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作者:徐業良,黃宗正 (2000-05-24),核可:徐業良 (2000-05-30)
附註:本文為申請國科會八十九學年度「國科會科教處與教育部合作之目標導向計畫」計畫書。

建立問題「解決模式」之大學機械系基礎實作課程

十六、計畫中文摘要

關鍵詞:機械工程教育,問題解決,創造力

大學機械工程教育中,實作為非常重要之一環,落實在大學機械系教學中,便是工場實習、工程圖學、機械畫與機械工程實驗等四門基礎實作課程。然而國內各大學機械系,此類基礎實作課程之實施,普遍存在教學成效不如預期,及教學資源需求龐大兩項重要問題。究其原因,可能是這類課程目前以「技術練習」為主的課程定位,較不適合大學機械工程的教育目的。

大學機械工程教育中加強對學生的實作能力及創造力的培養,已經逐漸成為各大學院校機械系所的共識,元智大學機械工程學系也以「創新與實作」為大學部教學的重點特色。在進入二十一世紀的當口,創新的能力,可說是同學們面對未來快速變遷世界的挑戰所必須具備的,而創新更要透過不斷地實作來達成。這裡所謂的「實作」並不單指「技藝」、「技術」的養成,而是更廣泛地指「實際動手解決問題的意願與能力」。本計劃之目的便是在將以「技術練習」為主的傳統機械系基礎實作課程,轉變為強調經由實作培養學生「問題解決能力」的課程設計理念,同時鼓勵彈性的思考,創新的問題解決方法,並期望藉由實作過程中小組合作,培養團隊合作的經驗與能力。

十七、計畫英文摘要

Keywords: mechanical engineering education, problem solving, creativity.

Hands-on practice is very important in mechanical engineering education. In mechanical engineering curriculum, there are four fundamental courses that emphasize hand-on practice: workshop practice, engineering drawing, mechanical drawing, and mechanical engineering experiments. However, in the mechanical engineering departments of the universities in Taiwan, usually the teaching of these courses is not effective, while the resource required by these courses is very large. Currently, the goal of these courses is to practice techniques. This goal is not suitable for mechanical engineering education in universities.

Enhancing students’ creativity in mechanical engineering education has been widely accepted by the mechanical engineering departments of universities. The ME department of Yuan Ze university also emphasizes on “creativity and hands-on practice” in teaching. As we are entering the 21st century, the ability to create new things is necessary for the students to face the challenge of the rapidly changing world. Creation has to be achieved through hands-on practice. But here, “hands-on practice” does not mean practicing techniques. Instead, it means the willingness and ability to solve a problem. The purpose of this research project is to transform the aforementioned courses from traditional “technique-practicing” courses into courses that emphasize on enhancing students’ problem solving ability. These courses are expected to encourage flexible thinking and creative problem solving methods. Through small team projects, these courses are also expected to give students the experience and ability to do team work.

十八、研究計畫之背景及目的

本計畫是配合八十九學年度「國科會科教處與教育部合作之目標導向計畫」七項主題中,第五項「科學與技術創造力之培育」,之「提昇各級學校學生科學與技術創造力之研究」之研究重點所提出。目的是在研究、建立大學機械工程教育中「工場實習」、「工程圖學」、「機械畫」、「機械工程實驗」等的基礎實作課程之本土化教學模式,包括課程設計以及教學資源的整合,而以培養學生技術創造力為目的。本計畫的中心理念,便是希望將這些傳統上以「技術練習」為主要目的的基礎實作課程,轉化成強調培養「問題解決能力」。

以下即針對大學機械工程教育中基礎實作課程的現況與問題、本計畫認為這些課程應有的定位、以及本計畫對於改進這些課程的理念與做法詳細說明。

1. 大學機械工程教育中基礎實作課程之現況與問題

大學機械工程教育中,實作為非常重要之一環,落實在大學機械系教學中,便是工場實習、工程圖學、機械畫與機械工程實驗等四門基礎實作課程。此四門課程幾乎是國內所有大學機械系之必修課,且總學分數幾乎都佔各大學機械系必修學分十分之一以上,足見此類基礎實作課程對大學機械工程教育之重要性。表1即簡單整理目前國內各大學機械系在這四門基礎實作課程之現況。

