仿生案例教學對大學生自然觀察智能、類比聯想、仿生設計能力與情意態度之成效分析
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(2) 謝誌 叩謝 師祖真武祖師玄天上帝、文昌帝君、玉皇上帝、三清道祖 與諸佛菩蕯的祝福與恩賜福慧，讓我在攻讀博士時找到安頓心靈、 為學與做人之方法，朝向幸福美滿的指歸。愓勵自己當下與未來 在大學教學工作岡位上，傳承與發揚道-釋-儒優良傳統文化，將三教經典致用於永 續生活。不放棄任何一個學生，把學生帶好，勇猛精進，持續不怠。 感謝父母、妻子英英的擁抱、支持與陪伴。雙方父母恩重難報，兒將 力行五倫五常來報答父母恩。妻子英英兼具美麗、賢淑、智慧、膽識 且樂於行善助人，我們擁有一個圓滿和諧快樂的家，我願與妳以生態 旅行來閱讀全世界。感謝弟弟妹妹們手足相挺，特別是弟弟周東賢教授，大哥才疏 學淺，幸有你全力相挺，大哥由衷感謝。 感謝引領跨科際學習仿生學、環境工程、環境教育、社會教育、 混合型研究方法的師長與各階段提攜晚輩之師長，讓鴻騰一門深 入、長時薰修、術德合一：環教之父楊冠政教授、王鑫教授、 王順美教授、周儒教授、許世璋教授、李明芬教授、林金根教授、張子超教授、 張文亮教授、駱尚廉教授、盧秀琴教授、陳學志教授、楊琇惠總召、徐芝君博士、 華梅英教授、鄒燦陽局長、林高永教授、周文欽教授、游鴻裕教授、蕭淑玲老師、 施貝淳教授、何宜倩教授，在此以最至誠之心感謝。. 謹誌 (Xuanling) 1.
(3) 目錄 目錄 .............................................................................................................................. 1 表目錄 .......................................................................................................................... 6 圖目錄 .......................................................................................................................... 8 摘要 ............................................................................................................................ 10 Abstract ....................................................................................................................... 11 第一章. 緒論............................................................................................................. 12. 第一節 研究背景.................................................................................................... 14 一、. 國際仿生學在環境領域的研究趨勢 ....................................................... 14. 二、. 學習仿生學與環境教育的關係 .............................................................. 16. 第二節 研究動機、目的與研究問題 .................................................................... 18 一、. 研究動機 ................................................................................................. 18. 二、. 研究目的 ................................................................................................. 20. 三、. 研究問題 ................................................................................................. 21. 第三節 名詞解釋與研究範圍界定 ........................................................................ 22 一、. 名詞解釋 ................................................................................................. 22. 二、. 研究範圍與限制...................................................................................... 25. 第二章. 文獻探討 ..................................................................................................... 27. 第一節 仿生學的概念與案例 ................................................................................ 29 一、. 仿生學的概念 ......................................................................................... 29. 二、. 仿生學的案例 ......................................................................................... 31 2.
(4) 三、. 仿生案例作為一種學習鷹架 .................................................................. 35. 第二節 學習仿生學的四個步驟與環境教育目標內涵之連結 .............................. 37 一、. Benyus 提出學習仿生學的四個步驟 ...................................................... 39. 二、. 連結環境教育目標之內涵 ...................................................................... 40. 第三節 仿生設計的理論基礎 ................................................................................ 43 一、. 一般通用解決問題的歷程 ...................................................................... 43. 二、. 類比聯想解決問題、學習遷移的理論基礎 ........................................... 44. 第四節 自然觀察智能、仿生設計教學、情意態度相關教學研究 ...................... 50 一、. 自然觀察智能相關教學研究 .................................................................. 50. 二、. 仿生設計的相關教學研究 ...................................................................... 55. 三、. 保護生物多樣性與情意態度的相關研究 ............................................... 65. 四、. 本章小結 ................................................................................................. 73. 第三章. 研究方法 ..................................................................................................... 77. 第一節. 教學情境與研究對象 .......................................................................... 80. 一、. 教學情境 ................................................................................................. 80. 二、. 研究對象 ................................................................................................. 81. 三、. 研究者的角色 ......................................................................................... 82. 四、. 從實用主義中得到的啟示 ...................................................................... 84. 第二節. 研究設計與研究架構 .............................................................................. 86. 一、. 根基於實用主義的混合研究方法........................................................... 86. 二、. 研究流程 ................................................................................................. 86. 三、. 混合型研究之實驗嵌入式設計 .............................................................. 90. 四、. 研究架構 ................................................................................................. 93 3.
(5) 第三節 教材與教學設計 ....................................................................................... 94 一、. 實用主義在教學理念的應用 .................................................................. 94. 二、. 教學目標 ................................................................................................. 95. 三、. 教材與教法 ............................................................................................. 96. 第四節. 測量工具 ............................................................................................... 103. 一、. 類比聯想測驗、自然觀察智能、仿生設計能力.................................. 103. 二、. 仿生設計草圖實作歷程 A 與 B 檢核表(審閱者審閱)........................... 110. 第五節. 量化與資性資料處理與分析 ............................................................. 113. 一、. 量化資料處理與分析 ............................................................................. 114. 二、. 質性資料處理與分析 ............................................................................. 115. 第四章. 研究結果與討論 ....................................................................................... 117. 第一節. 基本資料分析..................................................................................... 118. 第二節. 仿生案例教學的立即效果與延宕效果分析 ..................................... 121. 一、. 對類比聯想的立即效果與延宕效果 ................................................. 121. 二、. 自然觀察智能、仿生設計能力之立即效果與延宕效果 .................. 125. 三、. 三種能力之間的相關性 .................................................................... 129. 第三節. 類比聯想之答對率與價值偏向分析 ................................................. 137. 一、. 類比聯想的答對率 ............................................................................ 137. 二、. 保護生物多樣性之價值偏向分析 ..................................................... 145. 三、. 對仿生學未來發展的價值偏向分析 ................................................. 152. 四、. 多位學生對環境工程與仿生學之回饋 ............................................. 158. 第四節. 實驗組在仿生案例教學過程中的能力培養 ..................................... 161 4.
(6) 一、. 學生主導之仿生案例探討報告(實作歷程 A) ................................... 162. 二、. 學生主導之仿生產品草圖設計報告(實作歷程 B) ........................... 172. 第五節. 綜合討論 ........................................................................................... 186. 一、. 量化成果與討論 ................................................................................ 186. 二、. 質性發現與討論 ................................................................................ 193. 第五章. 結論與建議 ............................................................................................... 200. 第一節. 研究結論 ........................................................................................... 201. 一、. 長時間、多次數的自然觀察經驗有助於提升自然觀察智能 .......... 202. 二、. 接受仿生案例教學具有立即效果與延宕效果.................................. 203. 三、. 實作後的反思，有助於促進情意態度之反思.................................. 205. 四、. 仿生案例教學能讓學生擁有希望感與促進學習遷移 ...................... 206. 第二節. 後續研究建議.................................................................................... 209. 一、. 開設仿生學通識課程的準備 ............................................................ 209. 二、. 通識課程連結自然中心的課程方案 ................................................. 209. 三、. 對研究變項的建議 ............................................................................ 210. 四、. 對研究工具的建議 ............................................................................ 211. 參考文獻 .................................................................................................................. 212. 5.
(7) 表目錄. 表 2-1 仿生學案例整理表 ......................................................................................... 34 表 2-2 基模歸納理論與結構對應理論之比較 .......................................................... 45 表 3-1 實驗組與控制組之教學大綱與內涵 ............................................................. 101 表 3-2 類比聯想、價值分析試題範例 ..................................................................... 104 表 3-3 類比聯想測驗試題難易度與鑑別度分析 ..................................................... 107 表 3-4 類比聯想測驗之信度分析............................................................................ 109 表 3-5 審閱者檢核表 ............................................................................................... 111 表 3-6 實作學習歷程 A 與 B 之計分標準............................................................... 112 表 3-7 三位評分者間一致性之相關分析 ................................................................. 113 表 3-8 統計分析方法與使用目的............................................................................ 114 表 3-9 質性原始資料編碼、意義說明與示例 ......................................................... 116 表 4-1 大學生打工時數與接觸自然頻率分析表 .....................................................118 表 4-2 大學生上課前是否聽過仿生學與生物多樣性 .............................................. 119 表 4-3 大學生了解仿生學與生物多樣性之管道來源 .............................................. 120 表 4-4 共變數迴歸係數一致性假定分析整理表 .................................................... 121 表 4-5 三組在類比聯想前後測、延宕測之共變數分析 .......................................... 122 表 4-6 類比聯想前後測與延宕測之成對比較 ......................................................... 124 表 4-7 共變數迴歸係數一致性假定分析整理表 .................................................... 125 表 4-8 自然觀察智能、仿生設計能力之前後測、延宕測共變數分析 ................... 126 表 4-9 三組在自然觀者智能、仿生設計能力，後測、延宕測之成對比較 .......... 127 表 4-10 自然觀察智能、類比聯想與仿生設計能力之相關分析 ............................ 130 表 4-11 自然觀察智能、類比聯想與仿生設計能力之迴歸係數............................. 131 表 4-12 類比聯想後測與延宕測的顯著性檢定 ...................................................... 137 6.
