創新先導計畫-PBL課程

國立臺北科技大學機械工程學系 張敬源 助理教授

機械設計 4學分 修課人數 70人

個別課程實際執行內容

本課程採用問題導向式學習(problem-based learning),引導學員自行設計並實作仿生獸,通過S型、高低坡、障礙關卡,並讓學員依循課程內容學習扭力設計、曲柄設計與實作、齒輪選用、連杆設計、馬達選配、插銷選用、連杆設計、3D列印、雷射切割,逐步建置期末展示之作品。本課程結合理論與實作,並於課程前期發放教師版仿生獸,引導各組學員討論開放式議題,並鼓勵學生自主發想及動手實作,建立查核點,逐步完成期末小組成品。



課程目標

本課程由力學理論出發,講解正向應力、剪切應力、莫爾圓、安全係數、電腦輔助製圖、3D列印、齒輪模數計算、標準齒輪選用、雷射切割、馬達傳動、無線遙控、藉由實作結合理論計算,使用標準元件設計仿生機構,並通過S型,高低爬坡等障礙關卡,並以通過時間為考核依據。

跨領域學習及實作教學設計邏輯

本課程包含PBL教學,更涵蓋STEAM教育理念,由科學(Science),技術(technology),工程(engineering),藝術(art),及數學(mathematics)組成,引導學生由力學理論出發,運用電腦輔助製圖選用標準元件,自行選配齒輪模數、設計機構並使用3D列印、雷射切割、機械工廠車床加工、興城街採購培林及及實務組裝,讓學生可以整合理論與實驗,並完成實際的障礙測試關卡,同時製作簡報影片,並配合心智圖、甘特圖、SWOT表、BOM表,爆炸圖,並以google slide多人同時編寫投影片,以google form建立小組互評表,確實分工,並由敬邀北科機械張敬源老師、臺科機械林柏廷老師、臺大機械陳志軒老師擔任評審委員,進行考核。


圖一 教師版仿生獸零件配置與組立實體圖

.參與學生組成與教學內容進度

本課程修課學生主要為機械三乙,部分來自機械三丙及大四同學。學期初由10名積極參與的學生擔任小組長,並進行為期8週的課後3D列印、雷射切割、機械加工訓練。正課時間由敬源老師教學力學理論、設計原理、機械標準元件選用及精密製造組裝。第10週(期中考後)使用電腦亂數分組,各組配發一隻標準教師版仿生獸,由組長與組員討論現行設計之優缺點,並引導修課學生著手設計學員版仿生獸,藉由繪製心智圖建置工作事項,規劃甘特圖安排進度,使用SWOT圖分析優缺點,產生零件組裝圖(BOM表),並運用北科大機械工廠,自足生產各組仿生獸所需要的零配件,再於課後進行組裝,同時各組於查核點進行小組簡報,分享當前進度及遭遇困難點,並由學員們提出建議及改善方針。


圖二 修課學生進行仿生獸機構車削加工及雷射切割加工

教學人力配置(請說明參與教師、業師、教學助理等教學人力協助課程推動角色及任務)

本機械設計課程亦著重教師於業師之間的意見交流於事務回饋,在課程執行期間邀請中興大學劉建宏教授、臺南大學林大偉教授、工研院量測中心李浩瑋研究員、北科能源系顏維謀教授、中正大學蔡孟勳教授、臺科林柏廷教授及光寶科技羅世凱工程師蒞臨指導。針對進度規劃、人力配置、機構組裝、資源分配、實務瓶頸進行討論與意見交流,並逐步轉換為學生的教材養分。l


圖三 (左)中興大學劉建宏教授、臺南大學林大偉教授、工研院量測中心李浩瑋研究員、
北科能源系顏維謀教授蒞臨指導(右)中正大學蔡孟勳教授蒞臨指導


圖四(左)臺北科技大學林柏廷老師蒞臨指導(右)光寶科技羅世凱工程師蒞臨指導

學生學習成效評量方式

本課程學習成效評量方式主要由(1)隨堂小考及作業心得、(2)期中考、(3)期末展示、(4)期末簡報組成,各項評比各佔25%。本課程之成績係使用Google Sheets公佈即時成績,根據學生信箱控管檢視權限,唯修課學生可以調閱修課資料,學員於修課期間即可知悉個人的學習狀況,且僅顯示學號不顯示學生姓名,以保護個人隱私。本課程大量使用Google雲端系統,使用Google slide編輯投影片,可供多人多工同時進行編輯,並在投影片頁面簽署名字,以示負責及併入個人積分;使用Google Form收繳作業,讓學生可以使用電腦或是手機繳交作業,增加學習興趣;使用Google Sheets 即時公佈成績,並根據公式計算學生期末成績;使用Google Docs 寫課程大綱,即時更新教材與內容;使用Youtube展示學生的期末成果,並進行技術傳承交接給下一屆學弟妹。


圖五 修課學生進行小組討論

請說明面臨困境及解決對策(可從學生學習、師資、學校行政、教學及學習資源等面向說明推動過程遭遇困境及解決策略)

敬源老師心得:

本次課程使用北科計資中心提供之桌面軟體雲系統,敬源安排助教預先建置Autodesk Inventor系統可供70人同時上網使用此軟體,並逐步拓展到機械設計成品模擬。相較與現行之小班制PBL教學,北科機械的機械設計PBL共有70名學生同時進行,共分為10組進行實作,耗費大量人力物力,感謝各位教育部與北科教務處於課程初期提供人力物力協助,敬源亦陸續整理本學期資料,成為後續開設機械設計課程之教材投影片及網頁,並期待各單位持續實質支持本課程,深耕北科特色教學。


