動手做設計的基本技能教學活動

動手做設計的基本技能教學活動

以科技教學需要的設計執行能力建構為例（第一階段教案）

設計者：大同高中 汪殿杰 老師

關鍵字: 設計繪圖 Design Graphy、材料加工程序 Material Procedure Processing、

公差與配合 Tolerance & Allowance 適用年級: 高中全年級

實際授課時數: 18 小時（其中含電腦繪圖教學 10 小時）

壹、教材架構圖

貳、課綱指標檢核

本活動符合多項生活科技 99 新課綱修訂的核心價值，課程設計融入設計繪圖及材料加工 實作活動，以學習設計表現與基本製作執行能力為目標。

一、核心課程： 科技與生活

主題 主要內容 說明

1.創新設計原理 1-1創新設計的方法與程序。

三、創新設計與製

作 2.創新設計實務 2-3實作知能。

2-3-1基礎圖學(立體圖、三視圖、尺寸標註 等)。

2-3-2材料選用與機具操作。

2-3-3基礎的安全防護規則。

2-4效益評估。

二、進階課程：科技的範疇

2.製造材料 2-1 金屬、塑膠、木材、陶瓷、複合材料、電子 材料、奈米材料的特性與應用。

3.製造方法 3-1 切削、塑性、鑄造、接合、特殊等加工方法。

3-2 CAD/CAM 與生產自動化。

3-3 製造的安全防護規則。

5.設計與製作專題 5-1 圖學。

5-1-1 工作圖。

5-1-2 組合圖。

5-1-3 電腦繪圖。

5-3 產品製造。

5-3-1 機具操作方法。

5-3-2 安全防護規則。

參、活動概說

一、理念

科技在於協助人類調適自然環境，基於「教育即生活」的理念，教育要能反映現實生活 需要。人類生活在現實的社會環境裡，天天接觸複雜的環境，常會遭遇或多或少的新問題，

就要不斷的學習新知識、新經驗、新技能，來解決新問題。解決問題的方法，不是單憑口說，

而是要配合實際去「做」，從「做」的過程中，因為有了思想的作用，激發了新的經驗與知 識，結果也強化了解決問題的能力。生活科技教學，是一門強調「做中學」的學科，做是一 種「行動」，在「做」的過程中可以學到很多東西，使我們的「行動」更有效，做是學的手 段之一，而學才是生活科技教育的最終目的 ¹。

實際動手做教學的過程，有技能的學習，有性情的陶冶，有工作習慣的養成，有求知慾 與創造力的激發。學生的作品，從草圖階段到試作模型、結構組合、效能測試、到最後外觀 修飾，每個步驟都要面對不同的問題，對學生來說學習的過程充滿挑戰，因此，最後的學習 成果也更加豐富，對於製造科技與傳播科技的認識，也不只是侷限在教科書的一個章節內容 了解而已。下圖是芬蘭小學科技課程的活動情況，即使只是小學生，也要學習專業工具的操 作。北歐國家重視學生實務的動手操做與生活能力，值得教育界夥伴與教育單位的長官參考：

圖片來源: http://tw.myblog.yahoo.com/yolanda-chen/article?mid=8081&prev=8161&next=6999&l=f&fid=26

二、課程活動

為了有具體執行設計的能力，基礎技能的訓練更是必要的。 個人的教學經驗發現，學生 設計創新能力與執行能力的學習，多半受限於動手做能力的不足，造成創意設計教學的困難 與學習的障礙。尤其是設計構想的表現，與對材料性質與加工處理技術的缺乏，讓學習的成 效大打折扣。另外，與其耗費大量的時間作為材料加工練習訓練，不如建立一套快速的學習 指南，提供相關知識、資源取得、簡易使用方法的指導。

課程設計包括學習設計繪圖，認識科技解決問題的方法，材料加工技術，這些都是學習設 計的基本背景能力。本教學活動係針對本校高一的學生設計，排課方式為每週兩節課連排實 施。

(一)設計繪圖的學習

這個階段是建立設計的基礎繪圖能力，訓練學生對空間概念的具實描述，草圖建構與 空間思考的訓練，並熟悉標準設計圖繪製方法等設計繪圖的基礎。配合資訊融入教學的政 策，教學方式採用單槍投影機與 3D 數位模型的方法，利用多角度觀看的解説呈現方式，

