第二章 課程與電腦輔助教學

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第二章 課程與電腦輔助教學

本章首先以職業學校電機科為例，探討 2008 年前後，電機電子 群課程中教學目標的差異，並以電子學實習課程為例，具體呈現其不 同點。其次說明電腦模擬軟體在教學上，如何彌補傳統教學法的不足，

以增進學生學習意願與成效；最後介紹本研究中所採用的電腦模擬軟 體 TINA 的操作要領與設定。

2.1 高職電機電子群實習課程之現況

2.1.1 舊課程的教學目標

根據教育部於 2005 年 2 月所公布的「職業學校群科課程暫行綱 要暨設備標準」，說明職業學校教育以充實職業知能﹅涵養職業道德、

培育健全之初級技術人才，並加強其繼續進修能力、促進生涯發展為 目的[10]。在此準則之下，學生必須充實職業知能、培養基本工作能 力、陶冶職業道德、培養敬業樂群、負責進取及勤勞服務等工作態度。

此外也應提升人文及科技素養，增進創造思考及適應社會變遷之能力。

再者應培養繼續進修之興趣與能力，以奠定終身學習及生涯發展之基 礎。在電機電子群教育目標方面，則應培養共同核心能力與電機電子 相關產業初級技術人才。

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其中就電機科電子學實習課程來說，在課程教學大綱中，建議於 第二學年開課，上下學期各開設三學分，共六學分。在教學目標中，

希望學生能夠正確辨認與選用電子零件、以及具備使用基本手工具及 電子相關測量儀器進行基本電子電路實驗、測試、調整與裝配之能力、

並培養學生對電子實務興趣，養成正確且安全的工作習慣。在教學要 點中，每次教學應以示範、觀摩、操作、評量為原則實施，確實達到 每位學生均能適當操作儀器完成實習目標，並於每次實習後繳交實習 報告，報告內容應包含相關知識、實習步驟以及實習結果分析與討論。

操作測驗則可在期中或期末實施，作為教學改進的參考。教師對於實 習步驟、電路圖與特性曲線之講解，可搭配多媒體教材使用，或搭配 個人電腦使用相關之電子電路模擬軟體，幫助學生瞭解課程內容與提 高學生學習興趣。

2.1.2 新課程的教學目標

根據教育部於 2008 年 3 月所公布的「職業學校群科課程綱要」，

職業學校以教導專業知能、涵養職業道德、培育實用技術人才，並奠 定其生涯發展之基礎為目的[11]。在此目標之下，學生必須充實專業 知能、培育基本工作能力、陶冶職業道德、培養敬業樂群、負責進取 及勤勞服務等工作態度。此外也應提升人文及科技素養，增進創造思

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考及適應社會變遷之能力。再者應培養繼續進修之興趣與能力，以奠 定其生涯發展之基礎。在電機電子群教育目標方面，則應培養具備電 機電子群共同核心能力與電機電子相關產業之實用技術人才。

其中就電機科電子學實習課程來說，在課程科目大要中，建議於 第二學年開課，上下學期各開設三學分，共六學分。在教學目標中，

希望學生能夠具備辨認電子元件、以及使用電子儀表量測電子元件特 性、與設計及分析本電子電路之能力，學習本科目之後學生應具備有 使用電子元件設計、裝配；分析及量測基本電子電路之能力、並培養 學生對電子實務興趣，養成正確且安全的工作習慣。在實施要點中，

每次教學應以示範、觀摩、操作、評量為原則實施，確實達到每位學 生均能適當操作儀器完成實習目標，並於每次實習後繳交實習報告，

報告內容應包含相關知識、實習步驟以及實驗結果分析與討論。操作 測驗則可在期中或期末實施，評量學習成效並作為教學改進的參考。

教師對於實習步驟、複雜電路圖與元件特性曲線之講解，可搭配多媒 體教材使用，或搭配個人電腦使用相關之電子電路模擬軟體，幫助學 生瞭解課程內容與提高學生學習興趣。

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2.2 電腦模擬教學之意義、功能與特性

2.2.1 教學媒體的定義

媒體又稱為媒介，表示在傳播的過程中，訊號源(Source)與訊息 接收者(Receiver)之間記載訊息的中介物，如報紙、影片等[12]。如果 傳播的目的是教育或教學時，所用來記載教學訊息的中介物稱為教育 媒體或教學媒體（Teaching Media）。新式教學媒體如電腦或互動光碟，

