教材。. 23.

(40) 三、機器人教學的內涵機器人教學的內涵便是能夠教導學生「機械結構」與「機電整合」的概念，是多科目合併的概念（Akagi, 2015）。機械係指能利用能量達成某種特定目的的裝置，可以幫助人類省力或加快速度，使操作更方便，以降低工作的難度（American Heritage Dictionary, 2012）。機械一般由單一或複數個具有特殊功用的機構組成，能使機構做出特定形式的動作，常見的動作如直線、圓周、搖擺、直線往復等運動。在機器人教學中，機械結構通常藉由馬達的運轉來進行動作，有時更搭配齒輪、蝸桿，改變力的方向，讓機械結構做出更多變化。機電整合(Mechatronics)一詞是由機械的英文 Mechanical 及電子的英文 Electronics 兩個字組合而成，在台灣譯為「機電整合」，在日本則稱為「電子機械學」，它是於 1969 年首先由日本川崎電氣公司一位資深工程師 Tetsuro Mori 先生所提出，一直被應用至今（吳向宸、林穀欽、李浩榕、李振發，2013）。機電整合的範圍極為廣泛，以工具機為例，早期工具機的構成，離不開機架、移動或轉動零件、動力傳動機構、夾持機構以及更重要的動力來源─馬達。現代的工具機使用伺服馬達作為驅動動力，使用精密滑軌作為平台的移動基座，使用位置感測器、監控刀具及轉軸的移動位置，更以電腦作系統整合，將工具機作精密的控制，使機械製 24.

(41) 造，更為準確、快速，並以通訊技術，將整廠設備整合，甚至遠端搖控設備，達到智慧化工廠。機電整合的目標是達到設備的功能要求，以及達到設備之間的連結，而在人類使用感測器及積體電路零件後，機電整合逐漸走向智慧化，直至今日變成了機器人。近年的機器人教材，以一片主控板搭配多個相異功能的感測器為主，可以偵測環境中許多不同的細節，包含專業知識、程序編寫、調整與測量、創新製作等（費躍農等人，2008），因此便可以設計問題情境，讓學生運用機器人套件來解決，不僅訓練其邏輯能力、培養問題解決的能力，更能培養信息素養、知識與技能、思維與方法（李彥林等人，2010）提升學生工程相關的知能。. 第四節相關研究現況教學工具是教學內容中重要的一環，善用適合的教學工具能幫助教師進行教學和引導學生進行學習，進而培養學生相關的能力。近兩年間機器人與工程教育的連結的案例已相當多，有不少學者針對這兩者間進行了相關的研究。一、工程設計相關研究 Balaji（2015）提到工程領域的專家在每一個國家的發展都起到至關重要的作用，因此培育工程師已成為當務之急，要培養出有能力的. 25.

(42) 工程師，就要從學校的工程教育開始落實。Jurgis（2015）也認為工程教育主要面對的是廣泛環境的問題，包括科學、科技、經濟、法律、社會與文化方面的行動、提出解決方案與實際解決問題的能力，比起其他學科已經是不同層次的涉略，若再進一步跳脫學科來探討，環境、職業道德與行為、健康與安全都會是相關的範疇。二、機器人教學相關研究機器人教學結合了 STEM，需要學生運用他們的學科知識來讓機器人進行工作，這樣的教學內容會是幫助學生在工程能力提升上的重大關鍵，學生也會對控制理論的應用很有興趣（Kapitonov, 2014）。Daniel （2016）提到機器人主要用於培養學生知識應用於技術上的能力，以及規劃歷程的技巧，Akagi（2015）提到機器人是有效學習工程領域基礎知識的方法。許多教學方法大多都是以理論為導向，根據教師和學生互動完成知識的轉移。但機器人教學不同，其著重讓學生透過動手與實驗來增進自己知識、技能的潛力。Nugent（2016）提到機器人的營隊、社團、競賽正積極影響年輕學子 STEM 的知識與態度，甚至 STEM 學科相關職業的興趣，他認為透過機器人活動的參與，學生的問題解決能力有相當的提升。Eguchi（2016）也提到學生在機器人接觸機器人，並參與相關競賽的情況下，不僅提高了 STEM 知識的內容，在學習效率、創新以及創造力的表現也顯著提高，Yoo（2015）提到韓國. 26.