容易讓學生理解圖面上空間的呈現原理，對教學成效有很大的幫助。另外安排學習電腦輔 助繪圖軟體的教學活動，讓學生了解目前數位科技應用在設計繪圖的方法，符合時代進步 的現實需要。

只需要 2 次上課的時間(4 小時)，學習傳統的手繪圖，

接著 4 次上課的時間(8 小時)，學習電腦 3D 繪圖，即 可達到不錯的學習成效。

利用 3D 軟體教學，讓學生較容易瞭解 3D 空間與正投 影的概念，學習設計繪圖可事半功倍。

學生的電腦繪圖作業，以繪製椅子的設計圖方式學 習，減少不必要的指令學習。

請參閱作者於學科中心網站的另一篇教案

（20 個指令教會學生使用 3D 繪圖軟體）

http://203.64.161.68/php/viewtopic.php?f=30&t=104&sid=f ff2da7525d899ab67c97e9711d36e8b

(二)材料加工與工具使用訓練活動

課程進入訓練學生使用手工具及工具機練習，除了學習基本工作技術之外，並將作品 評分標準增列允許公差的觀念。這樣的教學活動，是讓學生學習對品質的自我要求，所 有的尺寸均有標準的檢驗方法，做不好就重來一遍，做到最理想為止。藉嚴謹的實作練 習，建立正確積極的學習態度，培養要求完美的藝匠精神。

正六角形鋸切銼磨練習，以 2 次上課的時間(4 小時)，學 習木板及壓克力兩種材料的加工，圖左為檢查使用的標 準片，

檢驗方式採用一支 1mm 直徑的鋼針，只要能輕易穿過，

就是屬於不合格的作品，可以要求學生重新製作一件。

利用模板和游標卡尺，讓學生檢驗尺寸公差，學習把作 品品質做好的態度

學生材料加工練習完成的作業，需要先通過至少 1mm 以下的公差檢查，再以六角形作品的配合鬆緊度、

各個角度的精確度、表面與輪廓的圓順評分。

肆、器材設備

工具 材料

項目 說明 項目 說明

個人電腦 若能一組同學有一台為佳 A4 繪圖紙

線鋸機 桌上型即可 壓克力板 3mm 厚，透明、紅、綠、

藍四種顏色以上 鑽床 桌上型即可

游標卡尺 塑膠的即可 銼刀

伍、教學進程

一、教學活動流程圖 正投影概念

模型觀察與 2D 平面圖繪製（作業一）

3D 軟體操作與空間的對應關係 等角立體圖（作業二）

電腦繪圖（以 20 個指令教會學生使用 3D 繪圖軟體）

（作業三）

六角型幾何繪圖最佳化解析 公差與尺寸精密度量測 材料的切割

銼磨與修正（作業四）

二、講述重點、教學準備與注意事項

節

次 講授重點 教學準備與相關媒體 教學建議與注意事項

1

正投影原理 ※透明壓克力箱（可展開）

知識小塊 1

※手繪圖教學投影片

◎實物對照的正投影平面圖教學，可利用模型 擺放再方塊透明箱內，利用白板筆繪製，分 別說明輪廓線與投影關係。

知識小塊 2

投影片請見教材資源網站:

http://203.64.161.12/index2.htm

◎繪圖的規範、用具可利用投影片說明。

1 3D 軟體操作與空間 的對應關係

※ 3D 數位模型與教學應用法 知識小塊 3

3D 檔案請見教材資源網站:※

http://203.64.161.12/index2.htm

◎透過 3D 即時互動說明，不同的顯示模式解 說，可讓學生快速了解正投影的概念，與相 關的繪圖規定。

1 模型觀察與 2D 平面 圖繪製活動

※ 2D 繪圖用木模型

※ 2D 繪圖答案的海報 知識小塊 4

http://203.64.161.12/index2.htm

◎模型觀察與 2D 平面圖繪製活動

◎練習結束立即公佈答案，讓學生在印象深刻 的時候，了解自己錯誤的地方，會比隔週上 課再檢討，效果更為顯著。

1 等角圖 ※立體圖教學用木模型，與實 物測繪的教學法。

知識小塊 5

※鋼尺

◎利用 1:1 大小的木模型，讓學生測量尺寸，

並用”支距法”繪製等角圖，是較為容易學習 等角圖的方式。

◎實物測繪方法，可讓學習者更為了解設計圖 需要注意比例關係。

10 電腦輔助繪圖 ※ 受限於篇幅，請見作者的另 一篇教案。

（以 20 個指令教會學生使用 3D 繪圖軟體）

相關檔案請見教材資源網站:

http://203.64.161.12/index2.htm

◎這是一個以設計題材為導向的電腦繪圖教 學方法，簡化指令學習的時間，符合高中學 生的需求

◎此電腦輔助繪圖教材，曾榮獲行動研究創新 教學設計獎（特優），北市教育局資訊教育 專案甄選（高中組 首獎），值得作為電腦輔 助繪圖教學參考。

1 六角形幾何繪圖最 佳化解析

※大型圓規與精密分規

（最好使用可固定半徑的彈簧 圓規）

◎由於六角形的繪製需要符合加工精確度的 公差標準，一般的圓規容易越畫越大，不易 控制精確度，採用如下圖所示的彈簧圓規，

較為精準。

1 公差與尺寸精密度 量測

※游標卡尺（塑膠製即可）

※量具與檢驗公差使用的 1mm（直徑）不鏽鋼絲

知識小塊 6

◎游標卡尺的原理，在學生物理課的測量單元 有教，如果生活科技課程配合使用，可以 增加學生對科技應用層面的了解。（1/20 0.05mm 精密度的即可）

◎ 公差是產品精確度的檢驗標準，與產品使 用的品質、安全與耐用度相關，讓學生了 解作品製作的品質，比製作速度來的重 要，是課程融入公差配合概念的主要原因。

2 材料的切割與銼磨 與修正

※線鋸機

※鑽床

◎ 應隨時提醒與注意學生操作機器的安全。

動手做教學活動，最常發生的就是學生對作業進行的延誤，為了更有效掌控進度，個人 的作法是每次上課開始就對作品完成度百分比做規定，希望學生作品均在課堂上完成，每次 上課結束前對學生工作進度檢討，鼓勵認真與進步的學生。下課前另外一件重要的工作，就 是提醒下週教學的進度與作業內容，讓學生心理上有準備，學習進度不至於延誤。

陸、學習單

正投影視圖作業

班級 101 座號 1 姓名：_____王小華

立體等角圖作業

班級 101 座號 1 姓名：_____王小明

電腦繪圖作業

班級 101 座號 1 姓名：_____丁小蕙

電腦繪圖作業

班級 101 座號 20 姓名：_____王小明

材料加工練習作業

班級 101 座號 1 姓名：_____王小明

1.請用圓規與直尺作圖說明，如何繪製直徑 7 公分的正六邊形，尺寸與角度可以較為精確？

下面提供兩種正六邊形的畫法，第一種為內接六邊形的畫法（下圖左），另一種為外接六 邊形的畫法（下圖右）。

內接圓六角形，可用圓的半徑，將圓周六等 分完成。

外接圓六角形，可用 30°、60°、90°的三角板，

與圓周相切後，切線連接完成。

如果要分割對稱且精確，可以先將通過圓心的直徑線畫好，再同時分割圓周的兩邊，畫 出來的六邊形會更為精確。

2.請說明壓克力材料與密集板在加工上的差異？

壓克力材料質地較堅硬，具有熱塑性質，鋸切時的磨擦熱會將材料融合，因此經常容易 發生鋸條被黏住的困擾，造成材料或鋸條斷裂。為了避免這種情況發生，使用線鋸機操作時 可經常將鋸條向後空鋸，藉此散熱。如果使用手鋸方式，則可於鋸條上塗抹粉筆灰或蠟，幫 助排屑，則不易產生鋸條被夾住的困擾。

