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作者:蔡宗成(2003-06-02);推薦:徐業良(2003-06-06)
附註:本文為申請行政院國家科學委員會九十二年補助科學教育研究成果應用推廣計畫計畫書。

機械設計e-Advisor之建置

1. 研究計畫背景與目的

1.1 歷年研究計畫之成果概述

本計畫主持人長年投入大學機械工程教育之研究與教學,歷年來曾主持國科會科教處計畫如下:

l          國科會科教處與教育部合作目標導向計畫─建立問題「解決模式」之大學機械系基礎實作課程,NSC89-2511-S-155-002-X3,執行起迄:20000801~20011231

l          飛機飛行原理解說科學實驗設計,NSC87-2517-S-155-003-,執行起迄:19980401~19990731

l          機械工程設計教育創意培養研究及網路教學環境之建構─子計畫一:機械設計課程創意教學模式研究與創意實作教學環境之建構,NSC86-2512-S-155-002-EE,執行起迄:19970401~19980731

l          機械工程設計教育創意培養研究及網路教學環境之建構─機械工程設計教育創意培養研究及網路教學環境之建構:總計劃,NSC86-2512-S-155-001-EE,執行起迄:19970401~19980731

l          大班教學環境下,大學機械設計教育對學生創造能力培養的研究與評估,NSC84-2511-S-155-002-,執行起迄:19940801~19950731

計畫主持人歷年來研究計畫,係以大學機械設計教學培養創造力之研究以及創意實作環境之建構為主軸。機械設計課程在大學機械工程教育中有相當關鍵的角色,是一門讓學生將其在各項課程中學習到的專業知識,加以總和應用的整體性的課程。實際從事機械設計時,設計者所要包涵的知識範圍實在太廣了,機械設計的課程中到底應該包括哪些內容,本身就是一個相當值得研究的問題﹔另外個人深深感受實際從事機械設計時的許多重要元素,例如設計方法、設計經驗、創造力、團隊合作,實在是課堂上很難“教”的,同學們必須在實際的設計經驗中自行學習,一般課程“講課-作業-考試”的方式,恐怕並不見得適合機械設計課程。

計畫主持人歷年的研究中,主要提出了以“為同學們建立一個「機械設計工具箱」”的概念規劃機械設計課程內容,側重廣度而不強調深度,重視應用而不強調理論,使機械科系的同學在機械設計這一門課中,能夠接觸到各類不同的設計方法與設計工具,並獲得正確的基本觀念,以便日後從事機械設計工作時,了解有哪些設計方法與工具可以使用,能夠正確地使用這些設計工具,並且也能有足夠的能力能夠自行深入探索。

在機械設計教學方法與教學環境的建立上,計畫主持人歷年的研究中也提出了以「問題解決(problem solving)」為核心的教學模式,提供學生大量的「小型設計實作計畫」,在每一個設計工具介紹完畢後,讓同學有實際利用這個設計工具的機會,且提供同學獨立思考的機會和創意發揮的空間,並且從設計的經驗中學習設計的程序與方法,體會到創造的喜悅、和與他人合作的經驗。

計畫主持人歷年研究成果除發表在相關學術期刊及研討會外,並撰寫成為「機械設計」教科書,由全華圖書公司發行,目前正在進行二版。除機械設計課程外,計畫主持人四年前開始擔任元智大學機械工程學系系主任,便開始把「創新實作」的理念推廣至全系所有課程,推動全系專業實習與學士論文等制度,建立本系大學部人才培育特色,同時並擔任國科會科教處機械工程教育在知識經濟衝擊下的改革」(NSC 90-2511-S-155-005-)三年期整合型計畫共同主持人。

國科會科教處補助科學教育研究成果應用推廣計畫,主旨在推廣國科會補助之科學教育研究成果,將其編成專書或製作光碟,以落實應用於學校教育實務中。但個人認為除專書、光碟之外,網際網路應該是更好的推廣、傳播媒介,因此本計畫「機械設計e-Advisor之建置」,便是希望整理歷年研究計畫的成果與心得,包括機械設計與創意思考相關教材、教案,以及設計應用實例等,在網際網路上建立成為機械設計之“e-Advisor”,隨時提供大學機械學生,甚至一般機械工程師在機械設計方面的專業資訊與諮詢。建置完成之內容,也可以隨時燒錄成光碟形式推廣、應用。

