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更新日期:105年1月14日

培育土木人才的實作課程三部曲

(文/土木工程學系呂良正主任)

編按:土木系總整課程及相關實作課程經驗分享誠如呂良正主任所說:《未來在等待的人才》書中所闡述的不只功能,還重設計;不只論點,還說故事;不只專業,還須整合;不只邏輯,還給關懷;不只正經,還會玩樂;不只賺錢,還重意義。透過這些實作課程,或許有更多的機會去培育這些未來人才所該具備高感性的力量。

透過總整性(Capstone)課程驗證學生學習成果已成為國際趨勢,特別是各國工程教育認證機構近年來都紛紛將總整性課程納入認證規範,例如中華工程教育學會IEET在2014年版的規範已納入總整性課程的規定。實際上動手實作的學習模式早已廣為美國大學所採用,甚至美國小學都已經開始積極激發學生「動手做」的能力,從小培育學生創新的精神以啟發真學習。在大學工程教育方面,早在1995年,美國學者即透過問卷方式了解到,許多美國的工程學系皆有開設Capstone課程,此類課程不僅受業界支持,教師也一致認為對學生學習有相當大的助益。 學系通常關注的焦點是在如何安排Capstone課程的師資和經費等,每個學校每個學系或許因資源和生態之不同會有不同的規畫方式,但整體而言,為落實Capstone課程及其該有的成效,以下幾個面向是值得深入探討的:課程的必要內涵、課程的規畫及設計、課程的實施及學生學習成果的評量;以下會針對這三個面向來說明與探討。

Capstone課程的必要內涵: Capstone 課程不同於其他實作課程,基本定義是必須具備整合性質,讓學生有機會透過嘗試解決一個工程問題,整合在校所學,藉以驗證其具備該有之知識、技術和態度。所以本質上,Capstone的目的並非培育學生新知識或技能,而是確認所學並予以加強。課程的目的是讓學生嘗試以專業人員身分(例如工程師),解決一個實際且無標準答案的專業問題,藉此進行學習總檢視,並同時了解其不足的知識、技術或態度;學系透過此課程檢視和佐證畢業生具備該有的核心能力。修習Capstone課程的學生是已修習完多數課程(含基礎設計課程),具備一定的知識和技能的大三或大四學生。所以常常Capstone被喻為「最後一哩」。至於課程長度,至少一學期3學分為宜;上課方式讓學生分組,實際動手操作,引發其主動學習的動機,避免教師過多的講授。

我曾於2012年代表Washington Accord去審查韓國認證機構ABEEK的認證過程,ABEEK對於實作課程要求很明確,通過認證學程必須有12學分的設計或實作課程,且必須包括一個Capstone課程。因此,ABEEK的認證委員常會就Capstone課程內容和學系深入討論,若發現Capstone課程有過多的教師授課情形,會直指該課程非Capstone課程。另外,就觀察到的經驗,學系也不一定要開設新的課程以滿足Capstone要求,可由既有的課中選出一門較具整合性的課程,將之稍微擴大延伸,提供學生動手設計並嘗試解決問題的機會。Capstone課程最重要的要能對應到多數系上所訂的畢業生核心能力,若僅對應到少數的核心能力,不能被視為Capstone課程。學系透過這個課程檢視和佐證畢業生具備該有的核心能力,尤其是解決問題(彰顯執行設計)的能力。此外,也可檢視和佐證學生的團隊合作、領域整合(和不同專長或領域人士合作)、有效溝通和專案管理(含經費規畫)等能力。

臺大土木系近六年來積極推動課程改革,最主要的成果是推出一系列實作課程,包括大一(上)必修的「土木工程概念設計」及大一(下)必修的「土木工程基本實作」(奠基石:Cornerstone);大二(下)必修的「結構與流力實驗」(核心石:Keystone);大三、大四選修(目前已改為必修)的「土木工程設計實務課程」(頂石:Capstone)。以上我們稱之為實作課程三部曲。根據我們的觀察,若學生有受過Cornerstone及Keystone實作課程的訓練,往後Capstone的成效更好。其實對於任何建築系的學生來說,由大一到畢業一連貫的實作(建築設計)課程訓練是很一般的,然而工程領域卻少有這樣連續性的課程設計。而臺大土木系所發展的一系列實作課程,由Cornerstone、Keystone到Capstone,相對上在工程領域科系上是較少見的。以下將分別說明Cornerstone、Keystone及Capstone實作課程的主要施行方式與成果;詳細有關土木系的實作課程成果報導,我們不定期撰文刊登於杜風電子報(土木系首頁即可看到),有興趣的讀者可以去閱讀這些文章。