除了承載與傳遞訊息的功能外，尚具有控制與管理教學過程的能力。

因此教學媒體是協助教師教學、學生學習技能、態度、知識和鑒賞力 的最佳工具[13]。

2.2.2 教學媒體的選用

選用教學媒體時必須考量教學上的需要，舉凡教學目標、內容、

教材、教法、時機等均要與媒體適切的配合運用，才能充分發揮實際 的效果。

選擇教學媒體的原則為「3R」，分別是適當的教材（Right Material）、

正確的方法（Right Way）、正當的場所（Right Place）[14]。而選擇教 學媒體的標準則應考慮到功能性、經濟性、與方便性。而運用教學媒 體的條件則有具備正確的觀念，與熟練的教學技術。

-11- 2.2.3 電腦輔助教學的特性

電腦模擬教學是利用電腦來模擬真實的教學情境，讓學習者在過 程中提高學習動機及興趣，進而建立知識與解決問題[15-18]。而根據 Stephen 與 Stanley 的著作，電腦輔助教學按照所採用的教學策略可分 類為教導式(Tutorial)、練習式(Drill)、模擬式(Simulation)、遊戲式 (Game)、測驗式(Test)、與建構式(Construction)等[19]。

電腦輔助教學（Computer-Aided Instruction 或 Computer-Assisted Instruction, CAI）是利用電腦幫助學習者學習的交談式(Interactive)教 學方法，通常以電腦來提供課程內容，再利用練習(Drill and Practice)、

個別指導(Tutorials)和模擬(Simulations)等方式進行教學，以達教學之 目的。不過電腦輔助教學一詞中，電腦二字也是泛指以電腦為主控機 器的教學活動；所以多媒體輔助教學(Multimedia-Assisted Instruction, MAI)、智慧型教學系統（Intelligent Tutoring Systems, ITS）都包括在 電腦輔助教學的範圍內。CAI 在許多方面，都符合教育心理學家所稱 的「好的學習方式」，它具有下列特性：

1.交談形式：電腦將已規畫好的課程內容，基於學習者的反應和需求 來隨機呈現與學習者交談，是一種雙向溝通教學形式。

2.課程規畫設計事先完成。

3.適應個別差異：按學習者之差異來決定學習進度與學習方式。

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4.學習者自己決定課程順序：是由學習者自行控制的教學法。

5.依學生反應決定適當學習路線：配合學習者的程度進行教學。

6.CAI 對於涉及問題解決經驗的模擬情境比一般教學更為有效。

7.在學習成果方面可以確實追蹤、掌握。

8.CAI 在學習成果上具有提高學習效果、減少學習時間、增加學習者 興趣等方面之優點。

在 CAI 系統之構成上，史汀柏格(Ester Steinberg)提出由目標群體 (Target Population) 、 目 標 (Goals) 、 作 業 功 能 (Tasks) 、 教 學 指 導 (Instructions)及電腦系統(Computer Systems)5 個構面組成，再經由每 一構面的分析，配合 CAI 本身特殊教學法與 CAI 的特性，在 CAI 的 發展上才能達到有效的成果[20]。隨著電腦科技的進步，第五代電腦

－人工智慧（Artificial Intelligence, AI）的發展，使學習系統(Learning System)及知識庫系統(Knowledge-Based System)的觀念皆能應用在 CAI 的設計與發展上，改變傳統 CAI 的教學模式，即電腦不再是前 置設計的教學機器，不能為學習者隨機更改，而是學習者為教師，電 腦則為學習者的角色互換模式。此項重要的變革，將傳統 CAI 帶進 智慧型電腦輔助教學（Intelligent Computer-Assisted Instruction, ICAI）

