【潔能講堂】專題導向教學模式推動高中能源教育/汪殿杰老師

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1. 高中能源課程 STEM 觀點的探究式課程設計 教育部「永續能源跨域應用人才培育計畫」高中階段推動永續能源教育
2. 個人簡介 汪殿杰 台師大工教系 84級 實踐大學工業產品設計 碩士 擔任了26年生活科技科教師 (國中5年 高中21年) 做過的能源專題 (省油車 太陽能車) 教過的能源 節能 相關課程 (風力 電動車 橡皮筋車 CO2車 氣墊船 LED燈飾)
3. OECD國際經濟合作暨發展組織 邁向2030年的教育架構，涵蓋「知識」 （knowledge）、「技能」（skills）、「態度與價 值」（attitudes & values）三大範疇。「素養能力」 （competencies），最後訴諸於行動（action）， 適用每一個人的終身學習。
4. International Technology and Engineering Educators Association (ITEEA) Standards for Technological and Engineering Literacy Technology and Engineering in STEM
5. IBE 聯合國教育、科學 及文化組織 https://www.stemschool.com/articles/what-is-stem-education
6. 素養教學與ＳＴＥＭ 教學 什麼是素養？素養指得是個人為了適應現今生活及未來挑戰，所應具備的 知識、能力與態度。這不是全新的概念，而是在過去的基礎上深化落實。 它重視學科知識，也重視跨科的整合，強調讓學生在真實情境中學習知識、 重視應用，並培養正向的價值觀與態度。 現階段學生需要培養三面九項中的 系統思考跟解決問題 素養時，應帶 學生理解如何使用相關知識的論點跟論據？
7. 應用能力怎麼學？ 共同的學習經驗  大家都有在數學運算、 寫作、程式設計或應用軟體…等的學 習經驗，看老師示範或 影片教學都是無法學好，應用的學門 需要用主題(問題) ，自己有一個想法，去試驗實作看看，才能 學會  動手實作是學習問題解決和探究思考的重要歷程，素養教學 重視學生學習的歷程 2
8. STEM和設計(汽車分電盤 化油器) 力學 流體 機構 數學 汽缸 轉速 提前 離心力 力矩 氣油壓 空氣力學 交錯螺旋齒輪 自動提前機構 多連桿連鎖機構
9. 何謂科技教育 ? C. Mitcham(1978),Type of technology, In P.T. Durbin (ed.) Research in philosophy & technology, Greenwich, CT:JAI press 人造物品或器物 知識 意志 人類的 製作活動或 程序 社會 自然 使用 科技定義為「可協助人們使用機具、資源和系統，以解決問題和促進對 天然與人為環境之控制，而改善人們生活條件的行動知識與創意程序」
10. 設計製作的STEM問題解決能力 圖片來源: 師大 林坤誼 教授
11. 觀點: 主題與生活情境結合 設計思考 與 探究實驗 把知識、能力和態度整合運用在情境化、脈絡化的學習過程中，注 重學習歷程、方法與策略，透過實踐力行的表現評量學習的成效。 3 設計思考 探究實驗 學習方法 個人 內在 想像 互動 外顯 實證
12. 今天課程活動示例 (一)空氣動力船
13. STEM 知識整合的教學方法 1. 「探索」課程活動中隱含的 STEM 知識。(浮力 作用力 流體力學) 2. 「詮釋」抽象的數學與科學概念。 (圓周分割) 3. 「練習」相關的 STEM 操作性技能。 (幾何作圖)(3D建模) 4. 「製作」能具體應用 STEM 知識的實體模型或作品。(對稱 分割） 5. 「測試」並分析 STEM 知識在不同設計情境中的反應。（直行性 速度） 6. 「連結」特定 STEM 知識於相關的問題情境之中。 （如何用科學方法評估效能） 7. 「應用」STEM 知識於設計與製作歷程中。 （如何節能 發電 減震 ）
14. STEM 知識整合的教學方法 先透過探索實驗讓引發興趣、了解知識在設計中的應用
15. STEM關鍵轉換能力(如何引導學生學習)  情境解構（NGSS-問問題與定義問題）  預測分析（NGSS-分析與詮釋資料）  類比推理（ NGSS-依據證據進行論證）  量化思維（ NGSS-運用數學與運算思維）  反思能力（ NGSS-獲得、評估與傳遞資訊）
16. 常見船體的類型 船的主要部分。 1：煙囪；2：船尾；3：螺旋槳和舵； 4：舷；5：錨；6：球狀船首；7：船頭； 8：甲板；9：上層建築 (工程) 情境解構（NGSS-問問題與定義問題）
17. 船型流體性能分析 預測分析（NGSS-分析與詮釋資料）
18. 工程建模軟體 (caeses)的螺旋槳設計 參考資料:https://www.caeses.com/ https://www.youtube.com/watch?v=8x75TJUmoDM&ab_chan nel=FRIENDSHIPSYSTEMS 類比推理（ NGSS-依據證據進行論證）