(8) 表 4-13 保護生物多樣性之價值偏向分析 ............................................................... 147 表 4-14 對仿生學未來發展的價值偏向 .................................................................. 153 表 4-15 學生對環境工程與仿生學之回饋 .............................................................. 158 表 4-16 全套式教學組與半套式教學組於仿生案例探討學習成效之比較. ........ 163. 表 4-17 全套式教學組仿生產品草圖設計學習成效(審閱者評分) ....................... 174 表 4-18 全套式教學組學生兩項實作歷程中能力進步之處(審閱者評分) ............. 174. 7.
(9) 圖目錄 圖 2-1 仿生學模仿的取徑 ......................................................................................... 30 圖 2-3 蓮葉表面奈米現象與防污的奈米塗料 .......................................................... 33 圖 2-4 二級食物鏈與工業生態學.............................................................................. 34 圖 2-2 翠鳥流線型的鳥喙與日本新幹線列車車頭................................................... 33 圖 2-6 學習仿生學的四個步驟與環境教育目標內涵之連結 ................................... 38 圖 2-5. Benyus 提出學習仿生學的四個步驟 ........................................................... 38. 圖 2-7 Biomimicry 仿生設計螺旋流程圖 ................................................................ 57 圖 2-8. Biomimicry 仿生設計步驟圖 ....................................................................... 59. 圖 2-9. 生物多樣性價值連續列 ............................................................................... 66. 圖 2-10 本研究之文獻概念圖 ................................................................................... 76 圖 3-1 研究流程圖..................................................................................................... 89 圖 3-2 實驗嵌入式設計(含教學實驗設計) ................................................................ 92 圖 3-3 研究架構圖..................................................................................................... 93 圖 4-1 類比聯想前後測、延宕測之調整後平均數比較圖 ..................................... 124 圖 4-2 自然觀者智能、仿生設計能力後測、延宕測之調整後平均數分析 ........... 126 圖 4-3 自然觀察智能與仿生設計能力之迴歸分析圖 ............................................. 132 圖 4-4 類比聯想能力與仿生設計能力之迴歸分析圖 ............................................. 132 圖 4-5 類比聯想：模仿沙漠甲蟲、非洲蟻窩、蜜蜂窩 .......................................... 139 圖 4-6 類比聯想：模仿斑馬、人的皮膚、蓮葉 ..................................................... 141 圖 4-7 類比聯想：模仿生態系統：模仿微藻、魚菜共生、物質循環系統 ........... 143 圖 4-8 保護動物、森林與珊瑚生態之價值偏向 .................................................... 148 圖 4-9 對仿生學未來發展的價值偏向 ..................................................................... 154 圖 4-10 仿生案例探討之引導步驟.......................................................................... 162 圖 4-11 學生實作歷程：動物園的觀察與紀綠後，簡要介紹仿生案例的主題 ..... 166 8.
(10) 圖 4-12 學生實作歷程：畫出並寫出此種生物的特徵 ........................................... 167 圖 4-13 學生實作歷程：分析兩者之間的相似與不相似之處 ............................... 168 圖 4-14 學生實作歷程：描述最主要的原理，應用類比聯想解決問題 ................ 169 圖 4-15 仿生設計思考步驟 ..................................................................................... 173 圖 4-16 仿生設計能力 審閱者歷程評分 ................................................................ 175 圖 4-17 學生實作歷程：寫出想要解決生活中的民生或環境保護問題 ................ 179 圖 4-18 學生實作歷程：選擇特定生物物種，分析生存適應的特色 .................... 180 圖 4-19 學生實作歷程：分析此生物適應特色的機制與原理 ............................... 181 圖 4-20 學生實作歷程：類比聯想原理與機制於產品設計中 ............................... 182 圖 4-21 學生實作歷程：畫出產品改良或創新的設計草圖圖 ............................... 183 圖 5-1 研究成果綜合整理示意圖 ............................................................................ 201. 9.
(11) 摘要 本研究於台灣北區某一科技大學環境工程系的課程中導入仿生學，探討接受 「仿生案例教學」的大學生在「自然觀察智能」 、 「類比聯想能力」 、 「仿生設計能力」、 「對物種與生態系統價值偏向」之提升成效。採用「不等組前測-後測設計」結合 實作歷程評量進行研究。包括實驗組 1 接受全套仿生教學(N=43)、實驗組 2 接受半 套仿生教學組(N=30)、控制組接受原有教科書講述教學(N=35)，三組分別進行前測、 後測與延宕測，結果發現：(1)實驗介入後，二組實驗組之自然觀察智能較無法於 短時間內顯著提升，長時間戶外觀察、累積飼養經驗或覺察生活細節將有助於提升 自然觀察智能。(2)接受全套與半套仿生教學皆比傳統教科書講述教學，能有效提 升類比聯想能力、仿生設計能力。此外，接受全套教學比半套教學在一個月後能維 持較佳的延宕效果。(3)從檔案評量 A 至 B 觀之，學生在對應兩者之間的相似性、 歸納科學原理、設計出什麼產品、畫出設計草圖仍有進步的空間。學生積極應用課 程所學、課後主動鑽研專業知識、設計知識與增強後設認知，皆有助於類比聯想與 設計草圖構想等能力。(4) 大部分學生支持仿生學產業的發展，但必須以關照動植 物、生態系與人類的福祉為前提。師法大自然來解決環境問題，學生認為具有環保 商機與懷抱著希望感。(5)課程結束後，學生表示擁有更多創新解決問題的點子、 興趣與好奇心並且願意繼續主動探索。. 關鍵詞：仿生案例教學、自然觀察智能、類比聯想、仿生設計能力、情意態度. 10.
(12) Abstract This study assessed the effects of guided biomimicry teaching of naturalist intelligence, analogical thinking,biomimicry design and environmental attitudes for Environmental Engineering students. An embedded experimental and nonequivalent pretest-posttest design was used. Experimental group 1, received complete biomimicry teaching (N=43). Experimental group 2, received one-half biomimicry teaching (N=30). The control group, received didactic teaching without any biomimicry teaching (N=35). The outcomes of the intervention was measured by questionnaires before the course (pre-test), after the course (post-test) and four weeks after (follow-up test) the intervention. The main research results are reported as follows: (1) After the experimental intervention, the post-test, follow-up test results revealed that the two experimental group cannot improve significantly in a short time of naturalist intelligence. The experience of outdoors observation, breeding animals, and observe details of life carefully were helpful to increase naturalist intelligence. (2)The two experimental groups achieved higher biomimicry design scores than the control group. The experimental group 1 students’ analogical thinking and biomimicry design scores are significantly better than experimental group 2 after four weeks.(3) View from portfolio assessment A to B, students find the difficult include of compare similarity, analysis of scientific principles, what biomimicry product design and draw sketches. Students study actively on professional and design knowledge and have meta-cognitive, could improve ability of analogy skills and design sketches. (4) Most of the student’s identify with the development of biomimicry industry, but the premise was must takes care of the welfare of biology, ecosystems and humans simultaneously. Students have business opportunity and hope to solve environmental problems based on “learning from nature”.(5) After the course, students have new ideas of environmental problem solving, also have more interest, curiosity, and active exploration to biomimicry. Key words: case-based biomimicry teaching, naturalist intelligence ,analogical thinking, biomimicry design, environmental attitudes.. 11.
