STEAM視角下科技教育創客活動中產品設計教學實踐研究
——以Arduino+3D打印應用為例

鄒月衛 遼寧省大連市第九中學

● STEAM教育和創客活動

STEAM代表科學、技術、工程、藝術、數學，是多學科融合的綜合教育。STEAM教育強調知識跨界、場景多元、問題生成、批判建構、創新驅動，既體現出課程綜合化、實踐化、活動化的諸多特征，又反映了課程回歸生活、回歸社會、回歸自然的本質訴求。STEAM教育的特點是知識情境化、強調團隊合作、動手實踐、產品或策略生成。STEAM教育理念素養包括科學素養、技術素養、工程素養、藝術素養、數學素養。

創客活動主要是通過圍繞學習者對現實問題或者項目產生的興趣與愛好展開的創意、設計、制造，涉及科學、工程、技術、數學、藝術等綜合類教育。創客活動包括項目計劃、項目分析、項目時間、項目執行、項目策略、項目產品、資源管理、團隊貢獻等。以產品設計為理念的創客活動，是以動手實踐為主的實踐類課程，是通過項目式學習培養學生創新思維及審美、設計、知識應用能力的學習活動。

● 基于STEAM教育理念的創客產品開發教學設計

1.理論基礎

建構主義學習理論認為學習是個體在原有知識經驗基礎上，積極主動地進行意義建構的過程，即根據自己的經驗背景，對外部信息進行主動地選擇、加工和處理，從而獲得自己的意義。

2.課程設計模式

（1）課程目標

基于項目式學習的方式圍繞真實問題開展問題探究、信息意識生成、學科知識構建、知識重組、動手實踐的團隊協作探究學習。項目式學習過程有團隊項目建立、項目計劃、項目分析、項目執行、項目策略或項目產品，涉及數學、物理、機械、計算機、藝術、設計、工程、技術綜合類的學習。

（2）課程內容

產品設計和制作的創客活動，在功能設計方面涉及Arduino開源硬件與常見的傳感器或電機搭配制作創意電路等，具體的學習內容有編程、電路搭建和功能部件設計。在外觀設計上，涉及3D打印技術、藝術設計、3D建模等。在產品的組裝上，涉及工程和技術實踐。

（3）教學策略

結合生活現象提出研究問題，確定研究項目和項目團隊；借助團隊力量和信息工具開展數字化學習。

（4）教學資源

通過初步篩選和二次加工，建立專題資源，供學生使用。

（5）教學實施

科技類校本課由學生自愿申請（形成科技類社團），一般每周一節，課時為90分鐘。學生參與5個學習活動環節：進入情境與問題提出；活動探究與信息意識；案例操作與學科知識；實踐活動與跨學科融合；產品設計與反饋。

（6）課程評價

教學評價依據性質分析可以分為兩種：量化評價和質性評價。量化分析有測驗、考試、結構觀察；質性分析有談話、觀察、行為記錄、檔案袋及過程性評價。因此，教師可以在學生活動過程中設置在線習題或問卷了解學生的學習情況，利用SPSS軟件進行數據分析（量化評價），還可以利用協同協作軟件，云端記錄學習過程（質性評價）。

●《智能垃圾桶》產品開發創客教學活動設計

教學情境：教師向學生展示常見的傳統垃圾箱的圖片，請學生說說它們的優缺點，并提出改造的想法。

創新設計：制作一個基于Arduino平臺，利用超聲波傳感器和舵機等物件，結合3D打印技術制作，實現自動開關蓋子功能的智能垃圾桶。

STEAM素養：熟悉Arduino開源硬件和Arduino IDE編程環境、常見的傳感器、SLDWORKS建模平臺、3D打印技術原理，以及物理電路搭建和測量和機械組裝等。

