新兴科技融入高职密铸造专题制作课程之研发

新興科技融入高職精密鑄造專題製作課程之研發1Anintegratedprogramoncurriculumdevelopmentofincorporatingemergingtechnologyintothecastingofspecialcourseinvocationalhighschool曹龍泉、鄧惠源、陳東慶、林益昌摘要本研究是將新興科技融入職業教育之科學領域課程，藉由整體規劃、課程研發及教學實驗來構建新興科技融入「專題製作」課程特色。在實驗期間，以本校鑄造科一個年級的學生參與實驗計畫，並規劃成鑄造科未來教學課程手冊，並推廣機械學群科系。本研究的規劃與執行，是透過國家重點科技發展方針、問卷調查、專家會議以及課程研發教師等研議後，規劃出新興科技如何融入高職鑄造科專題製作的三年課程架構。另外，課程研發教師所研發之「積體電路製程、「奈米檢測技術」、「逆向工程-成型技術」及「薄膜技術」等四個單元教材，將於96學年度下學期利用問題導向教學模式進行教學活動，未來還會持續進行其他單元的課程研發與實驗教學。讓學生瞭解新興科技重要，進而影響未來進入職場或大專院校。關鍵字：新興科技、高科技材料製造與應用、奈米科技、專題製作2南港高工學報壹、研究背景隨著全球化的產業競爭日益激烈國際，各國政府均全力投入發展新興科技；Hazelrigg（1995）提到新興科技將持續性發展，並被我們接受且影響人類的生活，同時改變我們的科技教育；針對中小學生發展的新興工程與科技教育，已有接近20年的歷史，整個教育的推廣係透過專案的組織和計畫，例如全國性的組織ProjectLeadTheWay(PLTW)、美國南部地區教育委員會(SouthernRegionalEducationalBoard,SREB)的HighSchoolsThatWork(HSTW)等，與高中、社區學院、大學、州政府教育部門、民間企業及研究機構等結盟推動。高中階段稱為工程的進路(Pathwaytoengineering)，初中階段稱為科技入門(Gatewaytotechnology)，已成功的在美國各中小學實施。由PLTW所推動的準工程教育(Pre-engineeringprogram)在1980年代從紐約州開始實施，截至2007年2月全美參與該計畫已遍及47州與哥倫比亞行政特區，參加的學校已達1500所，接受過教育的學生超過30萬人。例如：美國猶他州高中教育將奈米科技融入科學教育的實驗計畫(Kurtz，2006)。另外，鄰近日本採用畢業「專題報告」方式來深入瞭解新興科技發展(Akiyama，1996)；因此美國、日本、澳洲、英國等先進國家，將高科技的知識與技能融入中小學階段的課程中，從小培養學生關心科技發展的習慣與學習新興科技的興趣。這些中小學階段對於工程與科技教育的發展經驗，以及其課程發展結果，頗值得我國參考借鏡。我國於九十二年八月起規劃奈米科技K-12教育並執行奈米科技人才培育計畫，其發展對象是國小、國中及高中為主(行政院國家科學委員會，2002)，對於技職教育高職領域並無適當課程領域的推廣。台灣過去能夠創造出傲人的經濟成就與「經濟奇蹟」的美譽，成為發展中國家學習的典範，主要的原因就是教育體系培養了充沛的人力資源。未來，我國要因應科技的發展，持續創造經濟奇蹟，仍然必須重視人才培育，特別是發展高科技人力資源。因此，發展新興科技融入高職課程是必要，且是先進想法。因應高科技發展趨勢以及配合國家經建政策需求，同時也應重視高職新興科技教育的發展與接續大專院校研究發展，本研究以「新興科技融入高職鑄造科課程發展實驗計畫」，塑造高職教育之新興科技課程及創新教學環境。新興科技融入高職精密鑄造專題製作課程之研發3貳、文獻回顧新興科技（Emergingtechnologies），也稱為前瞻性科技，是一種以發展中科技為基礎的重大創新，其相關科技領域的知識仍在繼續發展中，新興科技在技術創新、產品開發、顧客需求、市場規模、創新利益等，都還存在很高的不確定。