高中科展 · 工程學科（一）電子／電機／機械
工程設計流程
Engineering Design Process ─ 動手之前，先學會怎麼想
整理自 Science Buddies 工程設計流程專區，並對照 NASA STEM 與 TeachEngineering 的教材，加入台灣科展實務補充。工程科展的分數不在成品多漂亮，而在你能不能證明自己改了幾版、為什麼改。
適用高一至高三
科展工程組
主幹九步驟
＋迭代回路
產出設計綱要 · 決策矩陣
設計筆記本 · 測試數據
教師版右上角切換
含評分規準
00
先決定你走哪一條路
Which Process?
Science Buddies 給了一個很好用的判準：如果你的專題主要在做觀察與實驗，走科學方法；如果主要在設計、製作、測試一個東西，走工程設計流程。工程設計流程是工程師為了解出某個問題所依循的一連串步驟，而解答通常是一個滿足特定條件、能完成特定任務的產品。
兩條路的報告長得完全不一樣。走錯了，你會發現自己整份說明書都在硬套「假設」這個詞，卻寫不出假設是什麼——因為工程專題根本沒有假設可以測。
五秒判斷法：你的題目句子裡，動詞是「探討／比較／驗證」還是「設計／製作／改良」？
前者走科學方法，後者走工程設計流程。
01
工程科展跟物理科展，不是同一種東西
Scientific Method vs. EDP
| 對照項目 | 科學方法 | 工程設計流程 |
|---|
| 起點 | 一個對自然現象的疑問 | 一個具體的人遇到的具體困擾 |
| 中間主張 | 假設 Hypothesis | 需求規格 Requirements |
| 主要動作 | 設計實驗、控制變因 | 做原型、測試、改版、再測試 |
| 成功定義 | 數據支持或推翻假設 | 成品逐條滿足規格 |
| 失敗的意義 | 假設被推翻，結論改寫 | 是下一版的輸入，屬於必要歷程 |
| 除錯的位置 | 程序出錯時才需要除錯 | 除錯本身就是流程：找出設計哪裡沒達到規格 |
| 重複什麼 | 重複實驗，提高可信度 | 重複迭代，逼近規格 |
| 最終產出 | 一個有數據支撐的結論 | 一個可運作、且被驗證過的解決方案 |
評審最常問的一句話：「你這個東西，比原本的做法好在哪裡？好多少？」
答不出「多少」，代表第 03 步的規格沒訂好。這題永遠會被問。
02
九個步驟與那條回頭的紅線
點開每一步 · 附兩組實例
NASA 的教案通常壓縮成五到七步，TeachEngineering 的單元帶你把整條路走一遍，Science Buddies 拆得最細，共九步。這裡採九步版本，因為被壓縮掉的那幾步（訂規格、選方案）正好是科展最容易失分的地方。
步驟寫成順序，執行時卻不是。Science Buddies 特別提醒：工程師並不會照著步驟一路走到底，設計完、測試完、發現問題、退回前面某一步修改，是再正常不過的事——這就叫迭代（iteration）。右側那條紅色虛線，就是它。
本站貫串兩組實例，每一步都會出現：
例 A｜電子電機 連假四天無人照顧，陽台盆栽枯死。
例 B｜機械 高中生後背包重量集中在肩帶，長期造成肩頸痠痛。
01定義問題DEFINE THE PROBLEM＋
- 要做的事
- Science Buddies 的起手式是三個問題：問題或需求是什麼？誰有這個問題？為什麼值得解決？把答案收攏成一句：
「〔誰〕需要〔什麼〕，因為〔為什麼〕。」主詞必須是真實存在的使用者，不是「大家」。
- 交出什麼
- 一句問題陳述 ＋ 現場照片或訪談紀錄（誰、何時、說了什麼）
- 工具
- 心智圖（Mind Mapping）幫你從模糊的困擾發散出可下手的角度；設計筆記本從這一刻就要開始寫。
實例對照
A｜都市小坪數住戶需要一套四天內免人力的盆栽供水方式，因為連假外出後返家常發現植株枯萎。
B｜每日通勤的高中生需要一種能分散背包重量的背負方式，因為現行肩帶把 6 公斤集中壓在斜方肌上。
- 常見陷阱
- 開場就寫「我要做一台自動澆水機」。那是解法不是問題。先寫問題，解法留到第 04 步。
02背景研究DO BACKGROUND RESEARCH＋
- 要做的事
- 從別人的經驗裡學，找出既有的解法、避開前人踩過的坑。Science Buddies 要求兩個方向同時查：
① 使用者／顧客——他們是誰、怎麼用、卡在哪。
② 既有解決方案——市面上已經有什麼、為什麼還不夠好。
- 交出什麼
- 比較表至少 5 筆，含市售品、專利、期刊、以及歷屆科展作品（科教館資料庫可下載全文）；附參考文獻格式一致的書目
實例對照
A｜查市售滴灌器（重力式、虹吸式、定時電磁閥）三類的價格、供水穩定度與失效模式；查土壤含水量感測原理與已知的電極腐蝕問題。
B｜查登山背包的負重轉移設計（腰帶承重比例）、既有護肩墊的壓力分散數據、以及人體肩部可承受壓強的文獻值。
- 常見陷阱
- 只查了維基百科就開工，做到一半才發現三年前有人做過幾乎一樣的題目，而且做得更完整。
03訂定需求規格SPECIFY REQUIREMENTS＋
- 要做的事
- 設計需求就是「你的方案必須具備哪些關鍵特性才算成功」。Science Buddies 給了一個很聰明的方法：拿一個類似的既有產品來拆解，把它的每個關鍵特性列出來，你的需求清單就有了底稿。
接著把每一條翻譯成可量測的數字：不是「要很準」，而是「連續量測 10 次，誤差 ≤ ±5%」。
- 要幾條
- 多數學生最後只會挑 3 到 5 條。每一條都必須是真的需要，而且做得到。貪心列二十條，只會讓你哪一條都沒驗證完。
- 交出什麼
- 設計綱要（Design Brief）＋ 需求規格表，見〈三張工作表〉
實例對照
A｜R-01 連續運作 ≥ 96 小時免人工介入｜R-02 土壤含水量控制誤差 ≤ ±5%｜R-03 總成本 ≤ NT$800｜R-04 不可漏水於室內地面。
B｜R-01 肩部峰值壓強較原背帶下降 ≥ 30%｜R-02 加裝結構總重 ≤ 400 g｜R-03 30 秒內可自行穿脫｜R-04 可相容於三種常見背包尺寸。
- 常見陷阱
- 做完成品才回頭補寫規格。評審一問「這個 5% 是怎麼訂出來的」，整條邏輯就斷了。規格要有依據：法規、市售品水準、文獻值，或使用者可接受的門檻。
04腦力激盪BRAINSTORM SOLUTIONS＋
- 要做的事
- 設計問題永遠有很多種好解法。Science Buddies 講得很直白：如果你在看過其他可能之前就鎖定一個方案，幾乎可以確定你錯過了更好的解。好的設計者會盡可能生出愈多方案愈好。
提出至少 3 個原理上不同的方案——不是同一個方案換三種顏色。先求數量、暫停批評，畫草圖比用講的快十倍。
- 交出什麼
- 3 張以上草圖，每張標註：使用原理、預估成本、最大風險
實例對照
A｜①電阻式感測＋蠕動泵 ②電容式感測＋電磁閥重力供水 ③不量測，改用秤重回饋控制。
B｜①加寬記憶泡棉肩墊 ②增設腰帶把負荷轉移到骨盆 ③彈簧懸吊式背板讓負載與身體解耦。