(43) 重視機器人教育的情形，並說明在往後十年，機器人競賽想必對於工程教育是有正面影響的。不僅以學生端著眼，Kim（2016）更提到針對工程科目職前教師的訓練，機器人可以帶來許多正面的影響，包含職前教師在 STEM 的經驗累積相對較有效，其對於訓練課程的投入意願比起其他教材也高上許多，顯現機器人做為教學工具，可以提升學員對 STEM 的正面態度。以上相關文獻可知，工程人才的多寡會影響一個國家發展的程度，而機器人是工程教育的重要教材之一，做為工程學科的入門相當適合，不但可以培養學生將知識運用於實務的能力，更可提升學生解學複雜問題的能力、訓練其結構化思考的能力。在 107 年推動的工程教育，以機器人做為主要的教材會是相當光明的決策。. 27.

(44) 28.

(45) 第三章研究設計與實施本章分為七節，說明本研究使用的研究方法，其中包括：研究架構、研究對象、研究方法、研究設計與流程、研究工具、資料處理與分析等七個部分。. 第一節研究架構本研究旨在探討機器人教學對學生工程設計能力之影響。本研究文獻探討，分析機器人教學的教學策略以及單元主題，並透過工程設計的流程安排教學活動，發展一份「工程設計表現自陳量表」，透過前後測的方式，探討機器人教學對學生工程設計能力之影響。本研究之研究架構如圖3-1所示：. 圖3-1 研究架構圖. 一、自變項本研究的自變項為機器人教學，以實驗設計來操作，分為機器人教學（實驗組）及一般生活科技教學（控制組）。機器人教學即是以樂高機器人做為主要教材；一般生活科技教學則是以生活科技常見的材 29.

(46) 料與機具作為教學工具。兩者都是以6E教學模式進行教學，並以乒乓球發射器作為教學主題。二、依變項依變項為高中生工程設計表現，依照COPA三大工程核心概念，分為限制、最佳化、預測分析三大構面，以及工程設計歷程簡化而成的確認需求、定義問題、蒐集資料、產生想法、可行性分析、評估、實踐七個構面，並以「工程設計表現量表」做為評量工具。其中工程設計歷程原有十項歷程，本研究將「建模」融入「可行性分析」，「決定」融入「評估」，而因學生會以小組進行活動，必然會經歷「溝通協調」的過程，所以僅以事後訪問的方式了解學生合作的情形。因此本研究的目的是瞭解機器人與傳統教案對於學生工程設計能力的影響是否有顯著差異。其中教師的教學能力以及教學策略都會調節機器人教學與工程設計能力的關係，但由於授課老師相同，使用的教學策略也會一樣，故本研究不探討這兩項會如何影響機器人教學與工程設計能力的關係。. 30.

(47) 第二節研究對象本研究之研究對象包含預試對象以及實驗對象。一、預試對象本研究發展之「工程設計能力自陳量表」以台北市立某高中之學生做為對象，包含男生77人，女生90人，共計167人，進行「工程設計能力量表」的預試。二、實驗對象本研究之機器人教學以144名高中學生做為對象，分為實驗組73 人，控制組71人。共計八週十六節課，一節課50分鐘。並選擇生活科技正常教學的班級，確保研究對象平時都有正常化的生活科技課程，才可透過前後測得知學生能力進步的程度，以求得到較真實的回饋。為避免研究對象態度產生霍桑效應與強亨利效應，對實驗內在效度產生影響，實驗過程中均不會告知學生正在進行實驗。. 第三節研究方法本研究旨在研究機器人教學對高中生工程設計表現之影響。因此，本研究首先透過文獻分析，加以歸納、分析、整理相關理論及其內涵，作為本研究之立論根據。第二步驟透過邀請專家於教材發展過程中給予意見與修正建議，確保教材發展之品質。第三步驟乃使用本研究發展教材進行教學之學生做量表的填寫，利用教學中教師蒐集的所 31.