的新紀元，亦為 CAI 的發展過程建立新的里程碑[21]。

-13- 2.2.4 電腦輔助教學策略的分類

設計電腦輔助教學策略時，應分析教材特性、學習者特性與學習 表現目標後擬定教學策略。而電腦輔助教學策略可分為下列幾種：

1.模擬練習（Simulation-based Learning by Doing）

模擬是現象或行為的複製，一般而言是為了代替某種現象而設計 [20]，模擬的優點在於讓學習者主動參與學習環境的操作與互動，進 而學習相關知識。經過不斷的反覆練習，讓學習者建立近似反射性動 作，但此法缺乏教學理解，較適合個人練習，適用的知識範圍較小，

也較少運用在學習上[22]。此種教學方式具有安全性、經濟性、有效 性等優點。

2.案例學習（Case-based Learning）

將已知的案例或經驗傳授給學生，此架構是強調以案例情節為主，

讓學習者從中學習知識與經驗。

3.遊戲學習（Game-based Learning）

此類型大多實施在較低年齡層的學習者上，學習過程若因無趣而 導致學習者無心學習，若能利用有趣的遊戲互動或畫面引起學生興趣，

就能有效的提高學習興趣，在遊戲學習中增進知識。

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4. 問題解決學習（Learning by Exploring）

在學習過程中，提出適當的問題讓學習者自行找出答案，而非直 接告知結果，讓學習者有思考解決問題的機會。

2.3 電腦模擬軟體在電機電子專業課程教學之應用

電腦模擬軟體在電機電子群科的應用上，更展現出其特色。在國 內高工電機電子相關課程已有使用輔助教學之電腦模擬軟體有：

TINA、EDISON、MaxPlusⅡ、EWB、數位麵包板等。電腦模擬與實 際物體實驗相比，具有節省成本之優點，尤其是實際電路之操作與設 計容易發生錯誤。透過事先的電腦模擬，不但可節省時間，也可藉由 電腦的指示發現錯誤，而提升安全性。

廣泛的應用電腦模擬軟體，對於實務性技能認知課程的幫助更為 顯著。因此，由電腦模擬軟體來改善實習課程的教學困難，有其發展 空間。

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2.4 TINA 電路模擬軟體介紹

綜合以上各點，本研究利用電腦模擬軟體加入電子學實習課程的 教學活動中，作為輔助教學的媒體。在教學中使教師更有效率，並依 照學生的差異性設計相符合的課程，並可提供不同課程內容讓學生能 在課堂時間外自我練習，並能紀錄學習的成果，希望藉由電腦模擬軟 體提高學生的學習成效與興趣。研究中所選擇的電路設計模擬軟體名 稱為 TINA。本節主要在介紹 TINA 的操作方式，並針對電子學實習 課程內容，加入 TINA 軟體進行模擬，例如 RC 耦合串級放大電路、

直接耦合串級放大電路、共源極放大電路、共汲極放大電路、共閘極 放大電路、反相放大器電路、非反相放大器電路、加法器及減法器、

微分器及積分器電路、比較器電路、RC 振盪電路、韋恩電橋振盪電 路、單雙穩態多諧振盪電路、無穩態多諧振盪電路、施密特觸發電路、

方波產生電路、三角波產生電路等。此外，配合 TINA 軟體相關工具 書及高職電子學實習課程標準設備，讓學生在學習過程中能將虛擬元 件跟實體設備元件相互參照，不僅能驗證模擬結果的正確性，更是在 實際接電路之前就可以得知實驗結果，以確定電路是否出現正確結 果。

-16- 2.4.1 操作介面

TINA 之視窗操作介面與元件資料庫如圖 2.1 所示，工具列主要 有下列項目：

1.功能表列：主功能列位於視窗上方區域，提供檔案的存取與列印（檔 案）、元件的相關操作（編輯）、放置零件與圖片等（插入）、設定 顯示比例與工具列（檢視）、啟動各種模擬分析（分析）、提供測試 與量測工具（量測）、提供各式編輯器的開關（工具）…等功能。

2.工具列：主要提供一些常用功能的快速鈕，以方便使用者編輯電路，

按鈕的圖案與一般 Windows 應用軟體相同，使用者較能直覺性的 操作。包含開啟檔案、儲存檔案、關閉檔案、連接線路、插入文字、

放置/取消節點、縮放比例、互動模式…等按鈕。

3.零件列：分門別類的將所有零件放置於 14 個零件列裡，使用者只 要以游標指向零件列標籤，切換零件列，就可從零件列中將零件拉 到電路編輯區來編輯電路。

4.電路圖編輯區：繪製電路圖的區域，利用上方零件列所提供之元件 來完成電路圖。

5.模擬互動模式：啟動模擬，並可選擇直流、交流、暫態、單擊暫態、

數位等方式進行模擬。

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圖 2.1 TINA 操作介面 2.4.2 元件參數之設定