- 常見陷阱
- 第一個想到的就直接動手做。你後面沒有東西可以比較，決策矩陣也就寫不出來。
05選定方案CHOOSE THE BEST SOLUTION＋
- 要做的事
- 逐一檢視每個方案是否滿足你的設計需求。有些方案會滿足得比別人多。不滿足需求的，直接淘汰——這一步的判準來自第 03 步，不是來自你的喜好。
實務上用決策矩陣把它量化：規格當評分項、給權重、逐案打分。
- 交出什麼
- 決策矩陣一張 ＋ 一段文字說明「為什麼不選 B 和 C」
實例對照
A｜方案③秤重式準確度最高，但成本破 R-03 上限，且無法相容於各種盆器 → 淘汰。選②。
B｜方案③懸吊式壓力下降最多，但加裝結構重量超過 R-02 的 400 g → 淘汰。選②腰帶轉移。
- 常見陷阱
- 憑感覺選。報告裡就只能寫「我們認為這個比較好」，這句話在評審面前沒有任何重量。
06開發設計DEVELOP THE SOLUTION＋
- 要做的事
- 開發指的是不斷精修與改良方案，而且它會貫穿整個設計流程，即使產品已經出貨也還在繼續。動手前先畫圖：系統方塊圖（感測 → 訊號處理 → 控制決策 → 致動 → 回授）、電路圖、CAD、程式流程圖、故事板。每個方塊標明輸入的物理量、範圍、單位、輸出給誰。
- 降風險
- 先做風險最高那一塊的小測試，例如感測器到底準不準、馬達扭力夠不夠。別把它留到最後才發現。
- 畫圖的意義
- Science Buddies 創辦人自述年輕時嫌畫圖浪費時間，直接動手做，結果望遠鏡支架轉到一半自己撞在一起，只好整組重做。東西一複雜，腦內模擬就會失效。
實例對照
A｜方塊圖：電容式探頭（輸出 0–3.3 V）→ ADC 取樣 → 移動平均濾波 → 閾值判斷 → 電磁閥（12 V / 0.5 A）→ 回授再量測。先單測探頭在 20–35°C 下的讀值漂移。
B｜先用 CAD 定出腰帶與背板的連接角度，再以簡易靜力分析估算轉移到骨盆的比例，最後才裁材料。
- 常見陷阱
- 跳過畫圖直接焊電路、直接列印。等發現尺寸對不上或訊號被干擾，整組零件重做，時間就沒了。
07製作原型BUILD A PROTOTYPE＋
- 原型是什麼
- 原型是「能運作的版本」。它常常用跟最終成品不同的材料做成，而且通常沒那麼精緻——這是 Science Buddies 的原話重點。它的任務是讓你測試方案會怎麼運作，甚至拿去給使用者看、收回饋。
- 用什麼做
- 瓦楞紙板、紙、海報板、卡紙、珍珠板都是很好的建模材料，好裁好黏；塑膠板與木材也適合。家裡的寶特瓶、吸管、鋁罐這類現成物常常剛好補上缺口。市售的組裝套件也很好用。
- 可以做幾個
- 不只一個。設計者常在早期就先針對某一個模組做原型，開發過程中也可能做出好幾代。
實例對照
A｜REV01 用麵包板＋壓克力盒＋寶特瓶儲水，不做外殼，只求能連續跑四天。
B｜REV01 用珍珠板與束帶做出腰帶接點的幾何原型，先驗證角度與可穿脫性，材料強度留待 REV02。
- 常見陷阱
- 花三週把外殼做得很美，只剩三天測試。工程科展的分數在數據，不在烤漆。
08測試與再設計TEST AND REDESIGN＋
- 要做的事
- 你會測試、找出問題、做修改、再測試新版本、又發現新問題……如此反覆，才收斂到最終設計。Science Buddies 把這一步稱為整個流程裡最後也最重要的階段。
做兩種測試：①規格驗證——一條規格對一個測試方法對一組數據，重複量測 3～5 次取平均與標準差；②使用者測試——見下一節，這是多數台灣科展作品缺的一塊。
- 交出什麼
- 測試數據表 ＋ 版次比較圖（REV01／REV02／REV03 疊在同一張圖上）＋ 設計筆記本
- 提醒
- 流程走到這麼後面，一個小改動都可能決定成敗，測試務必徹底。
實例對照
A｜REV01 誤差 ±18%、第 5 天電極生鏽 → REV02 改電容式並封膠，誤差 ±6% → 發現午後高溫讀值漂移 → REV03 加溫度補償，誤差 ±3.2%，通過 R-02。
B｜REV01 壓強僅降 12%，受測者反映腰帶會滑 → REV02 加防滑襯與角度調整 → 壓強降 34%，通過 R-01。
- 常見陷阱
- 只展示最終成功的那一版。改良歷程才是工程科展最重的分數，把它藏起來等於自己丟分。
↑ 未達規格 → 帶著這次的數據
回到 04／05 重新選方案
09分享成果COMMUNICATE RESULTS＋
- 要做的事
- 用書面報告與展示海報把結果說清楚。專業工程師也是這樣做的——把解決方案完整記錄下來，別人才有辦法據以製造與維護。
主軸是「問題 → 規格 → 數據 → 改良」，不是流水帳。
- 交出什麼
- 作品說明書、摘要、展示海報、90 秒口說稿
- 練習法
- 先練 90 秒版本：問題一句、規格三條、關鍵數據一張圖、最後一版比第一版好多少。講得完，長版才會有骨架。
- 常見陷阱
- 整份報告都在介紹元件原理，卻沒說自己解決了什麼。原理是背景，不是主角。
03
需求規格想不出來？照這張分類表挑
Design Requirement Types
這是 Science Buddies 整理的需求類型清單。它不會剛好涵蓋你全部的需求，但也很少完全用不上。挑出跟你的問題陳述真正相關的三到五條，每一條都要是必要且可行的。
| 類型 | 可以拿來當規格的項目 |
|---|
| 成本 | 購買成本、使用成本、維修成本（幾乎一定會有一條成本規格） |
| 外觀 | 風格、顏色、做工精細度 |
| 幾何 | 尺寸、整體外形、曲率 |
| 容量 | 能處理的東西有多少、多大 |
| 物理特性 | 重量、密度、熔沸點、透明度、反射率、表面粗糙度、彈性、硬度、延展性、磁性、電性（電阻、阻抗）、抗衝擊、抗彎強度、黏度 |
| 性能特性 | 準確度、強度、再現性／重複性（同樣輸入是否給出同樣結果）、速度、加速度、煞停能力、滾動阻力、摩擦力、附著力、吸收性、滲透性、解析度、可燃性、隔熱值 |
| 輸入 | 耗能、燃料消耗、人力投入 |
| 輸出 | 產出物、功率、污染、非預期的副作用 |
| 製造考量 | 製作難度、需要的設備與工法、零件數量、人力需求、運送方式 |
| 環境條件 | 操作溫度範圍、儲存溫度範圍、防水、抗腐蝕、與特定物質的相容性、耐輻射 |
| 使用者 | 好不好用、好不好學、需不需要操作訓練 |
| 法規授權 | 是否符合政府規定、賽事規則；是否需支付專利或授權費 |
| 耐用度 | 保養需求、維修難易、可靠度、壽命、廢棄處理 |
| 聲學 | 音高、聲音穿透、共振 |
| 軟體專用 | 功能集、可處理資料量、介面型式、可客製化程度、速度與反應性、與其他程式交換資料的能力、錯誤處理方式、開發語言、可移植性、多語系支援；以及執行環境需求（作業系統、CPU、記憶體、顯示、單機或網路、周邊設備） |
工程學科（一）最常被忽略、卻最容易加分的兩條：「再現性」與「操作溫度範圍」。
