工程設計專題 (加深加廣)

課程簡介

工程設計專題製作是讓學生透過工程設計流程，包含：界定問題、蒐集資訊、發展方案、預測分析、測試修正、最佳化等，具體實踐設計製作產品的專題製作活動。本課程以車輛設計為主題，讓學生學習運用科技工具(科學實驗儀器 數位設計工具)，透過車輛原型製作，電腦輔助設計與分析，效能實驗，改善與測試等教學活動，學習工程設計的流程。

高中生活科技教學強調專題方式授課，專題活動是要能涵蓋多種學科知識(STEM 或 STEAM)，並整合其概念性或程序性的知識，協助學生發展理論導向的設計製作方法，透過工程設計以及科學探究的歷程，培養問題解決及設計能力。課堂中學生能透過探究、討論、實作等途徑，培養對於工程設計流程的認識，進而能應用工程問題解決的思維，解決生活中的科技問題。過程中，可以工程設計專題的方式，應用跨學科知識，針對特定主題進行設計與製作。如以Maker（自造、創客）為主題，應用機構與結構、或機電整合相關知識，發展自己有興趣的自造專題。

工程設計專題是跨領域整合的STEAM課程

實驗(一) 滑坡滾動阻力實驗

這個階段實驗是讓學生對於車輛設計的①界定問題與條件限制有基本的了解後，分析解決問題所應該思考的因素為何? 我們的條件是規範同一尺寸的車輛(長20公分，寬8公分，高10公分)，在相同的限制下，設計出最佳效能的車輛。設計的初期讓學生先②蒐集資料，藉由記錄車輛設計課堂筆記的方式，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，讓沒有工程基礎的學生，提供觀摩參考的設計資源，激發更多關於解決問題的想法，組織後續發展的學習鷹架。這個活動主題是讓學生能建構一個車輛實驗的載具，包括輪子與車軸底盤系統，學生可以設計不同的輪子大小和軸距的車輛，讓學生能透過探究實驗活動學習車輛動力學，並了解物理力學與工程學的關係。滑坡滾動阻力實驗室用最簡單的方法，測試車輛在滑坡道克服路面與其本身滾動阻力的條件下，能夠減少耗能達到運行的最佳效率。

課程目標

本課程之目標強調藉由工程設計的專題製作活動，提供學生跨學科知識整合的學習，並藉此發展在科技與工程領域的高層次思考能力。

1. 能了解工程設計與其領域相關知識

2. 能用工程設計模式設計製作產品

3. 能夠使用科學方法評估與判斷設計的決策

生活科技領綱 加深加廣選修 工程設計專題課綱課程目標

4. 理解科技、工程、科學及數學的互動關係。

5. 善用科技知能、創造思考，以及解決問題的能力。

6. 正確的科技觀念和態度，及對科技研究與發展的興趣。

7. 資源整合、計畫管理、有效溝通與團隊合作的能力。

8. 工程設計與進行探究實驗、分析與解釋數據的能力。

活動簡介

本課程用車輛設計製作的主題(如下圖)，讓學生學習工程設計的程序與方法完成專題製作，並透過科學化的數位分析工具評估與測試設計效能，活動設計採用探究實驗的歷程，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，包括科學與科技應用的跨領域整合，提供學生自主與自我學習知識的應用，深化工程設計思考與批判思考的能力建構，培育學生的科技素養，並提供高中學生未來大學升學的試探參考。

實驗(二) 流體分析模擬實驗

這個階段實驗是讓學生先提出初步的設計構想與③發展方案，避免未來設計不良與時間上的浪費，活動採用電腦3D建模與數位分析的方式進行，透過軟體(Autodesk Flow)將幾個自行設計的初步構想進行④預測分析。學生可以評估效能後在來後續的設計製作，引導學生針對車輛設計的問題背後之科學原理進行探究，這是工程設計在研發產品時的重要歷程，也是學生學習科學化的評估設計，和設計思考能力建構的關鍵步驟。這個階段學習電腦輔助工程（Computer Aided Engineering），主要用於模擬分析、驗證和改善設計。這裡學生要先完成車輛設計的3D模型，電腦才能用立體空間的數值，與物理擬真的環境進行模型的分析。