密集板材料質地較軟，易磨好鋸，但是容易產生粉塵，如果大量或長時間操作，最好配 帶口罩。

柒、教學祕訣與補充資料

知識小塊 1 透明壓克力箱與白板筆教學法

透明壓克力箱是教授學生了解正投影概念的理想教具，利用容易擦拭乾境的白板筆，對 照擺放在壓克力箱內的實物說明。使用時，可將物體的邊緣輪廓線繪製在圖面上，一個步驟 一個步驟說明。且由於觀看時，是先看到投影面，再看到實物，正好屬於第三角投影的方法，

符合國際上 ISO 的規範，與 CNS 的國家標準。

實物模型擺放在透明壓克力箱內的觀看方法（正前方）。 將輪廓線畫好後，可以展開說明視圖的擺放位置，與 前視圖與俯視圖應等寬，前視圖與側視圖應等高，視 圖彼此的對應關係。

對應透明壓克力箱的正投影展開方法 第三角投影的方法(ISO 與 CNS 的標準畫法)。

知識小塊 2 手繪圖教學投影片

相關投影片可至學科中心網站下載 http://203.64.161.12/index2.htm

知識小塊 3 3D 數位模型

透過 3D 軟體可以即時呈現說明物體的輪廓線、投影面（下圖左），利用半透明顯示模式，

可以解說隱藏線的概念（下圖中），利用 2D 圖輸出的指令，可以解說正投影視圖的規範（下 圖右）。這樣的教學操作，除了便於教師授課時的講述，學生也更容易瞭解正投影的概念。

3D 模型可顯示清楚的輪廓線，透 過旋轉、放大的操作，可多角度的 觀看與解說。

3D 模型可用半透明顯示方法，方便 說明視圖的隱藏線。

利用轉換 2D 設計圖的指令，可用 來比較第一角投影法與第三角投影 法的差異。

本教材提供 8 個簡單的 3D 模型檔案（如下圖），讓需要的老師參考。可至生活科技學科 中心網站下載

知識小塊 4 2D 繪圖用木模型

對於第一次接觸畫工程設計圖的學生來說，正投影的概念是頗為困難理解，尤其目前學 生在國中階段的生活科技，課程時數極為有限，可能會有將近半數的學生沒有學習過；卻有 部份學生學習過；如果老師不處理各別差異極大的情況，可能會有半數的學生挫折感會很大，

另外半數的學生會覺得課程無趣。所以個人教學的理念是將 2D 繪圖的課程簡易化，不必花 費大量的時間，要求學生在繪圖的工程規範上學習，只要概念瞭解，許多繪圖操作的教學，

在電腦輔助繪圖教學的活動，學生自然可以學會，不過額外造成教與學，師生雙方面的負擔。

2D 繪圖用木模型，需要設計為有明顯輪廓線，有斜 面有圓弧面的不同模型，注意隱藏線部位，如果有與 輪廓線重疊，或有高低落差，需要能明顯辨別，方便 學生觀察。

教師可在模型上貼上標簽，說明前視、俯視、側視的觀 看方向，讓學生的答案有相同的觀看角度，避免改圖時 每位學生有不同角度，造成教師繁重的負擔。

若是以 1 節課的練習時間為例，大約要求學生完成四 個模型，12 個視圖，較為適當。可以不必要求比例與 線條的精準，只要投影概念的重點掌握，視圖擺放位 置正確，應該就是高中學生適宜的標準。倘若要求專 業標準，繪圖教學的技巧，勢必耗費許多寶貴的教學 時數。

教師可以準備一張標準答案的海報，練習結束即可立即 公佈答案，讓學生在印象深刻的當下，知道那裡是自己 不會或畫錯的地方。立即對正的效果，會比隔週上課再 對答案的效果好，學生較容易進入狀況。

知識小塊 5 立體圖教學用木模型

本教材在立體圖繪製教學的模型教學，以等角圖的繪製教學為主，採用 1:1 的實物測量方式 繪製，一方面可以讓學生了解繪圖需要有比例概念，且透過測量的方式，配合 120°等角軸的 對應，容易了解 XYZ 方向關係，更快學習正確繪製等角圖。

另一方面，學生以 1:1 的方式繪製等角圖，則答案必然應該一樣，評分時只需要用透明 片繪製一標準答案，再對看看學生的作業，立即可以知道繪製是否正確，減少評分的工作負 擔。