你的裝置在冷氣房量得很準，搬到科展會場的悶熱走廊還準嗎？先自己測，別等評審問。
05
使用者測試：台灣科展最缺的一塊
User Test
多數學生只做「機台測試」——量數據、看有沒有達標。但 Science Buddies 的測試階段有一半在講拿去給真的使用者用。這一段做了，你的作品層次會明顯不一樣。
怎麼找受測者
回到你的問題陳述，裡面寫的那群人就是受測者。每一輪找 3 到 5 位是合理目標，人愈多發現愈多。設計給幼兒園用的東西，就要找幼兒園的孩子測，不能拿同組同學交差。
要在哪裡測
在問題環境裡測——也就是問題實際發生的場景。設計太陽眼鏡，就要讓人在大太陽底下戴，不能在室內或晚上試。設計網站或軟體，要讓人真的在電腦上操作，而不是看你簡報畫面。
如果是無法實際搬到現場的東西（例如設計一台校車），就用故事板把使用情境畫出來，請受測者跟著走一遍。
測的時候記什麼
重點是觀察互動，而不是問他喜不喜歡。看他怎麼用、聽他說什麼、注意他在哪裡愣住，全部寫進設計筆記本。四個核心問題：
- Q1使用者有沒有靠你的方案解決問題？成功的話，是哪個設計幫上忙？失敗的話，卡在哪裡？
- Q2過程中他有沒有需要問你問題？問了什麼、在哪一步問？（你平常不會在旁邊，所以這些問題必須靠設計本身解決）
- Q3他使用的方式跟你預期的一樣嗎？不一樣的話，他做了什麼？那樣做是變好還是變差？
- Q4如果你有可量測的目標，這次達到了嗎？規格若寫「更快、更便宜、更好」，就要拿出改善幅度的數字。
然後回去改
拿測試結果做兩件事：修掉出問題的地方，以及把意外表現得特別好的地方再強化。改完再測一輪，重複到你滿意為止。看起來像在原地打轉，其實每一輪都在往前走。
寫進報告的方式：「第一輪 5 位受測者中有 3 位在步驟二停頓，平均耗時 42 秒 → REV02 將指示改為圖示 → 第二輪 5 位皆未停頓，平均 11 秒。」
這一段的說服力，遠大於「我們覺得改良後比較好用」。
06
設計筆記本
Design Notebook
設計流程會拖上數週、數月甚至數年。如果紀錄散落各處，需要回想時根本找不到，最後要整理成報告也會很痛苦。所以工程師都會維持一本設計筆記本，沿路把每個細節記下來。
裡面放什麼
什麼都放。從你開始思考「要解決什麼問題」的那一刻就開始寫。典型內容包括：背景研究筆記、使用者或專家的訪談、草圖與繪製、競品照片、需求清單、你遇到的問題與疑問。
判準：專題結束時，一個沒參與過的人翻完你的筆記本，應該能完全理解你是怎麼一路走到最終方案的。
用哪種本子
方格紙或空白頁的本子最好，因為你不只要寫字，還要畫圖。尺寸自己決定：小本好隨身攜帶，大本好畫圖。
歷史上的設計筆記本
達文西 1503 年的手稿裡有水車與阿基米德螺旋泵的設計；貝爾與愛迪生也留下大量筆記，愛迪生的本子涵蓋留聲機、發電機與白熾燈泡的開發過程。這些筆記之所以留存下來，正是因為它們完整記錄了「想法如何變成東西」。
科展實務：用手機拍照存雲端也可以，但請維持三件事——日期、版次編號、當下的想法。
事後補寫的筆記本，字跡、筆色與紙張磨損都會露餡，而且你自己也想不起來當初為什麼那樣改。
08
三個原始資源，各有各的用法
Sources
Science Buddies
Engineering Design Process
sciencebuddies.org/science-fair-projects/engineering-design-process/engineering-design-process-steps
本站主要依據。九個步驟各有獨立頁面，另有需求規格範例、產品拆解方法、腦力激盪、原型製作、使用者測試、設計筆記本等子頁，並附互動流程圖與示範影片。
用法：學生務必逐頁看過，特別是 Specify Requirements 與 Test and Redesign 兩頁。
TeachEngineering.org
teachengineering.org
科羅拉多大學主持的 K-12 免費工程課程庫，每個單元都是完整走一輪設計流程，附材料清單與評量規準。
用法：挑一個單元當暖身專題，兩週跑完整流程，再開始真正的科展題目。
NASA STEM
Engineering Design Process
nasa.gov/stem
官方教案與學生工作單，依教案不同有五到七步驟的版本，圖示清楚、語言精簡，適合當作課堂上的第一次介紹。
用法：拿它的工作單當本站工作表的補充；步驟名稱以九步版為準即可。
09
歷屆得獎作品九步驟拆解
科教館官方說明書 · 邊讀邊填
讀懂三份得獎說明書，勝過聽十堂方法課。下表的作品名稱、學校、名次與下載連結，全部取自國立臺灣科學教育館「歷屆優勝作品」專輯，可直接點開全文 PDF。
重要：九步驟欄位是空的，要你自己填。
本站沒有代替你讀完這些說明書。得獎作品不一定按九步驟撰寫（多數用「研究動機／設備器材／過程方法／結果討論」的傳統格式），你的任務正是把它翻譯回九步驟——找不到的步驟，往往就是那件作品相對薄弱、或你可以做得更好的地方。
作品索引
| 屆別 | 名次 | 作品名稱 | 學校 | 說明書 |
|---|
| 高級中等學校組 工程學科（一） |
65 屆
114 年 | 第一名 | 環語鏈—結合本地 LLM 與去中心化情報交換的監測系統 | 國立新竹高級中學 | PDF |
65 屆
114 年 | 第二名 | AI 無人機檢測系統在建築磁磚剝落風險評估中的應用 | 新北市立新北高級中學 | PDF |
64 屆
113 年 | 第一名 | 應用多任務學習神經網路建構可識譜六孔竹笛機器人 | 臺北市立內湖高級工業職業學校 | PDF |
64 屆
113 年 | 第二名 | 物聯網易上手微型沖板機 | 國立嘉義高級工業職業學校 | PDF |
| 國中組 生活與應用科學（一） |
65 屆
114 年 | 第一名 | 十字路口人車碰撞預測之研究 | 國立臺灣師範大學附屬高級中學（附設國中） | PDF |
65 屆
114 年 | 第二名 | 問君哪得清如許—探討永續節能自動化水質檢測及淨化的可能性 | 高雄市立明華國民中學 | PDF |
64 屆
113 年 | 第一名 | 浮踪浪跡—簡易水流流場監測模組的建立與探討 | 新北市立正德國民中學 | PDF |
64 屆
113 年 | 第二名 | 捷運 AI 異物辨識及智能煞車輔助系統 | 桃園市立龍潭國民中學 | PDF |
目前收錄第 64、65 兩屆。第 61–63 屆（110–112 年）可自行至科教館「歷屆優勝作品」→ 該屆 → 高級中等學校組／國中組 頁面查得，格式相同。
拆解學習單（每件作品印一張）
讀 PDF 時逐欄填。「找不到」也是有效答案，而且是最有價值的那種——它告訴你評審在什麼條件下仍然給了第一名，以及你的作品可以在哪裡超車。
| 步驟 | 去說明書的哪裡找 | 你填：找到了什麼／找不到 |
|---|