1 目前國內各大學機械系基礎實作課程之現況

 

工場實習

工程圖學

機械畫

機械工程實驗

台灣大學

大一必修(2

大一必修(4

 

大三必修(3

清華大學

大一必修(2

大一必修(2

大三必修(2

大三必修(4

交通大學

大一必修(2

大一必修(2

 

大三必修(4

成功大學

大二必修(2

大一必修(3

大二必修(2

大二、三必修(3

中央大學

大一必修

大一必修

大二必修

大二必修

中山大學

大一必修(2

大一必修(2

大二必修(2

大三、四必修(3

中原大學

大二必修(2

大一必修(2

大二必修(2

大三、四必修(4

中興大學

大一必修(2

大一必修(4

 

大二、三、四必修(3

長庚大學

大一必修(2

大一必修(4

大二必修(2

必修(3

大同大學

大二必修(2

大二必修(2

大三必修(2

 

中華大學

大一必修(2

大一必修(2

大二必修(6

大三、四必修(2

淡江大學

大一必修(2

大一必修(2

大二必修(1

大三、四必修(3

然而在與各校機械系教授、系主任多次討論到相關問題時,發現在元智大學機械系,乃至於國內各大學機械系,此類基礎實作課程之實施,普遍存在以下問題:

(1) 教學成效不如預期

目前這些基礎實作課程的目標往往以「技術練習」為主,而這些基礎實作課程實施方式,大多是教師講授基本原理及操作方式,然後全班同學給定同一題目,按照既定過程完成此一題目。這樣的課程目的與形態和大學機械系其他一般以理論學習為主的課程差異頗大,以元智大學機械系現況看來,普遍的現象反而是同學們對這類基礎實作課程較不重視,相對來說同學更重視如工程數學、力學等理論課程,顯見此類基礎實作課程教學成效不如預期

(2) 教學資源需求龐大

各大學機械系對於基礎實作課程之教學均投入相當多的資源,包括機械工場、製圖教室、電腦教室、機械工程實驗室的空間、設備、維護、以及聘僱專職技術人員等等,這些基礎實作課程教學資源上的需求,也往往成為各大學機械系相當沈重的負擔。如何設計更為適當的基礎實作課程教學環境,將這些教學資源做最有效率的運用,也是這些基礎實作課程所面臨重要的問題。

2. 大學機械工程教育中基礎實作課程應有的定位

儘管這些基礎實作課程在國內大學機械工程學系必修課程中佔了相當大的比例,國內工業界對大學機械系畢業學生,普遍仍有獨立思考及實作能力不足之批評,且一般來說這些課程較不受到學生重視,究其原因,可能是這類課程目前以「技術練習」為主的課程定位,較不適合大學機械工程的教育目的。

大學機械工程教育中的基礎實作課程,其目的應與高工、專科、技術學院等技職體系學校的實習課程有所不同。技職體系學校機械科系的實作訓練的目的主要在於操作技術之熟練,使學生進入產業界時能夠具備純熟之技術,或日後可以考取專業技術證照。但大學機械工程教育中的實作訓練,主要目的除操作技術之傳授外,更應在透過實作能更深入了解並靈活運用課程所學,從實作中提升同學創造力、系統思考的能力、與解決問題的能力。這個基本的共識,在規劃、設計機械系的基礎實作課程時是十分重要的。

3. 在機械系基礎實作課程中強調「問題解決能力」的培養

大學機械工程教育中加強對學生的實作能力及創造力的培養,已經逐漸成為各大學院校機械系所的共識,元智大學機械工程學系也以「創新與實作」為大學部教學的重點特色。在進入二十一世紀的當口,創新的能力,可說是同學們面對未來快速變遷世界的挑戰所必須具備的,而創新更要透過不斷地實作來達成。