1.2 機械設計e-Advisor之建置

通訊及電腦網路技術的發展,改變了現代人類生活的形態,也改變了許多產業經營的模式。利用網路技術的確產生了許多新的可能性,以大學為例,遠距教學、網路教學、電子圖書館、校務行政電腦化等各種想法都逐步在實現,所謂電子化學校、網路大學如University of Phoenix的經營,已經成為大學經營運用網路技術的良好範例。

然而大學的價值絕對不僅僅在於課程的提供,對於電腦網路技術的應用也應該進一步超越資料的保存與檢索,以及行政管理的層次。大學是產生知識、傳播知識的場所,所謂「知識經濟」的時代已經來臨,大學將是知識經濟時代中最大、最重要的知識產生與供應者,大學所能提供最重要的服務將是「知識服務」。近幾年來網路的服務已經成為重要的產業,有相當多提供網際網路服務的公司或組織(Internet Service Provider, ISP)紛紛成立。ISP主要可以分成三個不同類型,底層是網路通路的提供者(Internet Access Provider, IAP),中層是網路平台或應用服務的提供者(Application Service Provider, ASP),再上層則是網路內容的提供者(Internet Content Provider, ICP)ICP所提供的內容,可能有數據(data)、資訊(information)、和知識(knowledge)三種層次,數據的本身不具意義,一群相關且具有目標的數據則稱為資訊,當資訊經過保存及思想的洗滌後才成為知識。

從以上各項討論,我們可以看出大學應該拓展經營管理的面向,從實體大學到網路大學,從網路教學內容的製作,到知識完整的建構與呈現,構思如何應用網路技術讓大學成為「知識服務供給者(Knowledge Service Provider, KSP)」。本計畫建立之機械設計之“e-Advisor”,也便是希望成為機械設計教材的KSP

知識大致可以分為兩種形式,一是可以用文字、圖形等描述的知識,在本計畫中這類知識展現的格式,顯然就是各種文件,在此我們稱作「知識文件」。另一類知識則是比較無法描述的,如過去的經驗,要在特定的問題發生或處在一特定的情境之下時,才會從過去的經驗中搜尋類似的問題和情境及其解決的方式。在本計畫中這一類知識的保存或呈現,如研究進行的方法,實驗執行的方法,產品開發的步驟等等,需要靠以“執行程序”或“思考程序”為主軸的導引性網頁的建置,也就是此處所謂“e-Advisor”

整個工程設計的程序事實上是一個資訊需求密集的過程,如圖1所示,在Crabtree等人的研究中[Crabtree, et. al, 1995],一個設計工程師在設計的過程中花費在規劃工作、取得資訊、協商需求、支援/諮詢等資訊擷取的工作約佔了全部工作時間的48%,而實際用於決問題的時間則只佔了約29%的時間。因此若能利用資訊技術來減少此類工作所佔的時間,將可使設計者能有更多的時間來進行思考或解決問題的工作。

1. 設計工程師在設計過程各工作類型中所花費時間比例[Crabtree, et al, 1995]

由於網際網路所能帶來的如多點協同設計或網路線上協助等優點,網路上的設計系統近來也是發展的焦點之一。如Caldwell等人所建構的“WebCADET”設計決策輔助系統[Caldwell, 2000],便是將之前的經驗盡可能以模糊邏輯規則的形式加以記錄,如“若A大於某個值且B小於某一值則C必須減小或增加”等,使用者僅需接受引導輸入目前的設計和設計目標,程式便會依據現有模糊規則提供其所知最好的建議。Arnold等人所發展的“Internet Broker for Engineering Service (IBES)”[Arnold, 1999],則是利用使用者建立欲設計元件的STEP格式CAD檔案內所包含的設計資訊,利用外掛的CAD/CAE程式自動分析並根據資料庫中的標準元件資料,輸出最合適的結果,甚至可直接透過網路進行元件的採購。Seifert等人發展的“Engineer’s Tool Box, ETB”[Seifert, 2000],利用JAVA程式語言不受平台限制且具有較一般CGI程式(以perl語言或ASP為代表)更強大的繪圖運算資料保全設計彈性等特點,將許多工程上常用到的計算或模擬功能,放置在網頁上供人利用。