| 01 定義問題 | 研究動機第一段。看它是否指名一個具體使用者與場景，還是只寫「近年來⋯⋯很重要」 | |
| 02 背景研究 | 文獻探討、參考資料。數一數：市售品幾筆？專利幾筆？歷屆科展幾筆？ | |
| 03 需求規格 | 最難找的一步。找有沒有出現「目標值／容許誤差／成本上限」等數字。常藏在「研究目的」或結論的對照表裡 | |
| 04 腦力激盪 | 看有沒有出現被放棄的做法。關鍵字：「初期嘗試」「原本採用」「改以」 | |
| 05 選定方案 | 有沒有說明為何選這個原理而不選別的？有沒有比較表？ | |
| 06 開發設計 | 設備器材、系統架構圖、電路圖、流程圖。每個方塊的輸入輸出寫清楚了嗎？ | |
| 07 製作原型 | 照片。數一數總共出現幾個不同的實體版本 | |
| 08 測試與再設計 | 研究結果。每個數據量了幾次？有無誤差棒或標準差？有無「改良前 vs 改良後」的對照圖？ | |
| 09 溝通 | 摘要與結論。三十秒內看得出「解決了什麼、好了多少」嗎？ | |
暖身練習：把得獎題目還原成問題陳述
先別急著讀內文。光看題目，試著補完「〔誰〕需要〔什麼〕，因為〔為什麼〕」。寫完再翻開 PDF 對答案——你會發現自己推測的使用者，常常比原作寫的還具體。
| 作品題目（節錄） | 你的問題陳述 |
|---|
| AI 無人機檢測建築磁磚剝落風險 | 需要 ，因為 。 |
| 物聯網易上手微型沖板機 | 需要 ，因為 。 |
| 十字路口人車碰撞預測 | 需要 ，因為 。 |
| 捷運 AI 異物辨識及智能煞車輔助 | 需要 ，因為 。 |
| 簡易水流流場監測模組 | 需要 ，因為 。 |
讀完八份之後問自己三個問題：
① 這些題目的使用者，有幾個是我也接觸得到的？
② 得獎作品的「規格數字」平均有幾條？我打算訂幾條？
③ 有幾件作品明確呈現了改版歷程？它們的名次分布如何？
說明書 PDF 之著作權屬各作者與國立臺灣科學教育館所有，本站僅提供官方連結供閱讀學習，請勿抄襲或轉載。引用他人作品的想法時，務必於參考文獻標明屆別、編號與作者。
同一站台的另一半教師版含 18 週節奏表、每步驟提問清單、五面向評分規準、常見卡關處理、暖身課教案與評審模擬題庫。
配套教師手冊 · 指導教師專用
指導者版
Teacher Companion ─ 節奏、提問、規準與放手的界線
工程科展的指導難處不在技術，而在「忍住不出手」。學生做出來的東西一定比你自己做的差，但評審看的是學生的思考痕跡。這份手冊處理的就是：什麼時候該問問題、什麼時候該給答案、以及怎麼打分數。
時程18 週
暑末至校內科展
核心工具提問清單
四級評分規準
暖身課2 堂
可直接照用
學生版右上角切換
T0
你的角色是提問者，不是共同作者
Positioning
工程科展最常見的失分不是技術不足，而是作品明顯不像高中生做的。評審會用問題戳：「這段程式為什麼用這個濾波？」「這個尺寸怎麼定的？」學生答不出來，分數就掉了。
| 指導者該做 | 指導者不該做 |
|---|
| 問「你怎麼知道這樣比較好？」 | 直接說「這樣比較好」 |
| 要求學生把規格寫成數字 | 替學生訂出那些數字 |
| 示範一次量測方法，然後退開 | 全程代為操作儀器 |
| 指出報告哪一段讀不懂 | 重寫那一段 |
| 提醒安全風險並要求防護 | 因為危險就改由老師做 |
| 幫忙聯繫受測者、借用場地與儀器 | 代替學生做使用者訪談 |
一個實用的自我檢查：如果把你從這個專題抽掉，作品會不會直接停擺？
會的話，這件作品目前是你的，不是學生的。
T1
18 週節奏表
以校內科展為終點回推
時間分配的原則只有一句：製作最多佔三分之一，測試與改版要留下三分之一。學生天然會把時間全砸在製作上，這張表的作用就是抵抗那個引力。
| 週次 | 階段 | 本週結束時必須存在的東西 |
|---|
| W1–2 | 暖身課 | 用蛋落或高塔任務走完一輪流程，交出簡化版三張工作表 |
| W3 | 定義問題 | 三個候選問題陳述，各附一張現場照片 |
| W4–5 | 背景研究 | 比較表 5 筆以上（含歷屆科展作品）；收斂到一個題目 |
| W6 | 訂定規格 | 設計綱要＋3–5 條可量測規格，每條標明依據 |
| W7 | 腦力激盪 | 3 個原理不同的方案草圖 |
| W8 | 選定方案 | 決策矩陣＋淘汰理由文字稿 |
| W9–10 | 開發設計 | 系統方塊圖、介面規格；高風險模組先期測試數據 |
| W11–12 | REV01 | 能運作的粗糙原型＋第一組規格驗證數據 |
| W13 | 使用者測試 | 3–5 位受測者、問題環境中的觀察紀錄 |
| W14–15 | REV02–03 | 依數據改版兩次，版次比較圖成形 |
| W16 | 收斂 | 最終規格達成率表；未達成項目的檢討 |
| W17 | 寫作 | 說明書初稿、海報版面、90 秒口說稿 |
| W18 | 模擬答辯 | 找非本科老師當評審，用 T6 題庫問一輪 |
檢查點設計：W6、W10、W13 三個時間點設為硬性關卡。
規格沒寫完不准動手做；方塊圖沒畫完不准買零件；沒做使用者測試不准進入寫作期。前鬆後緊是這類專題失敗的標準模式。
T2
每一步的提問清單
問句，不是答案
這些問題的共同特徵：學生答不出來的時候，你不要接著回答。讓他帶回去，下次見面再問一次。
01–02 定義問題／背景研究
- 這個問題是誰的問題？你認識這個人嗎？
- 如果不解決，會怎樣？嚴重到值得花你半年嗎？
- 市面上已經有的東西，為什麼不夠好？你實際用過嗎？
- 歷屆科展有沒有人做過？你和他們的差別在哪一句話上？
03 訂定規格
- 這條規格怎麼量？拿什麼儀器？量幾次？
- 「±5%」的 5 是哪裡來的？如果是 10% 會怎樣？
- 這五條裡面，哪一條你最可能達不到？為什麼還留著？
- 有沒有一條規格，其實是在描述你想做的東西，而不是使用者的需要？
04–05 腦力激盪／選方案
- 這三個方案的物理原理是不是真的不同？還是同一個東西換材料？
- 你最不想選的那一個，它有沒有哪一點贏過你選的？
- 如果預算變兩倍，你的選擇會改變嗎？改變的話，代表你的權重設定對嗎？
06–07 開發／原型
- 整個系統裡最可能失敗的是哪一塊？你打算什麼時候測它？
- 這個方塊的輸入是什麼物理量？範圍多少？單位是什麼？
- 這個原型是為了驗證什麼？做得漂亮對那件事有幫助嗎？
08 測試與再設計
- 每一條規格，對應到哪一組數據？指給我看。
- 你量了幾次？標準差多少？如果只量一次，你怎麼知道那不是巧合？
- 受測者做了什麼你沒預料到的事？那件事讓設計變好還是變壞？
- 這一版比上一版好在哪裡？用數字說。
09 溝通
- 不懂電子的人聽完你的 90 秒，能複述你的問題嗎？找一個人試試。
- 海報上哪一張圖是主角？如果評審只看那一張，他會懂嗎？
- 你失敗的那一版，寫在報告第幾頁？
T3
四級評分規準
Rubric · 可直接印給學生自評
