教育部教學實踐研究計畫成果報告

教育部教學實踐研究計畫成果報告

Project Report for MOE Teaching Practice Research Program

計畫編號/Project Number：PAG107011

學門分類/Division：生技農科

執行期間/Funding Period：2018.8.1 ~ 2019.7.31

從學習者到教學者：應用於生物產業的流體力學課程為例

From learner to instructor: An example of fluid mechanics course used in the bio-industry 流體力學/Fluid Mechanics

計畫主持人(Principal Investigator)：楊屹沛 共同主持人(Co-Principal Investigator)：

執行機構及系所(Institution/Department/Program)：國立宜蘭大學 生物機電工程學系

繳交報告日期(Report Submission Date)：2019.9.20

從學習者到教學者：應用於生物產業的流體力學課程為例

From learner to instructor: An example of fluid mechanics course used in the bio-industry 一. 報告內文(Content)

1. 研究動機與目的(Research Motive and Purpose)

隨著少子化的浪潮漫延到高教體系，本校所招收的學生之學術能力程度有移往後段 的趨勢；本系所招收的技職體系學生(基礎學科能力較弱)及學業弱勢族群學生(身障、原 住民、技優)日益增加；最後，本系隸屬生物資源學院，就讀本系學生有部分對於數理相 關科目較不感興趣。以上三種現象對於本系教學已有顯著影響，個人負責本系大一微積 分課程的教授，感受特別深刻。又隨著科技發展，學生學習方式已有很大變化，各種科 技產品對於教學方式也產生了革命性的衝擊，因此，傳統教學講授方式已到了不得不改 弦更張的地步了。

本系有許多與理工、電資學院一樣的數理相關課程，傳統板書講授方式在像微積分 等基礎理論課程上，可以讓學生紮實地瞭解理論內涵與其邏輯性，但往往枯燥乏味，造 成學生學習動機低落，進而學習成效不彰。經過大一、二的基礎理論課程挫折後，許多 同學往往對學習產生厭惡，對於我們人才培育的工作留下諸多遺憾。本計畫以流體力學 課程的創新教學為研究課題，改變流體力學傳統數理推導講授的模式，激發學生學習興 趣，由同學自製教材並講授，讓同學更想也更容易了解教授內容原理，使學習有顯著成 效。本計畫若有一定成效，可廣泛應用到其他數理相關課程。

流體力學是力學的一種，它包含了液態、氣態甚至是電漿態的力學計算，是一門數 學理論嚴謹的基礎理論課程。流體又不像固體有一定形狀與固定範圍，初學者往往苦於 將抽象的概念和數學與實際的流體做連結，傳統的、嚴謹的數理推導在教學上無法達到 深入淺出的效果，因此，本計畫嘗試以「教學模組」的方式來設計流體力學一學期的課 程。從教學內容來看，教學模組是一個主題式教學，內容上包括若干個相關的「子問題」。 從教學方式來看，教學模組的教學沒有固定的形式，可以實驗活動、參觀活動、分組討 論或舉辦展覽、比賽…等等的方式來進行教學活動，也就是依照所選取模組的特性，靈 活的運用各種教學方式。由於教學模組獨立的特性，教學者可以依照自己的教學目標、

教學時段和選擇的教學資源，組織模組所欲達成的目標，也可以使學生的學習經驗能夠 有系統的組織起來，獲得統整的知識。本計畫同時希望引進 TTT 種子教師培訓方式，深 化流體力學的學習成效，讓學生從學習者的角色轉換成教學者，在此過程中，激活同學 的學習意願。教學模組將配合側重在動手作活動、競賽、科普闖關活動等，除了深化同 學的專業知識，期望在情意面上引發學生的榮譽感及學習動機，未來能主動學習，而不 侷限於一學期的教學範圍內。

綜合上述，本計畫的目的及目標包括：(1)設計流體力學課程的創新「教學模組」；(2) 辦理 TTT 種子教師培訓工作；(3)訓練學生設計科學活動(流體力學)教案與教學能力；(4) 舉辦科普推廣活動，達到教學相長的學習成效。

2. 文獻探討(Literature Review)

流體力學，如同許多基礎數理學科，是一門數學理論嚴謹且具有發展完整的內容規 範課程，世上的流體力學教科書難以計數，但其課程大綱大多類似。依據其課程大綱，

嚴謹的數理推導在教學上似無法避免。為了破除流體力學抽象、艱澀的數理概念，過去 已有學者嘗試以各種實作展式達到深入淺出的教學效果(Nirmalakhandan et al., 2007)。本 計畫則期望進一步由學生自行設計並動手做出各種具有流體力學理論的小活動或小遊戲，