以上這些研究都是為了特定目的專門發展之系統,本研究則在建立以機械設計程序為主軸的e-Advisor,在儲存、管理各類知識及經驗的同時,引導使用者在機械設計的各個程序中,獲取相關設計程序、方法、工具等知識,以及過去相關案例之設計經驗,並提供線上的工程計算輔助和相關廠商、資源等整理或連結。

2. 研究方法

2.1 機械設計e-Advisor的網頁架構初步規劃

在機械設計e-Advisor的建構中,我們利用Ullman所提出的機械設計程序[Ullman, 1992]來定義工程師在設計程序中的需求,藉以架構機械設計e-Advisor的設計導引介面。如圖2所示,機械設計的程序可區分為三個階段,分別為決定產品規格、概念設計、及產品設計,每個階段的目的、工作分別簡述如下。

2. 機械設計的三個主要程序

(1)   決定產品規格(Specification Development / planning)

在設計的第一個階段,在組成設計的團隊後的第一個工作便是分析產品所要解決的問題以及產品的設計計劃。在過程中設計團隊工作主要是了解設計所要解決的問題以及設計計劃的規劃,最後並決定出產品的規格以做為日後設計的基準。

(2)   概念設計(Conceptual Design)

設計者在概念設計階段一開始要將設計要解決的問題細分為許多的子問題,而設計的工作便成為針對各個子問題找出合適合的設計概念,最後再將各個概念加以結合,並評估是否能達到設計目的。

(3)   產品設計(Product Design)

在最後的設計階段,設計者將會在所有合適的設計概念中找出最好的設計,並詳細訂定其空間配置、尺寸等,並製作原型進行測試,將此設計具體實現。

了解機械設計各階段的工作,並配合現有或可能建構之知識文件、設計資源、及導引程式,表1將機械設計e-Advisor在各設計階段所提供的設計輔助資源具體列出。知識文件類每個項目均包含有二種形態,一種是設計理論或工具的介紹,另一種則是此設計理論或工具的實際應用記錄。

1. 各設計階段所需設計協助項目表

設計

階段

設計

協助

決定產品規格

概念設計

產品設計

知識

文件

專利分析

問卷調查與分析

產品規格設定

產品計劃

概念設計

創意方法

模糊邏輯

類神經網路

設計評估

機械元件

電子與感測元件

自動控制

網路技術應用

結構設計

機構設計

幾何模型建構

最佳化設計

原型製作與測試

設計文件製作

設計

資源

專利查詢

國家標準查詢

 

元件型錄

元件廠商

軟體廠商

代工製作廠商

原料提供廠商

導引

程式

設計團隊成員分析

 

元件設計與選用

在「定義設計需求」階段中,知識文件協助項目包含有“設計需求定義”來說明此一階段的概念及一些常用的手法,另外“專利分析”、“問卷調查與分析”等類型的文件用以協助使用者進行設計資訊的收集及分析,“產品規格設定”文件引導使用者建立產品的規格,最後“產品計劃”文件則可以協助使用者提出產品的整體規劃。

在「設計資源」方面主要是針對設計資訊的查詢為主,“專利查詢”、“國家標準查詢”中,主要包含有線上的搜尋引擎連結以及有提供查詢服務的單位之連絡方式等。在這個階段的輔助程式部份引用Stanford大學於“Team based design development with corporate partners”課程中應用的“Team Role”程式。這個程式將會利用一系列的問題來求出受試者的心理素質,並找出在機械設計過程中受試者適合扮演的角色。

在「概念設計」階段中,在知識文件的部份包含有“概念設計”的文件,提供基本的法則及範例讓設計者參考。為了增加設計者提出設計概念的多樣性,此階段包含有“創意方法”、“模糊邏輯”、“類神經網路理論”等項目。而各子系統的概念評估則利用“設計評估”類型的文件來進行協助。