五個面向，每項 4 級。建議在 W10 與 W16 各做一次自評與互評，讓學生自己看見缺口。權重可依校內科展辦法調整。
面向一｜問題定義與需求規格（25%）
| 等級 | 描述 |
|---|
| 4 優異 | 問題陳述指向具體使用者且有現場證據；3–5 條規格全部可量測，每條數值皆有法規、文獻或市售水準作依據 |
| 3 良好 | 問題明確、規格可量測，但部分數值的訂定依據說不清楚 |
| 2 待改 | 規格存在但多為定性描述（「要穩定」「要快」），缺乏量測方法 |
| 1 不足 | 沒有規格，或規格是完成作品後才回頭補寫 |
面向二｜替代方案與決策（15%）
| 等級 | 描述 |
|---|
| 4 優異 | 3 個以上原理相異的方案，有草圖；決策矩陣權重合理，並能說明淘汰理由與取捨 |
| 3 良好 | 有多方案與比較，但淘汰理由偏向主觀或未對應規格 |
| 2 待改 | 方案間差異僅在材料或外觀，原理相同 |
| 1 不足 | 只有一個方案，無替代方案的評估紀錄 |
面向三｜設計與製作（20%）
| 等級 | 描述 |
|---|
| 4 優異 | 有完整系統方塊圖與介面規格；高風險模組先行驗證；製作與圖說一致，學生能解釋每個設計決定 |
| 3 良好 | 圖說完整但部分細節與實作不符；能解釋多數設計決定 |
| 2 待改 | 僅有實體成品，圖說事後補繪；部分模組來源不明 |
| 1 不足 | 成品明顯超出學生可解釋的範圍，或大量沿用未說明的既有模組 |
面向四｜測試、數據與迭代（30%）
| 等級 | 描述 |
|---|
| 4 優異 | 每條規格皆有對應數據，重複量測並呈現離散程度；至少三個版次且各有改版依據；含問題環境中的使用者測試；有版次比較圖 |
| 3 良好 | 規格驗證完整、有兩次以上改版，但缺使用者測試或未呈現量測離散度 |
| 2 待改 | 僅有最終版數據，改版歷程口述而無紀錄 |
| 1 不足 | 只證明「會動」，未對照規格；無任何改版紀錄 |
面向五｜溝通與紀錄（10%）
| 等級 | 描述 |
|---|
| 4 優異 | 設計筆記本完整且可還原歷程；報告主軸為問題—規格—數據—改良；失敗版本誠實呈現；口說 90 秒可獨立成立 |
| 3 良好 | 紀錄完整但敘事偏流水帳；失敗經驗提及但未分析 |
| 2 待改 | 筆記本明顯事後補寫；報告以原理介紹為主體 |
| 1 不足 | 無過程紀錄；僅呈現成果 |
T4
六種常見卡關與處理方式
Troubleshooting the Students
卡關一｜學生先有作品，才回頭找問題
症狀：「我想做一台會自動分類垃圾的機器。」
處理：不要否定題目，改問「誰現在分類分得很痛苦？帶我去看。」如果找不到那個人，題目就會自動鬆動。實在找不到，就讓他保留這個技術，換一個真實場景去套。
卡關二｜規格永遠寫成形容詞
症狀：「要準確、要穩定、要方便。」
處理：當場給三個追問——多準？怎麼量？多少次？把 T3 的規準面向一直接印給他看，讓他自己對照現在是第幾級。
卡關三｜三個方案其實是同一個
症狀：三張草圖只差在外殼顏色與尺寸。
處理：要求每個方案寫出「它靠什麼物理原理達成目的」。寫出來一樣，就是同一個方案。可以規定：至少一個方案必須完全不用電。
卡關四｜死守失敗的方案不肯換
症狀：已經花了六週在某個感測器上，數據一直不合格，但捨不得放棄。
處理：把沉沒成本講開，並明確告訴他：寫出「我們為什麼放棄 A 改用 B」是加分的，不是丟臉的。設定停損點（例如再兩週未達 R-02 就換方案），寫進版次紀錄。
卡關五｜只有一個版本，時間就到了
症狀：W15 還在做 REV01。
處理：當機立斷降規格。與其做一個完美但沒測過的東西，不如把規格縮到 3 條、把現有版本測完並做一次有依據的改版。一個小題目做完三個版次，分數高於一個大題目做到一半。
卡關六｜學生答不出「這段是誰做的」
症狀：程式或機構有明顯超出學生能力的段落。
處理：這是誠信問題，不是能力問題。要求把來源標清楚——用了哪個開源函式庫、哪個既有模組、誰協助了什麼——並專注說明自己在其上做了什麼調整與驗證。標清楚不會扣分，說不清楚才會。
T5
兩堂暖身課
W1–W2 · 可直接照用
目的不是做出好作品，而是讓學生先體會「回頭那條紅線」是什麼感覺。跑過一輪之後，正式開題時他們就不會抗拒改版。Science Buddies 與 TeachEngineering 都有現成的教案可搭配。
第一堂｜緩衝落蛋（Egg Drop）· 100 分鐘
- 限制條件：指定材料包（例如吸管 20 根、膠帶 1 m、紙張 3 張），落下高度 3 m，總重 ≤ 60 g。
- 流程：訂規格 10 分 → 三方案草圖 15 分 → 決策矩陣 10 分 → 製作 25 分 → 第一次測試 10 分 → 改版 20 分 → 第二次測試 10 分。
- 關鍵設計：一定要測兩次。只測一次的落蛋活動教不到迭代，那只是勞作。
- 結課提問：你的第二版改了什麼？依據是第一次測試的哪個現象？如果還有第三次，你會改哪裡？
第二堂｜最高塔（Tallest Tower）· 60 分鐘
- 限制條件：義大利麵條與棉花糖，或紙張與膠帶，須自立且頂端承載指定重量 10 秒。
- 重點轉移：這一堂刻意不給充裕時間，逼學生面對「先做粗糙原型早點測試」與「想到完美才動手」哪個划算。
- 結課提問：幾組是最後一分鐘才第一次立起來的？他們的成績如何？為什麼？
兩堂課的共同收束：把 Science Buddies 的流程圖投影出來，讓每組指出自己剛才走過哪幾步、在哪裡回頭。
這個動作比講三十分鐘理論有效。
T6
評審模擬題庫
W18 · 找非本科老師來問
刻意找不懂這個領域的老師來問，因為真實評審不一定是你的專長領域，而且外行的問題往往更難答。每位學生至少被問到 8 題。
基本盤（一定會被問）
- 01用一句話說，你解決了誰的什麼問題？
- 02比原本的做法好在哪裡？好多少？拿數據給我看。
- 03你怎麼知道你的量測是準的？跟什麼對照過？
- 04你總共做了幾個版本？第二版為什麼要改？
- 05這個數字量了幾次？誤差多少？
戳弱點（規格與方案）
- 06這條規格的數值是怎麼訂的？為什麼不是更嚴或更寬？
- 07你有哪一條規格沒達成？打算怎麼辦？
- 08除了這個方法，還有什麼做法？你為什麼不選它？
- 09如果成本可以加倍，你會改成什麼設計？
戳深度（原理與極限）
- 10這裡為什麼要加這個元件？拿掉會怎樣？
- 11在什麼情況下你的裝置會失效？
- 12溫度／濕度／電壓變化會不會影響結果？測過嗎？
- 13這段程式（或這個機構）的作用是什麼？你自己寫的嗎？參考了什麼？
戳應用（延伸與誠信）
- 14如果要量產一百套，最大的困難是什麼？
- 15有真的使用者用過嗎？他們的反應是什麼？
- 16這個專題裡，哪一部分是你做的、哪一部分是別人幫的？
- 17如果重來一次，你會最先改變哪個決定？