不過新興科技的背後通常蘊藏重大市場商機，未來有可能形成一個全新的產業，也可能對於現有產業與市場帶來巨大的衝擊，因此廣泛受到政府、研究機構、企業、投資者的高度重視。例如：逆向工程技術、材料科技、微機電系統、奈米科技、光電科技、電子科技、生醫科技、生物科技、網路通訊、….等等，都是可能對於未來人類社會帶來重大影響的一些新興科技。例如：網際網路技術發展於1960年代的大學網路ARPANET，市場商機則要到1995年Netscape公司發展出網路溜覽器，並引發企業對於電子商務的市場需求（劉常勇，2004）。針對本計畫所規劃相關新興科技融入高職專題製作課程之文獻回顧，如下：（一）數位造型技術在十倍速的時代裏，時間為主宰成功的主要因素。縮短產品研發設計的週期，加快產品上市的速度，降低研發的成本，對於掌握市場商機及全球化有絕對的競爭優勢。往往一件擬製作的產品沒有原始設計圖檔，而是委託單位交付一件樣品或模型，如鞋模、高爾夫球頭，請製作單位複製出來。要達到這些目的，數位造型技術是不可或缺的工具；此技術包含數位造型軟體、逆向工程（Reverseengineering）及快速原型技術（Rapidprototyping），其中逆向工程、快速原型技術及整合技術是現今高職教育所缺乏的。逆向工程是針對一現有工件（樣品或模型）利用3D數位化量測儀器準確、快速的將輪廓劃座標量得，並加以建構曲面、編輯、修改後，傳至一般的CAD/CAM系統，再由CAM所產生刀具的NC加工路徑送至CNC加工機製作所需模具，或者送到快速成型機將樣品模型製作出來（Zhang，2003）。快速成型製造技術是國際上新開發的一項高科技成果，它的核心技術是電腦技術和材料4南港高工學報技術。根據CAD生成的零件幾何資訊，控制三維數控成型系統，通過雷射光束或其他方法將材料堆積而形成零件的。快速成型技術摒棄了傳統的機械加工方法。用這種方法成型，即能在最短的時間、最低的成本，得到同您所設計完全相同的實體模型，無需進行費時、耗資的模具或專用工具的設計和機械加工，極大地提高了生產效率和製造柔性。最佳應用範圍:(1)以藝術用途為主要考慮之概念模型；(2)以複雜度精度為主要考慮之成品；(3)需後續制程(如RTV模具)之母型；(4)某些快速仿製之應用，這概念已廣為業界所接受，並且有實際的成果，諸如裕隆、復盛、天宇..等，便導入RE及RP整套的系統。在鑄造中的應用，已經用快速成形技術（RP）直接製作消失性模型進行精密鑄造技術，例如航太工業、汽機車工業、3C產業、生醫、鞋業..的產品開發流程(Dickens，1995。Ferreira，2003。Wang，2003)。學校教育是提昇國家整體競爭力的基石，相較於我們鄰近的國家，如日本（Santos，2006）及香港政府(Chin，1998)對於逆向工程及快速原型的教育，都非常的積極建置於大學教學中。在2000年職業教育年會（AmericanSocietyforEngineeringEducation,ASEE）中Anwar(2000)提到進入大學或技專院校前的現代科技與技術教育，明確地提到逆向工程技術為高職教育預備課程，此課程能有效地協助產品設計功能外，也接續未來就業；在2002年ASEE會議中，Ogot(2002)提到此技術能讓學生學習、發現過程中提高學生的創新設計方案，且適合發展於高中職到大學新生階段，同時衝擊到這些學生進入職業市場；在美國密爾瓦基市高職學校（MilwaukeeSchoolofEngineering,MSE）利應用RP技術讓高職學生從設計、成型到產品測試的實驗課程，來瞭解未來工業科技趨勢（Musto，2000），同學校的McGeen於2002年ASEE會議中提到RP用於建築模型上，將原本三週以上所能完成的作品縮短成5天(McGeen，2002)。Fidan在2004ASME會議中提到技術能強化設計與製造課程，並且要向下紮根到國中到高中職階段製造課程(Fidan，2004)。此技術是新興科技快速產品化之必要技術之一。