STEM理念下的汽車專業信息化教學模式創新與實踐

林龍 沈海青

摘? 要 以智慧教育引領教育信息化的創新發展，從而帶動教育教學的創新發展，已成為信息時代的必然趨勢。開展高職汽車專業教學資源信息化建設，以“手動變速器的拆裝”任務為例，基于Unity 3D開發虛擬拆裝仿真軟件，同時借助變速器實物臺架，實現虛擬拆裝與實物拆裝相結合的教學模式創新。最后，利用3D打印技術進行變速器模型的設計制造，將STEM教育理念融入專業課程教學，優化實訓資源，降低教學成本，為高職汽車專業STEM教育教學創新提供案例參考。

關鍵詞 3D打印;汽車專業;STEM;信息化教學;Unity 3D

中圖分類號：G712??? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0111-03

Innovation and Practice of Information-based Teaching Model for Automobile Major under Concept of STEM//LIN Long， SHENHaiqing

Abstract It has become an inevitable trend in the information age to lead the innovative development of education informationization by wisdom education and thus to promote the innovative development of education and teaching. The information construction of teaching resources for automobile major is carried out. Taking the task of Disassembly and Assembly of Manual Transmission as an example， the virtual simulation software is developed by using Unity 3D， andthe teaching mode innovation of combining virtual and reality is rea-lized with the physical platform of transmission. Finally， the trans-mission model is designed and manufactured based on 3D printing technology. STEM education concept is integrated into professional curriculum teaching， thus optimizing training resources and reducingteaching costs. This case provides reference for STEM education innovation of automobile major in higher vocational colleges.

Key words 3D printing; automobile major; STEM; information-based teaching; Unity 3D

1 前言

3D打印作為一種新興技術，已融入教育領域，推進了數字制造與STEM教育的融合發展。3D打印在教育領域的應用能夠架起理論和實踐的橋梁，改變傳統教學模式，促進創新和創造^[1]。如針對汽車專業類課程，基于3D打印技術進行汽車部件的教具開發，不僅可以優化實訓資源、降低成本，而且能提升師生的工程創新能力，具有很強的現實意義^[2]。此外，通過汽車元件的三維數字模型設計，教師將內部結構可視化，將數模的結構、功能、原理之間的內在聯系更好地展示給學生，由此在實訓之前就能讓學生熟悉拆解原理和步驟，減少犯錯，改善學習效果。本文基于STEM理念，將3D打印技術融入汽車專業課堂，結合自主開發的信息化教學資源，以虛擬實訓和實物實訓相結合的形式，探索汽車實訓課堂教學的新模式。

2 3D打印STEM教育

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術、工程和數學教育的簡單疊加，而是要將四門學科內容組合形成有機整體，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力。

以3D打印技術為依托的STEM教育項目在基礎教育階段的應用十分寬廣^[3]。在中小學課堂教學中運用3D打印技術，可以在語文課上復活活字印刷，在物理課上制作小孔成像的教具，在化學課上構建球棍模型，在通用技術課上進行結構強度教具設計等。

綜觀國內STEM教育開展現狀，3D打印STEM教育項目大多停留在小學至高中階段^[4-6]，研究對象主要處于低齡化階段，高等教育階段的研究運用相對較少。而高等教育作為人才培養的主戰場，與未來人才的STEM能力培養具有最直接、最廣泛的聯系。因此，開展高等STEM課堂教育應用研究具有一定的現實價值和意義。

3 基于STEM理念的信息化教學設計與實現：以“手動變速器的拆裝”任務為例

選擇“汽車傳動系統故障診斷與維修”課程當中的任務“手動變速器的拆裝”，探討基于3D打印技術的STEM創新課程的設計與實現。從教學目標出發，本課程需要學生掌握汽車變速器的結構、工作原理、拆卸和組裝步驟方法。從學情出發，學生需完成工程制圖或者汽車CAD等課程，應初步具備使用三維建模軟件的能力，在此基礎上將三維造型的工程能力融入本課程的實訓教學。

信息化教學資源開發? 基于從虛擬拆裝到實物拆裝的教學理念，以開發汽車手動變速器虛擬拆裝仿真軟件為目標，進行該課程的信息化教學資源建設。首先運用SolidWorks對五檔四速手動變速器各個零件進行三維建模，建模完成后進行約束裝配，最后將變速器數模總成導入3D Max進行渲染，輸出FBX文件，利用Unity 3D軟件平臺完成虛擬拆裝仿真軟件的自主開發^[7]。

