STEAM教育模式下中职“机械基础”课程教学设计

汤浩　文奇

前言

随着第四次工业革命的开展，各国为应对产业转型升级，2013年德国提出“工业4.0”概念，日本作为机器人大国，面对智能化机器人的发展，日本政府于2014年公布《机器人新战略》，2015年，中国由国务院印发《中国制造2025》，“智能化”成为制造业转型升级的方向。制造业的转型升级推动着人才培养模式的改变，作为教育者，需要改变教学思路，设计顺应时代潮流的教学内容。中职课程教学设计需要紧密围绕产业发展趋势和企业人才需求，采用典型企业真实项目案例，重新构建理论、技术和实训的课程知识内容。教学设计中采用真实案例、真实项目能够激发学生的学习、探究和职业兴趣。

世界的经济发展从以传统制造业为主导转向以知识、科技创新为核心，这使得科技创新人才、复合型人才成为国家和社会发展的源动力。对于新时代技能型人才的培养需求，促使课堂必须深度发展学生的跨学科问题解决能力、批判性思维、合作交流能力等多方面素质的融合。STEAM教育发源于美国，经历了STS-STEM-STEAM几个发展阶段（范文翔，赵瑞斌，张一春，2018）。越来越多的研究表明，STEAM教学模式能够符合创新型人才、复合型人才培养目标。

本文以“带传动组成、原理和类型”为案例进行分析，重新构建以STEAM教学模式下的“机械基础”课程项目式教学设计，教学设计中充分结合现代化教育信息技术，让学生从项目探索中获取多元学科知识，最终实现具备一专多能、创新型人才培养目标。

一、STEAM教育模式背景、内涵

新时代下，对于技能型人才，不仅要培养他们具备精湛的技能技术，还要培养他们符合智能化融合性知识的要求。对于智能工厂，企业员工依据所学专业形成“岗位群”，不再限制员工单一专业或学科，所以在课程目标上，要培养中职学生具备一专多能、复合型、综合应用型人才。在对中职“机械基础”课程进行教学方案设计时，选择符合产业转型升级发展，适合培养技术性、创新型人才培养目标的教学模式、理念尤为重要。

（一）STEAM课程模式提出背景

随着“工业4.0”“中国制造2025”对产业转型要求的提出，制造业从传统制造转向智能制造、高端制造、创新型的创造；工厂逐步转型为智能工厂。中等职业教育要承担起培养复合型、创新型人才的要求。对青少年学生而言，跨学科学习的重要性在于，能够明晰所掌握各科知识是存在不同层次关联的，可在各类情境下融会贯通、综合使用，并产生新的视角、构建新的认识、激发创新活力（詹泽慧，李彦刚，高瑞翔，2022）。为此，中职学校面对产业升级、人才培养新需求，促使教师更新教学模式，重构专业课程知识体系。在教学中要改变课堂单向输出，建构以学生为主体的双向互动式多维对话课堂，课堂单一专业知识灌输应向多元知识探索改变，更加注重学生知识迁移的能力，从知识探索中培养创新能力，改变以往注重成绩的学习评价方式，从技术、知识拓展到职业素养能力的多元评价方式。

（二）STEAM课程模式内涵

STEAM是取科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）五门学科的首字母命名的一种教育模式（杨章伟，张婉婉，肖俊宇，2021）（图1）。在教学中加入的艺术元素包含精致艺术（美术、音乐、雕塑、摄影等）、人文艺术（在以人为本的基础上使用历史的、哲学的、逻辑的思考方式思考并解决问题）、语言艺术（包括书面和口头）、肢体艺术和手工艺术（李刚，吕立杰，2018）。

STEAM教育模式由具体不同维度下的学科内容，到最终在实现人才培养目标的抽象教育理念。STEAM教育模式的跨学科内容，分别从不同的角度对学习者的核心素养提出了要求。其中，“S”培养学习者认识客观世界规律的能力，“T”和“E”传授学习者工程技术理论知识和实际操作技能，“A”为实践提供创造性思想来源，“M”培养学习者的工程科学思维，提供数学方法和工具。