(48) 有資料，評估學生量表數據的可信程度，並驗證機器人教學對於高中生工程設計表現之影響。本研究將研究對象分為實驗組與控制組，以本研究的「工程設計表現量表」問卷對兩組學生施以前測，接著對實驗組實施機器人教學；對控制組實施一般生活科技課程教學，並以同主題，同樣教學模式進行，會使用6E探究教學法的原因是經過研究證實，此教學方法能加強 STEM教育成效。當進行相同時數的教學後，再以「工程設計表現量表」問卷對兩組學生進行後測，探討機器人教學對學生工程設計表現的影響，與一般生活科技課程是否有差異。一、文獻分析法本研究首先從相關文獻進行分析、歸納及統整，並蒐集國內、外相關期刊、研究報告、論文及相關網站資源等文獻，確認高中機器人教學以及工程設計能力相關的教學單元、教學理論和教學設計模式。二、實驗研究法本研究採用準實驗設計中的不等組前後測設計，在進行機器人教學前先以「工程設計表現自陳量表」對學生施以前測，並在教學結束後施以後測，探討機器人教學對高中生工程設計表現之影響。. 32.

(49) 第四節研究流程本研究以量化方式了解機器人教學對高中生工程設計表現影響之關係。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3-2 所示：. 圖3-2 研究流程圖. 33.

(50) 第五節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4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。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），然後在實驗組以6E教學策略進行主題單元之機器人教學（X1），在控制組也以6E教學策略進行一般生活科技教學（X2）。在經過8週的教學後，即讓學生再接受評量工具的後測驗（O3、O4）。最後將兩組前後測成績加以比較，以瞭解實施機器人教學的成效。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3-1所示：. 表 3-1 本研究實驗設計. 34.

(51) 第六節研究工具本研究所使用的研究工具有兩個，分別為機器人教學單元，以及工程設計能力自陳量表。一、教學活動設計 (一)教學策略本研究探討機器人教學對學生工程設計能力的影響，實驗組所採用的教學單元為「兵乓球發射器─以樂高機器人作為教學工具」。由於一台完整的機器人兼具機構、外觀、程式控制，既可以使教學理論發揮於實作中，亦可對學生進行工程設計的教學，因此以機器人做為教材，其主要學習內容為製作能行走，並擁有抬升、發射功能的機械手臂的機器人，並讓學生發揮其蒐集資料與評估的能力。控制組的教學單元為「乒乓球發射器─以一般生活科技材料作為教學工具」，教導學生機械結構的知識並實際製作，目的是讓學生能夠了解機構運行、材料應用、機具使用的原理。 (二)教學工具本研究依照不同教學內容分為實驗組與控制組，實驗組採用機器人作為教學的工具，學習樂高機器人的使用，最終組成一台具有機械結構的機器人，使用程式對其控制。控制組的學生將以常見的. 35.

(52) 生活科技機具與材料製作乒乓球發射器，作為教學內容。 (三)教學流程本研究依據第二章文獻探討所架構的6E教學流程，加以規劃並發展教學活動，本教學活動上課時間預計為期8週，每週2節課，每節課50分鐘，共計800分鐘。主要教學流程皆依照Burke（2014）提出之6E教學流程進行，原因是學者們認為此教學流程能加強STEM教育成效，因此比起其他教學流程，6E教學流程更適合用在工程教育上。實驗組教學詳細步驟與內容如表3-2所示；控制組教學詳細步驟與內容如表3-3所示。. 36.