模擬答辯的評分方式：不評答案對不對，只評三件事——答得出來、承認不知道、說得出下一步。
支吾其詞地掰答案，比誠實說「這點我們沒測過，但可以用某方法驗證」扣分更重。
T7
安全、倫理與規則
開題前先講清楚
實作安全（工程學科（一）常見風險）
- 電氣：凡涉及市電 110 V 以上，一律由教師在場並使用漏電斷路器；學生專題盡量限制在 24 V 以下的直流系統。
- 鋰電池：禁止拆解、串接來路不明的電芯；充放電測試須在防火容器內、有人在場。
- 機械：旋轉機構須有防護罩與緊急停止；切割、鑽孔一律護目鏡，長髮束起。
- 3D 列印與雷切：通風、不可無人看管；材料的安全資料表要看過。
- 使用者測試：若受測者為人，須事先說明、取得同意；未成年受測者須家長同意。涉及身體負荷（如背包測試）要設定停止條件。
誠信
- 使用開源程式、既有模組、他人協助，一律標註來源與協助範圍。標了不扣分，沒標才是問題。
- 數據不得美化。異常值要保留並說明，不要靜靜刪掉。
- 照片要對應真實版次與日期，不要事後補拍「假裝是當初」的照片。
報名前確認
每年的實施要點與各縣市地方科展的規定可能調整（分組、件數、說明書格式、指導教師人數上限等），開題時就先看過當年度公告，別等到送件才發現規格不符。作品說明書的檔案格式與排版要求尤其容易踩雷。
T8
引用與授權說明
給要印給全班的老師
本站內容為改寫整理，非原文翻印。若你要直接使用 Science Buddies 的原始頁面，請留意他們的使用條款：其頁面允許每年免費列印與散發最多 200 份，供個人與課堂教育使用；但列印時不得作任何修改，其他用途需另行聯繫該單位。
實務建議：把原始頁面連結放進課程講義，讓學生自己上去看互動流程圖與示範影片，教師端則使用本站這類改寫版本作為中文導引。TeachEngineering 與 NASA STEM 的教材授權條件請各自查看其網站說明。
給學生的一句話：你在報告裡引用任何來源，就把它寫進參考文獻。
這不只是規定，這是工程專業的基本動作——你的設計筆記本本來就該記得住每個想法從哪裡來。
T9
歷屆拆解解答
精讀說明書後的九步驟對照
解答的用途不是讓學生對答案，而是讓你在課堂上有底氣說「這件第二名，第 3 步其實是弱的」。得獎作品不是完美範本，把它的強項與破口一起攤開，學生才學得到東西。
目前進度：已完成精讀 4 件（65 屆第一名、第二名，64 屆第一名、第二名）。
排序與學生版一致：最新一屆在最上面，同屆內依名次排列。61–63 屆的收錄需分批進行，每份說明書是 20–30 頁的完整報告。
第 65 屆 高中組 工程學科（一）第一名
環語鏈—結合本地 LLM 與去中心化情報交換的監測系統（國立新竹高中）
| 步驟 | 說明書中的對應內容 | 評分 |
|---|
| 01 定義問題 | 正文的研究動機寫得偏泛：中央伺服器的單點故障、隱私外洩、缺乏彈性。但真正的問題藏在得獎感言裡——作者家中沒有申辦網路，市面上的智慧家居系統全都不能用，才決定自己做。
教學金句：他自己在感言中寫下「不完美，其實就是創新的起點」。這句話比任何科展指導手冊都有說服力。
可惜之處：最有力的具體場景沒有寫進正文第一段。 | 良好 |
| 02 背景研究 | 指出現行架構仰賴廠商伺服器與網關，並回顧 ZigBee、藍牙 Mesh 等分散式做法。12 筆文獻多為技術教學文（Medium、IT 邦、部落格），缺學術文獻與市售產品的規格比較。市售對照要到最後的成本表才出現。 | 待改 |
| 03 需求規格 | 這是他和第二名分出高下的地方。研究目的第二點直接寫死「確保單台成本低於 300 元」——事前訂定、可量測、有上限的規格，在高中科展裡非常罕見。最終實作為 217 元，達標。
另有數個隱含規格散落在文中：資料保留最新 50 筆、記憶保留最新 30 筆、模糊比對相似度門檻 0.4、回應延遲維持在約 4 秒。
仍可更好：其餘三項研究目的仍是定性敘述，若把「韌性」也寫成可測條件（例如斷開任一基地台後服務中斷時間 ≤ 幾秒），第 8 步就有靶可打。 | 優異 |
| 04 腦力激盪 | 三處都有真實的多方案並陳：情報交換平台（Line／Discord／Telegram／純內網）、人體感測器（紅外線 HC-SR501 與微波 RCWL-0516，PCB 上乾脆做兩組孔位相容）、以及八個可本地部署的 LLM 模型。 | 優異 |
| 05 選定方案 | 全篇最值得當範文的一步——他是用自己量到的數據淘汰方案的。
寫了程式自動測試：50 句詢問環境狀態的句子逐一輸入各模型，比對意圖分析輸出是否正確；為降低誤差另備一組把目標從「房間」換成「阿嬤家」的資料重測。
淘汰理由都有依據：Qwen 幾乎全數答錯且推理耗時，推測其訓練較少針對嚴格格式遵循最佳化；Gemma3 12B 因超出顯示卡 8GB 顯存導致推理時間顯著拉長，且表現並未優於 4B——由此得出「更大的模型不一定更適合這套系統」。最終選正確率滿分的 Gemma2 9B。
Discord 的選擇理由也很務實：班級群組已在使用，日後推廣給同學最容易。 | 優異 |
| 06 開發設計 | 三層基地台架構清楚，並自訂了五種訊息格式的通訊協定表——這正是「介面規格」的教科書寫法，學生最該抄的就是這張表。另有各感測器的接腳與工作電壓對照表，據以設計相容多種感測器的 PCB；韌體採計時器中斷的分時多工架構，在不引入作業系統的前提下處理非同步任務與休眠。 | 優異 |
| 07 製作原型 | 自製 PCB 全流程（光罩、曝光、顯影、蝕刻），雷切外殼，並做出充電版、室內版、戶外版、廚房版四種場景配置。同一設計的多種變體，本身就是模組化主張的證據。 | 優異 |
| 08 測試與再設計 | 量測習慣良好：延遲測試每項功能重複五次取平均；相似度門檻 0.4 是拿多組同義詞互測後定出來的，不是憑感覺。
有一次明確的迭代：前期測試發現回應常出現幻覺，於是改為在呼叫模型時盡量附上完整脈絡（使用者名稱、當下時間等），以減少因資料不足而胡謅。
缺口：「高韌性」是全篇的核心主張，卻主要以敘述支持，沒有斷線壓力測試的數據；電池版的續航也沒有實測時數。 | 良好 |
| 09 溝通 | 摘要、架構圖、流程圖、海報都完整，成本對照表（自製 217 元對市售方案 3490 元）是很有力的收尾。評審評語則指出更深一層：目前推理集中在大型基地台，建議把部分判斷下放到中型基地台或以小模型先做初判，並逐步建立節點間可獨立互動的架構，才算真正實踐去中心化。 | 良好 |
評審這則建議值得整堂課討論：作品主張「去中心化」，但架構上大型基地台仍是不可或缺的中心。
提問：當你的作品名稱就是一個主張時，你有沒有用自己的架構或數據去驗證那個主張？這是評審最常戳、學生最少準備的一題。
第 65 屆 高中組 工程學科（一）第二名
AI 無人機檢測系統在建築磁磚剝落風險評估中的應用（新北市立新北高中）
| 步驟 | 說明書中的對應內容 | 評分 |
|---|