Cornerstone實作課程: 臺大土木系教師認為,如何在大一時加強土木相關教育並激起學習興趣是非常重要的,另外即使尚未學到相關土木分析、設計課程,但透過「做中學」(learning by doing)的學習方式,是積極有效的。為此系上開設大一(上)的「土木工程概念設計」(cornerstone 1) 及大一(下)「土木工程基本實作」(cornerstone 2) 兩門必修課,基本上都是採小班教學,並讓學生分組實作。在「土木工程概念設計」課程中,學生三個星期上課二次,每次三小時,一次是以案例介紹和探討為主,另一次是學期報告的studio課。過去課程上的案例介紹包括雪梨歌劇院、舊金山金門大橋、員山子分洪及臺灣高速鐵路,學系也特別將此四個案例整理設計成精美小冊。對於每個案例,首先授課老師會簡要介紹,強調工程師在案例中所扮演的角色以及他們面對的問題,藉此訓練學生認識解決問題的能力。然後學生會分組討論一個事先擬定之議題,例如介紹雪梨歌劇院時之討論議題為想像2060年之建築形式,學生須於課程中當場畫圖並由組員上臺報告,後由邀請之與談人評論學生的報告和進行相關演講。此課程的另一重點是學期設計,主要是在studio時段完成,藉由模型製作來實際感受設計、調整設計。每年我們都會嘗試不同題目,包括設計臺大校園內任兩棟建築物的連通道、在校園內設計一個戶外的表演舞臺、設計一個校園腳踏車停車空間等。學生學期一開始即進行選址,可選在自己認為適合的校園任意一處,其後進行模型製作及作品海報設計。海報設計過程中,會讓同學先報告初步結果,由老師予以講評,最後再修訂及繳交成果海報,並進行評審,評審除授課老師參與外,也邀請結構技師及建築師共同參與。同時我們也將學生的海報作品張貼於土木館的二、三樓中庭公布欄,並於寒假期間展出一個月,同時也將作品編輯成冊。

大一(下)的「土木工程基本實作」是第二門Cornerstone實作課程,主要目的是銜接「土木工程概念設計」,這門課是強調做中學的精神,學生雖然還沒有學習到土木工程分析、設計等課程,但是透過動手製作模型、實驗室載重試驗,到最後的競賽,常常可以激發出他們的學習潛能,進而提高學習興趣。由於此門課程都以小班教學、分組實作進行,因此學生與老師及助教的互動變得更多了,團隊合作精神也在無形中養成。在期末問卷中,學生也確實有很好的回應,約80%的人都希望有更多類似的實作課程。每年授課老師也會改變基本實作的內容,例如近年的阻尼器結構模型製作與振動台試驗、開合橋設計及遙控小汽車控制設計。

Keystone實作課程:臺大土木系以往的「結構學」及「流體力學」這兩門課是開在大二(下),其實驗部分(必修課)則是大三(上),基本上學生是按照實驗手冊做些標準實驗,規模不大,花的時間也不多。自100學年度第二學期開始,系上嘗試將結構及流力實驗配合上課在同一學期進行,但由於規模較大,也很耗時間,因此先以一班試行,往後幾年也都是這樣的模式。由於是自發性選讀這班,因此學生參與度很高。學生在此門實驗課中,前半學期是做一個木橋設計,後半學期為氣動力浮體設計。在木橋設計部分,臺大土木系的學生和實踐大學建築系學生合作,每一組約有10-12名學生,一半是實踐建築系,一半是臺大土木系。木橋設計的規模很大,學生的作品要能承載組員重量之外,也要兼顧到結構合理性、建築美觀及使用性等。學生一般會試作縮尺模型,先測試其結構合理性,然後再做實際尺寸;學期結束時也會進行評選與頒獎,讓學生的作品可以受到鼓勵。後半學期為氣動力浮體設計,主要是希望利用流體力學的原理,以銅為材料設計一個氣動力浮體,最後於臺大舟山路的生態池測試。