(53) 表 3-2 實驗組─機器人教學流程表時間. 6E 教學流程. 實驗組(機器人教學). 時間分配. 1.展示樂高機器人成品，簡單介紹本講授教學 20 分鐘. 第. 概念導入. 教學活動會用到的機器人零件與積. 活動時間 30 分鐘. 木。. 組裝車體 40 分鐘. 2.詢問學生的了解程度與過往的使用. 一. 經驗。. 週. 1.提供簡單範例，帶入小活動請學生自身理解. 跟著拼裝，藉此了解材料特性。 2.將基本車組裝好。. 第. 概念導入. 1.主機使用教學. 講授教學 30 分鐘. 2.程式撰寫概念講解. 活動時間 50 分鐘. 3.馬達指令教學。. 收拾清點 10 分鐘. 二. 4.學生解題時從旁視情況導引思考。. 週. 1.教師講解程式的撰寫，提供範例幫自身理解. 助學生了解。 2.教師說明任務讓學生解決。 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 30 分鐘. 解釋與定義所學. 活動時間 50 分鐘. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的收拾清點 10 分鐘回應改良、更正自己的理解。. 第三. 概念是否正確，並藉機複習。. 概念導入. 週. 1.馬達指令教學。 2.觸碰感應器指令教學。 1.教師講解程式的撰寫，提供範例幫. 自身理解. 助學生了解。 2.教師說明任務讓學生解決。 3.硬體問題的排除。. 第四週. 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 30 分鐘解釋與定義所學. 概念是否正確，並藉機複習。. 活動時間 50 分鐘. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的收拾清點 10 分鐘回應改良、更正自己的理解。. 37.

(54) 1.觸碰感應器指令教學。概念導入. 2.port view 功能教學。 3.超音波感應器教學。 1.教師講解程式的撰寫，提供範例幫. 自身理解. 助學生了解。 2.教師說明任務讓學生解決。 3.硬體問題的排除。 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 30 分鐘. 解釋與定義所學. 活動時間 50 分鐘. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的收拾清點 10 分鐘回應改良、更正自己的理解。. 第五. 概念是否正確，並藉機複習。. 概念導入. 週. 1.超音波感應器指令教學。. 1.教師講解程式的撰寫，提供範例幫自身理解. 助學生了解。 2.教師說明任務讓學生解決。 3.硬體問題的排除。 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 20 分鐘. 解釋與定義所學. 活動時間 60 分鐘. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的收拾清點 10 分鐘回應改良、更正自己的理解。. 第. 1.教師提供綜合題型，讓學生可以統. 六週. 概念是否正確，並藉機複習。. 自身理解工程深化經驗. 整目前所學，運用自己覺得最適合的方式。 2.教師在學生解題時從旁視情況導引學生思考。 3.公布最終主題：乒乓球發射器。. 第. 自身理解. 七. 工程. 週. 深化經驗. 講授教學 10 分鐘. 1.綜合題型練習。. 2.教師說明乒乓球發射器競賽相關規活動時間 60 分鐘則。. 收拾清點 20 分鐘. 3.學生討論&練習組裝。. 38.

(55) 1.評量學生的乒乓球發射器。. 第八. 評量成果. 2.進行半結構式訪談問卷填答。. 週. 39. 本節課評量成果.

(56) 表 3-3 控制組─乒乓球發射器教學流程表時間. 6E 教學流程. 控制組(生活科技教學). 時間分配. 1.展示乒乓球發射器成品，簡單介紹講授教學 50 分鐘. 第. 概念導入. 一. 週. 機具。. 整理環境 10 分鐘. 2.詢問學生對於生活科技材料與工具. 3.生活科技常見機具介紹&教學。自身理解. 二. 活動時間 30 分鐘. 的了解程度與過往的使用經驗。. 週. 第. 本教學活動會用到的材料、工具與. 1.分組討論乒乓球發射器的設計 1.乒乓球發射器「發射管」製作介紹講授教學 25 分鐘. 概念導入. 與教學。. 活動時間 55 分鐘. 2.學生製作時從旁視情況導引思考。整理環境 10 分鐘自身理解. 1.學生製作「發射管部分」 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 25 分鐘. 解釋與定義所學. 概念是否正確，並藉機複習。. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的整理環境 10 分鐘. 第. 回應改良、更正自己的理解。. 三. 1.乒乓球發射器「發射管」製作介紹. 週. 概念導入. 活動時間 55 分鐘. 與教學。 2.學生製作時從旁視情況導引思考。. 自身理解. 1.學生製作「發射管部分」。 2.排除機具使用的限制與問題。 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 25 分鐘. 解釋與定義所學. 概念是否正確，並藉機複習。. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的整理環境 10 分鐘. 第. 回應改良、更正自己的理解。. 四. 1.乒乓球發射器「發射管」製作介紹. 週. 概念導入. 與教學。 2.學生製作時從旁視情況導引思考。. 自身理解. 活動時間 55 分鐘. 1.學生製作「發射管部分」。 2.排除機具使用的限制與問題。 40.

