STEAM理念下的儀器專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)新模式

宋 樂(lè)，宮 虎

STEAM理念下的儀器專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)新模式

宋 樂(lè)，宮 虎

（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072）

以“精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程為例，提出了一種將STEAM教學(xué)理念與傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)課程相結(jié)合的新方法，并給出了具體的教學(xué)設(shè)計(jì)流程。該方法以真實(shí)情境問(wèn)題、教師適度引導(dǎo)及學(xué)生自主建構(gòu)為主要特色，突出過(guò)程化與多元化評(píng)價(jià)。通過(guò)引入新的教學(xué)模式，使學(xué)生成為了學(xué)習(xí)的主體，大幅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維及解決實(shí)際問(wèn)題能力，取得了良好的教學(xué)效果。

STEAM；儀器儀表；實(shí)踐教學(xué)；精密機(jī)械設(shè)計(jì)

儀器儀表類(lèi)專(zhuān)業(yè)以“寬口徑、綜合性”為特色[1]，課程體系中涵蓋光學(xué)、機(jī)械、電子、控制等學(xué)科基礎(chǔ)課及專(zhuān)業(yè)課。以“精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程為例[2]，該課程集機(jī)械原理、機(jī)械零件、工程材料與熱處理和零件的精度設(shè)計(jì)于一體，對(duì)精密機(jī)械及儀器儀表中常用機(jī)構(gòu)和零部件的工作原理、適用范圍、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算方法、工程材料以及零件幾何精度的基礎(chǔ)知識(shí)等諸方面進(jìn)行闡述，是儀器儀表專(zhuān)業(yè)的一門(mén)典型的綜合性機(jī)械類(lèi)課程。

近年來(lái)，STEAM教育理念在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，因其跨學(xué)科、重實(shí)踐的特點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外教育界的廣泛關(guān)注[3-6]。STEAM教育著眼于多學(xué)科角度，力求全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力與素養(yǎng)，以問(wèn)題為主軸，以學(xué)生為核心，這對(duì)于同樣以培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型人才為目標(biāo)的儀器類(lèi)專(zhuān)業(yè)以及強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)操的機(jī)械類(lèi)課程而言，在理念上不謀而合。目前，STEAM模式更多地體現(xiàn)在面向K12的青少年科普教育以及以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的民辦教育機(jī)構(gòu)中[7]。本文借鑒STEAM理念及問(wèn)題導(dǎo)向式的教學(xué)模式，嘗試與探索與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程達(dá)成深度融合。

1 STEAM教學(xué)思路與課改策略

1.1 STEAM理念概述

20世紀(jì)80年代起，為了克服原有科學(xué)教育體制中的單一性和局限性，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）發(fā)起了一場(chǎng)STEM教育革命[8]，徹底打破了學(xué)科間的固有邊界。STEM，即Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Maths（數(shù)學(xué)）的縮寫(xiě)，其教育哲學(xué)是從問(wèn)題本身出發(fā)，對(duì)人與技術(shù)世界之間的互動(dòng)模式進(jìn)行探究。為了進(jìn)一步提升人們的創(chuàng)造性并吸引來(lái)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(shù)），進(jìn)而形成了STEAM模式[9-11]。廣義而言，藝術(shù)包含了美術(shù)、音樂(lè)、語(yǔ)言、形體等人文概念，富含感性元素，這為相對(duì)理性的科學(xué)教育增添了一針“催化劑”，多維度跨界產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)大大激發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)積極性與科學(xué)創(chuàng)造力。

STEAM教學(xué)模式有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)，一是以解決實(shí)際問(wèn)題為主線，即基于PBL（problem based learning）方法[12]。所有的問(wèn)題均來(lái)自現(xiàn)實(shí)世界中。由于現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題很難通過(guò)單一學(xué)科來(lái)達(dá)到理想解，因此學(xué)生在此過(guò)程中逐步建立了跨學(xué)科知識(shí)體系和思維整合能力；另外，真實(shí)問(wèn)題的解決方法往往并不唯一，對(duì)學(xué)生而言，解決問(wèn)題的過(guò)程比結(jié)果更加重要，教學(xué)評(píng)價(jià)過(guò)程也不同以往的“標(biāo)準(zhǔn)答案”模式，而是真正以學(xué)生為中心，在情境框架內(nèi)，鼓勵(lì)探究，提倡個(gè)性化思路，避免強(qiáng)行灌輸，從而提升學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識(shí)[13]。STEAM模式的另一特點(diǎn)是重視動(dòng)手實(shí)踐[14]，通過(guò)實(shí)踐操作，學(xué)生接受知識(shí)的模式由“刺激—反應(yīng)”轉(zhuǎn)化為自主建構(gòu)，使得學(xué)習(xí)的有效性和持續(xù)性得以提升。

1.2 課程創(chuàng)新思路與實(shí)施流程

以儀器儀表類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心課程“精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”為例，基于STEAM理念，對(duì)原有的實(shí)踐課程教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新，如圖1所示。首先由教師設(shè)定“情境”，即來(lái)自真實(shí)世界的場(chǎng)景（比如公路或車(chē)間），該場(chǎng)景可以通過(guò)生動(dòng)形象的語(yǔ)言描述，也可以通過(guò)多媒體等手段予以表現(xiàn)。而后，教師提出一個(gè)結(jié)合該場(chǎng)景且與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的“技術(shù)問(wèn)題”。問(wèn)題提出后，教師的角色逐漸由主角向配角過(guò)渡，并逐步引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)始進(jìn)行思考、分析與討論。每位學(xué)生在接收到問(wèn)題之后，首先進(jìn)行獨(dú)立思考，而后開(kāi)展小組內(nèi)部的交流與討論，完成組內(nèi)頭腦風(fēng)暴，共同協(xié)作完成方案設(shè)計(jì)構(gòu)想，進(jìn)行口頭匯報(bào)與運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖展示，并由教師進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。在此期間，教師僅進(jìn)行時(shí)間把控以及對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的指正，鼓勵(lì)學(xué)生提出個(gè)性化方案。