本子計畫將規劃「逆向工程技術」教學實驗室，進行專題製作課程，且接合「高科技材料熔煉與鑄造」技術、「精密鑄造」，讓學生深入瞭解逆向工程對新興科技產業及傳統產業的影響。新興科技融入高職精密鑄造專題製作課程之研發5（二）材料科技材料科技為一產業關聯性極大之基礎工業，舉凡製造業中的機械、化工、運輸工具、航太乃至新興之電子資訊業或奈米科技，莫不與材料科技息息相關。Gibala在1990年提到材料科技教育將直接影響21世紀科技，特別提到冶金、陶瓷、高分子及其他計畫的重要性（Gibala，1990）。我國在1990年到2000年間大學廣泛設立材料科系，進而提昇材料科學的應用，例如：在金屬材料技術應用成果，(1)傳統金屬工業升級至3C等高科技產業所需之特殊性能、高附加價值材料與零組件之領域；（2）輕合金材料：鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋰鎂合金用於輕量化技術，如電子產品機殼或車輛..；（3）電子用金屬材料用於PCB、導線、連接器、IC製程、高純度靶材製作技術..。(4)特殊合金材料用抗細菌、特殊環境..；(5)高純度熔煉技術：金屬純化技術由2N提高至4-6N（工研院）。材料科技屬於統合型新興科技之一，這些高科技材料製造均需要真空狀態下進行冶金，可見材料科技重要性。高職教育中，鑄造科課程與材料科系最相似。卻有幾項問題：(1)升學管道無法直接進入材料系；(2)設備與儀器屬於傳統性；(3)課程需增加高分子相關課程；然而，鄰近日本針對高職學生在進行畢業「專題報告」研究時，會採用合作伙伴方式與大學或機構，讓高中職的學生利用先進儀器設備進行相關材料科學實驗，如：掃描式電子顯微鏡（SEM）、XRD、TEM(Tochizawa，2006)。我國在去年（2006年）國科會通過高中職高瞻計畫之一，其國立鳳新高級中學所提出「高級中學材料科學奠基課程規劃與發展計畫」來針對材料科系所應具備基礎學科能力的提升，如物理、化學等（國科會高瞻計畫，2005），對技術性課程難於教授及練習。本子計畫將規劃一門「高科技材料製造與應用」課程，教學實驗課程為高科技材料製造與應用—「真空熔煉暨鑄造」技術，讓學生深入瞭解真空技術對高科技金屬材料冶金的重要性。另外，將結合創意設計、逆向工程技術、精密鑄造的專題製作來完成學生創意作品。（三）微機電系統（MEMS）微機電系統（Microelectro-mechanicalsystem,MEMS）的發展是起源於半導體製程技術與精密機械技術的結合，讓將各種產業產品的發展朝向輕、薄、短、小與6南港高工學報多功能、智慧化、省能源的微型化產品。此技術為本世紀最具發展潛力之整合型科技產業(Wechsung，1998)，在1990年德國、美國及日本等先進國家，分別投入了龐大的資金，企圖改善傳統加工技術及應用半導體製程技術，來製造微小的元件，試圖將各式機械元件微小化(國科會，2003)。因此，近年來各國則逐漸重視高深比（Highaspectratio）微形元件的製作的其他材質及其它精微加工技術，例如微熱壓成型（Hotembossing）（Becker，2000。Schift，2002）、微加工（Liu，2002）、微鍛造(Microforming)(Piotter，2000)、微射出粉末冶金(Micropowerjeting)(Liew，2001。Baumeister，2002)及微鑄造技術(Microcasting)（金工中心，2002）。其中微鑄造技術具有低成本和大量生產技術之一，因此這幾年有被發展趨勢，此技術是從精密鑄造技術所延續而來。我國在精密鑄造是屬於高技術層次，高附加價值，污染程度及能源依存度低，不需大廠房空間，適合台灣鑄造之發展條件。另外，台灣精密鑄造產業在2002年總產值約NT$69億元，尤其是高爾夫球頭。「微鑄造技術」能將金屬合金製造出幾乎相同形狀的微形元件，又稱淨形成形技術（Netshapeformingtechnology），並且有高的機械性質和鑄造出高深比的微結構。此技術利