這裡所謂的「實作」並不單指「技藝」、「技術」的養成,而是更廣泛地指「實際動手解決問題的意願與能力」。本計劃之目的便是在將以「技術練習」為主的傳統機械系基礎實作課程,轉變為強調經由實作培養學生「問題解決能力」的課程設計理念,同時鼓勵彈性的思考,創新的問題解決方法,並期望藉由實作過程中小組合作,培養團隊合作的經驗與能力。

1是本整合型計畫架構圖,以總計畫「建立問題解決模式之大學機械系基礎實作課程」為核心,共有三個子計畫,子計畫一是「建立問題解決模式之工場實習課程」,子計畫二是「建立問題解決模式之機械工程實驗課程」,子計畫三是「建立問題解決模式之圖學與機械畫課程」。其中子計畫三中機械工程實驗課程,是針對本系新開設之「機械工程實驗III-量測與控制實驗」來作規劃。整合型計畫及各子計畫間的相關性詳述如下:

1 整合型計畫架構圖

(1) 機械系基礎實作課程共同之設計理念

經過與子計畫主持人多次溝通,本整合型計畫中各子計畫所規劃之基礎實作課程,已經形成共同之課程設計理念。如圖1外環所示,本計畫之目的便是在將以「技術練習」為主的傳統機械系基礎實作課程,轉變為強調經由實作培養學生「問題解決能力」的課程設計理念;開放式(open ended)小型實作計畫是工程教育中創意培養非常有效的一個方法[Faste et al., 1993],本計畫在課程實施上除原有之課程講授、基本技巧練習之外,亦將規劃開放式小型實作計畫,讓學生以課堂所學解決真實問題,並在學生解決問題程序中鼓勵彈性的思考、創新的方法、與創意的展現;最後所有課程執行相當比例採分組合作的模式,給予團體成績而非個人成績,培養同學與同儕共事之經驗,在課程活動中學習與不同專長、性格的同學合作,並面對團隊中少數不願貢獻或難以合作的同學。

當然課程上強調創新、創意,也絕對不是漫無方向、內涵,所謂「點子式創意」。Wales[1974]等學者對於這一類以小組設計、實作為核心的課程,提出了一套「導引式設計(guided design)」的課程模式,主要就是以有結構性的方式,引導學生一步一步應用課程上所學到知識,來解決一個特定的問題。Wales and Nardi [1982]進一步提出了十個步驟,來規劃這類導引式設計課程:敘述問題,建立目標,蒐集資訊,建議可能解答,建立限制條件,選擇解決問題路徑,分析解決問題所需因素,組合成問題解決方案,評估問題解決方案,提出建議。本計畫中各實作課程規劃方式,大體也將依循導引式設計的模式。

經過此課程模式後,學生創造力性向的評估,將採用MBTI心理測驗問卷,這份心理問卷是從”Please Understand Me: Character and Temperament Type”中所節錄出來的,這份問卷問卷的目的在於幫住了解個人在團體中發揮自我的才能的狀況,由團體中是否學習成長,是否能和團體順利相處,並了解個人於團體中其創造力發揮的程惡度。將這份問卷用於此計畫的目的,在於希望了解學生於這樣的課程中,其性向的變化,希望在學期剛開始-即課程開始時,先行對學生進行調查,並於課程中及課程結束時再做一次調查,將此次結果和先前的結果做比較,來了解這套教學模式對學生的影響。希望透過這份問卷,能幫助本計畫筆者獲得一份對於這套教學模式來說,較一般問卷專業且能實際了解學生狀況的資訊。

(2) 教學資源的整合與實作環境的建立

如前所述,大學機械系基礎實作課程另一項重要問題,就是教學資源需求十分龐大,往往是各大學機械系相當重的負擔,因此須作更審慎的規劃、整合,以期能提供更好的實作教學環境,發揮更大效益。如圖1內環所示,總計畫除須作好計畫的控管與協調之外,另外兩項主要工作便是教學資源的整合以及實作環境的建立。

