作者：陳永平
在傳統教育中，因過度強調「知識」的傳授，而鮮少觸及「素養」的培育，再加上藉由筆試成績的高下來區分學生的能力，導致與知識相關的技能訓練，未能受到應有的重視，也因此造成嚴重的學用落差，甚至受到學非所用的質疑。
(9) 課程統整，學用兼具
近年來，在「翻轉學習」所掀起的浪潮下，「知識、技能、態度」三個與「素養」相關的面向，逐漸受到重視，所以我也試著將「技能」納入課程之中，然而技能屬於實務訓練，需要場地、設備與經費的支援，所以在課程設計上並不容易。事實上，在我心中一直想要開發的課程是「動態系統模擬與實現」，這是一門新課，內容得以涵蓋程式模擬與實務設計的技能訓練。有件事或許大家不相信，不過卻是真的，那就是這門課的靈感，是來自二十幾年前一場茶餘飯後的閒聊。
話說某年某月某日的午休時間，在控制系的教師休息室中，一如往常，幾位老師坐在沙發上，一邊看電視，一邊閒話家常，說著說著，林育平教授聊到了當年他在中科院任職時所參與的一場面試，由於申請者是控制系畢業的學生，因此問道：
「如果給你一顆飛彈，你會控制嗎？」
「會，只要給我飛彈的轉移函數(Transfer Function)，我就會控制！」
「蛤？蝦密？」
想想看，這段對話到底是哪裡出了問題？
『只要給我飛彈的轉移函數』
沒錯，就是這句話，因為飛彈的轉移函數沒有那麼容易取得！
只要是修過「線性控制」這門課的學生，一定都學過回饋控制，不過在課程中，回饋技術所處理的都是「線性」的「動態系統」。
先談「動態系統」，是內部或外顯性質會隨著「時間」變動的系統，例如射出的飛彈就是一個動態系統，因為它的位置與速度會隨著時間變動。為了探討動態系統的性質，在系統工程上，通常都利用「數學模式」來描述，因此在進行控制器設計之前，都必須先求得系統的數學模式。
至於「線性」，當一個系統的輸入與輸出之間呈現出固定的比例關係，我們稱它為線性系統。如果看不懂以上的說明，沒關係，會意一下就好，因為那是系統工程師才會想要了解的事，不過，重點來了，在工程上通常都是用「轉移函數」來描述線性系統，也就是說，「轉移函數」是線性系統的數學模式。
那麼，飛彈是不是「線性」系統？
當然不是，更確切地說，所有的系統都具有非線性的本質，所以都不是線性系統，但是，在特定條件下，即便是非線性系統，系統工程師也會想盡辦法把它簡化為線性系統，夠厲害吧！不過，我相信許多人看到這裡已經想要轉台了，對吧？
讓我們言歸正傳，直接下個結論：總之，『只要給我飛彈的轉移函數』這句話是個敗筆，雖然在特定的條件下，可以求得飛彈的轉移函數，但絕對不是一件簡單的事。
那麼申請者為何會以這種「直覺」的方式來回答呢？
「因為控制課程的內容很少觸及如何取得轉移函數，通常在介紹控制器設計時，都是直接給定轉移函數，造成學生的錯覺，誤以為轉移函數是垂手可得。因此，將來在開課時一定要設法納入轉移函數的推導。」林教授語重心長地說著。
事實上，系上的控制課程還是會介紹如何系統數學模式的推導，不過所舉的例子都是一些簡單的系統，而且也無法花太多的時間在這個課題上，學生若想要進一步了解相關的技術，通常都必須進入研究所之後才可能學到。
林教授所擔心的問題，在我早期指導研究生時就已經顯現出來了。
我的研究領域是動態系統的控制，舉凡機器人、倒立單擺、人造衛星、飛機、飛彈等都是控制的對象，在指導研究生設計控制器時，學生一開始都只能瞪著系統的數學模式，卻不知道如何下手。之所以會產生這種結果，當然是因為他們沒有接觸過較完整的訓練，為了讓研究生能夠及早進入狀況，於是我要求學生按照下列四個步驟來完成控制器設計，包括：
1. 系統數學模式化
2. 控制器設計
3. 系統模擬
4. 實務驗證
其中第一個步驟「系統數學模式化」正好呼應林育平教授所提出的問題，通常在這個關鍵步驟中，學生都必須熬過三個月以上的摸索學習，才能夠掌握到動態系統的特性。
從指導研究生的經驗中，讓我更能體會系上前輩的憂心，雖然也曾思考過相關的課程設計，但都未能真正付之實現。直到十年前，教學改革的聲浪四起，一時之間，「做中學」蔚為主流，就在這種氛圍下，我把指導研究生的四個步驟：「系統數學模式化」、「控制器設計」、「系統模擬」與「實務驗證」，當做課程的藍本，並選定三個常見的控制課題，包括直流馬達轉速控制、倒立單擺定位控制，以及機器手臂控制，開始規劃課程。