圖六 敬源老師建立Youtube教學頻道

圖七 以Google form建置作業提報單


圖八 以Google form建立小組互評表,完成組內評分機制


學生1心得:

一學期的機械設計課程轉眼即逝,想當初開學時對於課程的羞澀陌生,到現在對於整體課程的了解,雖然只有短短的一個學期,但從中卻能學習到許多的實務經驗及技巧。這次的機械設計課程主要是以PBL問題導向式學習的方式上課,讓平時理論多於實務應用冷冰冰的課程,得以換做另一種形式呈現於我們眼前。然而,本學期因為第一次開設如此的課程,故先以「仿生獸」作為本次主題,讓我們得以將理論的知識以實作的方式呈現,如此對於同學們確實是一大利多,且同時也能增進同學們的學習意願。本次的課程中,我主要是擔任小組長一職,對我而言這是一種新的挑戰,因為小組長在這學期中每周都有新的進度要做,不僅要讓小組員們了解本課程的目的,同時也須讓組員們對於我們這組產生一定的認同感,如此這般,至目前為止過程都還算順利,那也感謝這學期組員們的配合,願意每周三花點時間在實驗室開會,一起完成進度報告,在討論時大家也願意提出自己的意見,讓開會更能順利進行。而我們這組的螃蟹仿生獸,也因為如此才能在一、二周內快速地完成及組裝,在整體設計的過程中也學到了不少設計小常識,像是在前期圖面設計時就該注意到機構干涉的問題,抑或是提早規劃組裝的工序流程等等,否則設計出的仿生獸只能看而不能實際作動。  最後,在此感謝老師這學期對於這堂課的付出與努力,讓同學們得以從中學習新知,同時讓同學們提早體驗大三下的專題實作生活,不過這種生活還真不是平常人能過得起的,尤其是在做報告時,一忙起來就是一、兩天,甚或是一、兩個禮拜,不過能預先了解如此生活,我想對於尚未開始製作專題的我們是一件好事,如此能免掉一些不必要的阻礙,讓事情順利完成,謝謝老師及第五組蟹堡王的組員們,因為有你們,課程才能如此順利進行,謝謝。

學生2心得:

這次的機械設計課程是屬於偏向實作的,對於以前的課程除了中等材料力學有親手做過吊橋之外,其他的課程都是老師講解課程,學生回家套公式計算,並且考試,雖然這樣子不用算那麼多的數學和背許多的公式,但是在製作仿生獸的過程中需要花很多的時間和心力,而且因為是以小組為單位進行,沒辦法所有人都可以在同一時間聚在一起討論,這樣子也會有許多的不方便。仿生獸從一開始的設計到最後製作出來非常的麻煩,不過因為老師有提供一支初版的仿生獸給大家做參考,讓大家有一個方向去進行思考,而不是毫無頭緒。理論上的仿生獸和實際做出來有許多的差異,即使在繪圖軟體上方生獸能夠非常順利的進行模擬移動,但在裝配時像是軸承、插銷、黏著劑、墊片等等都需要納入考慮裡,也許因為少思考了某一項東西就會造成仿生獸的實體無法順利移動,甚至是造成干涉導致故障,有許多無法確定的因素在,因此設計圖也需要不停地做更改,雖然製作仿生獸很麻煩,但是能夠把在課堂上所學到的理論應用在實作上,這樣子對於理論就不再是考完試就忘記而已,而是會深刻的記在腦海裡,而且對於理論也不是一知半解,會了解到在甚麼地方需要用到甚麼樣的理論,我覺得這就是實作最大的好處,老師這樣的教課方式是一大突破,因為現在跟以前已經不同了,時代在進步而我們也需要跟著進步。


學生3心得

這課程讓人收穫不少,第十一章的齒輪理論讓我了解到許多有關齒輪的知識與概念,原來平常看似平凡的齒輪組合,其中卻蘊含著各式各樣的理論,透過這些理論基礎的建立,讓我們在設計機械時可以有更多的理論參考與應用;然而,在課堂的最後,各小組仿生獸的報告也是非常的精彩,我發現第十組對於整體仿生獸研究的滿深入的,投影片的內容也同樣得很豐富,那也感謝老師與同學們分享Google的創新投影片製作法,看著老師在課堂上生動的講解,讓我也想趕快實際動手下去做看看,想必透過網路豐富的資源,做起投影片來也會快樂無比。

學生4心得:

甘特圖及心智圖期初要先出來 、進度查核點、抓預算表、理論課程再少一點、學生目標是做出能過關卡還是真正仿出生物?


學生5心得:

關於我們組內的構圖,一直都是由我來完成的,起初我從老師的檔案中下去修改,卻發現可能因改一個尺寸而動到其他東西,等於需要全部重做,於是我研究了很久,最後自己以老師的檔案為基礎,下去重新建了一個模,來完成我們這組所提出的改善。雖然當初出現了很多問題,包括如何組裝,如何繪製,我都是從老師的組合圖中去一一了解,最後才完成了現有的進度。也是因為我先從老師的檔案中去了解,所以上一次的實體組裝,我們是最快組裝完畢的組別!雖說之後可能會因為負載、馬達、齒輪或是等等各種因素出現了問題,而再次大變動我們現有設計的成品,但我想只要我們一起努力,都是可以跨過這些困難的。對於設計結構方面,我可能不是那麼擅長也沒有那麼強,這部分會由其他組員完成,我所能做的,就是在最短的時間內把組員設計好的東西轉成工程圖、立體圖,加快我們的進度。最後也希望我們最後做出來的仿生獸可以正常的運作。




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圖九 學生期末實作的仿生獸



圖十 后厝國小實地教學

《更多心得請洽張敬源老師》




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