STEAM理念下交互设计工程技术基础课程教学设计与实践

（湖北工业大学工业设计学院 430068）

STEAM是一种包含了Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Arts（艺术）和Mathematics（数学），以专业实践为载体，以培养学生设计创新精神为目标的跨学科整合的教育体系，开展STEAM教育有利于培养各专业学生以多学科或跨学科知识、资源、信息等来解决现实生活问题的能力。美国马里兰大学学者赫希巴奇教授提出了STEAM教育跨学科整合课程模式及体系，主要包括关联课程（The Correlated Curriculum）模式和广域课程（The Broad Fields Curriculum）模式，STEAM教育的目的是为了解决实际项目中存在的问题，并完成项目任务，其能够将科学、技术、工程、艺术和数学等多学科知识进行合理、可行及有效的整合、调整与优化。有学者针对TEAM教育的相关理念，提出了相应的设计教学框架，主要内容包括教学任务、教学分析、工具与资源设计、框架设计、学习流程设计、评价设计、知识结构与理论强化训练、项目教学实践与应用（设计修订）以及总结评价。如何将STEAM教育理念运用于设计教育，以培养艺术类专业学生的工程实训经验，提高艺术类专业学生进行机械设计、工艺规划、加工制造等方面的实际设计与操作能力，促进学生综合能力提高和科学素养的培养，以《交互设计工程技术基础》课程为例，对教学设计进行研究与实践探讨。

一、教学分析

《交互设计工程技术基础》是交互设计专业学生主修的专业必修课。教学任务是使交互设计专业的学生掌握相关工程技术基本知识，有意识地观察客观世界，从现实生活中获得设计知识，发现创意灵感，培养创新思维以及构建多学科知识结构，懂得运用工程技术的原理和方法去思考去创新，能够合理运用工业设计方法对本专业领域项目中涉及的形态艺术、功能结构，智能控制和制造工艺等问题提出对应解决方案和建议。课程开课时间为第六学期，教学周期为三周。

二、教学活动过程设计

第一周要求学生在理解和掌握机械原理和结构设计的基础上，能够结合生活中产品案例，进行创意产品运动结构设计。项目训练一：简单产品运动机构设计。项目要求：在理解和掌握机械原理和结构设计的基础上，能够根据产品的功能要求合理选择单一机构或多个机构的组合进行简单产品运动结构设计。比如制作平面连杆机构模型，制作折叠式桌椅结构模型等。项目训练二：复杂产品运动结构创意设计。项目要求：综合运用“连杆机构”、“凸轮机构”、“齿轮机构”、“间歇运动机构”、“轮系传动”以及“带、链传动”等的运动原理进行复杂产品运动结构设计。比如制作教室空间清洁整理装置等功能性产品结构模型。

第二周要求实践Arduino平台的常用传感器（加速度传感器、红外线传感器、超声波传感器、压电陶瓷传感器、触摸传感器、湿度传感器、声音传感器、环境光线传感器等。）和运动扩展，并学习通过使用开发工具App Inventor，设计构建移动应用，实现智能控制。项目训练三：智能产品设计。项目要求：基于Arduino平台和App Inventor开发工具，将传感器装置应用于产品设计中，一定程度上实现对产品的智能控制。比如两轮蓝牙控制小车：Arduino控制器及控制电路设计，蓝牙模块与手机通信设计；小车驱动电机选择，App Inventor开发工具编写遥控动作设计，小车功能结构和形态设计。两轮蓝牙控制小车学生作品如图1所示。

图1 学生作品：两轮蓝牙控制小车

第三周要求完成创意产品综合设计。项目训练四：选题可以是解决生活中的某一具体问题的产品设计，也可是传递某种概念或情绪的装置设计。项目要求：基于交互设计工程技术基础，明确产品中设计中的交互方式，注意设计概念的原创性，表现的艺术性。评价标准：①作品创意（20分）；②技术方案：内部结构部分：运动机构原理+结构模型（20分），智能控制部分：控制原理+电路+程序（20分）；3、造型表现：效果图+实物模型多角度照片（20分）；④综合表现：作品动作表现视频+展板（20分）。学生作品如图2，3所示。

图2 学生作品：深海（艺术装置）

作品说明：装置正面叠加不同透光材质的波浪、鱼和海草等形状，灯管旋转，剪影在海洋装置中呈现海浪起伏的光影效果。

图3 学生作品：智能凹槽清扫器

作品说明：窗户凹槽自动清扫装置。内部结构：a.滑块伸缩——产品可以适应不同宽度凹槽；弹力连接机构——通过皮筋的拉力使产品紧贴凹槽两侧；智能控制：通过超声波模块控制舵机转动方向，达到往返运动并防撞的效果。

三、教学实施基础

课程知识单元：课程涉及产品结构设计、运动机构设计和智能控制设计等知识单元，主要解决其在智能产品设计中的综合应用实践。课前要求学生在掌握学校开设的先修课程：电工电子学、机械设计基础、图形化编程与智能化控制入门等；课堂注重项目实践引导；课余时间要求学生在网络公共课平台上补充学习一些优秀课程团队开发的优质课程：北京交通大学的课程《机械原理》、湖南大学的课程《交互数字媒体技术与设计》、芜湖职业技术学院的课程《移动快速应用开发》、浙江大学城市学院的课程《App Inventor-零基础Android移动应用开发》等。

实验室及相关实践平台：综合材料加工实验室，产品基础结构实验室，Arduino及相关电子元件，相关模型制作材料及工具。

师资队伍：课程采用项目驱动式的教学，由机械设计、计算机科学与通信技术、产品设计专业背景教师共同完成授课。

四、结语

《交互设计工程技术基础》课程改革实践中，以项目实践为出发点，整合跨学科的知识单元和教师团队，践行 STEAM教育理念，通过综合运用软硬件结合的交互原型开发技术，培养设计专业学生对新技术的兴趣和动手实践的习惯，为智能人机交互产品设计奠定基础；同时为艺术类工业设计专业学生工程技术能力培养提供了课程改革实践案例。