對我而言，前三個步驟的規畫相當單純，我個人早年的研究成果就是課程教材的第一手資料，因此課程講義的編撰相當順手，但是第四個步驟「實務驗證」，卻需要場地、設備及經費的支援，那可就不是一件容易的事了。最後，在現實的考量下，就先捨去第四個步驟，而將重點擺放在前三個步驟：「系統數學模式化」、「控制器設計」與「系統模擬」，課程定名為
「動態系統分析與模擬」
將系統模擬的程式設計設定為技能訓練的重點。雖然這門課沒有納入實際系統的控制，但總算是達到林育平教授所提的目標：「納入轉移函數的推導」。
事實上，這門課具有相當紮實的程式設計訓練，第一週開始，幾乎是週週有模擬程式設計，期中則是上機考試，再加上期末繳交專題報告。說真的，整個學期逼著學生拼命學習，雖然心中有點不忍，但是看到學生對課程的極高評價之後，我釋懷了，我知道學生是願意學的，而且收穫滿滿。
這門課開了兩年之後，我心中也開始盤算如何向系上申請經費支援，將第四個步驟納入課程，讓技能訓練擴展至實際的系統控制。
萬萬沒想到的是，有一個不可思議的機會正悄悄地降臨。
那是一個科技部的三年期跨域教學計畫，以系統工程教育的教學創新為目標，領軍的是電機系吳炳飛教授與教育所的林珊如教授，就在他們兩位教授的邀請下，我加入了其中一個子計畫。
這個教學計畫是由吳炳飛教授擔任總主持人，吳教授是交大的榮譽教學教師，在三年前還獲頒國家級的最高教育獎項─教育部「師鐸獎」，可說是實至名歸。在總計畫底下再分為四個子計畫，由電機系的老師負責前三個子計畫，各開發一門電機系的創意課程，子計畫四則是由教育所林珊如教授擔綱，針對三門創意課程的教學理念、方法、評量及成效等，進行學理性的探討及研究，這是整個教學計畫的最大亮點。
由於計畫的經費充裕，原先開課所面對的問題迎刃而解，於是將課程由「動態系統分析與模擬」進一步正名為
「動態系統模擬與實現」
當然，在課程內容上也做了更動，為了加入「實務驗證」，將原先所規劃的三個系統縮減為兩個，包括「直流馬達轉速控制」與「旋轉式倒立單擺控制」，而且購入實驗設備讓學生實際操作，達到四個步驟的完整訓練。更重要的是，也引入期末專題製作，前兩年是太陽能板的「最大功率追蹤」，第三年則是製作繪圖自走車來「繪製兩個同心圓」，此外，也將上課的內容錄製成影音檔，做為這門課的翻轉學習教材。
經過三年，由於整個教學計畫特別強調「做中學」的技能訓練，因此從子計畫四所做的調查與分析，以及學生對課程的評價，確認了這門課的訓練能夠達到學用兼具的目標。
緊接著，整個計畫團隊又申請到另一個三年期的教學計畫，在這個時期中，「統整課程」成為另一個教學焦點，而「機器學習」與「網實系統」也受到廣泛的關注，於是我也將課程朝這些面向設計、轉型。
先來談談「統整課程」。
按循序漸進的專業訓練規劃，可將課程分為「基礎課程」、「核心課程」與「統整課程」三種類型，這裡所稱的「統整課程」，是屬於高年級的課程，英文為capstone course，有人直譯為頂石課程，根據定義，此類課程必須具備下列三項要素：
1. 統整所學 ─ 整合過去學過的知識與技能
2. 做中學 ─ 具有實務的技能訓練
3. 團隊合作 ─ 強調團隊共同製作的創意專題
由於「動態系統模擬與實現」這門課已具有以上的三項要素，因此被納入系上的「統整課程」。此外，為了將「機器學習」與「網實系統」融入課程之中，將原先的期末專題製作，轉型為「智慧型自走車設計與應用」的創意專題，其中規劃了「盲駕」與「趕羊」兩項任務，在執行任務時會使用到「機器學習」與「網實系統」的相關技術。這些紮實的訓練當然還是能夠達到學用兼具的目標。
目前第二個三年期的教學計畫也已經結案，整個計畫團隊在六年內取得了許多重要的成果，對我個人而言，不僅得以嘗試新的教學方法與理念，也讓我深刻體會到跨域教學合作的重要性。最後，值得一題的是，就在計畫結束前，教育所林珊如教授、孫之元教授與鄭朝陽教授共同提議，成立一個跨域教學資源分享的教師社群，以「小確幸創新教學致動器」為名，希望能夠將整個計劃的教學合作精神持續推展下去，在下一篇網誌中，也是最終篇，我再來詳加介紹。
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