STEAM教学模式是整合学科资源的教学方式，它强调知识与能力并重，倡导“做中学、学中做”。教师在授课时，鼓励学生通过自己动手探索学习知识，强调培养学生的创新与创造力，并注重知识的跨学科迁移能力，以及知识与现实项目的紧密联系，最后使得学生学会含有多学科元素的知识与技能。

在STEAM教育模式下，教师在教学设计时，要具备培养学生多元素质的理念，以学生为中心进行教学，并重视问题的情境性创设。在基于项目的学习中，在教师的引导下，学生通过小组协作探究来解决问题，以追求培养学生STEAM素养为目标（顾容，张东，2019）。所以，教师要通过设计多元素、跨学科的课堂教学活动，满足创设学生探索发现的教学情境，启发学生寻找解决问题的思路和方法，强调知识的综合运用和创新思维的学习过程，并完成对学生的综合化评价。

二、中職“机械基础”课程教学现状

“机械基础”课程作为中职机械类及工程技术类相关专业的一门基础课程，一般在中职一年开设，课程教学在64学时左右。作为专业基础课程，学生在此初步接触机械原理知识，教师培养学生分析问题、解决问题、创新的能力。基础知识的学习，为未来岗位工作内容，如设备维修、结构设计、机器操作等打下基础。所以，分析中职“机械基础”课程教学现状，发现教学中存在的问题，以便及时改进教学思路。

（一）教学理念陈旧

教师在“机械基础”课程教学时，仍有以教师为中心、以教材为中心的教育理念。这样的教学理念，虽然强调了教师、理论知识的重要性，但一味地灌输式、填鸭式的教学，使得课堂教学枯燥乏味；部分教师在教学中，忽视了学生的学习进度及知识掌握情况，难以对学生学习中存在的问题提出有针对性的指导（张宇，2022），在课堂效果上呈现出学生不感兴趣、达不到预期教学效果，导致学生学习效率较低，严重影响教学质量。陈旧的教学理念往往使学生掌握不住理论知识，过分强调教师的主体地位。

（二）单一的理论知识

在“机械基础”课程知识内容上，部分教师只注重书本知识点，未能将多方知识进行融合，所以很难培养出一专多能、创新型人才。新时代产业对人才的需求，不再是限制技术人员的某一专业、单一理论知识，而是希望员工具备多方面专业知识的融合。单一的知识教学，不能很好地符合学生未来工作岗位要求，不能达到最终的人才培养目标。

（三）偏理论，轻实践

中职“机械基础”课程标准要求，教学内容由基础模块、综合实践模块和选学模块三部分组成。任课教师的教学重心一般会选择基础模块的知识内容，基础模块包含力学、杆件变形、工程材料、机械传动、连接件等比较抽象的专业理论知识。教师在讲授这些抽象的知识时，学生缺乏从探索中积累知识，只靠教师单向传输，学生不能很好地将陈述性知识进行深加工，只能短暂性记忆。由于偏理论、轻实践的教学过程，考核学生知识点掌握的评价方式依然是测试题等手段，未能考核学生的实践操作运用方面的能力，未能全面评价学生的知识掌握能力。

（四）艺术缺失

中国素质教育已经实施多年，其目的在于培养学生的全面发展，艺术作为课堂的一种教学元素，在课堂的实施环节也是不可或缺的。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（宋乐，宫虎，2019），但中职教师在“机械基础”课程教学过程中往往会忽略这一元素的加入。

三、教学设计与实施

本次教学以“机械基础”课程中“带传动的组成、原理和类型”这一节课为案例，进行STEAM教育模式下的教学设计。教学设计中，体现知识融合教学，以学生为中心，通过学生自主探索、小组谈论的方式发现问题，教师启发引导，培养学生动手解决问题的能力。从课程思政中加入“人文艺术”，培养学生的家国情怀，提升学生的民族自豪感。