在國內大學工程教育的實作教學上廣泛存在的問題是,在現行大班教學環境下,無論是在人力、環境、設備、或是經費預算上,很難提供完善的實作環境練習,特別是實作往往需要較大空間,而空間不足,已幾乎是各大學機械系共同的問題。實作課程的設計規劃時,就絕對必須顧及教學資源的問題,本整合型計畫總主持人,曾經主持國科會科教處計畫「大班教學環境下大學機械設計教育對學生創造力培養的研究與評估」,獲致具體的成果,並發表於美國工程教育學會(ASEE)期刊上[Hsu, 1998]。主要的觀點除教學資源的有效應用與共享之外,大學機械工程教育中的實作課程,在課程內容設計上不應倚賴昂貴的設備求得精密的結果,而應以透過實作培養學生系統思考的能力為目的。同樣的經驗與想法,也可以延伸到本計畫中。

在實作環境建立上,本整合型計畫總計畫的重要目標,就是規劃建立一個以實作教學為主的「實作教室」,不同於以課堂講授為主的一般教室,同時也與一般特定主題之實驗室或工場不同,此實作教室規劃上為一般目的(general purpose),可以適合於本整合型計畫各子計畫之基礎實作課程,以及其他實作課程。實作教室的規劃將在下一節中詳細敘述。

參考資料

Faste, R., Roth, B., and Wilde, D.J., 1993. “Integration of Creativity into the Mechanical Engineering Curriculum,” ASME Resource Guide to Innovation in Design Education, Cary A. Fisher, Ed., American Society of Mechanical Engineering, New York.

Hsu, Y.-L, 1998. “Teaching Mechanical Design to a Large Class: A Report from Taiwan,” Journal of Engineering Education, v 87, p 47-51.

Wankat, P.C., and Oreovicz, F.S., 1993. Teaching Engineering, McGraw-Hill, Inc.

Wales, C.E., Stagers, R.A., and Long, T.R., 1974. Guided Engineering Design, West Publishing Company, St. Paul, MN.

Wales, C.E., and Nardi, A., 1982. “Teaching Decision-Making With Guided Design,” Idea Paper No.9, Center for Faculty Evaluation and Development, Kansas State University, Manhattan, KS.

十九、研究方法、進行步驟及執行進度

1. 計畫執行流程

本整合型計畫執行流程如圖2,全期計畫預計以17個月完成。計劃執行可劃分為四個階段:規劃與準備階段、教學實施階段、成果展示階段、與評估及推廣階段。以下分別就四階段之工作進行方式及查核點加以說明:

(1) 規劃與準備階段

本計畫自八十九年四月開始進行規劃,這段期間最主要的工作就是多次召集本系各基礎實作課程授課教師(即各子計畫主持人),作教學理念上的溝通。在共同之教學理念形成後,便開始分工進行具體實施內容之規劃,針對各子計劃所負責課程之教學內容研擬改進方案,並進行研究計劃之撰寫,以及教學實施前之準備工作。分工上由總計畫負責實作教學環境建立,各子計畫則負責基礎實作課程之教案設計、教材編纂、教具製作等。

本計畫也將由總計畫負責建立並維護教學網站,將教案、教材等上網,提供同學更方便之資料取得與溝通管道,亦可提供校外人士作參考。本計劃預計自八十九年八月正式開始執行,除繼續完成前述教學準備工作外,總計畫並將負責各基礎實作課程之間教學資源的整合。本階段工作的查核點是完成教案設計、教材編纂、教具製作、及實作教學環境建立等教學前準備工作,並由總計畫作統一評估與整合。

(2) 教學實施階段

九月中學校開學,本計畫即進入教學實施階段。本計畫各子計畫負責的基礎實作課程,實施對象涵蓋機械系大一到大三的學生,且上下學期課程份量大約一致,如工場實習為大一上下學期連貫課程,工程圖學為大一下學期課程,機械畫為大二上學期課程,機械工程實驗為大三上、下學期均有獨立開設之課程。因此在課程實施上,要特別注重各課程之間的連貫性,且在上學期課程實施告一段落後,將利用寒假期間針對各課程之實施情況進行檢討與評估,子計畫之間相互溝通經驗,以上學期之實施經驗作為改進下學期課程實施之基礎,如圖2之查核點所示,如此形成一回授機制,以使實作課程之改進與實施能更趨完善。

