國中生活科技課程製作原型教學之歷程
陳立庭
*教師
臺北市立螢橋國民中學
壹、前言
有多種思考模式可系統性地思索問題的解答，如：問題解決（
problem-solving
）、工 程設計（engineering design
）或設計思考（design thinking
）等，而製作原型（prototyping
） 為這三種思考模式皆有的步驟之一（方崇雄，1995
；引自蔡錫濤，2002
；Atman et al.,
2007; Brown, 2008; Moore, Miller, Lesh, Stohlmann, & Kim, 2013; Nussbaum, 2004;
Plattner, 2010
）。製作原型是將想法具體化，以面對現實的挑戰，蒐集真實的回饋，進而分析可行性。
1995
年方崇雄提出問題解決的步驟，部分步驟為：發展設計工作、原型製作、測試與評 量（引自蔡錫濤，2002
）。工程設計的部分步驟為：產生想法、建構模型（modeling
）、 可行性分析、評估（Atman et al., 2007
）。美國史丹佛大學設計學院（Institute of design at
stanford
）的Hasso Plattner
提出設計思考五步驟，依序為：同理心、需求定義、創意動 腦、製作原型（prototype
）、實際測試（Plattner, 2010
）。整理上述，在有設計想法後， 須製作原型以便與他人溝通、確認想法，再利用原型測試，以獲得回饋資料，可依資料 的分析結果，修正設計或再設計（redesign
）。 製作原型是連貫設計思考、工程設計、問題解決的步驟之一。若學生從國中便開始 學習製作原型以測試想法或表達概念，則此種取得真實回饋、溝通互動的能力，或許能 持續運用到高中、大學或未來就業時。首先，從目前的教學實務現場來看，問題解決常 為國中生活科技的教學方式（張玉山，2008
；陳立庭，2017
）；工程設計是高中生活科 技採用的教學方式之一，亦是十二年國民基本教育建議的高中學習內容（國家教育研究 院，2018a
；簡佑宏、張玉山、簡爾君，2016
）；設計思考已是大學部分科系的課程或為DOI:10.6249/SE.201906_70(2).0018 收稿日期：2018/6/8 修訂日期：2018/12/20 接受日期：2019/3/14
基本教育課綱來看，課綱將設計思考列為科技領域的學習表現之一，冀望透過生活科技 課程培養學生設計思考的知能與素養。製作原型是設計思考的步驟之一，旨在讓人們具 體化想法以增進溝通、交流，進而實際測試以了解可行性、或能夠便宜地快速失敗 （
Nussbaum, 2004
）。此外，十二年國民基本教育規定國中的自然科學領域，每學期至少 實施一個跨科主題整合的「探究與實作」學習，且將「建立模型」歸屬在學習表現的「探 究能力」之中；建立模型是能從實驗過程、合作討論中理解較複雜的自然界模型，並能 評估不同模型的優點和限制，進能應用在後續的科學理解或生活（國家教育研究院，2018b
）。換言之，自然科學領域的建立模型，可說是使問題更加聚焦的歷程。由此看 來，「建立模型」跟「製作原型」有相仿之處，學生在不同領域的學習經驗或許可相互 協助。因此，筆者試著分享自身於國中生活科技課程教導製作原型之實務經驗及歷程。貳、實務經驗及歷程分享
過往的生活科技課程，常讓學生在學習單上繪製原型，以討論的方式測試可行性， 如：孫仲山、鄧佳茜（2006
）的刷刷車，或陳奕維（2009
）的橡皮筋木槍。為精進生活 科技課程測試可行性的方式，筆者不單讓學生利用學習單討論，且落實製作原型的方 式，讓學生得以測試想法、助於彼此溝通。筆者曾讓學生以Google Sketch Up
建構立體 物件之3D
原型，以紙張製作造型磁鐵之原型，以博物館膠與木棒製作抗震建物之原型， 現分述如下。一、以Google Sketch Up建構立體物件之3D原型
工程圖學為生活科技課程的固有單元，在十二年國民基本教育科技領域的課程綱要 中（國家教育研究院，
2018a
），列為七年級「設計與製作」的學習內容，即「生P-IV-2
設計圖的繪製」，可對應到學習表現的操作技能「設s-IV-1
能繪製可正確傳達設計理念 的平面或立體設計圖」。工程圖學可教導三視圖、展開圖等平面圖，而延伸的實作活動 可為將展開圖剪下做成立體物件。部分生活科技教師會讓學生利用展開圖製作立體物 件，筆者也曾施行此教學活動。以電腦軟體建構3D
原型能幫助學生轉換2D
的平面圖 形和3D
的立體物件之間的關係，以增進學生的空間概念。為讓學生更加理解立體物件 的概念，筆者利用Google Sketch Up
讓學生建構立體物件之3D
原型，以助於學生理解 立體物件，且測試、確認展開圖的正確性、可行性。進一步來說，若學校有3D
