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透過Capstone課程 培育與檢視畢業生核心能力
文/劉曼君
  中華工程教育學會辦公室主任兼認證委員會副執行長
 /呂良正
  國立臺灣大學土木工程學系教授兼系主任
  中華工程教育學會副秘書長兼認證委員會副執行長

中華工程教育學會(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」(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。IEET預計此項認證要求將對我國近期工程科技教育帶來不小影響。目前尚未有此項課程規劃的學系須開始規劃,已有類似課程的學系也須檢視課程內涵是否符合IEET認證要求,尤其是此課程與畢業生核心能力的關連性及相關評量,常是過去大專校院在專題課程上較缺乏的內容。

筆者於去(2013)年3月的《評鑑雙月刊》專文中已初步介紹Capstone課程精神,本文將深入探討Capstone課程和核心能力的連結及評量,藉此加強介紹「成果導向」教學和評量的概念及作法。

問題導向實作課程蔚為主流

問題導向學習(Problem-based Learning, PBL)是醫學院和商學院普遍採用的教學與學習方式,而近一、二十年來美國工程教育也逐步轉型,朝向以實作為主、學生學習成果為導向的教育模式(Loftus, 2013, September 30)。過去的工學院教學重視理論,花費很長的時間傳授理論,但等到學生終於可以接觸並嘗試解決實務性的工程問題時,許多學生都已在過程中被高深的數理要求淘汰或抹滅興趣了。因此,現在無論是大型的普渡大學(Purdue University)、中型的德拉瓦大學(University of Delaware),或是小而美精緻型的哈維姆德學院(Harvey Mudd College)都紛紛投入問題導向的實作式課程教學(Loftus, 2013, September 30)。

此種教學模式讓學生從入學起即開始體驗經驗學習的方式,挑起主動學習動機,且透過和不同工程領域,甚至不同學院的學生組成團隊,針對實際的工程問題,嘗試提供解決方案。例如,杜克大學(Duke University)和南加州大學(University of Southern California)等校皆有學生組成團隊參與美國工程院(National Academy of Engineering,簡稱NAE)的「重大工程挑戰」(Grand Challenges for Engineering)計畫;此外,羅斯霍曼理工學院(Rose-Hulman Institute of Technology)的學生組成跨領域團隊,透過密集的12個學分研究計畫,為肯亞及其他發展中國家發展太陽能相關的能源替代方案。

問題導向實作課程的教學並非全然鄙棄傳統的課堂講授式教學,然對於教學空間的需求和設計,會打破舊有的思維模式。學生的主要學習場所是在實作、實驗的空間,而當今最夯的翻轉教室(Flipped Classroom)也是貫穿問題導向實作學習的枝幹。經由問題導向實作課程的教學,包括Purdue和Harvey Mudd都顯示工學院學生的休、退學率從過去的50%減少到10%,可見實作課程大大提高學生學習效果。

除一般實務性課程外,PBL的教學精神更需要充分融入到大四的設計專題課程(Capstone Design Course,以下簡稱Capstone課程)中(Pembridge & Paretti, 2010, June)。雖說PBL具備足夠的吸引力和前瞻性,且相關研究文獻多如繁星,然學者也提醒,此項課程的規劃比傳統式教學更為複雜和重要,否則對提升學生學習動機就無太大助益(Jones et al., 2013)。

Capstone旨在整合及檢視學生所學

早在1995年,美國學者即透過問卷方式了解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(Todd et al., 1995)。簡而言之,Capstone是大學教育的最後一哩,結合了學生在大學所學的理論和實務訓練,是培育未來年輕工程師的重要關鍵。IEET特別整理了以下內容,作為檢視Capstone課程內涵的依據:

● 名稱
Capstone課程可以是不同名稱,例如總整課程、頂石課程、畢業專題、專題實作、專題製作等,但不是校內/外實習(除非學校有明確嚴謹規劃及要求,讓學生完成一個符合IEET定義的期末成果)、個人學士論文(除非是先透過學生分組學習,再撰寫個人報告或論文)、大會考、專題討論(Seminar)等。

● 目的
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,進而於畢業前加以充實。學程透過此課程檢視和佐證畢業生具備該有的核心能力。

● 對象
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。

● 規劃
課程長度至少一學期;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。若學程並未開設相關課程,可以從學程的實驗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,不一定是要開設新的、獨立的課程。

● 特色
課程應能對應多數系上所訂的畢業生核心能力,若該課程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,此課程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(含經費規劃)等能力。

● 評量
須要求書面報告及口頭報告,實作成品則視各領域屬性所需要求之。

● 檢討
須定期檢討,了解學生在核心能力上的達成度是否符合期待。

上述定義是將Capstone課程該具備的內涵做了清楚界定和說明,IEET認證團於認證審查中也將檢視相關內容。

Capstone透過工程設計  培育學生解決複雜工程問題的能力

工程師視解決問題為天職,因此培育學生具備充分的問題解決能力是工程教育相當重要的任務。相對的,解決問題的能力是IEET工程教育認證(EAC)、技術教育認證(TAC)、資訊教育認證(CAC)、建築教育認證(AAC)及設計教育認證(DAC)等各項認證規範,所共同要求的畢業生核心能力之一。