(13) 第一章. 緒論. 環境教育(environmental education)的本質是強調環境行動及問題解決(problem solving)的教育，同時也是環境價值(environmental value)的教育。環境問題解決的 過程，即是利用真實世界中的問題解決來引導學習，不但包含知識與技術的學習， 而且更重要的是促進實際的行動。重視問題解決為環境教育的特色，其目的在使 k-12學生、成年人，皆能認識環境問題對個人或群體所造成的危害，探究問題形成 因素、立場與價值觀，並決定適當的解決方法進行改善或解決，因此環境問題的解 決技術養成乃是環境教育重要的課題(楊冠政，1998)。當學生進入職場成為一位環 境教育從業人員，經常辦理環境保護相關之課程、演講、討論、網路學習、體驗、 實驗(習)、戶外學習、參訪、影片觀賞、實作等教育活動，經由知識的傳遞、態度 的培養與行動的養成過程，以改變人們對於環境的思考方式，激發全民參與熱忱與 落實日常環保行動(行政院環保署，2010)。 環境科學與環境工程(environmental science & environment engineering)的本質 為專業科學與技術知識的內容，透過探討各類環境議題，歸納環境問題的產生原因， 並學習運用科學方法(scientific method)，研擬多種解決環境問題的可行策略，試圖 減輕與控制對環境的負面影響。環境科學與環境工程是一個整合自然科學與生活科 技領域的學門，主要是培養高等教育的學生，對各種環境破壞及污染的覺知，認識 人類活動對環境所造成的污染及破壞周遭環境等問題，使學生理解人類行為對自然 環境造成的衝擊，以及人類應負起對維護環境永續的責任感。而當學生進入職場成 為一位環境工程、安全衛生、災害預防、與綠色環境資源各領域的從業人員，必須 依循環境法規的機制，嚴謹地進行污染區域的調查與實驗分析，進而採取適切的策 略與技術進行防治、整治與復育，乃至於採取積極的事前預防的相關工作，減輕對 環境可能造成之影響。 生態設計學家Sim Van der Ryn(2009)認為Benyus的《人類的出路：探尋仿生學的 奧妙》(Biomimicry：Innovation inspired by Nature)及仿生學資料庫(http：//database. 12.
(14) Biomimicry. org)，兩者最吸引人的地方，乃是因為人類科學技術發展出現難題時， 人類重回到大自然中去找答案。然後再發展仿生科技產品的同時，要兼顧保護生物 多樣性與 保護環 境的能 力。 2008年 生物多 樣性公約 (Convention on Biological Diversity, CBD)部長級會議在德國Bonn舉行，會議的目的是減緩生物多樣性的喪失。 仿生學研究所(Biomimicry 3.8 Institute)和零排放研究創新基金會(Zero Emissions Research Initiatives[ZERI])在會議中共同指出：「自然界的生物應用非常巧妙的設 計、非常環保的化學物質以及非常精巧的材料和能源方案，來解決各自生存所需。 大自然中生物就是利用這些方法，成功地解決了清潔能源問題和廢物再利用和循環 利用的問題，這代表著仿生學的時代已經來臨了。」(UNEP,2008)。 仿生學(或可稱biomimicry,biomimetics,bioinspiration,biologically inspired design) 的本質乃是模仿生物特性或是學習生態系的運作，以生態環境永續為出發點，發明 出兼具經濟發展價值的產品設計，以解決人類在各層面與各領域的問題。若能對生 物體或是生態系的功能與作用機制，進行深入的基礎研究，有助於找出人類某種技 術問題的解決之道。仿生學特別著重生物學家、環境工程、生物工程、環境教育學 者的跨領域對話與結合，才能好好應用這存在地球許久的「早知道的智慧」，激發 出更多的創新產品及思維，將有助於人類解決現在面對的許多問題，造福人類生活 並與自然和諧共存。 國家環境教 育基金 會 (The National Environmental Education Foundation , NEEF)認為仿生學呯應環境教育模式中的經驗元素(empirical element)、倫理元素 (ethical element)與美學元素(aesthetic element)(Palmer,1998)。亦即仿生學符合環境教 育強調在真實環境中(in)進行教育、教育有關於(about)環境的知識、態度、技能， 並且為(for)實踐永續環境而進行教育。仿生學也符合環境教育、環境工程的核心要 素－「以行動導向與解決問題導向的教育」。NEEF更接受仿生學成為環境教育計 畫的一部分，認為仿生學同時能在許多不同的學科上進行結合，而整合最方便的之 處便是環境科學(environmental science)或是環境保護(environmental protection)課程 13.
(15) (NEEF,2002)。仿生學可以作為學生學習有關環境的主題材料，甚至是提供了一種 學習模式或是一個概念框架，來探索我們的自然界(NEEF,2002)。既然仿生學的學 習策略與環境教育、環境工程出發點相同，那麼，仿生學應用環境教育的學習上， 應可達到事半功倍的學習效果。. 第一節 研究背景 一、 國際仿生學在環境領域的研究趨勢. 人類的工業發展與科技奇蹟，讓有限的地球資源陷入枯竭、全球暖化與氣候變 遷的危機。環境教育家Orr(1992)認為環境危機便是設計危機，因為我們把設計運用 在小部份的人類利益上，卻忽視設計與人類之間的關係。這類短視近利的設計，無 可避免的會降低自然環境的品質，更進一步則會傷害我們的健康。在反思的浪潮中， 現在與未來的環境工程，將由傳統的管末處理，朝向預防性的清潔生產、節能減碳、 資源回收、綠色能源、資源循環零排放、生態社區等發展方向(林鴻祺、陳吉宏、 江東法、劉恒昌，2010；張祖恩，2011)。如同Anne(2010)強調現代的環境工程學 家的任務，乃是投入研發新興環境科技，清理已經對這塊土地造成的破壞，應用自 然資源循環再利用方式，開發綠色科技等以保護地球為數不多的自然資源。有關仿 生學及生態設計的案例在環境工程的應用，未來幾乎所有環工技術均必須順應的大 自然規律，以及必定從大自然「少即是多」的哲學中獲得靈感，表現出自然系統的 簡單性，環境工程已朝向永續設計的未來。 環境工程學家、生態設計者和仿生學家們已認知到，自然界的建築結構已經具 備了功用最大化、運行能量最小化的屬性。設計師和工程師們透過模擬自然形式和 功能，盡量減少新建築可能消耗的資源。這種仿生學有巨大的發展空間，能夠教導 工程師們如何透過簡化工序，而不是使工序復雜化來進行創新。例如：(1)環境工 程的新方向(廢物即是資源、生態設計、零能耗建築、仿生設計)。(2)生態景觀設計 (順應自然的景觀設計、生態建築學、雨水收集、人行道和行車道景觀設計技巧)。 (3)永續污水處理(能量與水的連結、污水中的能量、厭氧消化池、灰水回用、生態 14.
(16) 廢水處理)等。 Birkeland(2012)認為現在模仿生物的仿生學(biomimicry, biomimetics, bionics)， 以及模仿生態系統的工業生態學(industrial ecology)、生態設計學(ecological design) 與樸門永續設計(permaculture design)等，皆是朝向永續發展的永續設計(sustainable design)。景觀與建築設計界的生態設計學者認為若與大自然為伴，將能降低生態衝 擊。不僅需要專家投入，也需要整個社區的參與，有效的設計會提供我們持續學習 及參與的機會，進而改變我們對大自然的看法(Sim Van der Ryn,2009)。 例如：農業界的樸門永續設計(permaculture)提倡以大自然為師的農耕法，仿自 然生態系統中各種植物齊集一堂的種植法。尊重生態原理，仔細觀察自然界的能量 流動模式，因而發展出高效率的系統(Bill Mollison & David Holmgre,1978)。聯合國 大學(UNU)推動的零排放(zero emissions)與行政院環保署推動零廢棄(zero waste)的 概念內涵相雷同，皆是仿效生態系統的物質循環，使廢棄物都能成為可再利用的原 料。 行政院科技部也看到這股國際上的研究趨勢，自101年度生物處生物科學學門除 了有「生物生化及分子生物」 、 「動物」及「植物」等三個學科外，再增加一新學科 「仿生學」(學門代碼B2010I0)。認為仿生學的研究成果不僅具學術價值，更可廣 為應用於醫學、農學、工程以及環境保護上(科技部，2011)。2014年臺灣經濟研究 院生物科技產業研究中心、中研院與工研院，國家智庫與最高研究中心，舉辦「2014 國際仿生科技應用論壇」。會中「國際仿生科技論壇」啟動了「臺灣仿生科技與五 生產業發展協會」籌備處，臺灣成為全球仿生協會的聯盟分會，未來臺灣分會將是 面對世界仿生科技的窗口與平台。 特別的是，由國人楊浩、楊洵(2014)自行研發的仿生農法，將人類心血管系統 的概念，類比到溫室蔬菜農場的地下灌溉設備。如同心臟加壓血液經由血管運輸氧 氣和養份到目標細胞，幫浦打出營養液，經由地下管線滲透到植物根部。這樣一來 可以減少地上灌溉法的水份流失，也能避免滴灌系統常面臨的阻塞問題，國人自行 15.