印表機， 也可以讓學生嘗試列印出3D
原型，以體驗創客（maker
）的理念。立體物件的相關圖片 如圖1
所示。學習單上的立體物件。 學生以 Google Sketch Up 製作 3D 原型。
學生製作的 3D 原型。 學生製作的 3D 原型與實際作品。
學生製作實際作品的過程。 實際作品。
生能將展開圖製作成立體物件；（三）學生能欣賞他人作品。評量方式包含：3D 原型、 展開圖及實作作品。製作立體物件的時間為 4 節課。筆者在教完展開圖的繪製方式後開 始製作立體物件。第 1 節課，讓學生根據學習單上的立體物件繪製展開圖，立體物件採 差異化設計，學生可依照自身能力，選擇最簡單的 A 組、中等的 B 組或最難的 C 組。 第 2、3 節課，以 Google SketchUp 建構 3D 原型，透過旋轉視角讓學生觀看 3D 原型的 不同角度，以協助學生理解立體物件。透過展開 3D 原型的過程，協助學生理解展開圖 與立體物件的關係，且確認先前繪製的展開圖是否正確可行。最後，第 4 節課，讓學生 實際製作立體物件，下課前繳交作品評分。教學活動後，筆者認為以 Google Sketch Up 建構 3D 原型能增進學生對於電腦輔助設計的能力，學生大部分都能利用 Google Sketch Up 獨立完成 3D 原型轉展開圖，進而確認展開圖的正確性、可行性。其次，透過 3D 原 型的提示效果，能改善全部學生漏畫平面的問題。
二、紙張製作造型磁鐵之原型
造型磁鐵是讓學生操作機具設備，在木板上設計造型，鑽洞放入磁鐵後，即完成。 在十二年國民基本教育科技領域的課程綱要中（國家教育研究院，2018a），可視為八年 級「設計與製作」的學習內容「生 P-IV-5 材料的選用與加工處理」，可對應到學習表現 的操作技能「設 s-IV-2 能運用基本工具進行材料處理與組裝」。此教學活動常讓學生在 學習單上繪製設計圖再轉畫在木板上，筆者的精進作法是讓學生以紙張製作原型，用美 工刀裁切紙張的過程體驗鋸切的加工量，以估算加工時間，以及利用紙張原型測試造型 的邊框放入磁鐵的可行性。再將紙張原型放在木板上描繪造型，最後將紙張原型浮貼在 學習單上作為歷程檔案的佐證資料。相關圖片如圖 2 所示。 學生製作的原型與實際作品。 學生製作的原型與實際作品。圖2 造型磁鐵之原型與實際作品（一）
學生製作的原型與實際作品。 學生製作的原型與實際作品。
圖2 造型磁鐵之原型與實際作品（二）
本活動之教學目標為（一）學生能操作基礎木工機具精確的加工；（二）學生能認 識造型磁鐵所涉及的科學原理（磁力、摩擦力）；（三）學生能欣賞他人作品。評量方式 包含學習單式的歷程檔案及實作作品。製作造型磁鐵的時間為 5 節課。第 1 節課，讓學 生欣賞過往作品後說明任務要求，再讓學生在白紙上設計作品。第 2 節課，學生跟教師 依據設計圖討論作品所需的加工時間，確認能在時限內製作完成後，將上週的設計圖剪 下，製作紙張原型進一步估算加工時間。第 3 節課，教師教導木工機具設備的操作後， 學生將紙張原型放在木板上描繪造型，隨後開始製作。第 4 節課，學生持續製作造型磁 鐵。最後，第 5 節課，學生完成造型磁鐵，時間充裕者可上色，下課前繳交作品評分。 教學活動後，筆者認為紙張原型能幫助學生具體化個人想法，讓筆者給予學生更具體的 回饋與製作建議，有助於師生溝通與互動。此外，少部分學生因為紙張原型，發現原先 設計的造型邊框不足以放入磁鐵，因而修正邊框的粗細。三、以博物館膠與木棒製作抗震建物之原型
我國國家實驗研究院國家地震工程研究中心自 2001 年起每年舉辦抗震盃，參賽隊 伍包含臺灣、印尼、南韓等（國家地震工程研究中心，2017）。抗震盃是利用木棒製作 建築模型，負重後在地震模擬平臺上測試不同震度下的效率比，競賽分組為高中組、大 專組、研究生組，雖缺少國中組，仍有部份的國中生活科技教師會自行舉辦校內的抗震 盃競賽。筆者在教導抗震盃時，於校內舉辦全年級的競賽，學生須運用科學原理、結構 工程、數學概念等，設計與製作具抗震之建物。在十二年國民基本教育科技領域的課程 綱要中（國家教育研究院，2018a），可視為九年級「科技的本質」的學習內容「生 N-IV-3 科技與科學的關係」，可對應到學習表現的統合能力「設 c-IV-1 能運用設計流程，實際 設計並製作科技產品以解決問題」。為讓學生能溝通設計理念，且快速測試設計概念進 而修正設計，乃至於再設計抗震建物，筆者讓學生利用博物館膠與木棒製作抗震建物之博物館膠與木棒。 學生製作原型的過程。
學生製作原型的過程。 學生製作原型的過程。
學生製作的原型。 學生測試所製作的原型。
實際作品與地震模擬平臺。 實際作品與地震模擬平臺。
圖3 製作抗震建物之原型與實際作品（二）