該軟件具有變速器介紹、零部件展示、自動拆裝演示、手動拆卸等實訓功能，如圖1所示。用戶通過變速器介紹功能，了解該手動變速器的功用、分類、結構以及同步器的原理;通過零部件展示界面，對變速器各個零部件進行認識;通過自動拆裝演示功能，觀看變速器的拆卸和安裝步驟的3D動畫，可以調節拆卸速度并定格拆卸步驟;手動拆卸界面里，用戶通過鼠標，按照規定步驟進行變速器的虛擬拆卸練習，掌握變速器的拆裝步驟和方法。

學生在不同的學習階段根據自身需要，既可以通過仿真軟件對變速器結構進行認識，也可以進行虛擬拆裝練習，大大提升觀察能力、思維能力以及動手拆裝的實踐能力，同時降低實訓設備損耗。該軟件與3D打印實物模型配套，作為汽車專業學生認識、拆裝變速器的虛擬仿真實訓教學使用。該教學資源的自主開發建設將為后續STEM課程設計與實現奠定基礎。

教學設計與實施

1）課前。課前內容預習應用JITT教學方法，建立反饋鏈，課前教師能及時調整下一節課的授課內容、教學方法及教學進度等;同時，學生能收到來自教師的各種評價。從教師的活動看，教師首先根據課程教學大綱要求，列出課程的教學目標，整理歸納出教學內容涉及的知識點和測試題目;其次，下發任務單，有針對性地在互動平臺設置討論問題，對學生的疑問進行在線解答;最后，根據知識點的掌握要求設計課堂教學活動。從學生的活動看，學生首先登錄KTS教學平臺觀看視頻，掌握基本知識點，并完成教師布置的測試。在觀看視頻和練習測試題的過程中可能產生疑問，學生可以自主查找資料，增強自學能力，也可以在網絡平臺與教師進行交流。

2）課中。教師按照預先設計的課堂活動，簡單介紹課時目標和任務，引出該次課創設的場景;接下來，按照知識點順序拋出變速器故障相關的問題進行討論。學生由3～5人組成一個討論小組，每組推選一名組長，組長負責協調組員參與問題討論和發言，積極調動每位組員參與問題討論的積極性。以小組為單位，學生通過工單制訂相應的實施方案，最后各組長匯報小組方案。至此完成從現象到原因到方案制訂的知識講解過程。

教師通過自主開發的虛擬拆裝仿真軟件進行拆裝動畫演示，學生觀看動畫視頻后，各小組進行虛擬拆裝練習。同時對照變速器實物進行拆卸，從虛擬到現實，讓學生熟練掌握拆裝步驟和方法，實現做中學、學中做。教師隨時查看各組拆裝狀況，及時給予指導。學生完成拆裝后對各個部件進行分類，填寫檢查記錄表。學生在學習平臺上完成自評，各組長總結評價組員表現。最后，教師在Kahoot！平臺上進行互動測評。考核評價伴隨著整個教學過程，線上評價與線下評價相結合，教師評價與學生評價相結合，根據各階段考核得出綜合成績，反饋教學效果，優化教學策略。

3）課后。課后以制作汽車手動變速器模型為目標，將該目標分解為六大工程實訓項目，設計各項目任務如表1所示。學生在3D打印創新工作室對手動變速器各個部件模型進行導出打印，最后組裝成完整的手動變速器模型，如圖2所示。師生共同參與大學生科技創新項目，學生工程創新實踐能力不斷提升，其中開發制作的變速器教具模型投入教學使用，降低了實物設備的損耗，激發了學生學習興趣，提高了教學質量。

4 結語

本文將3D打印技術融入汽車專業STEM課程，實現信息化教學改革。以“手動變速器拆裝”任務為例，建設虛擬仿真教學資源，設計信息化教學過程，通過制作手動變速器模型進行STEM課程的探索創新，實現仿真與實訓結合、拆裝與制造結合的學做融合過程。總結如下：

1）多種信息化手段合理使用，優化學習進程，提升學習效率;

2）虛擬拆裝仿真軟件配合變速器模型實物共同運用，將教學任務進行拆分，實現做中學、學中做;

3）學生課后運用所學知識與技能參加大學生科技創新項目，利用模型3D打印零件，并組裝手動變速器模型，提升工程創新能力。

參考文獻

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