(17) 研發的仿生農法，具有實質經濟效益與仿生學的教育意義。. 二、 學習仿生學與環境教育的關係. 然而仿生學與環境教育的關係為何呢? 如果培養大學生從大自然的智慧中找尋 解決方案，並以仿生概念為設計原則，發展出解決方案解決上述各種不同環境問題， 是環境教育重要的核心能力的話，那麼，對環境工程的大學生而言，學習的第一步 就是必須練習採取仿生學視野。因為環境工程、環境教育乃至於仿生學共同的本質， 乃是學習如何解決環境問題並朝向永續發展。 在仿生學的跨學科領域，Benyus成立的仿生學3.8研究所，主要提供K-12、大學 和非正規教育的教育需求。不同的課程皆有介紹仿生學的基本原理、生命的規則， 讓實際參與這個課程的學習者，學習本地的植物、動物和生態系統，同時探索潮汐 海灣、河流、森林和等。等到這些學習者(教師身份)回家後，試圖將仿生學教育融 入 自 己 的 課 程 和 方 案 ， 而 其 配 套 資 源 工 具 包 也 可 供 參 與 者 使 用 (biomimicry institute,2012)。 此外，Biomimicry Institute(2012)致力於推廣仿生學教育、舉辦全球競賽、經營 仿生數位平台為主要業務。其所舉辦全球聯盟學校的仿生設計競賽 (Biomimicry Global Design Challenge)，乃是希望學生藉由學習模仿大自然的智慧，為不同年度 的環境主題，提出創新解決方法，並聯結社會資源來輔導優選團隊，共同開發成為 產業發展應用。2011-2012年競賽主題為能源效率(Energy Efficiency)、2012-2013年 主題為水資源運用與管理(Water Wise)、2013-2014年競賽主題為未來的移動力:對生 命友善的交通運輸(Forward Motion: Life-Friendly Transportation)、2015-2017年競賽 主題為食物供應體系：糧食安全、食品安全 (Food Systems)等。參賽團隊需從中鎖 定一個環節的問題，並從大自然找靈感提出解決方法。 此外，在國內外的高等教育機構，例如：英國巴斯大學(University of Bath)與瑞 丁 大 學 (University of Reading) 大 學 特 別 成 立 了 仿 生 研 究 中 心 (The Centre for Biomimetics)從事仿生設計產品之開發與研究，並於該系網站展出許多研究成果。 16.
(18) 史丹佛大學( Stanford )、麻省理工學院(MIT)、哈佛大學(Harvard)、佛羅里達州立大 學(Florida)、波士頓大學(Boston)等名校，也都在機械、材料、物理、生物甚至電腦 系裡專門開設了「仿生學」課程，其網站亦提供豐富的仿生學案例。鄰近中國的吉 林大學有通識課程、廈門大學有生物仿生研究院、西安交通大學有仿生工程與生物 力學中心等。臺灣的清華大學通識教育中心開設通識課程、中興大學物理系有生物 物理課程、東海大學景觀系有仿生理論課程、交通大學有智慧型仿生系統研究中心。 成功大學也有教授特別開設仿生部落格，極力推動仿生學的研究與知識傳播。 Staples(2005)以文獻分析法回顧仿生學的歷史，及仿生學在高中環境科學課程 的需求。他認為這一股新興的仿生學，透過仿生學引導高中學生謙卑的(himulty)向 大自然學習，其應用潛力能帶給高中學生希望感(hope)。此外仿生學提供跨領域合 作的科學解決方案，可以提升環境教育所談及之經濟、環境、社會之目標，甚至是 人文精神上的提升。仿生學在環境工程的應用，乃是鼓勵學生透過創造力(creativity)， 提出解決方案和朝向更永續的未來生活。最後他也研究建議教學者需要給學生適切 的：(1)優質示例(cases)、以及(2)提供可使用的課程資源(resources)能達到更好的教 學效果。由此可知，以案例(case)形式呈現具體經驗，對於學習者本身的意義非常 重大，案例可作為一種鷹架(scaffolding)，適當地將仿生學案例在環境科學課程中 探討，應具有良好的問題解決的啟發作用。 在既有解決方案中探索仿生學案例，是一種合理且可行的方法。因此仿生學案 例對環境工程而言，是提供不同思考方向的解決方案。對環境教育而言，乃是透過 仿生學案例讓大學生可以更深刻地理解和把握環境科學知識，提高學生學習環境科 學的興趣。另一方面，仿生學原理和其中蘊涵的智慧，可以啟發學生的創意思維， 激發學生的創造力，培養學生的實踐意識和實踐能力，朝向永續生活的未來。. 17.
(19) 第二節 研究動機、目的與研究問題 一、 研究動機 （一） 促進學生探索仿生案例的理由之一：提供不同視野的解決方案 環境知識不斷地更新，各式各樣的環境問題層出不窮，今天我們面對的環境問 題乃至於氣候變遷問題之複雜度，已遠超過以往各個時代，未來的情況將會更嚴重。 環境工程的解決方案主要是提供環境污染調查，以及物理、化學、生物等防制或整 治技術服務。但是，為了解決這些紛至沓來的各種新問題，能否有一個嶄新的解決 思維可供選擇? 仿生學應用於環境教育之教學實務已有一些案例分享，Companion, Laurie& Shaw(2002)在小學的自然生態課程中探索仿生學，諸如：將水質淨化、室內氣候調 節、修復污染的水體的生態設計等在家庭與學校中的應用。他們認為家庭與學校是 活的實驗室，也讓小學生討論生態系統概念，例如生態系統的動態平衡和調節。然 後老師再用引導的方式，帶入仿生學的概念，例如：如何學習大自然的方式來淨水? 例如自然濕地淨化水，由於濕地中的植物、蝸牛、魚、細菌和水生微生物的共同運 作，對飼料營養物質的污水轉化成比較乾淨的排放水，然後回收再利用成為非飲用 的沖廁之用。又如：如何學習森林吸附室內空氣中的污染物，以取代我們的低效能 的加熱和通風系統?例如植生呼吸牆(breathing walls)是由水、岩石、青蛙、魚類、 昆蟲和植物巧妙的設計成為生物過濾器來吸收室內空氣污染物、清除空氣中的毒素， 能夠解決病大樓症候群(sick building syndrome)。 Schroeter(2010)將仿生學的案例融入小學高年級環境科學課本的上下文中，向 學生介紹各種各樣的物理、化學與生物學原理。然後也讓學生動手做、討論和設計 主題。首先，學生必須探究的三個基本主題：自然界中塑造生物體的特點是什麼？ 如何透過仿生學讓我們日常生活中的選擇能更加永續，幫助我們人類的永續生存在 地球上？接下來教師引導學生利用仿生學解決日常生活中缺水的問題。例如：「如 何從大自然收集水？」 然後引導學生提出「把水收集和保留下來有那些例子?」接 18.
(20) 下來引導學生探索「有那些生物能夠取得、儲存或分配水的功能?」從這樣的思考 中來尋找「這些生物是如何收集水和儲存水的想法?」 ，讓學生用自己的觀察結合這 些想法設計一個戶外的集水裝置。. （二） 促進學生探索仿生案例的理由：仿生科技的背後是人文關懷 環境倫理學家DesJardins曾論述環境科學和環境倫理學之間的關係：「沒有倫理 的科學是盲目的，而沒有科學的倫理是空洞的」(DesJardins,1993)。對科學內容的 了解，可以為倫理規範提供更有力的基礎。例如，對生態學的了解，可以知道為什 麼不能「砍伐熱帶雨林」，以及鼓勵「永續農業」的原因。對科學內容的了解，可 以使我們知道實際問題的核心，以及倫理問題的複雜程度，但是僅靠原本簡單的道 德規範仍然不足以解決問題。因此，科學的發展和應用，需要環境倫理價值觀做為 指引，而抽象的倫理概念，也需要特定的科學內容，才能提供具體的倫理規範。 環境工程學之父包立許(Henry Ingersoll Bowditeh,1808-1892)曾經說過： 「人類文 明的進步，必須負起所從事的任何活動，必須與倫理、智慧連在一起，缺乏智慧的 活動是盲目的，缺乏倫理的活動傷害到別人也不知。有許多的傷害是間接的，先破 壞了自然環境，再藉由環境傷害人，衛生署成立的目的，就是減少這傷害……當人 口在增加，工業在發展，人的生命與健康將逐漸被忽略，直到造成大量的危害，才 被重視，這又將導致健康與工業之間的衝突與對抗。我們的責任是在健康的重要被 忽略時，提出警告，防止末後衝突的悲劇，並且營造健康與工業同得兼顧的體制。」 (引自張文亮，2013)「環境保護的理念需要與工程相結合。優秀的工程是讓好的部 分盡量極大化，讓不好的部分盡量極小化。優秀工程的背後是對生態保護有顆柔軟 的心，以及對環境災害有敏感的情。」(引自張文亮，2013)。 中庸也說： 「唯天下至誠，為能盡其性；能盡其性，則能盡人之性；能盡人之性， 則能盡物之性；能盡物之性，則可以贊天地之化育；可以贊天地之化育，則可以與 天地參矣。」除了讓學生學習新興的仿生知識與技能之外，更要達到科學與人文領 域的整合，亦即仿生學的真諦不會僅限於模仿生物或者是自然界的設計和效能，不 19.
