STEAM理念下交互設(shè)計工程技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)設(shè)計與實踐

（湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計學(xué)院 430068）

STEAM是一種包含了Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Arts（藝術(shù)）和Mathematics（數(shù)學(xué)），以專業(yè)實踐為載體，以培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新精神為目標(biāo)的跨學(xué)科整合的教育體系，開展STEAM教育有利于培養(yǎng)各專業(yè)學(xué)生以多學(xué)科或跨學(xué)科知識、資源、信息等來解決現(xiàn)實生活問題的能力。美國馬里蘭大學(xué)學(xué)者赫希巴奇教授提出了STEAM教育跨學(xué)科整合課程模式及體系，主要包括關(guān)聯(lián)課程（The Correlated Curriculum）模式和廣域課程（The Broad Fields Curriculum）模式，STEAM教育的目的是為了解決實際項目中存在的問題，并完成項目任務(wù)，其能夠?qū)⒖茖W(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識進行合理、可行及有效的整合、調(diào)整與優(yōu)化。有學(xué)者針對TEAM教育的相關(guān)理念，提出了相應(yīng)的設(shè)計教學(xué)框架，主要內(nèi)容包括教學(xué)任務(wù)、教學(xué)分析、工具與資源設(shè)計、框架設(shè)計、學(xué)習(xí)流程設(shè)計、評價設(shè)計、知識結(jié)構(gòu)與理論強化訓(xùn)練、項目教學(xué)實踐與應(yīng)用（設(shè)計修訂）以及總結(jié)評價。如何將STEAM教育理念運用于設(shè)計教育，以培養(yǎng)藝術(shù)類專業(yè)學(xué)生的工程實訓(xùn)經(jīng)驗，提高藝術(shù)類專業(yè)學(xué)生進行機械設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造等方面的實際設(shè)計與操作能力，促進學(xué)生綜合能力提高和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，以《交互設(shè)計工程技術(shù)基礎(chǔ)》課程為例，對教學(xué)設(shè)計進行研究與實踐探討。

一、教學(xué)分析

《交互設(shè)計工程技術(shù)基礎(chǔ)》是交互設(shè)計專業(yè)學(xué)生主修的專業(yè)必修課。教學(xué)任務(wù)是使交互設(shè)計專業(yè)的學(xué)生掌握相關(guān)工程技術(shù)基本知識，有意識地觀察客觀世界，從現(xiàn)實生活中獲得設(shè)計知識，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意靈感，培養(yǎng)創(chuàng)新思維以及構(gòu)建多學(xué)科知識結(jié)構(gòu)，懂得運用工程技術(shù)的原理和方法去思考去創(chuàng)新，能夠合理運用工業(yè)設(shè)計方法對本專業(yè)領(lǐng)域項目中涉及的形態(tài)藝術(shù)、功能結(jié)構(gòu)，智能控制和制造工藝等問題提出對應(yīng)解決方案和建議。課程開課時間為第六學(xué)期，教學(xué)周期為三周。

二、教學(xué)活動過程設(shè)計

第一周要求學(xué)生在理解和掌握機械原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，能夠結(jié)合生活中產(chǎn)品案例，進行創(chuàng)意產(chǎn)品運動結(jié)構(gòu)設(shè)計。項目訓(xùn)練一：簡單產(chǎn)品運動機構(gòu)設(shè)計。項目要求：在理解和掌握機械原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)產(chǎn)品的功能要求合理選擇單一機構(gòu)或多個機構(gòu)的組合進行簡單產(chǎn)品運動結(jié)構(gòu)設(shè)計。比如制作平面連桿機構(gòu)模型，制作折疊式桌椅結(jié)構(gòu)模型等。項目訓(xùn)練二：復(fù)雜產(chǎn)品運動結(jié)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計。項目要求：綜合運用“連桿機構(gòu)”、“凸輪機構(gòu)”、“齒輪機構(gòu)”、“間歇運動機構(gòu)”、“輪系傳動”以及“帶、鏈傳動”等的運動原理進行復(fù)雜產(chǎn)品運動結(jié)構(gòu)設(shè)計。比如制作教室空間清潔整理裝置等功能性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型。