(3) 成果展示階段

第二學期結束後,各基礎實作課程之實體成果,將由總計畫統籌辦裡教學成果展,可作為給予修課學生成績之標準,可增加同學對基礎實作課程之興趣與參與感,提昇本系同學創新實作的風氣,各課程授課老師也可相互觀摩,作為下一年度持續改進參考。

(4) 評估與推廣階段

本計畫最後將對計畫成效作整體評估,包括修課學生問卷評估、MBTI心理問卷,以及授課教師自評與座談,了解此創新教學模式學生的反應與接受度,對於學生創造力培養的成效,以及教學資源利用效率是否有顯著提升等,並期望能進一步改進。有了一學年實施經驗後,應對本課程建立之教學模式作長期實施之規劃,同時更深入探討如何將此課程模式推廣到本系其他課程,以及其他大學機械系。本計畫預計在九十年十二月結束,查核點除了完成結案報告外,本計畫所發展的教學模式,在各基礎實作課程亦將完成長期實施之準備。

2 計劃流程圖

2. 學校之支援

本整合型計畫中,總計畫除了前述各項統籌性工作,以及子計畫之間的溝通協調之外,另一項非常重要的工作,就是研究如何建立一個以實作為中心訴求的教學環境,能夠提供各子計畫的實作上的教學需求,並且能充分達到教學資源共享,有效率運用教學資源。

本系目前設置有圖學教室,提供同學們在進行製圖時所需之製圖桌、繪圖儀具與工作場地,但此類專業教室由於使用目的受到限制,導致利用率不高,空間資源未能有效運用。配合本計畫的進行,本系將投注大筆修繕及設備經費,全面改建此圖學教室成為多功能的「實作教室」,可以適合於本整合型計畫各子計畫之基礎實作課程,並能支援更多實作課程,發揮其最佳的效益。

(1)「實作教室」設計需求

本系以「創新實作」作為大學部教學重點,重新規劃設計後的圖學教室,亦將定位為「機械系專業實作的多功能教室」,不但能夠繼續作為圖學教室使用,還可以提供給各種課程作為小組實作、小組討論,或小型實驗的場地。在這個規劃方向下,我們希望改進後的教室必須能夠具備下列所述的功能:

a. 作為工程圖學與機械畫課程的實作練習教室

此教室仍可作為子計畫二中大一工程圖學課程手工製圖教室,此外,此教室還可以與系上的電腦教室結合使用,配合子計畫二機械畫課程電腦繪圖的實施。

b. 作為使用小型設備的實驗課程進行場所

實驗設備較小且可移動的實驗課程,如子計畫三的機械工程實驗III,或子計畫一工場實習之成品組裝,可在此教室進行。

c. 一般課程偶然需要的實作教室

在強調創新與實作的教學之下,本系許多課程在平常課堂講授之外,有時也有實作的安排,本教室可在不固定時段,以預約方式供這些課程進行實作。

d. 可作小組討論、口頭報告、或專題演講場地

本教室內設置多媒體設施,可提供作為子計畫一中工場實習課程實作小組討論、學生實作成果口頭報告、會議、或專題演講之用。

(2)「實作教室」規劃構想

「實作教室」之規劃是以因應同學們小組實作的需求為主要考量,而非考慮教師單向授課的情況,故在佈置規劃上思考應與傳統以授課為主的教室完全不同。目前的規劃有以下特點:

a.   實作教室內將不設置製圖桌,圖學課程改為利用圖板供同學在製圖時使用,而教室內的課桌椅也不採傳統行列式配置,計劃在教室內設置6L型的工作群組(如圖3),每個工作群組又可再分為兩個工作小組(共計12個工作小組),工作群組型式的佈置方式能夠提供更佳的小組討論與實作環境。

3 實作教室平面配置圖

b.  實作教室配置上考量了教師、同學走動的動線。如圖4所示,此種配置方式在教室內形成3個互相連接且開放的空曠區域,此空曠區域不僅使授課教師可以非常容易地在同學之間走動,可使老師及同學間的互動增加,還能夠配合課程的實施作為實體展示之用。