本活動之教學目標為（一）學生能知道抗震建物所涉及的科學原理；（二）學生能 知道抗震建物所涉及的結構工程知識；（三）學生能運用所學，製作出高效率比的抗震 建物；（四）學生能欣賞他人作品。評量方式包含學習單式的歷程檔案及實作作品。製 作抗震建物的時間為 8 節課。第 1 節課，讓學生認識抗震盃後，教導建築物抗震的設計 重點。第 2 節課，持續教導建築物抗震的設計重點後，說明製作與評分重點。第 3 節課， 學生自行分組，各組設計抗震模型。第 4 節課，各組製作抗震模型的原型，測試後視情 況決定是否修正設計。第 5、6 節課，各組製作抗震模型。第 7 節課，各組持續製作抗 震模型，且下課前需至少測試一次抗震的功能，以便決定是否修正。最後，第 8 節課， 班內各組抗震模型評分，相互欣賞，事後總結全校各組的效率比，表揚全校前三名的組 別，頒發獎品。教學活動後，筆者認為利用博物館膠與木棒製作抗震建物之原型能幫助 各組學生具體化想法，有助於彼此的溝通與互動。再者，各組學生會參考其他組的設計， 修改自身的抗震設計，促進各組間交流想法。最後，部分組別在製作抗震模型的原型後， 發現缺少擺放重物的空間，因而修正設計。參、省思與建議
製作原型是設計思考的步驟之一，而設計思考是十二年國教科技領域的學習表現之 一。學生學習製作原型及表現相關行為的過程，可說是達成科技領域學習表現的過程。 筆者這幾年，讓學生以不同方式學習製作原型的做法。以 Google Sketch Up 建構立體物 件之 3D 原型，能幫助學生理解 2D 的平面圖形和 3D 的立體物件之間的關係，也透過的回饋與製作建議，且協助部分學生修正設計以有足夠的空間放入磁鐵。以博物館膠與 木棒製作抗震建物之原型，能幫助各組學生具體化想法，有助於彼此的溝通與互動，甚 至協助部分組別修正設計。學生透過前述動手實作模型，再觀察模型的結果或現象，以 理解或修正設計的過程，或許也能跟自然領域的「探究與實作」相連結。筆者依據上述 三次施行製作原型的經驗，提出二點省思與建議如下。
一、製作原型能助於學生理解或師生溝通，比紙上討論更貼近真實，但需
消耗資源
筆者認為讓學生製作原型，多少會增加資源的消耗，建構 3D 原型的電力、紙張原 型的白紙，特別是抗震模型的原型，因為使用跟抗震模型相同的材料，跟過往比起來需 多訂購原先的 1.5 倍材料。製作原型會額外消耗資源，這或許是過往生活科技課程採用 紙上討論，測試可行性的原因。然而，根據筆者這幾年施行製作原型的經驗，筆者認為 這些資源的消耗，對於增進學生理解、師生溝通等方面來說，卻是有所助益。特別是在 抗震模型的原型部分，學生能取得真實回饋修正設計，在作品的完整度與效率比方面， 筆者認為比過往的作品還要好。因此，筆者認為製作原型雖然需要消耗更多資源，但較 貼近真實，能讓學生跟真實世界接軌，更貼近十二年國教生活科技課程的基本理念「做、 用、想」，讓學生得以用真實回饋，修改設計與批判所「想」。二、製作原型盡量控制在一節課內
製作原型除了需要額外的資源，也需要額外的時間，但為避免壓縮整學期後續製作 作品的時間，筆者認為可控制在一節課內。筆者在教導學生以 Google Sketch Up 建構 3D 原型時，有點擔心後續製作立體物件的時間。因此在與其他生活科技教師討論與分享此 經驗後，彼此認為可精進的作法是，控制製作原型的時間，將較多的時間留在製作實作 作品。生活科技課程多以實作為主，容易受到放假、段考、校內活動等因素停課造成各 班進度不一致，因此在時間的安排與控制上須多加注意，以避免壓縮到後續製作實作作 品的時間，也因此筆者在後續的紙張原型、抗震模型的原型，都以一節課為主。參考文獻
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）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等 學 校 科 技 領 域 。https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-15281,c1179-1.php?Lang=zh-
tw
，擷取日期2018
年12
月24
日。 國家教育研究院（2018b
）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等 學校自然科學領域。https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-15486,c1179-1.php?Lang=
zh-tw
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