基于STEAM教育理念的工程制图教学新模式探索

刘广斗，张宗波

(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东 青岛 266580)

1 引言

1.1 工程制图现状

工程制图是面向工科学生开设的实践性很强的专业技术基础课，是培养学生动手能力、实践能力和工程素质的重要教学环节[1]。近年来，广大图学教师以极大的热情对工程制图的教学改革进行了全方位、多角度地探索，提出了各自的教学经验和成果。总体来说可以分为两大类别，一是在工程制图教学中引入信息化技术，打破了传统教学模式的束缚，为学生提供了精彩的动画效果、生动有趣的内容,增加了教学感染力，增强了教学效果，但是这种新的教学方式由于速度快，留给学生思考的时间和影像少，从某种程度上制约了学生的理解；一是制图老师尝试的案例法、项目驱动法、CDIO法等教学方法的改革，以及不断开展新的教育模式：教学讨论课、异地同时课程、翻转课堂、慕课等，以期调动学生的积极性，取得了较好的教学效果，但由于现实实践课程较少，仍存在学生的专业知识运用能力、动手动脑实践操作能力不足等问题[2-4]。

1.2 STEAM教育理念

STEAM教育理念即科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)、艺术(Arts)的首字母，由美国政府提出，为加强美国K12关于科学、技术、工程、艺术以及数学的教育，培养学生的综合素养。STEAM教育以项目式学习为主要的学习方式，注重实践和过程，强调解决真实问题，强调知识与能力并重，倡导“做”中“学”，强调创新与创造力的培养，注重知识的跨学科迁徙及其与学习者之间的关联，是技术与工程教育和艺术人文教育的融合，旨在推动技术驱动的教学创新。STEAM教育其实是对基于标准化考试的传统教育理念的转型，它代表着一种现代的教育哲学，更注重学习的过程，而不是结果[5]。目前主流的STEAM教育是机器人教育、编程教育以及3D打印，多体现为中小学编程类、媒体制作类软件在综合实践课程、信息技术课程、通用技术课程中的应用。

由于计算机科学与技术的发展和推动,工程制图不再是仅限于包含几何和投影理论以及有关工程理论与知识的基础性学科,而是发展成为与计算机科学、数学、工程科学、智能和思维科学等多学科交叉而又相对独立的一门现代学科[6]。因此，STEAM教育理念在本门课程中具有很高的可操作性。整体思路为，在当前教学模式的基础上创设项目式学习，项目来源为教学知识难点和重点、生活实例、工程实例或创新设计大赛等。在课程的投影基础、基本体和组合体部分(含尺寸标注)，通过实践搭建实体模型，能够有效建立空间形体与平面视图的联系，强化空间逻辑思维和形象思维能力。在机件表达部分，基于模型快速掌握各种表达方法的概念和特点，进而使用合理的表达方案表达机件。在标准件和常用件、零件图和装配图部分，对项目进行精心的设计，让学生发挥主观能动性，自觉投入到项目式学习。从而跟上时代的进步，促进工程制图与密切相关课程的融合,培养学生工程意识、设计能力和创新能力[7]，培养适应现代发展要求的人才。

2 工程制图教学新模式

借鉴STEAM教育理念，在当前教学模式的基础上增加项目式学习环节，建立工程制图教学新模式。由于项目式学习环节的融入，教学新模式需要在教学方法、教学资源和评价方式等部分进行设计。

2.1 教学方法

工程制图教学新模式的教学方法分为三个环节：(1)教课环节，此为知识的习得环节，在这个环节中教师为主体，引导学生学习；(2)项目式学习环节，此为知识的巩固和转化环节，通过实践操作把理论知识巩固，并转化为自己的理解，在这个环节中学生为主体，教师起主导作用，指导学生实践；(3)讨论环节，进行项目式学习环节完成结果的点评、工程设计表达等方面进行讨论，此环节同样学生为主体，教师起主导作用。通过“教”与“做”相结合的教学方法，实现教师和学生角色的转变，激发学生的学习积极性与兴趣，培养工程制图的图样表达能力和创新能力。