3D 繪圖教材資源 https://sites.google.com/site/dtshlifetechnology/dian-nao-fu-zhu-she-ji-zong-he-pian

空氣動力實驗軟體 Autodesk Flow https://www.youtube.com/watch?v=2RBOtd-Z8O8&t=18s

實驗(三) 風洞車身阻力實驗

車輛外型設計有較好的空氣力學設計，除了有助於節能、降低噪音之外，更是增加行車穩定性與性能的重要方法，是車輛設計的一個重要環節。雖然前面階段3D建模與數位分析實驗，可以概略預測外型設計的效能，但是實際上空氣力學的理論頗為複雜，仍有科學未知之處，所以還不能全由電腦模擬，須製做模型經過風洞實際測試。這也是許多複雜工程專題的常見狀況，真實世界複雜變化與未知現象，受限於設計者能提供的條件與設計構想，難以憑藉數位的3D模型能夠分析判斷的，需要實體模型的驗證才更為準確。任何的工程專案研發過程，時間與資源都是有限的，我們在前一個預測分析的實驗後，讓學生對自己設計的幾個車輛中⑤選擇方案，減少嘗試錯誤的時間耽誤。這種透過科學數據後的權衡判斷，使整個設計問題解決過程具有效率，及系統性的思考，是學生學習問題解決能力的重要方法。整個工程設計的活動最終，學生要能依據設計方案，完成設計製作並真實的測試檢驗，所以⑥建模測試是讓學生實際測試，比較實際的狀況與預期結果的差異。尤其工程技術與材料應用，常是科技產品進化的重要動力，沒有真實的動手學習建模，是沒有辦法學習工程的應用層面，學習的內涵較為表面，學不到過程中的程序知識，就少了很多創造能力和解決問題能力的學習。

課程評量

專題設計製作是一個複雜心智歷程，在實際動手的過程中，運用技術性與實作性知識，並透過詳細計劃及構想，與選用適當的工具與材料來製作出作品。活動過程透過學習單的檔案評量、實作評量（工作態度檢核表、工具操作與材料選用檢核表）、作品標準參照評量（依活動目標與任務製訂標準）、紙筆測驗等四種評量。檢核表內綜合題型能夠看出學生對於所學的整合，包含知識的吸收程度與車輛設計的思維。

評量標準：

1. 學習歷程檔案（界定問題、車輛設計課堂筆記、初步構想草圖、探究實驗紀錄與效能評估說明、選擇方案設計圖、製作步驟說明、問題解決紀錄、最佳化改善說明）（20％）

2. 實作評量（工作態度檢核表、工具操作與材料選用檢核表）（15％）

3. 紙筆測驗 (車輛設計認知評量)（15％）

4. 作品標準參照評量 （50％）

單元活動與評量方式的對應

實驗(四) 高壓空氣推進測試

學生在製作完成作品之後，最後一個步驟是進行整車的效能測試，檢驗是否達到預期的目標。⑦評估修正是在測試與評估階段常會發現許多小問題，持續修正與改善作品的設計細節，是完成優良作品的必備條件，也是學習良好的工作是態度，這種精益求精的務實精神，是工程師應有的職業態度，可以在生活科技課程中透過改善作品的效能修正，讓學生學習良好的工作態度。⑧最佳化是在測試與評估的過程，可能出現構想的缺失，或者另外有改善設計構想的方法，例如實際在進行高壓空氣推進測試，學生會發現作品啟動的瞬間，通常會有飄浮難以控制的現象，可能需要像賽車的設計，需要增加空氣動力配件(輪拱 側流板 水平翼 尾翼…等)，改善高速情況下的穩定性，最終的效能才能趨於理想。實際於課程實施常常受限於時間，我們可以讓學生針對最終方案的分析與改造提供記錄，一方面記錄學習歷程的研發心得，也提供後續設計製作者參考。