（一）教学思路

教学设计中采用STEAM的教育模式，课堂教学核心是培养学习者的工程实践能力，根据本门课程的教学对象，采用6E教学方式。6E方式即引入（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、工程（Engineer）、拓展（Enrich）和评价（Evaluate）（周坚，马建富，周晨栋，2020）。

（二）教学分析

1.学情分析

学生学习特点：学习主动性不强，不愿意预习复习，需要有人监督，不愿学习理论抽象内容，对直观的教学内容理解能力強，他们对生活实例和工程案例感兴趣，对未知的新鲜事物充满好奇心，更愿意动手操作。

学生已有知识基础：学生在本次教学内容之前已经学习了“机械基础”课程前5个项目的理论知识，也进行了“机械基础”课程连接件的拆装、机械设备观察与分析的阶段性实习训练，对力学、工程材料性能、常用机械机构、连接件的使用等有一定了解，已具备金属工程材料的牌号、选用相关知识；会分析简易机械结构的力学知识；机械常用机构等相关理论知识；在拆装设备中安全操作注意事项。

学生已有技能基础：学生已具备基本的机械结构识图能力、简易机械构件运动分析能力、简单的工程计算能力、动手拆装机械零件能力、信息检索能力、与他人合作交流的人际关系能力等。

学生现场经验情况；学生目前一年级已经过去半个多学期，对于实训基地的技术人员岗位工作内容与要求有一定的了解，会在操作中发现问题。经过两次实训，他们对机械设备拆卸的具体内容、如何实施技术有了切身体会与感受，熟悉安全生产管理的要求。

知识和技能的不足：机械相关理论知识不扎实，出现概念不清晰、计算公式记不全等现象；理论与实际脱节，有些理论知识不会运用；独立分析问题和解决问题的能力不足，需要教师演示、辅导或者同伴协作；对于国家规范的具体要求不明确，尚未养成遵守国家规范、标准的职业习惯。

2.教材分析

“带传动的组成、原理和类型”是“机械基础”课程项目六“带传动”的学习内容，在机械传动的带传动中起着关键作用。它上承“机械常用机构”项目的知识，下启“机械传动”项目。对于“机械传动”的开篇第一节，讲好带传动的传动原理，有利于接下来其他项目的学习与运用。带传动在生活和工程中被广泛运用，教给学生带传动的基础知识，在未来生产实际中让学生会设计、选用、维修有着重大意义。

3.STEAM教学内容

通过整合“机械基础”课程标准、国家标准以及《机械设计手册》等关于带传动的知识点，课程内容采用STEAM教育理念，将课堂知识点做到跨学科、融合性学习，如表1所示。

（三）教学目标

1.知识与技能目标：能理解机械传动；能复述出带传动的组成与原理；会计算带传动的传动比；能归纳出带传动的类型；通过理论知识的学习，掌握选用在不同场合的带传动方式；通过讨论，锻炼思维独立性、发散性能力，提高交流能力。

2.过程与方法：引入“旋转木马”运动简图来理解机械传动；通过观察带传动的动画，理解带传动的组成、工作原理；通过收集资料、小组讨论生活、工程实例的带传动，能够对带传动的应用场合有初步认识；通过分组合作，学会与他人分配任务，倾听别人的发言，通过交流、探讨获取知识的方法。

3.情感态度与价值观：案例视频的导入和动画演示，增强对带传动的学习兴趣；在探讨中，培养学生合作意识和协作精神；教学中采用项目式的案例教学，将带传动在生活、工程中的广泛运用带入课堂，培养学生在未来机械设计中不断创新的思想；教学内容中引入“航天卫星”的课程思政，提出人生哲学思考，启迪学生在未来生活、工作岗位上战胜艰难险阻，埋下成为“大国工匠”的职业与人文素养。

4.重点与难点突破

重点：掌握带传动的组成、工作原理；理解不同类型带传动的特点；计算带传动的传动比。化解方法：动画、视频的直观演示，掌握带传动的组成、原理；通过对比不同类型的带传动，归纳出带传动的特点；给出典型例题，通过计算带传动传动比，掌握传动比公式。