| 01 定義問題 | 老舊建築外牆磁磚剝落危及行人安全，而傳統人工敲擊法需高空作業、費時且動輒數十萬元，使多數屋主卻步。使用者明確指向管委會與住戶。強項：問題有真實傷亡事故與法規背景，不是憑空想像。 | 優異 |
| 02 背景研究 | 三線並行：法規（臺北市外牆安全診斷申報辦法的樓層、屋齡與申報週期規定）、統計（屋齡 30 年以上住宅佔比、臺北市歷年通報件數與立即危險件數）、技術（YOLO 與 CNN 架構）。另引用勞動部職災案例佐證高空作業風險。共 12 筆文獻。學生最該模仿的一步。 | 優異 |
| 03 需求規格 | 破口在這裡。研究目的三條全是方向性敘述，沒有事前訂定的量測門檻——沒有「空鼓辨識準確率須達 ％」這類規格。文中出現的效率與成本數字（時間縮短至約 1/30、成本降至原本約 1/10）是做完之後回推的成果，不是設計前的靶。
可用的既有基準其實就在他們自己引用的文獻裡：各縣市多以剝落隆起面積達 5 m² 或 2500 cm² 判定重度劣化——這完全可以反寫成規格。 | 待改 |
| 04 腦力激盪 | 有兩組真實的替代方案：辨識模型的 CNN 對 YOLO；3D 建模的深度相機近距離掃描對無人機航拍攝影測量。兩組都留下了被淘汰方案的實作紀錄，不是事後補寫。 | 良好 |
| 05 選定方案 | 淘汰理由寫得清楚且對應需求：CNN 擅長分類，但系統需要的是標出裸露區域的位置座標，故選 YOLO；深度相機在戶外易受強光干擾、有效建模範圍小、面對高樓效率不足，故改用航拍加攝影測量軟體。這兩段可直接印給學生當範文。 | 優異 |
| 06 開發設計 | 有系統流程圖與完整器材表（樹莓派 4B、雙光雲台相機、圖傳模塊、飛控與機架）。資料流交代到位：切幀 → 灰階 → 二值化 → 輪廓擷取 → 存入 SQLite → 與 YOLO 結果以 IoU 疊合 → 產生報告與 3D 標記。介面規格（各方塊輸入的物理量與範圍）仍偏弱。 | 良好 |
| 07 製作原型 | 自製四種不同空鼓程度的模擬磁磚實驗板，先在可控條件下驗證「空鼓區溫度較高」這個核心假設，再上機。無人機加裝起落架保護鏡頭。先驗證高風險模組再整合，正是第 6 步該有的降風險做法。 | 優異 |
| 08 測試與再設計 | 全篇最漂亮的一次迭代：初版用固定灰階閾值 200 判定高溫區，實測發現磁磚溫度受環境影響大，改為以區域內相對溫差自動調整閾值（取最高值的一定比例），才穩定下來。另依日照條件把拍攝時段收斂到中午到下午四點以取得最大溫差。
但缺最後一哩：未在真實老舊建築上與人工敲擊法做對照驗證，因此準確率始終沒有數字。評審評語也正是這樣建議的。 | 良好 |
| 09 溝通 | 摘要清楚，流程圖與海報結構完整，並輸出可視化的 HTML 風險評估報告與 3D 標記模型。缺點是結論的效益數字缺乏推估過程，讀者無從檢核。 | 良好 |
兩件作品的分野在哪裡
同屆、同科、名次相鄰，把兩張表疊起來看，差距集中在兩格：
| 關鍵步驟 | 第一名 環語鏈 | 第二名 無人機檢測 |
|---|
| 03 需求規格 | 事前寫死「單台成本 < 300 元」，最終 217 元達標 | 無事前門檻；效率與成本數字是做完後回推 |
| 05 選定方案 | 自寫測試程式、50 句 × 兩組資料，用正確率與耗時淘汰模型 | 有淘汰理由且合理，但屬定性論述 |
| 08 測試 | 重複五次取平均；門檻值由實測定出 | 有漂亮的閾值迭代，但缺與現行工法的對照驗證 |
| 02 背景研究 | 文獻多為技術教學文，學術性偏弱 | 法規、統計、技術三線俱全，明顯較紮實 |
結論很清楚：第二名在第 2 步贏，第一名在第 3、5、8 步贏，而工程科的分數重心就落在後者。把這張表投影出來，學生對「為什麼規格要事前訂、為什麼淘汰理由要有數據」的理解，會比聽你講十遍都深。
第 64 屆 高中組 工程學科（一）第一名
應用多任務學習神經網路建構可識譜六孔竹笛機器人（臺北市立內湖高工）
與前兩件的軟體重心不同，這是機構、控制、AI 三者並重的職校作品，也是三份裡迭代痕跡最完整的一份。
| 步驟 | 說明書中的對應內容 | 評分 |
|---|
| 01 定義問題 | 起點是看到早稻田大學 2008 年的吹笛機器人影片。這不是使用者的痛點，而是一個技術挑戰——工程科展允許這種題型，但要清楚意識到自己走的是哪一條路。
他們接著做了一件關鍵的事：請教校內會演奏中國笛的老師，把演奏拆解成口、胸、腹、指、舌、耳、眼七個器官的協調，再收攏成吹、指、聽、眼四大研究部門。把一個模糊的「做個機器人」拆成四個可分工的子系統，這一步做得非常漂亮。 | 良好 |
| 02 背景研究 | 三線俱全且深度足夠：物理（邊稜音、空氣柱共振、泛音）、樂理（五線譜記譜法、竹笛指法表）、技術（多任務學習、金字塔網路、殘差連接，含目標函數推導）。另整理了 2004、2007、2016 三筆前人樂譜辨識研究的比較表。31 筆參考文獻含多篇 arXiv 論文。三件作品中文獻最紮實的一份。 | 優異 |
| 03 需求規格 | 研究目的以四大部門的架構表呈現，屬功能分解而非量測門檻。但這件作品有前兩件都沒有的東西——外部標準當靶：每個音的標準頻率（A 440 Hz、E 659 Hz…）是物理上客觀存在的，量到 658.9 Hz 就是準、676 Hz 就是不準，不需要自己訂。
教學重點：當你的領域已有客觀基準（頻率、國家標準、法規值），直接拿來當規格，比自己編一個數字更有說服力。 | 良好 |
| 04 腦力激盪 | 送氣裝置四代並陳：單向幫浦、雙向幫浦、單向風箱、雙動式風箱加壓力調節風箱。機械手指兩種驅動：伺服馬達與電磁閥。密封材料試過矽膠、塑膠墊、熱熔膠、氣泡紙。樂譜辨識則有單模型與多任務模型兩路。四個子系統各自都有多方案，密度極高。 | 優異 |
| 05 選定方案 | 淘汰理由全部帶數據或明確失效現象：單向幫浦只有單向送氣、雙向幫浦在來回行程中央位置無法送氣，皆無法連續發音；伺服馬達手指來回最快 196 ms 就出現讀值異常，電磁閥可達 78 ms（約每秒 12–13 次），故改用電磁閥。
吹嘴角度也是量出來的：38°、33°、16° 三個角度用頻譜軟體測音量與音頻，33° 的 −11.4 dBFS 最大，故選 33°。 | 優異 |
| 06 開發設計 | 四大部門的協同架構圖清楚，串列傳輸的資料格式也定義明確（如 080500 代表吹 E5 持續 500 毫秒）。這正是「介面規格」——把兩個子系統的交接寫成一個可驗證的格式。另有伺服馬達 PWM 工作週期、流量公式 Q=A×v 等設計依據。 | 優異 |
| 07 製作原型 | 3D 列印吹嘴、雷切風箱部件、PCB 萬用板供電電路，並明確標示第一代（雙動式幫浦）與第二代（風箱＋樂譜辨識）兩台完整機器。用不同材料快速試錯，正是原型的正確用法。 | 優異 |
| 08 測試與再設計 | 三件作品中最完整的迭代鏈，可直接當範例：
