STEAM理念下的仪器专业机械设计实践教学新模式

宋 乐，宫 虎

STEAM理念下的仪器专业机械设计实践教学新模式

宋 乐，宫 虎

（天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）

以“精密机械设计基础”课程为例，提出了一种将STEAM教学理念与传统工科专业课程相结合的新方法，并给出了具体的教学设计流程。该方法以真实情境问题、教师适度引导及学生自主建构为主要特色，突出过程化与多元化评价。通过引入新的教学模式，使学生成为了学习的主体，大幅提升了学生的学习兴趣，培养了学生的创新思维及解决实际问题能力，取得了良好的教学效果。

STEAM；仪器仪表；实践教学；精密机械设计

仪器仪表类专业以“宽口径、综合性”为特色[1]，课程体系中涵盖光学、机械、电子、控制等学科基础课及专业课。以“精密机械设计基础”课程为例[2]，该课程集机械原理、机械零件、工程材料与热处理和零件的精度设计于一体，对精密机械及仪器仪表中常用机构和零部件的工作原理、适用范围、结构设计、理论计算方法、工程材料以及零件几何精度的基础知识等诸方面进行阐述，是仪器仪表专业的一门典型的综合性机械类课程。

近年来，STEAM教育理念在世界范围内迅猛发展，因其跨学科、重实践的特点而受到国内外教育界的广泛关注[3-6]。STEAM教育着眼于多学科角度，力求全面培养学生的综合能力与素养，以问题为主轴，以学生为核心，这对于同样以培养复合创新型人才为目标的仪器类专业以及强调动手实操的机械类课程而言，在理念上不谋而合。目前，STEAM模式更多地体现在面向K12的青少年科普教育以及以能力培养为导向的民办教育机构中[7]。本文借鉴STEAM理念及问题导向式的教学模式，尝试与探索与传统的机械设计实践课程达成深度融合。

1 STEAM教学思路与课改策略

1.1 STEAM理念概述

20世纪80年代起，为了克服原有科学教育体制中的单一性和局限性，由美国国家科学基金会（NSF）发起了一场STEM教育革命[8]，彻底打破了学科间的固有边界。STEM，即Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Maths（数学）的缩写，其教育哲学是从问题本身出发，对人与技术世界之间的互动模式进行探究。为了进一步提升人们的创造性并吸引来自不同文化背景的生源群体，后期在原有的STEM体系中，又引入了Arts（艺术），进而形成了STEAM模式[9-11]。广义而言，艺术包含了美术、音乐、语言、形体等人文概念，富含感性元素，这为相对理性的科学教育增添了一针“催化剂”，多维度跨界产生的化学反应大大激发了学生的认知水平、学习积极性与科学创造力。

STEAM教学模式有以下几个主要特点，一是以解决实际问题为主线，即基于PBL（problem based learning）方法[12]。所有的问题均来自现实世界中。由于现实中的问题很难通过单一学科来达到理想解，因此学生在此过程中逐步建立了跨学科知识体系和思维整合能力；另外，真实问题的解决方法往往并不唯一，对学生而言，解决问题的过程比结果更加重要，教学评价过程也不同以往的“标准答案”模式，而是真正以学生为中心，在情境框架内，鼓励探究，提倡个性化思路，避免强行灌输，从而提升学习的主观能动性，培养独立思考和创新意识[13]。STEAM模式的另一特点是重视动手实践[14]，通过实践操作，学生接受知识的模式由“刺激—反应”转化为自主建构，使得学习的有效性和持续性得以提升。

1.2 课程创新思路与实施流程

以仪器仪表类专业核心课程“精密机械设计基础”为例，基于STEAM理念，对原有的实践课程教学模式进行创新，如图1所示。首先由教师设定“情境”，即来自真实世界的场景（比如公路或车间），该场景可以通过生动形象的语言描述，也可以通过多媒体等手段予以表现。而后，教师提出一个结合该场景且与教学内容相关的“技术问题”。问题提出后，教师的角色逐渐由主角向配角过渡，并逐步引导学生开始进行思考、分析与讨论。每位学生在接收到问题之后，首先进行独立思考，而后开展小组内部的交流与讨论，完成组内头脑风暴，共同协作完成方案设计构想，进行口头汇报与运动简图展示，并由教师进行初步评价。在此期间，教师仅进行时间把控以及对学生进行必要的指正，鼓励学生提出个性化方案。