3D 繪圖用木模型，需要設計成公分整數的尺 寸，方便學生測量。

要求學生使用游標卡尺或鋼尺測量，採用 1:1 的比例畫等角圖。除了學習繪圖要有比例概念

，另一方面也較容易學習等角圖畫法。

正確的等角圖答案 評分用的透明片，可對應再學生的答案上，方 便教師評分。

等角圖教學的畫圓方法，教師可用矩形法畫橢圓與四心法畫橢圓方式教學，雖然都只是 一種近似橢圓的畫法，不過相較其它方式簡易，不必計算或使用橢圓規板。下列為各種橢圓 的畫法說明：

（1）真實橢圓的畫法

需要固定 2 個橢圓的焦點，用繩子將筆固定距離與位置，環繞一周畫出橢圓。

（2）矩形法畫橢圓

在等角投影平面裡，圓會投影成「橢圓」，下圖左。假設正投影的圓圖形，有一個「外 切矩形」。這個矩形在等角投影平面裡，會投影成一個「平行四邊形」。先繪出這個平行四邊 形，四個邊的中垂線交點就是橢圓的頂點。接下來，即可依照橢圓的標準畫法，繪出這個橢 圓，下圖右。

（3）四心法畫橢圓

1. 以 OB 為半徑，O 為圓心，畫一弧與短軸交於 1 (第一個心)。

2. 在垂直軸上取一點 C，連結 BC。

3. 以 C 為圓心 C 1 為半徑畫一弧交 BC 於 2 (第二個心)

4. 做 2B 中垂線交垂直軸於 3 (第三個心)，交水平軸於 4 (第四個心) 5. 另一邊，重複步驟 1-4 之中垂線繪製

6. 則分別以 4 4¹為圓心，4B 為半徑畫小曲率半徑之圓弧

7. 及分別以 3 3¹為圓心，3T（相切小圓半徑）為半徑畫大曲率半徑之圓弧 8. 此四個圓弧即為近似橢圓(紅色線條)

知識小塊 6 量具製作與檢驗公差方法

公差與配合是產品或機械零件精密度的檢驗標準，一般來說公差若是訂得比較小，則配 合會較精密，此時加工就會比較花費時間、要有更高層次的技術，或是要用更精密的機具來 切削，因此成本會提高。相反的，公差若是訂得比較大，則配合會較寬鬆，此時加工就節省 時間、不需要高層次的技術，也可以使用較傳統的機具來切削，因此成本可以降低。一般常 用設計上把公差精度分成 16 級，等級號數越小，代表精密度越高，不同的設計場合，有不 同的公差精度要求；下表是各種加工方法能夠產生的公差精密度的示意圖：

本教材是以高中學生手工作業的能力，制定適當的公差範圍，以小於或等於 1mm 為標準，

檢核的方式以採用 1mm 粗細的不鏽鋼絲量測，若作品放入量具內，鋼絲可以輕易放入任何一 處空隙，則代表超過標準公差，需要重新製作一片。要求學生將尺寸公差製作在標準範圍內，

是加工技術的學習之外，更重要的意義在於工作態度情意方面的學習。

六角型材料加工練習作品與檢測量具，左上為木板部 份的標準量具，左下為 CNC 切削的壓克力部份的標 準量具。

檢查作品配合公差的辦法，採用直徑 1 公釐的鋼針，

假若容易放入任一處空隙，即為不合格的作品，可要 求學生重做一片。(圖片中六角形的公差為 70mm -0 至 -1，內接圓六角形)。

學生製作的次數可以用顏色來區分，第一次用透明

（鑽石片），第二次用紅色（紅寶石），第三次用綠色

（祖母綠），第四次用淺藍色（海藍寶），用寶石等級 來暗示成積的標準會不同，提醒學生細心加工的重要 性。

測試用標準片，可委託廠商帶為施工（台北市興城街 一帶有很多家），以壓克力材料為例，加工工資應該幾 百元左右（合理價位），製作一片，可以使用很多年。

1 施純協（民72）：做中學。台北市：文笙書局。