對工程教育而言,EAC要求學生於畢業時具備解決複雜且整合性問題(Complex Problem)的能力。工程問題有大有小,但隨著時代變遷、產業發展,工程問題的複雜度只會增不會減,涉及的知識、技術、社會、環境甚至經濟層面都愈來愈廣,因此單憑個別工程師絕對無法獨立解決,幾乎都是藉由跨領域專業人員組成的團隊共同合作解決。複雜且整合性問題有以下特點:

(1)需較深的知識才可以解決的問題。(2)問題本身是多面向的,或是在技術、專業或其他層面上相互衝突。(3)是一個實際的問題,沒有顯而易見的解決方法。(4)須創新應用專業基本原則及實務上最新研究成果才可解決的問題。(5)須考量現實環境中的多方限制,例如人力、成本、設備、材料、資訊及技術等。(6)問題本身可能對社會及環境有廣而遠的影響。

從培育學生具備解決複雜問題的能力出發, 工程教育重在訓練學生執行工程設計(Engineering Design),而解決問題的過程其實就是執行工程設計。工程設計的基本流程為:發現問題、建立目標、整合及應用最新的研究成果、分析問題、提出解決問題之可行方案,內涵包括:

1.工程設計是為了因應所需,建立工程系統、元件或製程的過程,在此過程中,學生運用數學、科學及工程專業知識,反覆調整設計,以最有效的資源利用,解決工程實務問題。

2.工程設計涵蓋以下面向:發展學生創意、使用開放式問題、發展及運用現代設計理論和方法、建構設計問題及規格、考量替代方案、可行性、製造過程、協同設計及詳細的系統描述。

3.除功能性外,也須考量現實的限制,例如經費、安全性、可靠度、美學、專業倫理及社會影響。同時,透過團隊合作執行工程設計也是重要的要求。

一般工程學系在學生四年的課程上,規劃多門的工程設計課程,而Capstone通常是大學教育最後也是最重要的一門設計課程,且是最具整合性的工程設計課程。在引導學生於大三或大四修習Capstone課程前,學系即應規劃基本的設計課程,以奠定學生基本的設計能力。

例如國立臺灣大學土木工程學系,就有培育學生工程設計能力的實作課程三部曲(呂良正,2014):大一的土木工程概念設計、土木工程基本實作課程(奠基石:Cornerstone)、大二的結構學、流力學加實驗課程(核心石:Keystone),以及大三/大四的土木工程設計實務課程(合頂石:Capstone)。詳見本期另一篇文章〈臺大土木系Capstone課程經驗分享〉。

Capstone培育團隊合作、有效溝通與專案管理能力

除了培育學生解決複雜問題和工程設計能力外,Capstone課程尚有其他重要功能:培育和強化學生的團隊合作、有效溝通和專案管理(含經費規劃)能力。在當今社會和全球化脈動下,這些軟實力(或稱之為通用實力,亦即無論任何環境、工作都需要的實力)反而常是業界選才和儲備未來幹部時最重視的能力。

工程師多是以團隊模式工作來解決專業問題,因此IEET強調Capstone課程應讓學生以分組模式合作,甚至和不同專長或領域的同學合作。在此過程中,訓練學生按時完成所分配的工作、團隊精神和凝聚力等。

另外,Capstone課程也是培育和佐證學生有效溝通能力的最佳方式之一。香港科技大學土木工程系的Capstone課程是四學分,其中一個學分即是著重訓練學生的語言和溝通能力,包括書寫和口語能力。一般而言,Capstone課程期末成果之一通常要求學生以小組方式製作海報和上臺報告。

當然,時間管理、成本分析、經費規劃等專案管理能力也是工程師所必須具備的核心能力。在修習Capstone課程中,學生也勢必會經歷時間規劃、經費處理的過程,學習在有限的資源下,以最有效率的方式分配時間和經費。IEET並非要求學生具備如專案管理證照般的內容,但基本的時間、經費規劃等核心能力的培育和檢視,是可以透過Capstone課程來達到的。

Capstone課程評量與檢討

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。此外,IEET認證要求教師界定Capstone課程所對應的核心能力,以使學生更明確知道課程的主要重點和教師的期待為何,所應準備的方向又為何。

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。有些學系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,例如學生在哪些核心能力上的學習較好,哪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。

◎參考文獻

呂良正(2014年3月)。認識臺大土木系。取自臺大土木系甄試入學家長說明會簡報。

劉曼君、呂良正(2013)。Capstone課程──IEET認證的重要佐證評鑑雙月刊,42,55-56。

Jones, B. D., Epler, C. M., Mokri, P., Bryant, L. H., & Paretti, M. C. (2013). The effects of a collaborative problem-based learning experience on students' motivation in engineering capstone courses. Interdisciplinary Journal of Problem based Learning, 7(2), 34-71.

Loftus, M. (2013, September 30). College engineering programs focus on hands-on learning. US News and World Report. Retrieved from http://www.usnews.com/education/best-colleges/articles/2013/09/30/college-engineering-programs-focus-on-hands-on-learning

Pembridge, J. J., & Paretti, M. C. (2010, June). The current state of capstone design pedagogy. Paper presented at the American Society for Engineering Education Annual Conference and Exhibition, Louisville, KY.

Todd, R. H., Magleby, S. P., Sorensen, C. D., Swan, B. R., & Anthony, D. K. (1995). A survey of capstone engineering courses in North America. Journal of Engineering Education, 84(2), 165-174.

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