在本研究中所使用的元件包含電壓源、信號源、電阻、電容、電 晶體、運算放大器、電壓標點、電流標點和量測元件等，利用這些元 件在 TINA 電路模擬軟體中繪製出課程內容所需電路，同時讓學生探 討電路的特性與結果，配合實際的相關設備與電子零件，作為相互參 照。如表 2.1 為實際設備與元件及模擬設備與元件之對照表，其中各 種元件參數設定如下：

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表 2.1 實際設備與模擬設備及元件對照表

名稱 實際元件 模擬元件

萬用 麵包 板

直流 電源 (直流

電源 供應 器) 交流 訊號 源 (訊號

產生 器)

電阻

DCV 5

+

AC V

R1 1k

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表 2.1 實際設備與模擬設備及元件對照表（續）

名稱 實際元件 模擬元件

電容

電晶 體

運算 放大 器

示波 器

C1 1u

T1 !NPN T2 2N 3369

- ++

OP1 uA741

+Ch1- ₊Ch2_- OSC1

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表 2.1 實際設備與模擬設備及元件對照表（續）

名稱 實際元件 模擬元件

三用 電表

1.電源參數設定

電源供應器及訊號產生器外觀如圖中所示，

（1）直流電壓(DC)：快按兩下直流電壓源可開啟屬性對話框如圖 2.2 所示，可更改標示，設定電壓值與其他屬性。

（2）交流信號(AC)：設定信號類型、振幅、頻率、相位等如圖 2.3 所示。一般分析時相位為 0 度。

圖 2.2 直流電源屬性設定畫面

A+

V/- A V DMM1

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圖 2.3 交流訊號參數屬性設定畫面 2.電阻參數設定

如圖 2.4 所示，項目包括：

（1）電阻：電阻值的設定，以 k 表示 10³，以 M 表示 10⁶，單位為歐 姆(Ohm，Ω)。

（2）標示：電阻器名稱的設定，如 R1。

（3）電源：依電路需求設定電阻瓦特數（Watt，W），一般為 0.25 瓦特、0.5 瓦特、1 瓦特、或 2 瓦特。

圖 2.4 電阻參數設定畫面

-22- 3.電容參數設定

如圖 2.5 所示，項目包括：

（1）電容：電容量的設定，以 m 表示 10^-3，以 u 表示 10^-6，單位為 法拉(Farad，F)。

（2）標示：電容器名稱的設定，如 C1。

圖 2.5 電容參數設定畫面

4.適當的模擬分析參數

在完成電路圖繪製與各元件之參數設定後，必須給予適當的分析 設定及時間，如圖 2.6 所示。分析的指令包含有最佳化目標、控制物 件、設定參數、直流分析、交流分析、暫態分析、傅立葉分析、步進 式數位模擬、數位時序分析、方程式分析、雜訊分析…等，在進行電 路模擬之前，需選定合適的分析方式，以得到所需的數值與波形。在 電子學實習課程中，皆以暫態模擬為主要的分析指令，可得到完整的

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輸出波形。進入暫態分析的畫面後，需設定分析時間，如圖 2.6 所示。

適當的分析時間決定每個波形所顯示的曲線是否適宜觀察，以利於結 果的分析。暫態分析的設定如下所列：

(1)開始顯示：本欄位設定波形顯示的開始時間。

(2)結束顯示：本欄位設定波形顯示的結束時間。

(3)計算操作點：本選項設定一併算出操作點。

(4)零初始值：本欄位設定初始值為 0。

(5)繪製激勵信號：本選項設定繪製激勵信號。

(6)Euler：本欄位設定採用 Backward-Euler 法積分。

(7)Gear：本欄位設定採用 Gear 法積分，程式預設採用此法，結果較 精確。

圖 2.6 暫態分析設定畫面