STEAM理念下交互設計工程技術基礎課程教學設計與實踐

（湖北工業大學工業設計學院 430068）

STEAM是一種包含了Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Arts（藝術）和Mathematics（數學），以專業實踐為載體，以培養學生設計創新精神為目標的跨學科整合的教育體系，開展STEAM教育有利于培養各專業學生以多學科或跨學科知識、資源、信息等來解決現實生活問題的能力。美國馬里蘭大學學者赫希巴奇教授提出了STEAM教育跨學科整合課程模式及體系，主要包括關聯課程（The Correlated Curriculum）模式和廣域課程（The Broad Fields Curriculum）模式，STEAM教育的目的是為了解決實際項目中存在的問題，并完成項目任務，其能夠將科學、技術、工程、藝術和數學等多學科知識進行合理、可行及有效的整合、調整與優化。有學者針對TEAM教育的相關理念，提出了相應的設計教學框架，主要內容包括教學任務、教學分析、工具與資源設計、框架設計、學習流程設計、評價設計、知識結構與理論強化訓練、項目教學實踐與應用（設計修訂）以及總結評價。如何將STEAM教育理念運用于設計教育，以培養藝術類專業學生的工程實訓經驗，提高藝術類專業學生進行機械設計、工藝規劃、加工制造等方面的實際設計與操作能力，促進學生綜合能力提高和科學素養的培養，以《交互設計工程技術基礎》課程為例，對教學設計進行研究與實踐探討。

一、教學分析

《交互設計工程技術基礎》是交互設計專業學生主修的專業必修課。教學任務是使交互設計專業的學生掌握相關工程技術基本知識，有意識地觀察客觀世界，從現實生活中獲得設計知識，發現創意靈感，培養創新思維以及構建多學科知識結構，懂得運用工程技術的原理和方法去思考去創新，能夠合理運用工業設計方法對本專業領域項目中涉及的形態藝術、功能結構，智能控制和制造工藝等問題提出對應解決方案和建議。課程開課時間為第六學期，教學周期為三周。

二、教學活動過程設計

第一周要求學生在理解和掌握機械原理和結構設計的基礎上，能夠結合生活中產品案例，進行創意產品運動結構設計。項目訓練一：簡單產品運動機構設計。項目要求：在理解和掌握機械原理和結構設計的基礎上，能夠根據產品的功能要求合理選擇單一機構或多個機構的組合進行簡單產品運動結構設計。比如制作平面連桿機構模型，制作折疊式桌椅結構模型等。項目訓練二：復雜產品運動結構創意設計。項目要求：綜合運用“連桿機構”、“凸輪機構”、“齒輪機構”、“間歇運動機構”、“輪系傳動”以及“帶、鏈傳動”等的運動原理進行復雜產品運動結構設計。比如制作教室空間清潔整理裝置等功能性產品結構模型。

第二周要求實踐Arduino平臺的常用傳感器（加速度傳感器、紅外線傳感器、超聲波傳感器、壓電陶瓷傳感器、觸摸傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器、環境光線傳感器等。）和運動擴展，并學習通過使用開發工具App Inventor，設計構建移動應用，實現智能控制。項目訓練三：智能產品設計。項目要求：基于Arduino平臺和App Inventor開發工具，將傳感器裝置應用于產品設計中，一定程度上實現對產品的智能控制。比如兩輪藍牙控制小車：Arduino控制器及控制電路設計，藍牙模塊與手機通信設計；小車驅動電機選擇，App Inventor開發工具編寫遙控動作設計，小車功能結構和形態設計。兩輪藍牙控制小車學生作品如圖1所示。

圖1 學生作品：兩輪藍牙控制小車

第三周要求完成創意產品綜合設計。項目訓練四：選題可以是解決生活中的某一具體問題的產品設計，也可是傳遞某種概念或情緒的裝置設計。項目要求：基于交互設計工程技術基礎，明確產品中設計中的交互方式，注意設計概念的原創性，表現的藝術性。評價標準：①作品創意（20分）；②技術方案：內部結構部分：運動機構原理+結構模型（20分），智能控制部分：控制原理+電路+程序（20分）；3、造型表現：效果圖+實物模型多角度照片（20分）；④綜合表現：作品動作表現視頻+展板（20分）。學生作品如圖2，3所示。

圖2 學生作品：深海（藝術裝置）

作品說明：裝置正面疊加不同透光材質的波浪、魚和海草等形狀，燈管旋轉，剪影在海洋裝置中呈現海浪起伏的光影效果。

圖3 學生作品：智能凹槽清掃器

作品說明：窗戶凹槽自動清掃裝置。內部結構：a.滑塊伸縮——產品可以適應不同寬度凹槽；彈力連接機構——通過皮筋的拉力使產品緊貼凹槽兩側；智能控制：通過超聲波模塊控制舵機轉動方向，達到往返運動并防撞的效果。

三、教學實施基礎

課程知識單元：課程涉及產品結構設計、運動機構設計和智能控制設計等知識單元，主要解決其在智能產品設計中的綜合應用實踐。課前要求學生在掌握學校開設的先修課程：電工電子學、機械設計基礎、圖形化編程與智能化控制入門等；課堂注重項目實踐引導；課余時間要求學生在網絡公共課平臺上補充學習一些優秀課程團隊開發的優質課程：北京交通大學的課程《機械原理》、湖南大學的課程《交互數字媒體技術與設計》、蕪湖職業技術學院的課程《移動快速應用開發》、浙江大學城市學院的課程《App Inventor-零基礎Android移動應用開發》等。

實驗室及相關實踐平臺：綜合材料加工實驗室，產品基礎結構實驗室，Arduino及相關電子元件，相關模型制作材料及工具。

師資隊伍：課程采用項目驅動式的教學，由機械設計、計算機科學與通信技術、產品設計專業背景教師共同完成授課。

四、結語

《交互設計工程技術基礎》課程改革實踐中，以項目實踐為出發點，整合跨學科的知識單元和教師團隊，踐行 STEAM教育理念，通過綜合運用軟硬件結合的交互原型開發技術，培養設計專業學生對新技術的興趣和動手實踐的習慣，為智能人機交互產品設計奠定基礎；同時為藝術類工業設計專業學生工程技術能力培養提供了課程改革實踐案例。