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臺大土木系Capstone課程經驗分享
文/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

國立臺灣大學土木工程學系近四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、大四選修的「土木工程設計實務課程」(合頂石:capstone)。以上我們稱之為實作課程三部曲,其精神和內涵見表一。本文主軸雖為capstone課程之經驗分享,但根據我們的觀察,若學生有受過cornerstone及keystone實作課程的訓練,往後capstone的成效更好。因此,以下也對cornerstone及keystone簡單的介紹。

表一 臺大土木系實作課程三部曲

Cornerstone課程──奠基石

由於大學第一年多為共同課程,土木相關專業課程很少,常發生的是一年過後,部分學生在不明瞭土木系到底學什麼的情況下就轉系。因此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非常的重要,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,是非常積極有效的。為此系上開設大一(上)的「土木工程概念設計」及大一(下)「土木工程基本實作」,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」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課程。以99年度第二學期為例,整學期實作以三個單元串連而成,包括織布石膏屋頂結構、空間鋁結構(以水刀切割)及結合以上兩種技術之空間結構(期末創作)。前面兩個單元基地都為矩形,但期末創作的基地為兩塊矩形所拼接(如L形),且要求需有綠建築的元素被納入設計中。課程期末產出20多組創作,分別展現許多不同的設計,且作品的素質都相當好;往後每年學生創作都有稍做變化,例如加入燈光控制、自動控制等,更增添作品的多元化和複雜度。

Keystone課程──核心石

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課程現況──合頂石

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」(capstone),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。

學生主動解決問題  教師專家被動諮詢

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。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。

臺大土木系早期的學生沒有接受cornerstone、keystone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。

Capstone課程未來推動重點

● 102學年度起,選修改必修

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。

雖然臺大土木已有四年的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約30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。

目前臺大土木系的規劃如下:就主題來說,希望有兩個主題,暫稱為主題A及主題B,每個主題希望可以涵蓋一半以上的研究所領域,而此二主題互相有交集領域是可以被允許的。例如主題A涵蓋結構、交通、營管、電輔設計、測量;主題B涵蓋水利、大地、電輔設計、測量。以上的想法是希望主題可以寬廣一點,學生可以找到興趣和著力的方向,畢竟學生是分組,各組可以有不同的設計重點。此外,以上這樣的規劃,對於系上各領域教師的人力投入也會較為均勻;若主題很小,可能參與的老師都是該主題相關的老師。

至於到底每學期應開授幾班?若以三學期計(學生可能大三下、大四上或大四下修讀),每班以40人估算,則大約每學期開一班即可。由於主題A、B性質不同,為了讓學生可以提早規劃於哪一學年哪一學期修習,最好要將往後幾年的安排事先公告,例如:104(下)A、105(上)B、105(下)A、106(上)B、106(下)A等。

● 改變成績評量方式,檢核畢業生核心能力達成度

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75。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,相信這也是IEET認證最重要的意義。

對臺大土木系而言,若能連結capstone課程和對畢業生核心能力的檢核,將更強化capstone課程的功能和對學生學習的影響。

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