圖1 融合STEAM理念的實(shí)踐教學(xué)流程

在完成上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，各組開(kāi)始進(jìn)行實(shí)物建構(gòu)與功能調(diào)試，所使用的實(shí)物教具均來(lái)自市場(chǎng)上常見(jiàn)的積木拼接式教具，零件種類(lèi)豐富、價(jià)格低廉、可重復(fù)利用。調(diào)試期間可能會(huì)遇到多種突發(fā)狀況，需要學(xué)生進(jìn)行不斷試錯(cuò)及優(yōu)化。完成作品后，由學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)成果展示，其間可進(jìn)行自評(píng)及互評(píng)。在此環(huán)節(jié)中，展示形式力求多樣化，鼓勵(lì)學(xué)生以小故事、小游戲、小表演等形式呈現(xiàn)作品，最后由教師進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)以上流程，學(xué)生的分析能力、設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力獲得了多方面訓(xùn)練。同時(shí)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中有2方面需要特別關(guān)注，一是教師的提示務(wù)必適度，以免造成作品的同質(zhì)化，不利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)；二是最終成績(jī)的給定需重點(diǎn)放在過(guò)程而非結(jié)果，并體現(xiàn)多元化評(píng)價(jià)的特點(diǎn)。建議將教師評(píng)價(jià)與學(xué)生互評(píng)相結(jié)合，并為作品創(chuàng)意單獨(dú)設(shè)定分值進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

2 基于STEAM的教學(xué)案例設(shè)計(jì)

以STEAM教學(xué)模式對(duì)原有的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與整合。以“精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程為例，每次實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容不再限定具體的知識(shí)點(diǎn)，如連桿、凸輪或齒輪等，而是從問(wèn)題角度出發(fā)，由學(xué)生探究可能的解決方案，最終與總體教學(xué)目標(biāo)相契合。以“自動(dòng)分揀流水線”為例來(lái)介紹基于STEAM的實(shí)踐教學(xué)模式。

本案例源自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以香皂自動(dòng)包裝生產(chǎn)線中的產(chǎn)品分揀作為項(xiàng)目背景，所設(shè)定的問(wèn)題為“如何 移除漏裝香皂的空包裝盒”。教學(xué)資源方面，選用STEAM教學(xué)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(dǎo)入，學(xué)生在接收問(wèn)題后，隨即進(jìn)入思考與討論環(huán)節(jié)。在此期間，根據(jù)學(xué)生的討論情況，教師進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)。討論過(guò)后，由學(xué)生匯報(bào)設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖進(jìn)行展示。每位學(xué)生只介紹自己負(fù)責(zé)的部分，保證參與機(jī)會(huì)均等。教師完成初次評(píng)價(jià)后，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)物建構(gòu)，最終完成作品成果展示。

在本案例的多次教學(xué)嘗試中，學(xué)生提出了形形色色的解決方案。在放料環(huán)節(jié)中，由于涉及貨物抬升，學(xué)生提出了諸如平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)、剪式升降機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等多種實(shí)現(xiàn)方式；對(duì)于運(yùn)輸環(huán)節(jié)，學(xué)生方案既有帶傳動(dòng)方式，也有齒輪齒條結(jié)合直線導(dǎo)軌的方案；在空盒移除環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、盤(pán)形凸輪、連桿式機(jī)械抓手等方式達(dá)到預(yù)期效果；也有學(xué)生通過(guò)建構(gòu)風(fēng)扇，使空盒在風(fēng)力作用下被吹離流水線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)和移除，體現(xiàn)了靈活的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。

3 成果

通過(guò)引入以問(wèn)題為導(dǎo)向的STEAM理念，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握程度得到了很大程度的提升，尤其對(duì)于課堂教學(xué)中的一些難理解、易混淆概念，例如急回特性、傳動(dòng)比、彈性滑動(dòng)等，通過(guò)新的實(shí)踐課程均獲得了較為直觀的體驗(yàn)。學(xué)生的成果作品完成形式各異，有些學(xué)生為了改進(jìn)作品，課后又在原有基礎(chǔ)上自行通過(guò)3D打印等手段制作了非標(biāo)準(zhǔn)件及外觀模型，進(jìn)一步提升了作品功能及美感?？傮w而言，新的教學(xué)模式達(dá)到了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)創(chuàng)新的目的，提升了其對(duì)傳統(tǒng)課程的重視程度和主動(dòng)參與度。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，STEAM教育在我國(guó)尚處于起步階段，如何將STEAM理念融入現(xiàn)有工程教育，將傳統(tǒng)的技術(shù)類(lèi)課程與數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程、藝術(shù)進(jìn)行深度結(jié)合，完善配套的教學(xué)設(shè)施、教材體系及教學(xué)資源，建立跨 學(xué)科的STEAM教學(xué)團(tuán)隊(duì)，利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)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(xué)校儀器類(lèi)專(zhuān)業(yè)新工科建設(shè)項(xiàng)目（2018C133）；國(guó)家級(jí)精品資源共享課程建設(shè)項(xiàng)目（2016-292）

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