STEAM理念下的儀器專業機械設計實踐教學新模式

宋 樂，宮 虎

STEAM理念下的儀器專業機械設計實踐教學新模式

宋 樂，宮 虎

（天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072）

以“精密機械設計基礎”課程為例，提出了一種將STEAM教學理念與傳統工科專業課程相結合的新方法，并給出了具體的教學設計流程。該方法以真實情境問題、教師適度引導及學生自主建構為主要特色，突出過程化與多元化評價。通過引入新的教學模式，使學生成為了學習的主體，大幅提升了學生的學習興趣，培養了學生的創新思維及解決實際問題能力，取得了良好的教學效果。

STEAM；儀器儀表；實踐教學；精密機械設計

儀器儀表類專業以“寬口徑、綜合性”為特色[1]，課程體系中涵蓋光學、機械、電子、控制等學科基礎課及專業課。以“精密機械設計基礎”課程為例[2]，該課程集機械原理、機械零件、工程材料與熱處理和零件的精度設計于一體，對精密機械及儀器儀表中常用機構和零部件的工作原理、適用范圍、結構設計、理論計算方法、工程材料以及零件幾何精度的基礎知識等諸方面進行闡述，是儀器儀表專業的一門典型的綜合性機械類課程。

近年來，STEAM教育理念在世界范圍內迅猛發展，因其跨學科、重實踐的特點而受到國內外教育界的廣泛關注[3-6]。STEAM教育著眼于多學科角度，力求全面培養學生的綜合能力與素養，以問題為主軸，以學生為核心，這對于同樣以培養復合創新型人才為目標的儀器類專業以及強調動手實操的機械類課程而言，在理念上不謀而合。目前，STEAM模式更多地體現在面向K12的青少年科普教育以及以能力培養為導向的民辦教育機構中[7]。本文借鑒STEAM理念及問題導向式的教學模式，嘗試與探索與傳統的機械設計實踐課程達成深度融合。

1 STEAM教學思路與課改策略

1.1 STEAM理念概述

20世紀80年代起，為了克服原有科學教育體制中的單一性和局限性，由美國國家科學基金會（NSF）發起了一場STEM教育革命[8]，徹底打破了學科間的固有邊界。STEM，即Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Maths（數學）的縮寫，其教育哲學是從問題本身出發，對人與技術世界之間的互動模式進行探究。為了進一步提升人們的創造性并吸引來自不同文化背景的生源群體，后期在原有的STEM體系中，又引入了Arts（藝術），進而形成了STEAM模式[9-11]。廣義而言，藝術包含了美術、音樂、語言、形體等人文概念，富含感性元素，這為相對理性的科學教育增添了一針“催化劑”，多維度跨界產生的化學反應大大激發了學生的認知水平、學習積極性與科學創造力。

STEAM教學模式有以下幾個主要特點，一是以解決實際問題為主線，即基于PBL（problem based learning）方法[12]。所有的問題均來自現實世界中。由于現實中的問題很難通過單一學科來達到理想解，因此學生在此過程中逐步建立了跨學科知識體系和思維整合能力；另外，真實問題的解決方法往往并不唯一，對學生而言，解決問題的過程比結果更加重要，教學評價過程也不同以往的“標準答案”模式，而是真正以學生為中心，在情境框架內，鼓勵探究，提倡個性化思路，避免強行灌輸，從而提升學習的主觀能動性，培養獨立思考和創新意識[13]。STEAM模式的另一特點是重視動手實踐[14]，通過實踐操作，學生接受知識的模式由“刺激—反應”轉化為自主建構，使得學習的有效性和持續性得以提升。

1.2 課程創新思路與實施流程

以儀器儀表類專業核心課程“精密機械設計基礎”為例，基于STEAM理念，對原有的實踐課程教學模式進行創新，如圖1所示。首先由教師設定“情境”，即來自真實世界的場景（比如公路或車間），該場景可以通過生動形象的語言描述，也可以通過多媒體等手段予以表現。而后，教師提出一個結合該場景且與教學內容相關的“技術問題”。問題提出后，教師的角色逐漸由主角向配角過渡，并逐步引導學生開始進行思考、分析與討論。每位學生在接收到問題之后，首先進行獨立思考，而后開展小組內部的交流與討論，完成組內頭腦風暴，共同協作完成方案設計構想，進行口頭匯報與運動簡圖展示，并由教師進行初步評價。在此期間，教師僅進行時間把控以及對學生進行必要的指正，鼓勵學生提出個性化方案。