19. 論證1 : 風扇或螺旋槳的葉片為何是奇數 軸流風扇的葉片數目卻往往是奇數. 這是由於若採用偶數片形狀 對稱的扇葉，又沒有調整好平衡，很容易使系統發生共振，倘葉 片材質又無法抵抗振動產生的疲勞，將會使葉片或心軸發生斷裂， 因此多設計為關於軸心不對稱的奇數片扇葉設計。 原文網址：https://kknews.cc/zh-tw/home/gxgzm.html
20. 論證2: 風扇轉速 ？作用面積？螺距？ 優化 家庭使用的電風扇都是3個葉片的，葉片形狀是鳥翼型(設計術語)，這種形式的葉片流量大， 噪聲低，符合流體力學原理，用它作成的電風扇適合家庭使用。所以絕大多數電風扇都是三片 葉的。 原文網址：https://kknews.cc/zh-tw/home/gxgzm.html
21. 以 O 为圆心, a 为半径作一个圆 ⑴ 以 a 为半径在圆上相继取相等的弧 AB, BC, CD 和 DE ⑵ 以 AC 为半径, A 和 D 分别为圆心, 作弧相交于 F ⑶ 以 OF 为半径, A 为圆心作弧交圆 O 于 G ⑷ 仍以 OF 为半径, 分别以 C 和 E 为圆心, 作弧交于 H GH 即是内接正五边形的边长, 以圆上任意一点开始, GH 为 半径, 相继在圆上取 5 个点, 这 5 个点就可以五等分 方法一 方法二 方法三
22. 船舶的浮力 當船隻往上的力和往下的力相等時，船隻達到靜力平衡。若船隻再往下，吃水多一些，其重量 不變，但其船殼排開水的重量變大了。當兩個力平衡時，船可以浮在水面上。 排水量 大部份的船舶稱為排水型船舶（displacement vessel）， 船舶的重量因為被船殼排開的水產生的浮力所平衡。 量化思維（ NGSS-運用數學與運算思維） 實際測試水槽 軟體分析計算
23. 船型 與 螺旋槳效能測試 螺旋槳效能測試 船型效能測試 反思能力（ NGSS-獲得、評估與傳遞資訊）
24. 一定要有扇葉嗎? 文氏管效應 反思能力（ NGSS-獲得、評估與傳遞資訊）
25. 本日實作主題 螺旋槳(設計製作體驗) rake設計 右旋或左旋 螺距(Pitch) 螺旋槳葉片？ Pitch是指螺旋槳轉動一圈 前進的距離(學理值) 螺旋槳，是一種有中央槳轂和輻射形槳葉的裝置，每一槳葉都組成螺旋面的一部分。當它在水中或空氣 中旋轉時，就產生拉（推）力，使船或飛機作前進運動。螺旋槳的拉（推）力與它作用的水或空氣的質 量和加速度的乘積成正比。
26. 螺旋槳攻角 氣動力學常用的攻角(Angle of Attack，AoA)指的是綠實線和藍實線(翼弦中心線)之間的夾角
27. 螺旋槳螺距 螺距=(D*PI)/tan
28. 螺旋槳斷面
29. 螺旋槳幾何
30. 線上設計網站 https://www.wageningen-b-series-propeller.com/
31. Rhino 參數設計(螺旋槳生成器) https://www.grasshopper3d.com/video/propeller-with-grasshoper
32. 流體分析的模擬方法?
33. 有限元素分析(SimScale) CFD 流體力學 動態應力
34. 3D列印(模型放置方向)
35. 船體的3D建模(船段輪廓線的放樣 Loft)
36. 船殼模型製作
37. 作品案例
38. 競速水槽測試 提供學生多次設計製作的循環練習
39. 活動案例(國中) 風力起重機 中平國中 林志軒 老師
40. 活動案例(國中) 風力車 大同高中 蔡依帆 老師
41. 活動案例(高中) 氣墊船
42. 活動案例(高中) 氣墊船
43. 台大總整課程(機械系) (三年級) 參考教學 https://www.youtube.com/channel/UC5Yi3pziOxC__eMl4tOkYyA/videos 課程成果 http://www.me.ntu.edu.tw/capstone/project.html?fbclid=IwAR1CIul0K0sRU6Qhg0mno4IWo5skG6yFr 9s19H2v4A2SOpZ-GxZOBIhjM5k 智慧風力機器人
44. 課程名稱: 機械工程實務 指導教授: 詹魁元、鄭榮和、林沛群、楊馥菱、陳湘鳳、蔡曜陽 教授 課程目的: 針對機械系大三學生，推動總整課程(Capstone course)並安排 上課、與參觀實驗室，使其能夠(一)了解機械工程現況與發展趨勢，以利爾 後生涯規劃；(二)認識機械工程與其他先關研究所之研究主題與方向，提供 學生畢業後繼續深造之參考；(三)藉由工程實務與測試競賽，統合三年必選 修課程所學之知識與設計、分析、製造與組裝測試完成機械作品，並參加 期末測試與競賽，藉由實作方式呈現台大機械系學生系統整合、團隊合作、 學理應用與創新發想的能力。
45. MIT 設計與製造課程(機械系) (一年級) 課程網站 : https://me-2007.mit.edu/
47. 我的教學網站(歡迎參考與指教) https://sites.google.com/ttsh.tp.edu.tw/engineering- design/%E9%A6%96%E9%A0%81?authuser=1 https://sites.google.com/site/dtshlifetechnology/ 大同高中創意設計教室 工程設計專題 課程設計與學生作品 跨領域整合與工程設計