Capstone實作課程:現在不少學生於學習上常有一種感覺,就是不曉得如何將課程上學的各種分析與設計方法應用於實務工作上,這也直接影響到學生上課的興趣。為此,臺大土木系希望結合老師的研究專長及業界工程師的專業,擬定案例,來讓學生嘗試進行分析與設計。課程修習的對象以大三、大四學生為目標,學生分組(約3-5人一組)進行案例研究,其角色相當於顧問公司承攬一個規劃設計案。此課程的名稱為「土木工程設計實務」,每學期上課的實際內容會於前一學期的期末事先公布,讓有興趣的學生可以組隊來修課。為規劃此門課,系上提供的資源包括相關之辦公室與實驗室空間、進行現地踏勘調查之交通住宿費等補助、由授課老師與顧問公司工程師針對相關主題提供課程講授、研究上由研究生、教授、導師、顧問公司工程師提供指導、電腦模擬與各種軟硬體支援、相關各種技術文件與資料之提供。最後學生成果除以海報展示外,另完成一本期末報告,類似服務建議書。99學年度第一學期的課程,選定兩個題目來進行,包括:(1)臺大溪頭自然教育園區纜車系統可行性評估與規劃興建;和(2)霧社水庫排砂防淤系統初步規劃及可行性評估。我們嘗試了兩種不同的教學模式:纜車組-業界的專家和教師提供技術指導以及在各個設計階段都給予學生意見;水庫組-校外專家過程中不參與,僅於期末的評選會上給予意見,教師也不主動提供清淤方法的技術指導,僅針對想法提供建議及相關資源,給予學生更多的發揮空間。根據臺大土木系於期末進行的問卷顯示,這兩個議題的學生對於課程內容、就業幫助及整合所學幾乎全部都填「滿意」。但是對於教學方法滿意度方面,纜車組的學生僅有一半滿意,而水庫組則全部滿意。追究其中差異,主要是纜車組的老師及專家之指導較為積極,過程中每個階段都會給予意見與指導,造成學生覺得主動創新的機會相對變少,特別是期初學生想法較不成熟時,常因負面意見受挫。而水庫組則是由學生主動提出解決方法,老師及專家是被動諮詢對象。因此業界專家之參與雖然重要,但宜適度。

「土木工程設計實務」除了以上最早兩個議題外,陸續幾個學期推出的議題有:臺大人文大樓規劃設計檢討、土木系學會交誼空間改造計畫、荖濃溪洪水監測與緊急撤離之便橋設計、土木系學會交誼空間結構補強、管理學院舊圖書館屋頂更新設計及結構補強、溪頭人行橋設計、石門水庫壩體的安全評估與災害的應對方案、國民運動中心規劃設計與委外經營、森林系航測館結構修繕及空間活化、都市道路鋪面工程實務探討、南機場一期整宅公寓建築活化再利用、湖山水庫安全影響評估。最後5個議題是104 年度所開授的,主要是開給大三、大四的學生來修習。目前大三這屆,「土木工程設計實務」已經是必修課,該屆學生於畢業前要能完成該Capstone課程。

基本上「土木工程設計實務」開放給所有系上老師提出上課議題,只要提前於開課前半學期公告上課內容即可,以便讓學生了解內容以決定是否選修。過去無論是哪個主題,修課人數大約是15人左右,雖然人數不多,但都是對該主題有興趣者才修習,因此滿意度都很高。臺大土木系早期(4、5年前)的學生沒有接受Cornerstone、Keystone實作課程的訓練,最近的學生則有,因此近一年來,我們特地比較早期及最近修習「土木工程設計實務」學生的表現,發現有Cornerstone、Keystone實作課程訓練的學生,表現普遍較為優異,主要是他們已經有實作的基礎,熟悉整個實作過程,對於相關軟體、設備等之操作較為熟悉,上手更快。因此,如果系上資源足夠,應該要規劃Cornerstone及Keystone課程,有助於Capstone課程的成效。

IEET已於2014年版之認證規範中要求,未來參與認證的大學部學程必須具備整合設計能力的專題實作課程(Capstone課程),而此項規範是要求103學年度起入學的大一生,必須於畢業前修習該項課程。臺大土木系已經將「土木工程設計實務」列入102年之後入學的學生必修課,比IEET的認證要求提早一年。雖然臺大土木已有五年的Capstone課程執行經驗,但由選修改為必修還是一項很大的改變,畢竟修課人數由一年30-40人增加到約120人;另外,學生到了高年級,對於未來研究所想要走的領域通常已有既定想法,以研究所來說,臺大土木有七個領域分組:結構、大地、水利、交通、營管、電輔設計及測量。因此,如何選定普遍學生都有興趣的主題也是很重要的。此外,如何落實IEET對於該課程的相關要求,比如以該課程檢視學生核心能力達成度及於課程中導入專案管理(含經費規劃)等,也是需要加強的部分。目前臺大土木系是規劃一年有4-5個主題(也就是開授4-5個班),而這些主題基本上其聯集可以涵蓋到以上7個領域,也就是說學生一定可以找到其有興趣的主題來修習。