(57) 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 25 分鐘解釋與定義所學. 概念是否正確，並藉機複習。. 活動時間 55 分鐘. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的整理環境 10 分鐘回應改良、更正自己的理解。. 第五. 1.教師提供其他部分的眾多範例供學概念導入. 生參考。 2.教師說明乒乓球發射器競賽規則。. 週. 1.學生製作「發射管部分」。自身理解工程深化經驗. 2.學生製作其他部分(如：腳架)，並思考如何與發射管結合。 3.學生根據需求設計各式機構。 4.排除機具使用的限制與問題。 1.教師透過提問確認學生上週學習的講授教學 10 分鐘. 解釋與定義所學. 概念是否正確，並藉機複習。. 2.學生回覆教師問題，並藉由教師的整理環境 10 分鐘. 第. 回應改良、更正自己的理解。. 六. 1.學生調整「發射管部分」. 週. 自身理解工程深化經驗. 活動時間 70 分鐘. 2.學生製作其他部分(如：腳架)，並思考如何與發射管結合。 3.學生根據設計製作各式機構 4.排除機具使用的限制與問題. 第. 自身理解. 七. 工程. 週. 深化經驗. 講授教學 10 分鐘. 2.排除機具使用的限制與問題. 活動時間 70 分鐘收拾清點 10 分鐘. 1.評量學生的乒乓球發射器. 第八. 1.學生針對作品做細部調整. 評量成果. 2.進行半結構式訪談問卷填答. 週. 41. 本節課評量成果.

(58) (四)評量方式本研究在課程進行期間所使用之學習成效評量工具包含半結構式訪談問卷、作品實測成績、作品本身設計。. 二、工程設計表現自陳量表本研究採用之工程設計表現自陳量表，是以Merrill等人在2008年所提出的工程設計領域三大核心概念，簡稱COPA為基礎。在工程設計表現自陳量表的部分，本研究設計41題工程概念試題，以台北市立某高中的學生共167人為預試對象，共回收有效問卷145 份，男生66份，女生79份。將「工程設計能力自陳量表」有效問卷之數據輸入電腦之後，即以電腦統計套裝軟體SPSS22.0 for Windows進行「項目分析」、「信度分析」、「因素分析」。 (一) 量表內容本研究所使用之「工程設計表現量表」，包含Merrill（2008）提出的COPA三個核心概念，「限制」、「最佳化」、「預測分析」，以及Atman（2007）提出的工程設計流程之中七個流程，分別是「確認需求」、「定義問題」、「蒐集資料」、「產生想法」、「可行性分析」、「評估」、「實踐」，構面分類與問題設計經三位資深生活科技教師修改並認可，詳細如表3-4。. 42.

(59) 表 3-4 高中生工程設計能力量表問題內容分配表非常不同意. 不同意. 普通. 同意. 非常同意. 限確我在製作前會先確認作品的功能，再制認進行設計與規劃。需我在製作前會先確認能使用的材料種求類與數量。. 1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4. 5. 3. 我在製作前會先確認能使用的工具。. 1. 2. 3. 4. 5. 4. 我會找同學或老師確認任務所給的限制。. 1. 2. 3. 4. 5. 5. 我時常製作到一半才會思考要如何把. 1. 2. 3. 4. 5. 設計作品之前，我會先定義出面臨的問題(例：如何讓發球裝置連發、如何一次只發一顆球)。. 1. 2. 3. 4. 5. 設計作品之前，我會先定義出面臨的限制(例：材料費限制 500 元以內)。. 1. 2. 3. 4. 5. 設計作品之前，我通常先不管材料或金錢上的限制。. 1. 2. 3. 4. 5. 設計作品之前，我會利用書籍、網路等資源找尋需要的資訊。. 1. 2. 3. 4. 5. 設計作品之前，我會去網路上搜尋範例作品。. 1. 2. 3. 4. 5. 11. 設計作品之前，我會與小組的同學討論，以創造新靈感。. 1. 2. 3. 4. 5. 12. 設計作品之前，我會仔細思考蒐集的. 1. 2. 3. 4. 5. 題能歷號力程. 1 2. 題目. 反向題. A. 作品的功能結合進來。 6. 7. 定義問題. 8 9 10. 蒐集資料. B. 資料在我/小組的作品上是否用的上。 13. 設計作品之前，我習慣天馬行空思考，而非使用書本、網路蒐集資訊。. 1. 2. 3. 4. 5. 14. 設計作品時，我會參考範例作品的設計。. 1. 2. 3. 4. 5. 43. C.

