應用工程設計流程以強化職前科技教師的工程設計思考能力

112年10月08日

【本篇報導由科技應用與人力資源發展學系  林坤誼特聘教授研究團隊提供】 　　STEM教育的實施常會忽略科技與工程，導致科技與工程人才培育的問題仍舊無法解決（Strimel & Grubbs, 2016）。針對此一問題，Song et al.（2016）以及Brophy et al. （2008）等人皆認為若能規劃以工程設計為主軸的科技學習活動，應能有效協助落實STEM教育，讓學生能夠真正跨領域的統整學習。就科技教師的工程設計知識結構的相關研究而言，工程專家與生手之間的差異，會與科技教師在工程設計歷程中所關切的點有所不同，而職前科技教師的知識結構與其在工程設計歷程中所關切的重點，則是現階段相關研究較為缺乏，且有待探究的重要課題之一。本研究著重在探究職前中學科技教師的工程設計知識結構，以瞭解其對於工程設計思考的理解，藉此提出職前中學科技教師的工程設計知識結構的現況與問題。依據本研究的資料分析結果，主要研究結論如下：（1）融入工程設計思考流程的職前教師在界定問題、產生構想、建模和可行性分析等四個方面的工程設計思考表現較佳；（2）職前教師在進行STEM專題製作活動時，應優先加強有關建模和重新設計的步驟學習，以加強複雜與精密的思考能力。   　　Science, Technology, Engineering and Mathematics（STEM）education的議題在近年來十分受到重視，對於如何吸引更多大量的優秀人才投入STEM領域更是值得關切（Holmes, Gore, Smith, & Lloyd, 2017）。然而，Strimel & Grubbs（2016）指出，STEM教育的實施常會忽略科技與工程，導致科技與工程人才培育的問題仍舊無法解決。針對此一問題，Song et al.（2016）以及Brophy et al.（2008）等人皆認為若能規劃以工程設計為主軸的科技學習活動，應能有效協助落實STEM教育，讓學生能夠真正學習跨領域的統整學習。以工程設計為主軸的科技學習活動有助於落實STEM教育，但在進行此一工程設計取向的實作活動教學時，教師是否具備正確的工程設計知識結構，便是值得探究的重要研究課題（Atman et al., 2007; Hannah, Joshi, & Summers, 2012）。 　　就有關科技教師的工程設計知識結構的相關研究而言，工程專家與生手之間的差異，會與科技教師在工程設計歷程中所關切的點有所不同，而職前科技教師的知識結構與其在工程設計歷程中所關切的重點，則是現階段相關研究較為缺乏，且有待探究的重要課題之一。本研究著重在探究職前中學科技教師的工程設計知識結構，以瞭解其對於工程設計思考的理解，藉此提出職前中學科技教師的工程設計知識結構的現況與問題，並協助其未來進入中學的職場時，能夠妥善將工程設計歷程融入科技實作活動中，進而協助更多中學階段學生培養工程設計能力，以試探未來進入工程相關領域的興趣。 　　依據本研究的資料分析結果，以工程設計思考流程為主的STEM專題製作活動，分析其接受工程設計思考程序的職前中學科技教師（實驗組），和接受科技問題解決程序的職前中學科技教師（對照組），研究者實施教學活動之研究結果的助益如下：（1）融入工程設計思考流程的職前教師在界定問題、產生構想、建模和可行性分析等四個方面的工程設計思考表現較佳（如圖1）；（2）職前教師在進行STEM專題製作活動時，應優先加強有關建模和重新設計的步驟學習，以加強複雜與精密的思考能力。   圖1：實驗組職前教師的工程設計思考改變情形 說明1：圓圈代表工程設計思考的不同步驟，圓圈內的百分比代表具備該項思考步驟的職前科技教師比例；從上圖可知，在進行工程設計思考教學前，有五個缺少的工程設計思考步驟，皆在實驗教學後有所改善。 說明2：PD指界定問題、IFG指蒐集資訊、IG指發展構想、M指建模、FA指可行性分析、E指評量、C指溝通、DM指做決定、R指實踐、RD指修訂設計。   　　工程設計歷程之教學方式的優點，目前雖強調了複雜的精算方法，然而在實施方面仍是有許多的困難（Linder, 1999），許多現場教師還是會認為窒礙難行，主要仍是以時間不足為拒絕實施的因素。若能在課堂前分析出職前中學科技教師普遍比較缺乏的概念，多添加一些工程設計思考教學的元素，必定能增加教學的成效，同時也不會增加太多的時間在摸索和嘗試錯誤的步驟上。工程設計活動可有效提高職前中學科技教師解決所面臨的真實性問題，並使其能獲得練習和提升不同的技能及知識整合的能力（Woods, 1995; Cardella et al., 2002）。   原文出處： Lin, K. Y., Wu, Y. T., Hsu, Y. T., & Williams, P. J. (2021). Effects of infusing the engineering design process into STEM project-based learning to develop preservice technology teachers’ engineering design thinking. International Journal of STEM Education, 8(1), 1-15. https://doi.org/10.1186/s40594-020-00258-9   註：本文獲得International Journal of STEM Education期刊首頁肯定，為2021-2022兩年中引用次數排名第二的文章。 