送氣：單向 → 雙向 → 單向風箱 → 雙動式風箱＋壓調風箱，每一代都用頻譜軟體測，結論明確標為「持續性短不連續 → 較連續 → 持續性長 → 最長最連續」。
音準：七個音階 × 五段馬達轉速（PWM 195–255）的完整矩陣，記錄音量與音頻，並標出最接近標準值者。
意外收穫也記下來了：設計風門原是為了止住休止符的餘氣，過程中發現它還能模擬吹笛者的吐音技巧。這正是第 8 步該做的第二件事——把意外表現好的地方強化。
缺口：樂譜辨識的成功曲目以「可 100% 辨識的有 5 首、95% 以上 1 首」呈現，樣本數偏少。 | 優異 |
| 09 溝通 | 結構完整，討論章節用表格逐項列出「問題／探討／解決方式」，是很好的收尾寫法。評審提出一個所有跨賽事參賽者都該注意的要求：本作品已參加其他科展，應具體說明差異性。另建議說明能否透過深度學習持續改善演奏效果與識譜能力。 | 良好 |
這件作品最該教的一課，是第 8 步的「意外收穫」。
風門本來只是為了止氣，結果發現能模擬吐音。學生常把計畫外的發現當成雜訊丟掉——要教他們記下來，那往往是報告裡最亮的一段。
第 64 屆 高中組 工程學科（一）第二名
物聯網易上手微型沖板機（國立嘉義高工）
四份裡唯一以傳統機械加工為主體的作品。也是唯一在第 3 步做到「三條規格全部量化驗證」的一份。
| 步驟 | 說明書中的對應內容 | 評分 |
|---|
| 01 定義問題 | 四份裡問題陳述寫得最好的一份，而且它最不起眼。小時候組模型常弄丟墊片，導致螺絲鎖不緊、模型做不完。這些小零件難以自行加工，只能用買的。
使用者具體（自己）、場景具體（在家組模型）、痛點具體（買不到合尺寸的墊片）。沒有任何「隨著科技進步」的套語。 | 優異 |
| 02 背景研究 | 聚焦但紮實：把沖床的三種運動機構（曲軸、偏心、肘節）逐一列出優缺點比較，並引用《模具概論》中沖程與曲柄角度的關係圖作為選型依據。文獻含教科書、業界資料與軟體官方文件。不貪多，只查跟決策直接相關的。 | 良好 |
| 03 需求規格 | 四份裡唯一把規格寫成三個可驗證條件、並逐條驗證的作品：微型化（體積縮小、可在家使用）、易上手（會畫圖就能操作）、物聯網（可遠距操作並掌握加工進度）。
更關鍵的是它們有由材料反推出來的硬規格：鋁片抗剪強度乘以沖頭剪切面積，算出沖壓直徑 2 mm、厚 1 mm 的孔需要約 53 公斤力，再據此驗證步進馬達扭力經肘節放大後確實足夠。規格不是拍腦袋訂的，是算出來的。 | 優異 |
| 04 腦力激盪 | 機構三選一（曲軸、偏心、肘節），並在肘節內部再做結構變體：傳統連桿型與自行設計的滾圓式。層次分明——先選大方向，再在方向內找變體。 | 優異 |
| 05 選定方案 | 選肘節的理由有依據：在相同曲柄轉角範圍內，肘節機構的沖程量較大、沖頭速度較快。
淘汰傳統連桿型的理由更具體：受空間限制，該桿件勢必要做得很小，強度不足且加工難度上升；若移到外側又會降低傳遞力量。故改為滾圓式，體積增加易於加工、質量增加強化慣性力。
還有一個被否決的優化值得教：模擬發現桿長從 20 增加到 30 mm，肘節夾角只從 150° 提升到 161°，提升有限，卻讓材料、體積、成本全部增加，不利微型化，故放棄。「算過之後決定不做」也是設計決策，而且很多學生不知道這能寫進報告。 | 優異 |
| 06 開發設計 | 設計鏈完整且環環相扣：AutoCAD 幾何作圖定出曲柄長度與行程 → 力學公式推算連桿力 → Solidworks 模擬受力變形量 → Linkage 模擬運動 → 實際加工。
控制端把 3D 列印機的韌體改造過來，並清楚交代每軸的步進量是怎麼算的（滾輪圓周長、螺桿導程、肘節桿長與減速比）。這種「每個參數都說得出從哪來」的寫法，正是評審在找的。 | 優異 |
| 07 製作原型 | 自行使用銑床、車床、磨床加工零件，並自行熱處理母模。淬火還做了對照：油淬變形量較小、水淬變形量較大，硬度分別約為洛氏 52–56 與 55–60，權衡後選油淬。連材料處理都做了 A/B 比較。 | 優異 |
| 08 測試與再設計 | 定位精度測試做得非常規矩：三軸各自用百分量錶量測，各重複 10 次確認重現性；再從低速逐段增加進給速度，找出開始失步的臨界值，然後乘以 0.8 的安全係數作為工作速度。
沖孔測試涵蓋四種材料厚度，並用工具顯微鏡量測實際孔徑，發現材料較厚時精度反而較高，推論是較厚材料不易延展、毛邊較少。
解析度探討也有量化結論：提高細分可降低邊緣凸出物，但加工時間會等比增加，需依需求取捨。
缺口：「易上手」這條規格沒有找真實使用者測試過，只由作者自己操作驗證。 | 優異 |
| 09 溝通 | 結論用「本機台 vs 普通沖壓機」的優缺點對照表收尾，讀者三十秒就能抓到定位。並且誠實列出自身缺點：非大量生產機台、目前無折彎功能。評審建議進一步分析實際應用時可能的限制。 | 優異 |
這份作品最適合拿來對付一種學生：「我的題目太小了，做不出名堂。」
弄丟墊片是多小的問題？但它一路做到力學計算、機構模擬、熱處理對照、三軸精度驗證。題目大小不決定分數，做得多深才決定。
四件作品的教學定位
| 作品 | 拿來教什麼 |
|---|
65 屆第一名
環語鏈 | 第 3 步：事前訂定可量測規格（成本 < 300 元）
第 5 步：自寫測試程式，用數據淘汰方案 |
65 屆第二名
無人機檢測 | 第 2 步：法規、統計、技術三線並行的文獻寫法
反面教材：規格事後回推的代價 |
64 屆第一名
竹笛機器人 | 第 1 步：把大問題拆成可分工的子系統
第 8 步：完整的四代迭代鏈與意外收穫的處理 |
64 屆第二名
微型沖板機 | 第 1 步：從自己的真實困擾出發的問題陳述
第 3 步：由材料性質反推出來的硬規格
第 5 步：「算過之後決定不做」也是設計決策 |
四件湊齊，工程（一）的題型光譜完整了：純軟體系統、感測與影像應用、機構控制 AI 整合、傳統機械加工。特別注意兩件職校作品（竹笛機器人、微型沖板機）都拿了第一、二名——動手能力紮實、每個參數說得出依據，在工程科是硬通貨。
這份解答的課堂用法
- 先讓學生自己填，再發解答。順序反了就變成閱讀測驗。
- 把第 3 步當主戲。問學生：一件第 3 步明顯不足的作品拿到第二名，那第一名憑什麼？如果他們補上準確率規格與對照驗證，是不是就有機會？這比任何鼓勵的話都有效。
- 讀官方評語。每屆的分科評語 PDF 就在該屆首頁，評審會直接寫出建議補強的方向——這是最權威的評分標準揭露，多數師生從來沒點開過。
- 用第 5 步當寫作範文。「為什麼不選 A」的段落最難教，直接給範例最快。
續補建議順序：先補兩件第一名（65 屆環語鏈、64 屆竹笛機器人），與這件第二名形成對照，一堂課的教材就夠了。
61–63 屆的名次清單可自科教館各屆頁面取得，格式與 64、65 屆相同。
同一站台的另一半學生版含九步驟詳解與雙實例、需求規格分類表、三張工作表、使用者測試方法、設計筆記本與交件檢核表。