在「產品設計」階段,知識文件協助項目包括“機械元件”、“電子與感測元件”、“自動控制”、“網路技術應用”、“結構設計”、“機構設計”、“機何模型建構”、“最佳化設計”、“設計文件製作”等基本設計相關知識文件,以及線上的“元件設計與選用”引導程式,設計資源則提供“元件型錄”、“元件廠商”、“軟體廠商”等採購上的支援。最後在原型製作上,e-Advisor提供“原型製作與測試”知識文件輔助,及“原料提供廠商”、“代工製作廠商”等設計資源。

機械設計e-Advisor的網頁架構初步規劃如圖3所示。

3. 機械設計e-Advisor的網頁架構初步規劃

2.2 知識文件的建立規劃

機械設計e-Advisor的建構最重要的工作便是底層「知識文件」的鋪陳,在做底層知識鋪陳時面臨的第一個問題就是知識展現的格式。知識大致可以分為兩種形式,一是可以用文字、圖形等描述的知識,這類知識展現的格式,顯然就是各種文件,在此我們稱作「知識文件」。另一類知識則是比較無法描述的,如過去的經驗,要在特定的問題發生或處在一特定的情境之下時,才會從過去的經驗中搜尋類似的問題和情境及其解決的方式,應用到目前的問題上來。這一類知識的呈現,則需要靠導引性的網頁的建置。

「知識文件」應被定義成包含某種形態的「知識」、可以獨立存在且被了解的完整文件。單獨一張工程圖、一幅實驗照片、一份問卷、或一個電腦軟體,如果沒有附加完整的文字說明,擷取到這份文件的使用者無法了解其中所要表達的知識,就不應該稱作一份知識文件。又如一份研究計畫書,整份計畫書的內容是獨立可了解的,其中計畫的背景、目的、文獻回顧、執行架構、預期成果等,都是撰寫人知識結晶,自然可構成一份知識文件,然而一些事務性的內容,如計畫主持人個人資料等,並沒有實質知識內容,則應在將計畫書儲存成知識文件時予以刪除。大學在教學、研究過程中產生的知識文件就工程領域而言,可以概分成以下幾類:期刊論文、會議論文、碩博士論文、課程資料、研究計畫報告、技術報告、產品、設備(包含軟體)說明、及其他。在KSP的伺服器中建立知識文件案卷時,知識文件也是依照這些類別來儲存。

儲存在KSP中的一份知識文件除了主體知識之外,還應該包括以下項目:

(a)    標題、作者、著作日期

此份文件如有後續編修者亦應一併註明。事實上一份知識文件被檢索出來時,其鏈結呈現的方式就是標題加上著作日期(最新編修日期)。文件標題提示文件內涵,讓使用者決定是否要鏈結進入這份文件,因此標題應對文件的內含有一定程度的描述,例如「簡介」、「文獻回顧」是不好的標題,而「網路大學研究簡介」、「網路大學研究文獻回顧」則是KSP中的知識文件較為適當的標題。

(b)   推薦者、推薦日期

在此資訊爆炸的時代一項很大的困擾是,網際網路上流通的資訊量不斷快速增長,對於資訊卻缺乏相對的品質控制。因此當知識文件被發表在KSP上時,必須有核准者對文件的品質負責,包括此份知識文件內容的正確性、是否足以構成知識文件、以及此份知識文件是否與此KSP專注的領域有相關性。

(c)    發表附註

標示此份知識文件是否有在其他地方發表,或者相關版權、使用限制等附註。

(d)   此份文件被取閱的次數

這個記錄與前述學術界廣為採用的”Science Citation Index”精神類似,一份知識文件被取閱越多次,可能也代表這份文件越受到重視。

(e)    在這個KSP中鏈結至此份知識文件的網頁

當此份知識文件被檢索出來,而使用者對其內容有興趣而想要進一步知道其他相關內容時,這項資訊可以讓使用者鏈結到KSP中有鏈結至這份知識文件的網頁,從該網頁上繼續搜尋其他相關知識文件。

目前本研究以Microsoft Word的格式儲存知識文件,Word格式是非常通用的保存文件的格式,且Word文件中亦可插入圖檔、影音多媒體檔、試算表等等。另外一項考慮,是知識文件的保存除了在KSP上被檢索、呈現之外,經過前述核准者核可的文件,以一標準格式表存在KSP的伺服器之中,同時也達成了知識的保存與管理的功能,這是對大學本身而言另一項重要意義。