(21) 僅強調學習仿生學的知識與技能，也企圖讓大學生在學習中的反思(reflection in/on action or practice)，讓環境工程、仿生學、物種與生態系價值融合成為一體的養成 教育。 二、 研究目的 無論是環境工程、環境教育乃至於仿生學等相關課程目的，不僅僅在教導大學 生學習解決環境問題的知識和技能，更重要的是能夠將這些知識技能運用到真實的 生活情境裡。本研究期望將數種受大自然啟發的仿生新技術，整合到以家庭或學校 為空間尺度的建築空間中，讓大學生試圖用仿生學來解決家裡或學校的環境問題。 因為家庭與學校是大學生學習生活體驗的場所，家庭和學校的室內外空間建築更可 以是落實健康和永續發展的實驗室。透過學習熟悉這些仿生學的創新發明案例與方 法，用來解決空氣、光線、水、能源、糧食等環境問題。 再者，研究者本身從技職求學再回到技職教學，最深刻的體會就想要極力扭轉 大學生學會技術之際，要考量運用科技的優點來關懷人群、關懷社會、關懷大自然。 這才是身為「環境人」有意義且有價值的作為。期望學生在學習仿生科技之同時， 也能培養尊重生命、關懷生命的態度。故將人文關懷的理念融入教學活動之中，藉 以觀察大學生在情意態度「尊重生命」 、 「關懷生命」 、 「謙卑的向大自然學習」的內 涵。故本研究具體研究目的如下： (一) 分析接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「自然觀察智能」之差 異，以及產生差異的原因。 (二) 分析接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「類比聯想能力」之差 異，以及產生差異的原因。 (三) 分析接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「仿生設計能力」之差 異，以及產生差異的原因。 (四) 分析接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「對物種與生態系統價 值偏向」之差異，以在情意態度「尊重生命」、「關懷生命」、「謙卑的 20.
(22) 向大自然學習」的反思內涵。. 三、 研究問題 (一)接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「自然觀察智能」是否有差異? 產生差異的原因為何? (二)接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「類比聯想能力」是否有差異? 產生差異的原因為何? (三)接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「仿生設計能力」是否有差異? 產生差異的原因為何?。 (四)接受仿生案例教學的大學生，在教學前後「對物種與生態系統價值偏向」 是否有差異?在情意態度「尊重生命」、「關懷生命」、「謙卑的向大自然 學習」的反思內涵為何?。. 21.
(23) 第三節 名詞解釋與研究範圍界定 一、 名詞解釋 (一) 仿生學(biomimicry) 所 謂 仿 生 學 ( 或 稱 biomimicry,biomimetics,bioinspiration,biologically inspired design)乃是人類利用大自然所啟發的最佳靈感來創新技術或設計產品。本研究所指 之仿生學乃是依循Benyus(2003)對仿生學或生物模擬(biomimicry)的定義。仿生學旨 在發掘大自然的運作機制，通常仿生學可分為模仿生物(biological)特性或是學習生 態系(ecosystem)的運作，皆以生態環境永續為出發點，並發明出兼具經濟發展價值 的產品設計，以解決人類在各層面與各領域的問題。仿生學採用的做法，並不是直 接或間接使用生物資源(不同於生物科技與遺傳基因工程等科技)。人類藉由模擬生 物的形態、色彩、構造、生物機制，或是大自然運作的原理來解決生活所遇到的問 題或是預防未來的問題。 (二) 仿生案例教學(case-based biomimicry teaching) 本研究所指之仿生案例教學，分為教材與設計教學二部分，並具依此進行為期9 週18個小時之教學。案例教材(material)部分，其主要來源為Biomimicry3.8、ZERI、 UNEP、IUCN倡導的大自然最佳100倡議(Gunter Pauli,2010)，研究者分別從100案例 中挑選出對環境教育極具創意、意義與啟發性的仿生學案例作為教材。仿生設計教 學 (biomimicry design activity)部分，不僅著重於個案的探討(case studies)，也兼重 設 計 活 動 (design activity) 。 依 循 Biomimicry Institute(2012).biomimicry design approaches：a guide for k-12 teachers 以 設 計 為 導 向 的 學 習 (design-based learning activity)為主軸，仿生案例教學共分為二階段12個教學步驟如下： 第一階段仿生案例探討之步驟：(1)簡要介紹仿生案例的主題、(2)分析此種生物 與仿生產品的特徵、(3)分析此種生物與仿生產品，兩者之間的相似與不相似之處、 (4)分析生物的生存適應的特色，最主要的原理或是機制、(5)此生物之特色是應用 來解決環境領域中的特定問題、(6)師法生物的仿生案例，給你的感覺、啟發與新 22.
(24) 點子。 第二階段仿生設計活動之步驟：(1)聚焦想要解決那一種環境領域中的問題、(2) 選擇能夠解決此問題的可能某個生物物種，及其生存適應的特色、(3)分析此生物 適應特色的機制與原理、(4)依此類比聯想這些原理與機制，可以設計製作出什麼 樣的仿生產品、(5)畫出產品改良或創新的設計草圖圖、(6)學習仿生學之後的價值 反思、(7)學習歷程總回顧。. (三) 仿生設計能力(biomimicry thinking and design) 本研究所指之仿生設計能力共有自然觀察智能、類比聯想能力、仿生設計能力， 分別由受試者前後測、延宕測自評。本研究主要探討大學生之三個研究變項如下： 1. 自然觀察智能(naturalist intelligence)：自然觀察智能指一個人能夠對所處 環境中的各種植物和動物進行辨認和分類。亦能夠認識到其它物種或相類 似物種的存在，還能夠把幾個物種之間的關系列出來的能力(Gardner,1998)。 學生在liket4點量表上圈出得分，量表之得分愈高者表示受試者自己的自然 觀察智能愈佳。 2. 類比聯想能力(analogy thinking)：又可稱為類比推理、類推聯想等，定義 為學生能運用類比(analogy)在不同領域中觀察到彼此的相似性(similarity)， 進而發現解決問題的線索。亦即在兩個可能無關的概念中，發現其結構的 相似性，進而將其應用於問題的解決(problem solving)的能力。本研究採用 依據Treagust(2002,2005)設計成「兩階層紙筆測驗」工具，有標準答案與理 由，學生於兩者得分愈高代表類比聯想能力愈佳。 3. 仿生設計能力(biomimicry design)：定義為學生自己覺得能夠經由觀察歸 納找出自然界中對應於所欲解決問題之生物原型，了解生物是如何解決同 一問題，然後分析其背後隱藏的生物原理，之後即可將生物原理運用於工 程技術領域之中以解決問題的能力。學生在liket4點量表上圈出得分，量表 之得分愈高者表示受試者自己覺得仿生設計能力愈佳。 23.
(25) (四) 保護生物多樣性的價值偏向(value of biodiversity)與情意態度(affective attitudes) 本研究所指之保護生物多樣性的價值偏向分別從效用價值(人類中心倫 理)至內在價值(生命、生態中心倫理)。情意態度則包括尊敬與關懷生命、 謙卑的向大自然學習等三個情意態度： 1. 保護生物多樣性的價值偏向(value of biodiversity)：生物與生態系是人 類賴以生存的基礎，保護生物多樣性的價值內涵包括：(1)維生、健康、 經濟與娛樂價值、(2)心靈美學與文化價值、(3)自然生態與教育價值、 (4)生物與生態系固有的內在價值。由受試者前後測、延宕測自評，經 由答案與理由之得分，能得知學生對目標物種或是生態系的價值偏 向。 2. 情意態度(affective attitudes)：尊重生命(respect for life)的本質是敬畏 和重視生命(鍾聖校，2000)。所有生命都是相互依存的，每一種生命形 式，無論生物對人類的價值如何，都有其自身內在價值。因此人類應 不傷害、不騷擾、不誘捕生物或生態系，若因人類活動而遭受傷害而 給予補償(DesJardins,1993)。關懷生命(care for life)的本質是一種行動， 而且這個行動是要看被愛的對象有所成長(鍾聖校，2000)。包括關懷自 己、關懷親密與周遭熟識的、關懷熟悉與遠方的人、關懷動植物與自 然環境、關懷人為環境、關懷理念等(教育部，2008；方志華，2004)。 謙卑的向大自然學習(humility, modest)的本質人類是生態系的學生必 須遵循自然規律而生活。大自然具有教導的意義，我們經常從無言的 大自然中學到教訓並獲得生活中的教誨。與大自然的對話，使我們不 驕矜自滿、自傲自大，教導我們知足之道，如果我們生活的很好，就 是掌握住某種自然的規律與節奏(Roston,1988)。. 24.