讓流體力學知識內化到學生心靈深處。

「永續經營發展教育」建立在學校課程及校外學習的過程上，這個過程涵括了情意 面的參與，認知面的創造性，及技能面的解決問題能力、科學技術和社會素養，並採取 對社會負責任的行動，這有賴於增加和強化科學教育訓練者(Trainer)的必要性，以便更有 效地創造必要的跨學科思考，以便轉變學習者的科學素養(Mortensen, 2000)。另外，培訓 評估是教學設計模式的重要組成，但培訓評估模式常缺乏理論基礎，學習構念來源於各 種研究領域，如認知、社會、教學心理學和人文因素，透過開發評估學習成果的分類策 略，由認知、技能和情意面的學習成果，可逐步實現培訓評估的模型(Kraiger et al., 1993)。

這些論點顯示種子教師培訓模式中，良好的培訓師及種子教師是訓練出來的，而不是天 生的(Mitchell, 2012)。因此在本計畫的 TTT 種子教師培訓，將以嚴謹的課程設計、優異 的師資培訓，活潑的教材教案及學習成效評估、考核，達到完美的教學相長的學習成效。

3. 研究方法(Research Methodology)

本研究秉持「教師即研究者」的理念進行研究，針對流體力學課程傳統講授方式，

造成學生學習動機低落與學習成就挫折所產生的困境，研擬創新的「教學模組」並辦理 TTT 種子教師培訓方式，訓練學生設計科學活動(流體力學)教案與教學能力，最後透過 舉辦科普活動，達到教學相長的學習成效。在授課過程中，採取行動並蒐集資料，因應 實施困境；接下來修正方案重新行動、進行評鑑再重新行動等歷程，以解決教學現場中 所遭遇的問題，促進研究者專業成長。

本研究採行動研究法，第一步先由研究者以授課教師身份設計流體力學課程整體大 綱；接著邀集專家學者等組織諮詢團隊；接下來擬定合作團隊發展原則，將分為經營成 員關係、策略的擬定以及策略的評鑑修正三方面，以形成定期溝通、互助互信、不斷進 步之諮詢團體。

第二步為對進行課程活動的觀察結果進行諮詢以瞭解教學現況、界定問題，再將教 學問題分類，以多元觀點擬定改進策略。第三步為因應策略實施中的困境，採取諮詢團 隊成員的建議，修正教學策略。第四步為執行新的行動方案，並透過觀察教學，諮詢相 關人員，訪談學生及分析文件等蒐集資料；第五步再由研究資料及學生學習表現評鑑行 動方案的成效並做修正。

步驟三到五是一個循環的過程，直到研究者判定所執行的方案與所蒐集的資料，足 以解決問題之後才結束。

4. 教學暨研究成果(Teaching and Research Outcomes) (1) 教學過程與成果

本計畫開發設計流體力學課程的一套創新「教學模組」，本模組乃藉由講解流體 的基本特性，並讓學生從實作活動來體會，再加上壓力概念的講授，配合競賽活動 體驗，深化同學流力的基礎觀念。由於選課人數高達 71 人，本課程運用 Zuvio 系統，

讓同學上傳展現動手做成品及說明(如圖一)，並抽選 2 組同學課堂上展示講解，有 效率的提升學生學習參與程度。

圖一 動手做活動成品上傳 Zuvio 系統與說明

本課程也省略繁雜的數學推導，直接講授流場的控制方程式，並簡化得實用的 柏努力方程式，最後讓學生根據流體力學科學原理開發設計各組的科普活動。除了 分組活動，我們也舉辦了兩場個人競賽活動：表面張力競艇與飛天雞蛋(如圖二)。

圖二 個人競賽活動

在科普活動教案設計過程中，我們在課程外時間安排 TTT 種子教師培訓工作坊 四場次，訓練同學科學演示與講解的能力。課堂上安排同學進行 PK 賽，由全班同 學投票選出較優組別，進一步提升同學設計科普活動教案的熱情。學期末時，於本 學院一樓大廳舉辦科學小遊戲科普活動，除了公開讓本校同學參與外，特別邀請本 校機電系與土木系流體力學專長的兩位教授，及食品系長期執行科普計劃的教授，

針對 25 個科普活動進行評審並給予同學改善意見(圖三)。活動過程中，三位教授對 於同學的表現都認為展現了本課程的學習成效，研究者觀察，則認為修課同學於課 程學習前後，確實提升了理解流體力學相關原理並講解科普的能力。

圖三 2018/12/27 科學小遊戲科普活動

學期結束前，針對全班同學詢問同學在課程結束後，是否有意願繼續參與相關 的科普推廣活動，結果顯示超過八成的同學有意願，表示同學對於本課程的教學有 相當高的認同感。課程結束後，經過一個寒假，計有 31 位同學參與了 5 月本校校慶 活動中 3 場的科普展演推廣(圖四)。