圖1 融合STEAM理念的實踐教學流程

在完成上述內容基礎上，各組開始進行實物建構與功能調試，所使用的實物教具均來自市場上常見的積木拼接式教具，零件種類豐富、價格低廉、可重復利用。調試期間可能會遇到多種突發狀況，需要學生進行不斷試錯及優化。完成作品后，由學生進行團隊成果展示，其間可進行自評及互評。在此環節中，展示形式力求多樣化，鼓勵學生以小故事、小游戲、小表演等形式呈現作品，最后由教師進行綜合評價。通過以上流程，學生的分析能力、設計能力、動手能力、創新能力、表達能力和團隊協作能力獲得了多方面訓練。同時，在教學環節中有2方面需要特別關注，一是教師的提示務必適度，以免造成作品的同質化，不利于學生思維能力的培養；二是最終成績的給定需重點放在過程而非結果，并體現多元化評價的特點。建議將教師評價與學生互評相結合，并為作品創意單獨設定分值進行獎勵，從而調動學生的積極性。

2 基于STEAM的教學案例設計

以STEAM教學模式對原有的實踐教學內容進行了重新設計與整合。以“精密機械設計基礎”課程為例，每次實踐課程的教學內容不再限定具體的知識點，如連桿、凸輪或齒輪等，而是從問題角度出發，由學生探究可能的解決方案，最終與總體教學目標相契合。以“自動分揀流水線”為例來介紹基于STEAM的實踐教學模式。

本案例源自工業現場，以香皂自動包裝生產線中的產品分揀作為項目背景，所設定的問題為“如何 移除漏裝香皂的空包裝盒”。教學資源方面，選用STEAM教學套件及多種傳感器，包括力傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等，并提供包裝紙盒等必要器材。首先由教師完成課程導入，學生在接收問題后，隨即進入思考與討論環節。在此期間，根據學生的討論情況，教師進行適當引導。討論過后，由學生匯報設計思路，并通過機構運動簡圖進行展示。每位學生只介紹自己負責的部分，保證參與機會均等。教師完成初次評價后，開始進行實物建構，最終完成作品成果展示。

在本案例的多次教學嘗試中，學生提出了形形色色的解決方案。在放料環節中，由于涉及貨物抬升，學生提出了諸如平行四邊形連桿機構、剪式升降機構、齒輪齒條傳動、蝸輪蝸桿傳動等多種實現方式；對于運輸環節，學生方案既有帶傳動方式，也有齒輪齒條結合直線導軌的方案；在空盒移除環節，學生通過曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構、盤形凸輪、連桿式機械抓手等方式達到預期效果；也有學生通過建構風扇，使空盒在風力作用下被吹離流水線，同時實現了檢測和移除，體現了靈活的設計創意。

3 成果

通過引入以問題為導向的STEAM理念，學生對課程知識點的掌握程度得到了很大程度的提升，尤其對于課堂教學中的一些難理解、易混淆概念，例如急回特性、傳動比、彈性滑動等，通過新的實踐課程均獲得了較為直觀的體驗。學生的成果作品完成形式各異，有些學生為了改進作品，課后又在原有基礎上自行通過3D打印等手段制作了非標準件及外觀模型，進一步提升了作品功能及美感。總體而言，新的教學模式達到了學生主動學習、主動創新的目的，提升了其對傳統課程的重視程度和主動參與度。

4 結語

目前，STEAM教育在我國尚處于起步階段，如何將STEAM理念融入現有工程教育，將傳統的技術類課程與數學、科學、工程、藝術進行深度結合，完善配套的教學設施、教材體系及教學資源，建立跨 學科的STEAM教學團隊，利用人工智能、物聯網、大數據等新興技術拓展傳播途徑，需要大量研究與 探索。

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New practical teaching mode for Mechanical Design course of Instrumentation major under STEAM idea

SONG Le, GONG Hu

(College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

By taking the “Basic precision mechanical design” course as an example, a new method combining STEAM teaching concept with traditional engineering courses is proposed, and the specific teaching design process is presented. This method is characterized by real situation problems, teachers’ appropriate guidance and students’ self-construction, which highlights the processed and diversified evaluation. By introducing new teaching mode, students have become the main body of learning, which has greatly enhanced their interest in learning, trained their innovative thinking and ability to solve practical problems and achieved good teaching results.

STEAM; instrumentation; practical teaching; precision mechanical design

G423.07, G642.0

A

1002-4956(2019)12-0226-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.053

2019-04-26

高等學校儀器類專業新工科建設項目（2018C133）；國家級精品資源共享課程建設項目（2016-292）

宋樂（1981—），男，遼寧沈陽，博士，副教授，主要從事創新方法與STEAM教育研究。E-mail: songle@tju.edu.cn