(26) 二、 研究範圍與限制 (一) 非隨機分派選取樣本 準實驗研究法(Quasi-Experimental Research Designs) 其意義是指在從事教育 研究時，無法隨心所欲的在實驗情境中採取隨機抽樣方法，分派至受試者並控制實 驗情境，例如在現實教育情境中，礙於選課行政上的理由，無法打破班級界線，研 究者無法採用隨機化原則，此時所使用之實驗設計即稱為準實驗研究法(王文科， 2001)。優點是研究者能在自然的情境中進行。限制是研究結果對因果關係之推論 較弱，有賴較長時間系列之推論。但是，採用準實驗研究法可以設計一些控制辦法， 儘量減除潛在性危及研究效度之因素。更重要的是，研究者須明確知道在研究中所 不能控制的因素，並小心考慮這些因素對實驗效果之影響的可能性。如果影響可能 性小，其實驗效果就愈正確，否則就愈不正確。本研究由於在大學的選課情境難以 隨機分派研究對象，故採取準實驗設計中之不等組前測-後測設計(nonequivalent pretest-posttest design)，亦即兩組受試者並非經由隨機方式來分配(王文科，2001)。 為了減少上述偏誤，本研究兩組實驗組與一組控制組的大學生，均選自環境工程系， 並以前測分數為共變量進行共變數分析，以降低選樣偏差的影響，但是非隨機分派 所造成的偏誤可能仍是本研究的限制。此外本研究採準實驗研究設計，研究結果只 能推論與研究樣本類似群體的大學生。 (二) 實驗者效應的影響 在本研究中，研究者也是教學者，而研究對象為自己班上的大學生，很有可能 研究對象察覺研究者的目的，而刻意在受訪時回答符合其目的的回應，因而有意或 無意地造成實驗結果的偏差。或是可能因研究者本身的人格特質、教學風格、對學 生的期望等因素，對受試者形成一種暗示，可能在實驗研究中顯現出來，而影響實 驗研究的結果，此乃皆屬實驗者效應。為了減少實驗者效應的影響(experimenter effect)(王文科，2001)，研究者對於書面作業不限制型式、字數與內容，使研究對 象能以自己的語言和想法自由地回答。此外，除了量化的類比聯想能力(兩階層紙 筆測驗)評量外，本研究採用的教學評量包括質性的實作評量，除了教學者評量之 25.
(27) 外，另將實作歷程的成績交由第三審閱者評分。上述之質性的反思問卷，問卷採不 計名方式填寫，但必須填寫學號，以便前後測、延宕測之配對。研究者將先說明本 研究的目的，並保證質性資料一定匿名，僅供學術研究之用，以減少實驗者效應的 影響。 (三) 質性資料輔助量化資料、學生學習成果篇幅的取捨 探索學生的學習成效，不但影響成效的因素複雜，而且往往是有其脈絡。量 化研究固然能在短時間內快速取得大量資料，同時可以利用這些資料，對學生學習 的現象進行推估，是非常便利且有效的研究方法。但其缺點是量化研究常只呈現顯 著的結果而省略探索歷程的描述，無法涉及整個歷程與脈絡，以及較無法全面性且 深入的探索。不過，雖然量化的方法有其局限，質化研究可以提供許多量化研究所 不能提供的訊息，可以補足量化研究的不足。例如：當研究者所提的研究問題為在 實驗教學前後，大學生在類比聯想能力是否有差異?結果會發現教學實驗顯著或不 顯著。但是如果研究者接著問那麼這些改變的原因為何?量化研究的結果就無法深 入的解釋了。因此，每個研究途徑有其潛在弱點，為了解決研究問題，採用混合研 究方法(mixed methods)，先分析量化資料，知道主要的結果後，再從質性資料分析 中尋找可對應或背景資訊，使解釋更完整。討論結果時，可以量化發現為主軸，再 輔以質性資料發現。採用混合研究方法，有助於對豐富而生動的學生學習歷程與成 果，進行更為細緻的觀察與理解。即使是冷冰冰的準實驗設計，若能逐漸深入抽絲 剝繭地探索，並且以故事性的風格來撰寫結果，相信「意義」同樣可以湧現。 為了了解實驗組在接受仿生案例教學過程中能力提升的情況，將學生的作品 有系統的收集，並且經過三位審閱者評分。研究者整理與反思這些學生實作作品後， 由於本論文之篇幅有限，學生學習成果篇幅必須取捨，故選擇學生主導之仿生案例 探討報告(實作歷程A，二位代表性的作品)、學生主導之仿生產品草圖設計報告(實 作歷程B，二位代表性的作品)加以分析。這四份代表性作品展現出學生的努力與進 步，還包含了學生自我反思的證據。. 26.
(28) 第二章. 文獻探討. 環境教育包括「關懷環境的教育」 、 「在環境中的教育」和「為了環境中的教育」。 關於環境的教育是協助學生理解週遭的環境，在環境中的教育是培養學生技能以及 鼓勵參與。為了環境的教育則是養成學生對環境負責任的態度和行為。承上第一章 緒論，本文以學習仿生學的四個步驟(靜音、傾聽、共鳴、管家)為主軸開展而來， 並連結環境教育目標內涵。從環境教育來看四個仿生學的學習步驟，核心重點乃是： 欣賞生物生存本能與生態系的運作、自然觀察某些特定的物種與生態系、類比聯想 與仿生設計以解決問題、思辨保護生物多樣性的價值偏向。 獵人、漁夫、農夫、園丁、廚師等，他們無時無刻地運用自然觀察智能。而在 科學訓練的領域中，各類的研究都需要用到自然觀察智能進行觀察、區辨與分類， 但充分運用自然觀察智能的，要算是自然環保學家、遺傳生物學者，例如：達爾文、 瑞秋‧卡爾森(R. Carson)、威爾森。他們運用自然觀察智能，透過長時間的觀察， 發展出各種理論，讓人類對於各種生物有進一步的認識。不過，人類的智能不僅僅 停留在觀察和認識生物上，人類還能發揮獨有的類比思維和設計能力，透過反覆的 觀察、模仿和實踐，模仿生物構造和功能的發明與嘗試，可以認為是人類仿生學的 先驅，也是仿生學的萌芽。 類比是人們學習與思考的重要心理機制，Glyyn，Britton＆Duit(1991)認為不管 是在生活上或是學習上，類比幫助人們站在舊有的基礎上推導至未知的領域。藉由 合適的類比物的引導，可以幫助學習者對新(未知)的概念有種相似性的感覺，再經 由類比的思考機制，使學習者快速地對新概念從陌生到熟悉、化抽象為具體，進而 達成有意義的學習，這正是使用類比聯想思考的功能。模仿生物或是模仿生態系的 仿生學，皆根基於類比聯想原理。 仿生學的概念，簡言之有二大取向，一是模仿生物的生存本事，二是仿效生態 系的運作。這兩個取向與「生物學」 、 「生態學」所包涵概念知識有關。仿生學簡言 之就是「模仿生物或生態系的科學」。從對仿生學的認識和瞭解可以看出，生物的 27.
(29) 生括習性、形態結構、生理功能、分類、遺傳、變異、進化和生態等，皆是仿生學 模仿的對象。例如：在晝夜溫差很大的環境中，白蟻巨大窩巢中有複雜的通道，讓 熱空氣從蟻窩頂端排出，讓冷空氣從地下引入。而使窩巢中的溫度維持恆定，有利 栽植真菌以作為食物。這樣的仿生概念激發建築師的靈感，在辛巴威蓋出完全無須 空調又能節能的購物大樓。 由於本研究所提出之仿生案例教學，乃是讓學生經驗過自然觀察智能、仿生案 例探討、仿生設計教學、判斷保護生物多樣性的價值。故第二章之文獻探討亦從此 處著手進行探討，以下分別探討仿生學的概念與案例、思考與設計步驟，以及相關 教學研究，最後提出本研究的概念架構。. 28.