图1 融合STEAM理念的实践教学流程

在完成上述内容基础上，各组开始进行实物建构与功能调试，所使用的实物教具均来自市场上常见的积木拼接式教具，零件种类丰富、价格低廉、可重复利用。调试期间可能会遇到多种突发状况，需要学生进行不断试错及优化。完成作品后，由学生进行团队成果展示，其间可进行自评及互评。在此环节中，展示形式力求多样化，鼓励学生以小故事、小游戏、小表演等形式呈现作品，最后由教师进行综合评价。通过以上流程，学生的分析能力、设计能力、动手能力、创新能力、表达能力和团队协作能力获得了多方面训练。同时，在教学环节中有2方面需要特别关注，一是教师的提示务必适度，以免造成作品的同质化，不利于学生思维能力的培养；二是最终成绩的给定需重点放在过程而非结果，并体现多元化评价的特点。建议将教师评价与学生互评相结合，并为作品创意单独设定分值进行奖励，从而调动学生的积极性。

2 基于STEAM的教学案例设计

以STEAM教学模式对原有的实践教学内容进行了重新设计与整合。以“精密机械设计基础”课程为例，每次实践课程的教学内容不再限定具体的知识点，如连杆、凸轮或齿轮等，而是从问题角度出发，由学生探究可能的解决方案，最终与总体教学目标相契合。以“自动分拣流水线”为例来介绍基于STEAM的实践教学模式。

本案例源自工业现场，以香皂自动包装生产线中的产品分拣作为项目背景，所设定的问题为“如何 移除漏装香皂的空包装盒”。教学资源方面，选用STEAM教学套件及多种传感器，包括力传感器、红外传感器、超声波传感器等，并提供包装纸盒等必要器材。首先由教师完成课程导入，学生在接收问题后，随即进入思考与讨论环节。在此期间，根据学生的讨论情况，教师进行适当引导。讨论过后，由学生汇报设计思路，并通过机构运动简图进行展示。每位学生只介绍自己负责的部分，保证参与机会均等。教师完成初次评价后，开始进行实物建构，最终完成作品成果展示。

在本案例的多次教学尝试中，学生提出了形形色色的解决方案。在放料环节中，由于涉及货物抬升，学生提出了诸如平行四边形连杆机构、剪式升降机构、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动等多种实现方式；对于运输环节，学生方案既有带传动方式，也有齿轮齿条结合直线导轨的方案；在空盒移除环节，学生通过曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、盘形凸轮、连杆式机械抓手等方式达到预期效果；也有学生通过建构风扇，使空盒在风力作用下被吹离流水线，同时实现了检测和移除，体现了灵活的设计创意。

3 成果

通过引入以问题为导向的STEAM理念，学生对课程知识点的掌握程度得到了很大程度的提升，尤其对于课堂教学中的一些难理解、易混淆概念，例如急回特性、传动比、弹性滑动等，通过新的实践课程均获得了较为直观的体验。学生的成果作品完成形式各异，有些学生为了改进作品，课后又在原有基础上自行通过3D打印等手段制作了非标准件及外观模型，进一步提升了作品功能及美感。总体而言，新的教学模式达到了学生主动学习、主动创新的目的，提升了其对传统课程的重视程度和主动参与度。

4 结语

目前，STEAM教育在我国尚处于起步阶段，如何将STEAM理念融入现有工程教育，将传统的技术类课程与数学、科学、工程、艺术进行深度结合，完善配套的教学设施、教材体系及教学资源，建立跨 学科的STEAM教学团队，利用人工智能、物联网、大数据等新兴技术拓展传播途径，需要大量研究与 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

高等学校仪器类专业新工科建设项目（2018C133）；国家级精品资源共享课程建设项目（2016-292）

宋乐（1981—），男，辽宁沈阳，博士，副教授，主要从事创新方法与STEAM教育研究。E-mail: songle@tju.edu.cn