4 實作教室動線圖

c.   將教室內原有之黑板保留,其周圍區域形成一討論區,供同學們作為彼此討論、平面展示與公佈課程相關事宜之用。

d.  每一工作群組配置一台電腦,除了在工程圖學、機械畫等課程配合多媒體設備作教材顯示之外,亦可供作須程式撰寫、測試,以及以微電腦作控制之實作課程使用。

e.   為配合課程實作實施時的儀器收納整理,於教室內設置儀器櫃,以收納貴重物品與特殊課程所需之儀器設備。共用性的工具、如圖板、電腦等則收藏在每個工作群組中。

f.    設置工作桌以因應特殊工作需求如電路焊接、小型材料加工等之進行。

(3)細部尺寸及色彩規劃

本教室共規劃座位60個,採用圓板凳式座椅,方便工作及走動。每一工作群組細部工作空間尺寸如圖5,在最多60人同時上課時、每位同學仍能享有充足的空間。實作教室希望能完全不同於傳統機械工場和實驗室,隨時能保持乾淨、明亮、專業,整個實作教室色彩規劃如圖6

5 單一工作群組尺寸與空間規劃示意圖

6 實作教室色彩規劃

(4) 「實作教室」建置經費需求

配合本計畫實施所建置之「實作教室」,經費需求經請廠商報價,預估需修繕費用27萬元,事務設備(桌椅、置物櫃、冷氣等)24萬元,教學設備(單槍投影、布幕、擴音設備等)28萬元,電腦設備21萬元(共6台),總計需建置經費100萬元。其中僅電腦設備21萬原擬由國科會計畫編列,其餘79萬元均由本系下年度預算配合支出。

3. 計劃參與人員

本整合型計畫總計畫與各子計畫參與人員如下:

總計畫:建立「問題解決」模式之大學機械系基礎實作課程

主持人:徐業良副教授

子計畫一:建立「問題解決」模式之工場實習課程

主持人:何旭川副教授,協同主持人:徐業良副教授

子計畫二:建立「問題解決」模式之圖學與機械畫課程

主持人:陳永樹助理教授,協同主持人:邱傳聖講師

子計畫三:建立「問題解決」模式之機械工程實驗課程

主持人:謝建興助理教授,協同主持人:邱傳聖講師

總計畫主持人徐業良副教授現為元智大學機械工程學系主任,並曾多次主持國科會科教處、工程處整合型計畫。元智大學機械工程學系以「創新與實作」為大學部教學的重點,系主任參與此計畫對於主導計畫方向進行,整合系所人力、空間、經費等資源有相當重要的幫助。

各子計畫主持人均為本系實際負責該項課程教學的任課教師,對於課程現況、困難、及改進方向,有最深刻的了解,計畫執行成功,也可立即實際落實在教

二十、預期完成之工作項目及具體成果

本整合型計畫預期完成之工作項目與具體成果簡述如下:

1.      建立大學機械工程教育中,以培養「問題解決能力」為核心的基礎實作課程之本土化教學模式

本計畫將完成建立大學機械工程教育中,「工場實習」、「工程圖學」、「機械畫」、「機械工程實驗」等的基礎實作課程之本土化教學模式,包括各種實作之教案設計、課程教材編纂、教具製作、以及實際實施效果的評估。本計畫並將藉由建置教學網站,將教案、教材、以及本計畫其他相關活動上網,除提供同學更方便之資料取得與溝通管道,亦可擴大影響層面,提供各大學機械系及校外人士作參考。

本計畫的完成,除立即直接嘉惠本系同學外,預期將為國內大學機械系基礎實作課程,提供嶄新的觀念與做法,對於大學機械工程教育中學生創新與實作能力的提升,必有極大貢獻。

2. 建立大學機械工程教育中,基礎實作課程教學資源共享模式

設備、空間、經費等教學資源不足,是目前各大學機械系推展實作課程普遍面臨的問題。實作課程設計規劃時,就絕對必須顧及教學資源的問題,本計畫預期建立一個基礎實作課程教學資源共享模式,並落實於多功能實作教室的建置,提供各大學機械系實作課程規劃之參考。