(30) 第一節 仿生學的概念與案例 一、 仿生學的概念 仿生學始於1960年代。1958年在俄亥俄州召開了有史以來第一屆仿生討論會， 空軍軍官Jack E. Steele少校首創仿生學(bionics)一詞，bionics專指工程上的仿生，特 別是仿生機械。專門研究模仿生物系統的方式、或是以具有生物系統特徵的方式、 或是類似於生物系統方式工作的系統科學(李淑貞，2003；林沛群，2009)。仿生學 的研究內容隨著現代科學技術的發展而不斷得到豐富和發展，在電子仿生、機械仿 生、建築仿生、信息仿生等方面都取得了很大的成果。1991年由空軍科學研究處在 提出仿生學(biomimetics)，其目的是尋求生物學為材料設計和處理提供幫助， biomimetics漸漸就取代原本bionics的意涵，泛指所有「功能」上的仿生。從bionics 到biomimetics是對仿生學的進一步深入探究，包括材料科學、生物力學、工程學、 分子生物學、生物化學、物理學等其仿生學科，其研究內容相當豐富。但不論是 bionics或是biomimetics一詞，在當代都無任何「環境保護或保護生物多樣性」意涵 (張雨青譯，2013；陳玉娥譯，2014)。 而Biomimicry一詞出現較晚，是由仿生學家兼科技報導作家Benyus所提出。 1997年Benyus於《人類的出路：探尋生物模擬的奧妙》( Biomimicry：Innovation inspired by Nature)一書中，她明確指出「環境保護與永續發展」的概念應該要成為 任何形式「仿生學」的基本先決條件。應用生態標準來判斷人類創新的合理性，更 強調人類不只是從自然世界索取什麼，而是應向自然學習什麼。在此之後， biomimicry一詞即有著綠色科技(green technology)的意含存在。也是因為如此， biomimicry獲得現代大眾的共鳴，才使得仿生學愈來愈獲得科學與科技界的重視(張 雨青譯，2013；陳玉娥譯，2014；Biomimicry Institute,2012)。 動物或植物保護自己的方法，包括：(1)形態上發展與背景環境相似，形成保 護色或是偽裝，可避免被天敵發現。有些動物的體色鮮豔且明顯形成警戒色，甚至 有些動物的形態和體色擬態(mimicry)皆與某種生物相似，可恫嚇天敵而不被捕食。 29.
(31) (2)生理上發展出尖刺突起、皮毛、種子、硬殼，或是釋放有毒物質。(3)行為上發 展出躲藏(hide)。在相同環境下，有的個人在相互競爭中體能很強就生存下來了， 有的則採取偽裝、擬態或共生以適應當時的環境、繁殖更多的後代，動物的體能和 智能就會遺傳下去，在種群中取得優勢(Campbell,2005)。 仿生學的主要概念是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的特殊本領包括形 態、顏色、功能、結構、行為對自然界存在的生物與生態系進行模仿，諸如：(1) 生物的形態特徵(遺傳的性狀、內部構造、外表色彩、外殼肌理形態結構)，(2)行為 模式(生物機制、攻擊方式、社會組織、群體生活)，(3)生命週期(成長過程、變態 過程、冬眠方式)等進行研究與創新。(4)生態系統中透過食物鏈傳遞的能量流動(食 物金字塔)與物質循環(碳氮磷硫循環、水循環)(張雨青譯，2013；陳玉娥譯，2014)。 模仿生物的取徑如(圖2-1)所示，例如：「外表形態取向的模仿」主要是對生物 的外部形態特徵進行分析，然後將這些含有特殊意義的造型應用到其仿生學改造的 活動之中。「顏色取向模仿」主要是動物或植物身上的顏色是不斷適應自然惡劣環 境演化而來的。「結構與功能取向模仿」主要是從生物某行為、動作等所產生的功 能進行模仿。 「生物運動取向模仿」提供了人類於動力推進領域不同的想法。 「群體 行為取向模仿」昆蟲會在移動過程中留下費洛蒙(pheromone)的濃度高低來判斷路 徑的長短，以此方式找出最佳的路徑(丑宛茹，2013；房瓚、蘇嘉弘、蔡偉博，2005)。. 圖 2-1 仿生學模仿的取徑 資料來源：本研究整理. 30.
(32) 二、 仿生學的案例 仿生學模仿對象例如：鷹眼、芒刺、鷗翼、蜂窩、昆蟲複眼、吸盤機制、蓮花 效應、蜘蛛絲柔韌性、蛋白質纖維、松果鱗片構造、蝙蝠回聲定位等(張雨青譯， 2013；陳玉娥譯，2014)。Biomimicry Institute(2012)在其網站提到許多仿生學案例 並將其分門別類，包括：農業(agriculture)、建築(architecture)、氣候變遷(climate change)、能源(energy)、能源效率(energy efficiency)、人類安全(human safety)、工 業設計(industrial design)、醫藥(medicine)、天然清潔(natural cleaning)、交通運輸 (transportation)等類別。 這些有趣的仿生實例，如(圖2-2、圖2-3、圖2-4)所示。包括：模仿翠鳥流線型 的鳥喙，讓日本工程人員們有效地降低新幹線列車高速行駛於狹窄車道時的噪音問 題。模仿白蟻蟻穴藉自然氣流有效調節溫度的概念，為低耗能綠建築帶來了新的革 命。模仿蓮花出淤泥而不染，歸功於其蓮葉表面奈米級的疏水性含蠟絨毛，替自潔 防汙的建築外牆、汽車烤漆或消費性電子產品捎來商機，以減少水資源的使用而能 自我潔淨。探究樹葉的排列方式，利用最少的材料來改良大劇院的構造，也能達到 堅實的結構。模仿超級強韌的蜘蛛絲，織出防彈背心或是高強度繩索與醫用縫線。 探索藻類的光合作用，發明天然的葉綠素電池…等等(Peter Forbes,2013)。自20世紀 1960年代起，隨著仿生學的建立，仿生設計進入了新的階段，由此也掀開仿生發明 的新篇章。 Zari(2010)更認為仿生學是減緩氣候變遷或適應氣候變化影響的一種手段。他 將不同的仿生設計進行了討論和分類，以及用一系列例子來說明每種方法的優點和 缺點。徹底了解生物學、生態學、建築設計的結合，創造有助於人類社會的健康的 建築環境，同時增加正常的大自然碳循環運作。因此，仿生學在因應氣候變化最能 於建築環境中體現，如(表2-1)所示。 例如：建築環境模擬生態系統過程(ecosystem process)以減少能資源的使用、減 少溫室氣體排放、減少生態系統的干擾。這些策略包括：主動和被動式太陽能設計， 可再生能源發電，工業生態學、從搖籃到搖籃的設計、樸門永續農業、生態設計， 31.
(33) 綠色化學、生命週期分析、碳中和策略、自願行為改變技術、分佈式能源發電等。 又如：建築環境模擬生態系統功能(ecosystem functions)以減少溫室氣體的排放、 減少廢物產生和減少生態系統的干擾、增加與維持生物多樣性、增加生態系統彈性， 讓人類能更能夠適應氣候變遷。這些策略包括：屋頂綠化、垂直農場、分解、回收 和再利用設計，可再生能源發電、主動式太陽能設計、雨水收集、灰色/黑色水回 收利用、在建築結構中的碳儲存、城市森林、高承載高透水的多孔鋪路面(海綿城 市)(柳中明，2012)、植物修復和生物修復與過濾技術，堆肥技術，從搖籃到搖籃的 設計，回收與再利用技術、野生動物走廊與綠帶、城市永續農業等。 Benyus歸納自然界有以下的特質以作為設計的基礎(Benyus,2003)：(1)大自然的 運轉有賴太陽能、(2)大自然只取所需的能源，不會浪費能源與物質、(3)大自然以 形式成就功能、(4)大自然的循環生生不息、(5)大自然讓生物之間相互合作能得到 利益、(6)大自然範圍內的生命是多樣性的且有助於生存、(7)大自然範圍內的各種 生物都各司其職、(8)大自然會自動抑制過度發展、(9)大自然擁有栓住極限的力量。 Benyus更指出生命過程的特徵是仿生設計的基礎，他更具體的歸納出來的大自 然造物的12條特徵包括(Benyus,2003)：(1)自我組裝：許多生物的結構與材質，大自 然中的各種生物是在常溫常壓下自然組裝上去。(2)植物用二氧化碳作為原料：植 物利用二氧化碳行光合作用製造養分。(3)太陽能轉換：細菌可利用太陽的能量。(4) 完美體形：生物長時間不斷的進化，所產出來適應特定環境的形狀。(5)從空氣中 取水：某些昆蟲可以直接從霧氣中抓取水。(6)無需鑽井的採礦：微生物可以從水 中直接提煉金屬。(7)綠色化學：蜘蛛強韌的絲，是生物體內的化學成分所產生。(8) 定時的自分解：生物產生的絲線與材質可以在一定時間後自動分解。(9)自我痊癒： 在乾燥的狀態中保持良好狀態，應用於不需冷藏的疫苗。(10)敏捷過人的感官與反 應：1平方公里約有8000萬隻蝗蟲，可是都不會相撞。(11)生生不息：在利用地球 時同時提高地球的生產力。(12)創造適宜自身繁衍的環境：生物為自己創造適合生 存的環境。這些永續原則成為仿生設計的指導原則。如果我們的工業和人工自然環 32.