(60) 15 預測 16 分析. 設計作品時，我會思考並避開範例作品所犯的錯誤。. 1. 2. 3. 4. 5. 設計作品時，我會簡單構思每一階段的流程。. 1. 2. 3. 4. 5. 17. 設計作品時，我會仔細規劃每一階段的流程。. 1. 2. 3. 4. 5. 18. 設計作品時，我會簡單繪製設計圖幫助自己瞭解。. 1. 2. 3. 4. 5. 19. 設計作品時，我會參考範例作品的設計. 1. 2. 3. 4. 5. 20. 規劃完製作流程後，我能清楚對老師與同學解說。. 1. 2. 3. 4. 5. 21. 設計作品時，我傾向邊做邊想，不會事先規劃製作流程。. 1. 2. 3. 4. 5. D. 22. 設計作品時，我常抱持著先做再說的想法，失敗了再重新改良。. 1. 2. 3. 4. 5. D. 製作作品前，我會使用簡單的材料或軟體嘗試模擬可行性。. 1. 2. 3. 4. 5. 製作作品前，我會列出不同的材料思考何者為佳。. 1. 2. 3. 4. 5. 25. 析製作作品前，我想出了兩種以上的製作方法，我會思考所有這些方式的可行性。. 1. 2. 3. 4. 5. 26. 製作作品前，我會跟同學或老師確認我的構想是否可行。. 1. 2. 3. 4. 5. 27. 我通常會直接製作作品，發生問題再進行修改。. 1. 2. 3. 4. 5. 28 最評我會評估範例作品的優缺點。佳估. 1. 2. 3. 4. 5. 29 化. 面對兩種以上可行的想法，我會考慮到「製作時間」來選出最後的設計。. 1. 2. 3. 4. 5. 30. 面對兩種以上可行的想法，我會考慮到「耐用性」來選出最後的設計。. 1. 2. 3. 4. 5. 31. 面對兩種以上可行的想法，我會考慮到「功能性」來選出最後的設計 (例：方便操作)。. 1. 2. 3. 4. 5. 23 24. 產生想法. 可行性分. 44. E.

(61) 32. 面對兩種以上可行的想法，我會考慮到「節省經費」來選出最後的想法。. 1. 2. 3. 4. 5. 33. 面對兩種以上可行的想法，我會考慮到「節省材料」來選出最後的想法。. 1. 2. 3. 4. 5. 34. 我會羅列出所有可能性，評估後再來決定最後的設計。. 1. 2. 3. 4. 5. 35. 若能完成課堂目標，我不會特別節省材料。. 1. 2. 3. 4. 5. 36. 實我通常能夠把自己所設計的作品作出踐來。. 1. 2. 3. 4. 5. 37. 我的作品能夠運行當初設計的功能。. 1. 2. 3. 4. 5. 38. 我知道為什麼我的作品能夠運行。. 1. 2. 3. 4. 5. 39. 若我的作品失敗了，我能檢討並提出改善的構想。. 1. 2. 3. 4. 5. 40. 在作品遇到問題時，我會上網搜尋是否有人遇到同樣的問題。. 1. 2. 3. 4. 5. 41. 我沒有辦法製作出自己設計好的作品。. 1. 2. 3. 4. 5. F. G. (二)評分方式本量表分為三個構面，共計41題，採用Likert五點式量表計分。由「非常同意」、「同意」、「普通」、「不同意」、「非常不同意」，分別給予5分、4分、3分、2分、1分，分數越高者表示學生對該構面之工程設計能力傾向越高。 (三)信效度分析因本量表適合用於高中學生，故本研究之量表於105年5月採用高中學生進行預試，由台北市某市立高中學生為預試對象，預試問卷共發出180份，回收167份，回收率92.7%，剔除廢卷數，有效問卷為145份。根據預試填答結果加以分析與修正，以工程設計能力 45.