2.2 教学资源

不同的教学模式，相应的教学资源也不同。该模式下教学资源分为三部分，第一部分为传统的线上和线下资源，包括课件、教学视频、微视频和知识点等习得知识的资源。第二部分为针对不同知识学习阶段，设计相应项目式学习的教学资源，工程制图课程知识体系由浅入深，系统全面，分为投影基础、基本体、组合体、含尺寸标注、机件表达方法、零件图、装配图、标准件和常用件等学习阶段，需要设计不同的项目式学习，引导启发学生的转变，实现知识的基础巩固、提高迁移和拓展创新。第三部分为线上资源管理系统，充分利用网络平台的优势，开设项目式学习专栏，进行线上资源管理，比如设有项目管理、学生作业管理、学生实践报告管理和典型案例展示等。

2.3 教学评价

教学评价是贯穿于整个教学过程中，现有采用“出勤+作业+期末考试”的考核方式不能全面反映学生的真实水平，学生的动手能力和创新实践能力得不到提高。新的教学模式注重实践和过程，强调知识与能力并重，因此选择过程性评价的方法。过程性评价关注教学过程中学生智能发展的过程性结果，如解决问题的能力等，及时对学生的学习质量水平做出判断，肯定成绩，找出问题。同时教师可对平时作业、项目式学习、学习报告、创新项目作业、期末考试等分配权重。建立灵活的评价方式，比如作品评价、学生自评、学生组内互评、观察面谈等，对学习过程与结果进行综合评判。工程制图教学新模式设计如图1所示。

图1 工程制图教学新模式各个环节

3 教学新模式的关键问题和解决方法

3.1 项目式学习的设计

项目式学习的设计是教学新模式的核心内容，因此需要教师做大量的调研准备，根据不同教学内容进行设计。项目学习的设计要把握好尺度，难易适中，太容易则流于平淡，学生不屑准备，也不屑回答，更无助于启发思维，太难会使学生如坠迷雾，探究半天没有结果，没有成就感，丧失学习兴趣。表1中给出了项目设计的选题参考来源，以及要达到的效果特点，作为参考依据对项目学习进行设计筛选。

表1 工程制图项目学习设计选取参考和特点

通过精心设计项目式学习，有效的联系空间形体与平面视图，把抽象变为具体，在实践过程中巩固和转化习得的知识，让学生充分发挥主观能动性，自觉投入到项目式学习。

3.2 项目式学习与教学的有效结合

目前我国高校工程制图课程呈现出大班授课、少学时化教学的现状，由于受课程教学计划和学时的限制，课堂教学中要兼顾教学内容和教学进度的安排。因此需要合理分配教课环节、项目式学习环节和讨论环节，从而实现教学和实践的有效结合。

鉴于工程制图课程内容的特点，根据实践时间的长短把项目式学习分为三类：(1)小型项目学习，实践时间<10分钟，比如点投影、直线投影、面投影、基本立体投影等知识点，可在正常教课中实现，且省去讨论环节，既可以提高学生的空间想象力和构思分析能力，又可以忽略对教课环节的影响，让学生在实践中实现知识的巩固和转化。(2)中型项目学习，实践时间<30分钟，比如立体的截切，组合体读图，组合体看图和表达方法等知识点，此类项目学习含有讨论环节。为不影响正常教学进度，有两种方法：一是安排在习题辅导课，适当根据情况减少项目类似作业习题的数量；二是代替教课环节类似的课上例题。(3)大型项目学习，比如零件图、装配图、标准件和常用件等知识点，为课程精心设计，且为探究或工程实践类的综合项目，教师起主导作用，带领学生去探究或实践，进行学生的分组协作，在这个过程中让学生自己建构知识和技能，达到培养内在的综合能力的目标，该类项目的学习可通过替代“零件或装配体测绘”环节来实现。三类项目式学习与教学的结合方式如图2所示。

图2 项目式学习与教学的结合方式

4 总结

通过调研当前工程制图教学现状，结合STEAM教育理念，提出工程制图教学新模式，该模式融入了项目式学习环节，注重实践和过程，强调知识与能力并重，强调创新与创造力的培养；根据新模式的设想，设计了教学方法、教学资源和评价方式等部分，建立工程制图教学新模式的整体框图；针对教学新模式中的关键问题，通过提出工程制图的项目学习设计选取参考和特点，分析研究项目式学习的设计，通过对项目式学习分类融入教学的方法，合理分配教课、项目式学习和讨论环节，实现项目式学习与教学的有效结合；形成工程制图教学新模式，从而培养科学基础厚、工程实践能力强、综合素质高、具备国际竞争力的复合型工程科技人才。