這是簡要的工程設計流程說明動畫,同學們可以依照或參考這個設計程序,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,學習設計製作產品的開發活動。
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5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。
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。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。
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。
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。
這裡參考了國際賽事的標準規範,調整為我們課程更為適切的規範 ,讓同學們有更多的設計發展空間,與學習工程設計更全面性的設計思考