圖四 2019 生資院校慶成果展-- Magic Flow

本課程期末教學反應問卷調查(五點量表)為 4.45，為本課程歷年最高，顯示本

計畫於本課程改變之教學方式獲得學生肯定。本計畫最後針對 31 位同學進行問卷調 查，成功回收 24 份問卷，結果顯示，同學對於動手作相關活動有顯著較高認同，證 明本教學計畫確實提升了同學在情意面上的學習動機(詳細結果後述)。

本計畫量化成果綜整如下：(1)開發設計流體力學課程的一套創新「教學模組」。

(2)開發設計流體力學科普活動教案 25 案。(3)辦理公開的科普推廣活動 4 場次，服 務 650 人次以上。

(2) 教師教學反思

本計畫教學從情意面看，學生在參與一系列的活動中，確實提升了對流體力學 的學習興趣。技能方面，藉由 TTT 訓練與科普推廣活動中學生實際演練，確實提升 了學生製作科普遊戲器具及講解科普活動的能力。然而，從紙筆測驗中(如期中、期 末考)，發現同學的測驗成績並沒有明顯變化，成績優劣程度與同學大一、二數理方 面科目成績的相關性較大。由於本計畫重點在提升學生對流體力學的學習動機，有 能力製作流體力學相關裝置，並深入了解相關的基本原理，因此，用於評量計算、

理論分析的紙筆測驗成績沒有提升尚在研究者的預期中。最後，善用現代的數位教 學科技，可有效提升教學效率，節省大量的時間與人力，某種程度也會提升學生的 學習成效。

(3) 學生學習回饋

本計畫最後針對課程結束後，繼續參與本計畫科普推廣活動的 31 位同學進行問 卷調查，請同學根據上學期流體力學課程直到之後的校慶科學小遊戲闖關活動，針 對表一各項問題回答(有效問卷 24 份)。問卷結果顯示，學生對於動手做流體力學相 關的小遊戲展現了極大興趣，對於自己製作小型的流體機械也有相當自信。在學習 內容方面，黏度與相關的剪應力觀念得分較低，檢視所有同學製作遊戲教案，發現 沒有與黏度有關的小遊戲。課堂教學中，黏度與剪應力安排在學期初的課程中，教 學上由教師與教學助理示範相關的實驗與動手做活動，並未讓同學動手做。推測同 學剛開始接觸流體力學，不容易快速理解黏度與剪應力觀念，又沒有機會親自動手 操做，因此自評認為學習程度不夠。下一次的流體力學教學，研究者將據此改進，

設計增加黏度與剪應力的動手做活動，且由同學親自操作，同時，學期中後段，再 次強化黏度與剪應力的講解。

表一 計畫評量問卷(五點量表)

素養要項 評量指標 ^{學習活動項目}

1 2 3 4 5

認 知

總論

1 瞭解什麼是流體   4.29

2 瞭解流體力學對科技發展的重要性   4.17

流體 基本 性質

1 瞭解黏度  3.79

2 瞭解密度、溫度、壓力  4.25

3 瞭解流體可壓縮性  4.17

4 瞭解流體剪應力的作用    3.67

5 瞭解表面張力  4.29

流體 靜力

1 瞭解流體壓力作用    4.25

2 瞭解流體壓力的量測  3.96

3 瞭解流體壓力產生的作用力與浮力   3.96

流體 運動 分析

1 瞭解流場中的各項作用力   3.83

2 瞭解流體質點受力後的各種運動及變形作用    4.00

3 瞭解流體運動的控制方程式組   3.88

4 瞭解流體運動的柏努力方程式  3.79

情 意

1 傾聽或閱讀流體力學相關的講授與報告，並作適當

的回應      3.96

2 樂意動手做流體力學相關的小遊戲    4.50

技 能

1 能運用流體力學相關知識，創作或仿製簡易的流體

機械   

4.13

二. 參考文獻(References)

Kraiger, K., Ford, J. K., Salas, E. (1993). Application of cognitive, skill-based, and affective theories of learning outcomes to new methods of training evaluation. Journal of Applied Psychology 78(2), 311-328.

Mitchell, S. (2012). ERS European Spirometry Train-the-Trainer program: good trainers are made, not born. Breathe 8(4): 263-266.

Mortensen, L.L. (2000). Teacher education for sustainability. I. global change education: the scientific foundation for sustainability. Journal of Science Education and Technology 9(1):27-36.

Nirmalakhandan, N., Ricketts, C., McShannon, J., Barrett, S. (2007). Teaching tools to promote active learning: Case study. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice 133(1): 31-37.