1.教學目標

（1）信息意識

①情境意識。能夠通過教師出示的垃圾箱圖片，說出傳統垃圾箱的應用場景特征。

②主體功能意識。能夠根據應用場景的不同，說出垃圾箱主體結構與功能。

③批判與改造意識。能夠說出傳統垃圾箱在場景下結構設計與功能的不足，提出改進意見，并設計新的基本框架與結構。

（2）計算思維

①問題構建。通過特定情境提出新型垃圾箱的設計概念模型，運用機械原理、Arduino開源硬件平臺與3D打印功能實現基本外殼設計與結構功能的設計。

②思維活動。熟悉Arduino開源硬件平臺，掌握Arduino IDE編程環境，了解常見的傳感器特征和原理；熟悉SLDWORKS建模平臺，掌握基本建模命令，熟悉建模和3D打印技術流程；了解電路基本常識和搭建。能夠根據傳感器的工作原理，搭配Arduino平臺，設計與實現產品功能，利用萬用表進行電路測量與線路檢修；能夠根據產品外形設計需要，利用SLDWORKS軟件進行產品設計與裝配；能利用輔助工具將產品進行最終組裝與調試。

（3）數字化學習與創新

通過垃圾箱概念設計探究問題，利用網絡協同寫作平臺生成產品概念設計需求，形成項目驅動任務管理。通過Arduino、SLDWORKS專題數字化資源學習，掌握使用流程與基本命令并生成概念垃圾箱的問題解決方案。利用信息工具對資源、知識進行管理，最終創造產品。

（4）信息社會與責任

通過問題解決，培養學生探索問題的精神、批判思維、創新意識、創新思維以及解決問題能力。通過產品制作，培養學生的藝術美學意識、小組團隊合作意識、正確價值觀。

2.教學內容

①產品需求設計（1課時）。課程內容：如何實現產品智能化（形成開發設計需求文檔和產品概念）。課程目標：培養學生問題提出、問題分析、策略生成、問題解決能力。

②產品功能設計（2課時）。課程內容：Arduino開源硬件與IDE基本編程；超聲波傳感器與舵機使用。課程目標：掌握Arduino語言基本語法、變量和循環結構；掌握傳感器的工作原理與結構。

③產品外觀設計與打?。?課時）。SLDWORKS軟件建模常見命令與建模流程；數字化模型到產品打印。課程目標：熟悉SLDWORKS工作界面，了解建模流程與裝配體；掌握3D打印原理。

④產品組裝與調試（1課時）。利用工具進行外觀打印與功能平臺組裝與程序下載調試，實現既定功能；能夠利用萬用表測試電路，解釋工作原理。課程目標：掌握萬用表的使用方法；掌握熱熔器使用技巧；提高動手實踐能力。

3.教學資源

①制作微課資源。通過演示法，讓學生了解萬用表和Arduino硬件基本使用。

②建立專題資源，幫助學生了解SLDWORKS建模的基本命令和3D打印技術的原理。

③通過網絡資源，了解創客創意設計。

4.教學活動設計

進入情境與問題提出；活動探究與信息意識；案例操作與學科知識；實踐活動與跨學科融合；產品設計與反饋。

5.教學評價

圍繞課堂活動教學目標達成情況和群體差異進行分析，從量化評價和質性評價兩方面入手。在教學活動中采用5項指標（興趣、參與度、知識表述能力、實踐能力、創造能力）作為觀察指數，通過考試、問卷、課堂記錄、交流表達等方式進行調查分析。

●總結

以智能制造產品設計為理念的創客活動改變了傳統的以單學科知識學習與邏輯構建的教學方式，新興的技術與產業發展為科技教育發展帶來了新的契機，為創新人才培養提供了方向。本文案例結合STEAM教育理念提出創客活動產品設計的五個環節，著重了解了學生計算思維的生成和實踐技能的培養情況。在眾多的教育活動觀察體系指標中，為了有效地觀察學生學習效果的達成情況，選用教學中的5項指標進行活動監督，目的在于快速了解學生在STEAM教學模式下的學習狀態，以便及時調整教學。