难点：不同类型带传动的特点、应用场合的选型。突破方法：运用带传动的典型案例，掌握帶传动的特点、运用场合。

（四）教学策略

1.启发式

课堂中由一问一答、一讲一练的形式来体现启发式教学；另外，课堂通过生动的案例引入使学生产生联想，留下深刻印象而实现。在课堂上，教师要做到因材施教，合理引导学生发现问题，让学生通过自己独立探索，获得解决问题方法、能力，从而提升技能。

2.发现性策略

教师在教学中创设项目情境，通过视频、动画展现带传动的工作过程，引导学生发现带传动的组成、工作原理，让学生们自己总结出结论。

3.解释性策略

教师对概念及知识点进行解释，讲授过程中要讲究策略和方式，要系统完整，层次分明，重点突出，注意吸引学生的注意力，与其他教学法配合使用（图2）。

（五）教学过程

1.引入——创设情境

教师首先板书“带传动组成、原理和类型”，之后引导学生思考生活中的机械传动。教师通过创设“旋转木马如何运作”这一教学情境，引起学生的兴趣，并结合旋转木马工作流程图，逐步引导学生探索发现。最后，教师展示小组成员查找的三个带传动生活案例，学生观察生活中的真实案例，拉近知识点与学生间的距离，避免直接讲授工程案例带来的空洞感。

2.探索——组织与协调

在教学过程中，使用项目式教学，让学生自己主动探索带传动的组成、原理。并以小组为单位展开教学活动，教师要组织、协调好各小组的进度，以免浪费教学时间。在小组讨论的过程中，充分调动学生的积极性，鼓励学生大胆发言，并与小组成员交流、讨论。

3.解释——说明、概况

教师对于抽象的概念、原理性的知识转为感性知识，并说明带传动的组成、工作原理，提炼知识点，用简洁明了的语言向学生解释。教师及时解答学生的疑惑，做到课堂双向沟通。

4.工程——引导、指导

教师通过各种工程案例，按截面分类来对带传动进行讲解，解释每一类的特点、适用场合。指导学生利用每类带传动的特点，针对不同应用场合，选用不同类型的带传动。

5.拓展——创新、艺术培养教师发布任务，让学生通过教师给出的条件，自主设计出采用不同类型的带进行传动。教学中通过课程思政培养学生对人文哲学的思考，并科普科技知识。选取的思政元素契合我国航天卫星带传动工程案例，激起学生的民族自豪感，勉励学生学好技术，报效祖国。

6.评价——评价、总结

采用形成性评价、自我评价、小组互评、教师评价相结合的多元评价方式。在课堂上以提出问题的解决方案来判断学生对知识的掌握程度以及教学的效果，并且及时调整教学的结构，调动课堂气氛，将学生的注意力稳定在课堂讲授的内容上。课上积极回答问题的学生会有“平时分”的记录。采用课后作业+小组作业的方式，以教师+小组互评打分的形式来反馈学生的学习效果、掌握新知识的程度。

（六）教学效果及反思

通过小组课前积极完成的任务，以及观察学生在课堂上的表现，采用STEAM教育理念及6E教学方式，学生积极参与课堂、小组活动，课堂呈现积极的教学效果。STEAM教育理念是引导学生综合性学习、终身学习、融合性学习，教师在教学内容的选择上还需进一步挖掘跨学科知识元素，并结合职业教育特点展开教学活动。对于缺失艺术教育的中职课堂，艺术领域的元素要选好素材，处理好与知识点的融合度。

四、总结

STEAM教育模式下的中职课堂，教学内容选择跨学科元素，目的在于培养学生成为一专多能的人才要求。中职“机械基础”课程教学采用STEAM教育模式，以学生为中心，实现学生探索学习、自主学习、互动学习、终身学习的目标。运用STEAM教育模式的教学实践，教师必须结合职业教育课程特点、教学内容、教学手段等情况，进行教学设计上的高度融合，以适应智能化时代下的中职人才培养新目标。

[资助基金：广东技术师范大学教学改革项目“产业需求驱动的新工科机器人工程专业人才培养模式研究”。]

责任编辑 何丽华