利用虛擬實境(VR)來激發創意表現

112年09月09日

【本篇報導由科技應用與人力資源發展學系  張玉山優聘教授研究團隊提供】 　　本研究以八年級學生為對象，透過不相等組準實驗設計，探討虛擬實境(VR)應用對創意成份與設計創意表現的影響，以及以認知負荷為中介變項，虛擬實境應用對創意成份與設計創意表現的預測力。本研究的主要結論如下：(1)VR應用對專業認知及創意動機有中度以上的效果。但是VR應用對創意思考能力沒有影響。(2)VR應用對設計創意表現的奇特性及有用性，具有中度以上的效果，尤其有用性的效果最大。(3)VR應用對外在負荷及增生負荷有中度以上效果量的影響。但是對內在負荷並沒有影響。(4)VR應用與認知負荷對創意成份與創意表現，都有預測力，對創意表現的預測力接近可接受水準。    　　因為資訊科技的發展，虛擬實境（Virtual reality, VR）創造了另一種形式的環境，廣泛應用在旅遊、旅館、醫療、護理、教育等產業。在教育上的研究結果指出，VR應用對概念認知、技能訓練、態度情意都有應用的效果與價值，甚至從腦科學的研究也提出了生理學上的證據。這樣的新興學習科技是否也能在創造力教學的範疇中，帶來教學效果，是大家所關注的課題。 　　另一方面，學者對VR教學研究，常以多媒體學習理論及多媒體整合模式來解釋多媒體訊息、認知負荷、動機、與學習行為的關係。透過心理學和生理學的研究，也證實VR應用會增加認知負荷。這些認知負荷是否也對創造力教學產生影響？這些問題迫切需要加以釐清。因此，本研究旨在探討虛擬實境應用對創意成份與設計創意表現的影響，以及以認知負荷為中介變項，虛擬實境應用對創意成份與設計創意表現的預測力。本研究在中學階段的生活科技課程中，進行模型車設計製作的單元教學實驗，如圖一。   圖一：將VR融入在生活科技的教學中   　　本研究發現，VR應用對專業認知及創意動機有中度以上的效果。但是VR應用對創意思考能力沒有影響。這說明了VR應用透過精美的3D視覺、動畫、互動設計、以及情境設計，對學生的概念與知識的學習，以及動機與態度的提升，都有顯著的效果。今後在高危險性的、較昂貴的、不易到達的學習場域，很值得透過VR應用來達成。但是，VR對於一般性的創意思考能力的提升，卻沒有效果。因此，對於創意思考的訓練，還是需要其他教學策略來加以強化。 　　研究結果也顯示，VR應用對設計創意表現的奇特性及有用性，具有中度以上的效果，尤其有用性的效果最大。今後除了發揮VR應用對設計創意的有用性之外，更應該把創意思考技法融入到VR工具的開發，讓學習者強化設計創意的奇特性。 　　VR應用對外在負荷及增生負荷有中度以上效果量的影響。但是對內在負荷並沒有影響。簡化VR的情境與操作介面設計，並且讓學習者有重複操作的練習機會，甚至先讓學習者建立基本認識，再操作VR，降低認知負荷，學習效果會更好。VR應用與認知負荷對創意成份與創意表現，都有預測力，對創意表現的預測力接近可接受水準。 　　本研究發現，情境與任務類型、跳躍式與改良式的創意類型、不同的學習風格等，都對學習者的VR應用、認知負荷、創意思考、及創意表現產生影響，這些也都是未來研究需要進一步進行系統性深入探究的議題。此外，研究團隊也發現，VR應用在學生擴散思考與聚斂思考的創意歷程中，也對認知負荷產生不一樣的影響，認知負荷有多個概念成分，非單一概念，應該要更深入探究。   原文出處： Yi-Ching Chen, Yu-Shan Chang, Meng-Jung Chuang. (2021). Virtual reality application influences cognitive load-mediated creativity components and creative performance in engineering design. Journal of Computer Assisted Learning. 2021;1–13. https://doi.org/10.1111/jcal.12588