(62) 擬定之正式量表，詳見附錄一，而量表之信效度分析如以下詳述。 1. 項目分析本研究採極端值及內部一致性考驗進行項目分析，並以個別題項與量表總分的Pearson相關係數來進行分析，分析如下表 3-5。表 3-5 工程設計能力自陳量表結果摘要表極端組比較題項. 決斷值 (CR 值). 同質性檢驗校正題目與總分相關. 題項刪除後的 Cronbach's α 係數. 備註. 1 2 3 4 5 6. 6.702*** 4.700*** 6.086*** 4.266*** 0.771 5.433***. .518 .475 .509 .337 .193 .443. .870 .871 .870 .873 .876 .871. 保留保留保留保留刪除保留. 7 8 9 10 11 12 13 14 15. 5.285*** 5.314*** 6.229*** 5.414*** 4.397*** 6.300*** -1.454 1.762 4.920***. .527 .320 .487 .394 .352 .462 -.002 .184 .478. .869 .873 .870 .872 .872 .870 .880 .875 .871. 16 17 18 19 20 21 22 23 24. 7.312*** 4.996*** 6.289*** 5.823*** 6.005*** .764 -.607 8.159*** 7.927***. .559 .426 .444 .467 .527 .308 .174 .489 .561. .869 .871 .871 .870 .869 .873 .876 .870 .869. 保留保留保留保留保留保留刪除刪除保留保留. 46. 保留保留保留保留刪除刪除保留保留.

(63) 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34. 5.959*** 4.910*** -.825 7.081*** 4.571*** 4.543*** 5.453*** 3.747*** 4.757*** 4.612***. .400 .410 .084 .461 .378 .380 .412 .282 .337 .379. .872 .871 .878 .871 .872 .872 .871 .874 .873 .872. 保留保留刪除保留保留保留保留保留保留保留. 35 36 37 38 39 40 41. -2.337* 4.281*** 5.478*** 6.682*** 6.007*** 5.050*** -.077. -.101 .378 .445 .488 .411 .373 .094. .882 .872 .871 .870 .871 .872 .879. 刪除保留保留保留保留保留刪除. **p<.01 ***p<.001 總變量的 α 係數=.932. 本量表之極端組比較結果發現，第5、13、14、21、22、27、41 題共7道題項尚未達統計上顯著水準(p<0 .05)，不具有鑑別度，故予以刪除。且第35題之CR值小於3，鑑別度較低。而剩餘的33題CR值在3.747至8.159之間，且均達統計上的顯著水準(p= .000< .001)，顯示此33道題項具有鑑別度，能鑑別出高、低分組的工程設計能力。而在同質性檢驗中，此33題的相關介於.282至.559之間，表示本量表的題目間具有中、高度相關，保留此33題項。. 2. 因素分析本量表之KMO值達.822，且Bartlett球性考驗的近似卡方分 47.

(64) 配值為1944.637，已達α=.01顯著水準，因此適合進行因素分析 (Kaiser, 1974)。本研究之工程設計能力量表的因素分析發現，經由主成份分析法及直交轉軸最大變異法的因素分析得到以下結果。33個題目固定7個特徵值(eigenvalues)，分別可命名為材料應用與範例、實踐、確認需求、效率評估、小組討論、功能評估、定義流程等七個向度，材料應用與範例的解釋變異量為10.837%，實踐的解釋變異量為9.962%，確認需求的解釋變異量為 8.637%，效率評估的解釋變異量為7.777%，小組討論的解釋變異量為7.699%，功能評估的解釋變異量為6.770%，定義流程的解釋變異量為5.956%，合計為57.638 %，如下表3-6。. 表 3-6 工程設計能力量表因素分析摘要表因素. 題項. 累積解釋變異量. 抽取的因素因素. 因素. 因素. 因素. 因素. 因素. 因素. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 9. .713. .016. .342. -.059. .099. .040. .069. 材. 40. .613. -.086. -.034. -.102. .240. .296. .140. 料運用與範例. 23. .603. .422. -.030. .244. .088. .166. -.126. 24. .594. .262. .104. .351. .079. .299. -.115. .564. -.052. .420. -.215. .232. .012. -.024. 34. .520. .160. -.011. .118. .135. .069. .165. 7. .493. .241. .093. .235. .056. .032. .100. 18. .452. .279. .047. -.104. .051. .213. .412. 15. .391. .157. .250. .012. .153. .008. .389. .021. .801. .035. .099. -.029. -.041. .126. 實. 10. 36. 10.837%. 20.799%. 48.