知識文件建立流程如圖4所示,在組織中不同成員執行工作或研究過程中,許多經驗、知識、和相關的零散文件或記錄,這些文件或記錄平時便以知識文件範本的格式呈現。當此經驗、知識、或相關文件被組織的主管認為對組織有益,便會要求成員進行正式知識文件的撰寫,以保留相關的記錄及供他人參考。文件完成後便會交由組織的主管來進行審核的工作。

4. 知識文件產生的流程

知識文件在經過主管的審核、推薦後,便交由知識文件管理員進行進一步的處理,正式放入KSP的知識文件文案夾(archive)中。此時知識文件管理員的工作包含了(1)為了在e-Advisor網頁上展現所必需做的修改和建立連結,(2)PDF檔的製作,(3)文件的分類存放。

3. 預期完成之工作項目及具體成果

預期完成之工作項目分述如下:

(1) 完成機械設計e-Advisor內容項目規劃

目前本計畫書中已對機械設計e-Advisor內容項目做了初步規劃,本計畫首先將要繼續針對機械設計相關教學及實務需求,對機械設計e-Advisor應包含之內容項目做更完整規劃。

(2) 持續進行機械設計相關知識文件案卷(archive)的建立

本計畫建立之機械設計之“e-Advisor”,希望成為機械設計教材的知識服務供給者,最重要的工作項目是底層知識的鋪陳,此項工作必須長期、持續性的累積。產生的知識文件以教學相關的文件(Course Materials)為主,另外歷年研究計畫的成果與心得等相關的文件(Project Documents)、技術文件(Technical Reports)則是另外二個主要的知識文件類型。此外例如產品型錄收集與整理、零件廠商資訊與合作廠商的交流經驗等,也將藉由本計畫整理成設計資源,提供機械設計者快速獲得前人的寶貴經驗。

(3) 完成機械設計e-Advisor界面的設計

機械設計e-Advisor使用者介面,除直接依分類超鍊結至所需文件外,亦將建立全文的搜尋引擎,搜尋出知識文件庫中含有特定關鍵宇的知識文件。本計畫建構之KSP知識擷取介面的搜尋引擎將採用在“Microsoft Internet Information Server (IIS)”中所附的“Index Server

(4) 機械設計e-Advisor維護與管理機制之建立

較諸書籍或光碟的形式,以網路形式作機械設計e-Advisor之呈現,最主要的優點是其動態性,內容可以隨時修改更新,且可和使用者直接互動,但相對的後續維護與管理則必須付出較高成本。因此本計畫也必須規劃建立一套機械設計e-Advisor維護與管理機制,能長期性的維持機械設計e-Advisor之內容品質,並期望能融入日常教學、研究工作,能將機械設計e-Advisor作為長期性知識管理工作的一部份。

本計畫希望達成的具體成果,最主要便是完成網際網路上之機械設計“e-Advisor”,引導使用者在機械設計的各個程序中,獲取相關設計程序、方法、工具等知識,以及過去相關案例之設計經驗,並提供線上的工程計算輔助和相關廠商、資源等整理或連結。建置完成之內容,也可以隨時燒錄成光碟形式推廣、應用。

參考資料

Arnold, James Andrew, et. al., “An approach for the interoperation of web-distributed applications with a design model,” Automation in construction, v83, p291-303, 1999.

Crabtree, Robert A., Fox, M.S., Baid, N.K., “Towards an Understanding of Collaborative Design Activities,” submitted to special issue of the journal Research in Design Engineering, 1995.

Caldwell, Nicholas H.M., et. al., “Web-based Knowledge Management for Distributed Design,” IEEE Intelligent Systems, v153, p. 40-47, 2000.

Dahlstrom, D. A., “Industry and Engineering Education in the U.S.A.,” Industry and Higher Education, Vol. 10, No. 1, Feb. 1996.

謝其源,民85,機械工程整合性專題實作之規劃與落實研究,行政院國家科學委員會科學技術資料中心,NSC83-0111-S212-006