Capstone課程的實施及學生學習成果的評量: 評量是教學過程中相當重要的一環,教師通常會在課程綱要中界定該門課程的評量方式,例如考試、實體模型或成品、口頭報告等。在一般課程中,執行評量的當然是任課教師,但針對Capstone課程,任課教師除了是主要的評量者外,許多教師還會邀請業界人士參與,從業界角度提供學生學習的回饋與建議。有時甚至邀請業界人士參與授課,在學生修習課程的過程中即時提供建議。對學生而言,有業界人士參與雖然有時是一種壓力,但卻也是實務經驗的增長和累積。

過去教師在評量學生的專題或類似課程中,多數是給學生或學生小組一個分數。在IEET認證的引導下,配合Capstone課程所對應的核心能力(每項核心能力的權重可能不同),教師給予學生的分數將可明確的說明學生在每項核心能力上的表現。當教師整合全班同學的成績後,更可進一步顯示全班同學在核心能力上的整體概況,例如學生在那些核心能力上的學習較好,那些核心能力必須加強等。這些資訊可以提供教師具體的課程調整和改進方向參考。有關以Capstone課程來檢視學生的核心能力,也是臺大土木系需要加強的部分,大家都知道Capstone課程是一個總整課程,因此可以用來檢核畢業生多數核心能力的達成度。目前IEET在許多相關的說明會或研討會中,已經設計具體的實例,其要點是考核學生成績應以核心能力(與Capstone課程相關者)來分項權重(權重加總為100%);例如核心能力一占10%、核心能力二占15%、……、核心能力七占20%,老師打成績時(一般是分組給成績)可以針對每項核心能力的達成度給予分數,例如核心能力一80、核心能力二70、……、核心能力七85,則學期成績便是:80X(10%)+70X(15%)+……+85X(20%)。

以上打成績的方式與目前老師的習慣較為接近,容易執行。最重要的是可以統計全班(各組)在每項核心能力的平均分數;例如全班有12組,各組在核心能力一的分數各為80、90、……、75,12組平均為82;同理可計算其他核心能力的平均。假設核心能力三平均為72,核心能力五平均為68,其他都大於80。因此相對來說,這兩個核心能力達成度是較差的,學系可以據此規劃或調整課程,以強化這兩項核心能力的培育。

臺大土木系實作課程推動多年,獲得不少具體成效,當然還有不少可以努力的地方,特別是Capstone課程改成必修之因應及如何落實核心能力之評量。我想能有今天的成果,許多老師積極熱情投入是最重要的關鍵,另一方面,系上的行政與經費全力支援也不可或缺。基於不錯的成果,我們陸續獲得一些肯定,例如本系為102年臺大唯一獲得「教育部補助大學校院推動課程分流計畫」-創新模式類型計畫補助的系所,計畫由102年12月到105年2月,總經費840萬,教育部補助500萬,系上配合款340萬。另外,於103年8月北二區總整課程競賽中,我們也獲得銀牌獎。此外,今年11月由工程技術顧問商業同業公會、土木水利工程學會及IEET共同舉辦的2015全國大專院校工程創意競賽,本系同學所組的團隊之一獲得金牌獎(獎金12萬元)。最後,11月底商業周刊部落格教育專欄文章 “誰說大學不能「學以致用」?大一就要做出「耐震停車塔」,載越重、搖越大,分數越高!”報導了我們大一(下)「土木工程基本實作」的成果。

我常有機會到國內、外的學校或相關會議中報告土木系的實作課程,總是受到很多的好評,也普遍認為是一種很好的人才培育模式。在這些演講中,我經常以 “未來在等待的人才”這本書所闡述的六項高感性的力量來做結尾,這六項是:不只有功能,還重設計;不只有論點,還說故事;不只談專業,還須整合;不只講邏輯,還給關懷;不只能正經,還會玩樂;不只顧賺錢,還重意義。我認為透過這些實作課程,或許有更多的機會去培育這些未來人才所該具備的高感性的力量。

  • 土木系課程經培育未來人才具備設計、邏輯、說故事、關懷等高感性的力量。

    土木系課程經培育未來人才具備設計、邏輯、說故事、關懷等高感性的力量。

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