第二周要求實踐Arduino平臺的常用傳感器（加速度傳感器、紅外線傳感器、超聲波傳感器、壓電陶瓷傳感器、觸摸傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器、環(huán)境光線傳感器等。）和運動擴展，并學(xué)習(xí)通過使用開發(fā)工具App Inventor，設(shè)計構(gòu)建移動應(yīng)用，實現(xiàn)智能控制。項目訓(xùn)練三：智能產(chǎn)品設(shè)計。項目要求：基于Arduino平臺和App Inventor開發(fā)工具，將傳感器裝置應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中，一定程度上實現(xiàn)對產(chǎn)品的智能控制。比如兩輪藍牙控制小車：Arduino控制器及控制電路設(shè)計，藍牙模塊與手機通信設(shè)計；小車驅(qū)動電機選擇，App Inventor開發(fā)工具編寫遙控動作設(shè)計，小車功能結(jié)構(gòu)和形態(tài)設(shè)計。兩輪藍牙控制小車學(xué)生作品如圖1所示。

圖1 學(xué)生作品：兩輪藍牙控制小車

第三周要求完成創(chuàng)意產(chǎn)品綜合設(shè)計。項目訓(xùn)練四：選題可以是解決生活中的某一具體問題的產(chǎn)品設(shè)計，也可是傳遞某種概念或情緒的裝置設(shè)計。項目要求：基于交互設(shè)計工程技術(shù)基礎(chǔ)，明確產(chǎn)品中設(shè)計中的交互方式，注意設(shè)計概念的原創(chuàng)性，表現(xiàn)的藝術(shù)性。評價標(biāo)準(zhǔn)：①作品創(chuàng)意（20分）；②技術(shù)方案：內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分：運動機構(gòu)原理+結(jié)構(gòu)模型（20分），智能控制部分：控制原理+電路+程序（20分）；3、造型表現(xiàn)：效果圖+實物模型多角度照片（20分）；④綜合表現(xiàn)：作品動作表現(xiàn)視頻+展板（20分）。學(xué)生作品如圖2，3所示。

圖2 學(xué)生作品：深海（藝術(shù)裝置）

作品說明：裝置正面疊加不同透光材質(zhì)的波浪、魚和海草等形狀，燈管旋轉(zhuǎn)，剪影在海洋裝置中呈現(xiàn)海浪起伏的光影效果。

圖3 學(xué)生作品：智能凹槽清掃器

作品說明：窗戶凹槽自動清掃裝置。內(nèi)部結(jié)構(gòu)：a.滑塊伸縮——產(chǎn)品可以適應(yīng)不同寬度凹槽；彈力連接機構(gòu)——通過皮筋的拉力使產(chǎn)品緊貼凹槽兩側(cè)；智能控制：通過超聲波模塊控制舵機轉(zhuǎn)動方向，達到往返運動并防撞的效果。

三、教學(xué)實施基礎(chǔ)

課程知識單元：課程涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動機構(gòu)設(shè)計和智能控制設(shè)計等知識單元，主要解決其在智能產(chǎn)品設(shè)計中的綜合應(yīng)用實踐。課前要求學(xué)生在掌握學(xué)校開設(shè)的先修課程：電工電子學(xué)、機械設(shè)計基礎(chǔ)、圖形化編程與智能化控制入門等；課堂注重項目實踐引導(dǎo)；課余時間要求學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)公共課平臺上補充學(xué)習(xí)一些優(yōu)秀課程團隊開發(fā)的優(yōu)質(zhì)課程：北京交通大學(xué)的課程《機械原理》、湖南大學(xué)的課程《交互數(shù)字媒體技術(shù)與設(shè)計》、蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院的課程《移動快速應(yīng)用開發(fā)》、浙江大學(xué)城市學(xué)院的課程《App Inventor-零基礎(chǔ)Android移動應(yīng)用開發(fā)》等。

實驗室及相關(guān)實踐平臺：綜合材料加工實驗室，產(chǎn)品基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實驗室，Arduino及相關(guān)電子元件，相關(guān)模型制作材料及工具。

師資隊伍：課程采用項目驅(qū)動式的教學(xué)，由機械設(shè)計、計算機科學(xué)與通信技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)背景教師共同完成授課。

四、結(jié)語

《交互設(shè)計工程技術(shù)基礎(chǔ)》課程改革實踐中，以項目實踐為出發(fā)點，整合跨學(xué)科的知識單元和教師團隊，踐行 STEAM教育理念，通過綜合運用軟硬件結(jié)合的交互原型開發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)設(shè)計專業(yè)學(xué)生對新技術(shù)的興趣和動手實踐的習(xí)慣，為智能人機交互產(chǎn)品設(shè)計奠定基礎(chǔ)；同時為藝術(shù)類工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生工程技術(shù)能力培養(yǎng)提供了課程改革實踐案例。