培養現代達文西：3D列印拓展STEAM課程更多的可能性

109年03月13日

【本報導由科技應用與人力資源發展學系　簡佑宏教授研究團隊提供】 　　在現代的教學環境中，無論在大專院校或是高中職，運用新興科技進行跨領域整合性教學是當今的教學趨勢。然而如何確保新興科技在上述跨領域教學場域中能促進學生學習的成效，而不是造成更多的科技負荷是值得探討的議題。本研究透過讓工程學院、設計學院以及一般高中的學生參與跨領域整合性STEAM課程，進而探討學生學習上的差異，最後透過教學實驗的值、量化分析與討論進而闡述：（1）運用3D列印在不同層級課程上應用的策略與優缺點、（2）如何發展一個能夠考量不同層級學生能力，並能產生連貫性的STEAM課程、（3）跨領域STEAM的課程如何得以整合。   　　近幾年來，STEAM教育從民間非正式教育機構發起，並隨著Maker運動興起而蓬勃，進而受到正式教育單位主管機關與教學人員的青睞與重視，期待STEAM（科學、科技、工程、藝術與數學）教育能因為A（Arts，泛指人文藝術）的加入，協助促進STEM領域人才的培育，提升學子興趣朝向STEM領域生涯發展與前進，以補足科技人才之缺口，亦強化學子應用與整合知識的能力。 　　另一方面，3D列印則隨著關鍵技術專利到期，原本運用疊加製造（Additive Manufacturing）技術，單價數十萬至百萬不等的快速原型（Rapid prototype）機，能夠以幾萬元甚至幾千塊台幣即可DIY自己組裝成3D列印機，這樣的原型技術發展亦隨著Maker運動熱潮而興起，並逐漸受到教育現場的重視，開始有老師運用3D列印融入STEAM課程。然而，真正能透過教學實驗驗證3D列印融入STEAM課程的學習成效的相關研究，僅零星地出現在一些研討會論文，而沒有能夠出版在SSCI期刊，其中包括很多原因，例如如何有水準地進行課程設計、掌握3D列印技術在教學上的運用和如何結合新興科技融入藝術議題讓藝術與STEM產生交互作用，而不是在STEM課程上裹上藝術的糖衣，都是相關文章無法受到SSCI期刊青睞的主因。而本文是極少數能在STEAM教育發展初期，將STEAM一詞融入標題，獲得由國家科技部補助的SSCI期刊（International Journal of Science and Mathematics Education）刊登，對於STEAM教育的研究與發展具有其重要性。 　　STEM教育強調動手實作，透過作中學發展素養、技能與創意。然而如前所述，多數新興科技融入STEM教育的課程發展，美其名看似整合學科的創意實作，實務上卻只是在STEM實作課程的作品上，讓學生「跟著作」，再加上無意義的美化工作，例如消費市場上有一步步教學生跟著組裝的木器藍芽音響課程，學生不須設計，單純組裝即可完成的一個能撥放音樂的音響，並在外觀上塗鴉出自己喜歡的圖案，然而在知識方面，例如物理上的揚聲原理或是電路設計上，仍是透過講述教學而和實作內容不能緊密互動。 　　本研究所開發的二氧化碳動力車，讓學生真正體驗在藝術上「造形」如何與「流體力學」產生共鳴。學生透過3D建模和實體列印科技的運用，根據車體美學，以工程設計流程融入數學設計低風阻的跑車，真正讓STEAM各領域產生「交互作用」，使學生理解原來美學與大自然中的科學知識是一體的兩面，學生也進而經由這樣的課程體驗而進階成為一個兼具理性、感性素養的現代的達文西。 左圖：作者提供；右圖：Flow design 軟體介面 （https://www.autodesk.com/）   原文出處： https://link.springer.com/article/10.1007/s10763-017-9832-4