(34) 境按照這些原則來設計，就能為地球上的生命共同體進行高效率與高效能的生產。 因此，如要以仿生途徑當作解決方案來面對在地或全球環境問題，那麼仿生科技並 不全然為了經濟發展，而是從經濟成長為主轉移到一個基於永續發展的思維 (Benyus,2003)。. 圖 2-2 翠鳥流線型的鳥喙與日本新幹線列車車頭 圖片來源：Biomimicry Institute 仿生學案例 http：//biomimicry.net/about/biomimicry/case-examples/. 圖 2-3 蓮葉表面奈米現象與防污的奈米塗料 圖片來源：Biomimicry Institute仿生學案例http：//biomimicry.net/about/biomimicry/case-examples/. 33.
(35) 圖 2-4 二級食物鏈與工業生態學 圖片來源：劉國忠(2010)。產業生態鏈趨勢與實務。中工高雄會刊，18(2)，10-24。. 表 2-1 仿生學案例整理表 模仿對象. 生物. 學習內涵. 應用領域. 效果. 翠鳥鳥喙. 降低阻力. 動力. 降低能源消耗. 箱魚. 降低阻力. 動力. 降低能源消耗. 鯊魚表皮. 降低阻力. 動力. 速度提升. 海豚皮膚. 降低阻力. 動力. 速度提升. 鮪魚. 降低阻力. 動力. 速度提升. 蜘蛛絲. 結構組成. 材料特性. 高彈性、高韌性. 貝類珍珠層. 結構組成. 材料特性. 高韌性. 馬腿骨. 結構組成. 材料特性. 抗壓性高. 企鵝. 推進原理. 動力. 效率提升、躲避偵測. 烏賊. 推進原理. 動力. 速度提升. 蜻蜓翅痣. 減低振動. 動力. 穩定度提升. 34.
(36) 模仿對象. 學習內涵. 應用領域. 效果. 魚類尾鰭. 施力原理. 動力. 效率提升、躲避偵測. 長頸鹿. 調節原理. 動力. 壓力恆定. 蓮葉表面. 自潔作用. 表面處理. 減少水資源的使用. 壁虎腳掌. 施力原理. 粘合技術. 易裝卸、承重力高. 響尾蛇. 紅外線. 定位辨識. 夜視、溫度感測. 蝙蝠. 超音波. 定位辨識. 精確定位. 向日葵. 向光性. 建築科技. 節省能源. 蜂窩. 幾何特性. 建築科技. 強度、空間利用提升、高抗 壓性. 白蟻蟻窩 生態系統的過 程. 生態系 生態系統的功 能. 溫度調節. 建築科技. 節省能源. 能量流動與. 太陽能、再生能源發電、工. 以減少能資源的使用、減少. 物質循環的. 業生態學、生態設計，綠色. 溫室氣體排放、減少生態系. 運作過程. 化學，能整合於建築設計. 統的干擾. 生態系統自. 屋頂綠化、垂直農場、主動. 以減少能資源的使用、減少. 我調節、回. 式太陽能設計、海綿城市、 溫室氣體排放、減少生態系. 復力的功能. 雨水收集、灰色/黑水回收. 統的干擾、讓人類能更能夠. 利用、城市森林、野生動物. 適應氣候變遷. 走廊與綠帶、城市永續農 業、魚菜共生系統 資料來源：本研究整理自Biomimicry Institute(2012)仿生學案例與Zari(2010).Biomimetic design for climate change adaptation and mitigation. Architectural Science Review, 53(2), 172-183.. 三、 仿生案例作為一種學習鷹架 所謂鷹架(scaffolding)是指提供符合學生認知層次的支持、導引和協助，以幫 助學生由需要協助而逐漸能夠獨立完成某一任務，進而使其由低階的能力水準發展 到 高 階的能力水準。鷹 架觀念源自於 Vygotsky的潛在發展區 域 (the Zone of Proximal Development, 或ZPD) 概念，他認為學生的能力有實際能力和潛在能力兩 種。實際能力是指學生能夠獨力解決問題的能力水準，潛在能力是指學生在成人的 指導協助，或在與能力較佳的同儕合作下，得以解決問題之可能到達的能力水準。 每一個學生在實際能力和潛在能力之間存在有一段待發展的距離，即潛在發展區域。 如果教學能夠接近學生的潛在發展區域，則能有效的幫助學生從原有的發展水平提 35.
(37) 昇到更高的發展水平(張春興，2007)。 在本研究中，為了協助大學生習得仿生設計的能力，研究者可以在指定仿生案 例之外，引導學生去閱讀與主動探討相關的仿生案例及其原理，以幫助學生連結環 境科學與仿生學之間的橋樑。在學習過程中，選擇具代表性的案例，諸如：環境工 程朝向永續設計，選擇「仿白蟻窩之仿生建築」案例。到動物園觀察與培養仿生思 考，選擇「仿長頸鹿的抗G力衣」案例。到阿里磅觀察，選擇「蓮花自潔的奈米塗 料」、「仿螃蟹行走的水下救災機器人」等案例。仿生設計步驟，選擇「北極熊的 毛皮的人造纖維保暖衣」案例。引導這些案例主要用意是讓學生形成仿生案例的知 識與技能。教師引導學生建立本身的學習鷹架，教師則更須承擔搭起鷹架與拆除鷹 架的責任，以提升學習的成效。. 36.
(38) 第二節 學習仿生學的四個步驟與環境教育目標內涵之連結 仿生學與環境教育皆是行動導向(action-oriented)與問題解決(problem solving)的 教育。仿生學是藉由模擬大自然的原理、生物的形態、色彩、構造、生物機制，來 解決生活所遇到的問題。模仿生物特性或是學習生態系的運作，以永續為出發點， 發展出兼具經濟發展價值與環境永續的產品設計。由於永續經營的趨勢和新興企業 對奈米科技的需求，師法自然仿生學又逐漸被倚重，仿生學的經典案例不斷為我們 帶來靈感(陳楚驤，2005)。 Benyus自1997年提出學習仿生學的四個步驟(圖2-5)，乃是歸納數十年來仿生設 計經驗，並明確指出「環境保護與永續發展」的概念應該要成為任何形式「仿生學」 的基本先決條件。她極力主張透過靜音、傾聽、共鳴、管理的步驟，要求我們兼具 學生與管理員的身份，在學習大自然源源不絕的好點子之餘，也要盡到保護的責任， 如此大自然的運轉機制才能持續，以下分別詳述學習仿生學四個步驟與環境教育目 標內涵之連結(圖2-6) 欣賞與自然觀察智能、仿生類推與設計能力、保護生物多樣性等步驟，乃是由 易而難，簡單到複雜，由具體到抽象的順序，這四個步驟的內涵如下：(1)學生在 戶外安靜的靜觀，引導學生去感受大自然，感受風動聲響、氣息等。(2)接下來， 學生透過自然觀察，將生物或生態系的特色，盡量銘印在腦海中(觀察經驗的學習)。 (3)接下來，學生透過觀察、類比聯想，並從思考與設計的實作中學習。經由類比， 相似的元素被關聯起來。學生在實作或實驗的過程中，試圖解決環境問題，或是發 明了新的解決方法(實作的學習)。(4)學生在實作中產生對生物多樣性更具體、更明 確的感動和體悟。亦即對大自然的欣賞、尊重與謙虛態度的建立(反思的學習)，在 整過學習過程中，能力的習得與知識的獲得並重(能力的獲得)。. 37.
(39) 圖 2-5 Benyus 提出學習仿生學的四個步驟. 圖 2-6 學習仿生學的四個步驟與環境教育目標內涵之連結. 38.
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