(65) 踐. 37. .158. .788. .173. -.134. .130. .106. -.024. 39. .056. .626. -.060. .201. .137. .127. .169. 38. .243. .591. .292. .036. -.027. .067. .161. 20. .217. .516. .193. -.054. .420. .155. .022. 19. .083. .463. .051. .099. .139. .405. .326. 確認需求. 2. -.053. .145. .758. .196. .027. .193. .154. .158. .082. .744. .102. .219. .103. .198. 3. .249. .170. .740. -.035. .235. .126. .073. 效. 32. -.077. .080. .159. .782. -.015. .125. .002. 率評估. 33. .050. -.030. .007. .704. .004. .355. .181. .116. .009. -.079. .540. .328. -.054. .213. 29. .249. .144. .180. .532. .107. .214. -.354. 小組討論. 11. .104. .059. .085. -.164. .727. .272. .064. .194. .155. .058. .131. .723. .024. .185. .069. .040. .253. .132. .654. .042. -.083. 26. .212. .098. .105. .386. .564. -.025. -.040. 功能評. 30. .114. .052. .142. .198. .108. .699. -.030. .086. .109. .309. .127. .056. .636. .079. .355. .157. -.143. .111. .037. .579. .265. 估. 28. .244. .334. .234. .025. .243. .387. -.097. 定義流程. 17. .029. .194. .198. .068. -.007. .157. .740. .222. .210. .358. .360. .167. -.128. .465. .342. .053. .356. .125. .036. .060. .455. 1. 29.436%. 8. 12 4. 31 25. 16. 37.214%. 44.912%. 51.682%. 57.638%. 6. 3. 信度分析本量表信度是採內部一致性加以考驗，本量表各分量表之 Cronbach α係數分別為.743、.500、.696、.739、.711、.713、.697，整體Cronbach α 係數為.906，除了「定義問題」、「蒐集資料」、「實踐」具. 49.

(66) 信度尚可(>.50)，其餘各分量表Cronbach α係數皆在.70以上，較具有實用的價值，表示量表有較高的信度，內部一致性良好 (Carmines & Zeller, 1979; Bryman & Cramer, 1997)。. 表 3-7 工程設計能力量表信度分析摘要表量表. 題數. Cronbach's α 值. 確認需求定義問題蒐集資料產生想法可行性分析評估實踐. 4 3 4 6 4 7 5. .743 .500 .696 .739 .711 .713 .697. 整體. 33. .906. 50.

(67) 第七節資料處理與分析本研究主要採用量化的資料分析，研究者在量表及測驗施測完成，並去除無效量表後，將所回收的量表資料輸入電腦以SPSS 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，主要使用的方法為描述統計以及獨立樣本單因子共變數分析。一、描述統計統計學生自陳量表所得分數的平均數、標準差等數值，歸納出學生的學習特性與能力範圍，並依照教學狀況做出解釋。 (一) 平均數：以平均數來呈現「工程設計表現」的高低分情形，作為瞭解「機器人教學」與「傳統生活科技教學」對高中生工程設計能力之影響是否有差異的依據。 (二)標準差：以標準差來呈現「工程設計表現」各構面成績之差異情形，以此種方式進行分析時，標準差差異越大，表示離散情形越大。作為探討學生工程設計能力得分情形的依據。二、獨立樣本單因子共變數分析以學生前測的工程設計能力量表分數為共變量，以機器人教學與傳統生活科技教學這兩種不同的教學內容對依變項「工程設計表現」量表後測分數進行共變數分析，來探討不同教學內容對工程設計表現的影響。. 51.