基于STEAM教育理念的工程制圖教學新模式探索

劉廣斗，張宗波

(中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580)

1 引言

1.1 工程制圖現狀

工程制圖是面向工科學生開設的實踐性很強的專業技術基礎課，是培養學生動手能力、實踐能力和工程素質的重要教學環節[1]。近年來，廣大圖學教師以極大的熱情對工程制圖的教學改革進行了全方位、多角度地探索，提出了各自的教學經驗和成果。總體來說可以分為兩大類別，一是在工程制圖教學中引入信息化技術，打破了傳統教學模式的束縛，為學生提供了精彩的動畫效果、生動有趣的內容,增加了教學感染力，增強了教學效果，但是這種新的教學方式由于速度快，留給學生思考的時間和影像少，從某種程度上制約了學生的理解；一是制圖老師嘗試的案例法、項目驅動法、CDIO法等教學方法的改革，以及不斷開展新的教育模式：教學討論課、異地同時課程、翻轉課堂、慕課等，以期調動學生的積極性，取得了較好的教學效果，但由于現實實踐課程較少，仍存在學生的專業知識運用能力、動手動腦實踐操作能力不足等問題[2-4]。

1.2 STEAM教育理念

STEAM教育理念即科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)、藝術(Arts)的首字母，由美國政府提出，為加強美國K12關于科學、技術、工程、藝術以及數學的教育，培養學生的綜合素養。STEAM教育以項目式學習為主要的學習方式，注重實踐和過程，強調解決真實問題，強調知識與能力并重，倡導“做”中“學”，強調創新與創造力的培養，注重知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關聯，是技術與工程教育和藝術人文教育的融合，旨在推動技術驅動的教學創新。STEAM教育其實是對基于標準化考試的傳統教育理念的轉型，它代表著一種現代的教育哲學，更注重學習的過程，而不是結果[5]。目前主流的STEAM教育是機器人教育、編程教育以及3D打印，多體現為中小學編程類、媒體制作類軟件在綜合實踐課程、信息技術課程、通用技術課程中的應用。

由于計算機科學與技術的發展和推動,工程制圖不再是僅限于包含幾何和投影理論以及有關工程理論與知識的基礎性學科,而是發展成為與計算機科學、數學、工程科學、智能和思維科學等多學科交叉而又相對獨立的一門現代學科[6]。因此，STEAM教育理念在本門課程中具有很高的可操作性。整體思路為，在當前教學模式的基礎上創設項目式學習，項目來源為教學知識難點和重點、生活實例、工程實例或創新設計大賽等。在課程的投影基礎、基本體和組合體部分(含尺寸標注)，通過實踐搭建實體模型，能夠有效建立空間形體與平面視圖的聯系，強化空間邏輯思維和形象思維能力。在機件表達部分，基于模型快速掌握各種表達方法的概念和特點，進而使用合理的表達方案表達機件。在標準件和常用件、零件圖和裝配圖部分，對項目進行精心的設計，讓學生發揮主觀能動性，自覺投入到項目式學習。從而跟上時代的進步，促進工程制圖與密切相關課程的融合,培養學生工程意識、設計能力和創新能力[7]，培養適應現代發展要求的人才。

2 工程制圖教學新模式

借鑒STEAM教育理念，在當前教學模式的基礎上增加項目式學習環節，建立工程制圖教學新模式。由于項目式學習環節的融入，教學新模式需要在教學方法、教學資源和評價方式等部分進行設計。

2.1 教學方法

工程制圖教學新模式的教學方法分為三個環節：(1)教課環節，此為知識的習得環節，在這個環節中教師為主體，引導學生學習；(2)項目式學習環節，此為知識的鞏固和轉化環節，通過實踐操作把理論知識鞏固，并轉化為自己的理解，在這個環節中學生為主體，教師起主導作用，指導學生實踐；(3)討論環節，進行項目式學習環節完成結果的點評、工程設計表達等方面進行討論，此環節同樣學生為主體，教師起主導作用。通過“教”與“做”相結合的教學方法，實現教師和學生角色的轉變，激發學生的學習積極性與興趣，培養工程制圖的圖樣表達能力和創新能力。

2.2 教學資源

不同的教學模式，相應的教學資源也不同。該模式下教學資源分為三部分，第一部分為傳統的線上和線下資源，包括課件、教學視頻、微視頻和知識點等習得知識的資源。第二部分為針對不同知識學習階段，設計相應項目式學習的教學資源，工程制圖課程知識體系由淺入深，系統全面，分為投影基礎、基本體、組合體、含尺寸標注、機件表達方法、零件圖、裝配圖、標準件和常用件等學習階段，需要設計不同的項目式學習，引導啟發學生的轉變，實現知識的基礎鞏固、提高遷移和拓展創新。第三部分為線上資源管理系統，充分利用網絡平臺的優勢，開設項目式學習專欄，進行線上資源管理，比如設有項目管理、學生作業管理、學生實踐報告管理和典型案例展示等。

2.3 教學評價

教學評價是貫穿于整個教學過程中，現有采用“出勤+作業+期末考試”的考核方式不能全面反映學生的真實水平，學生的動手能力和創新實踐能力得不到提高。新的教學模式注重實踐和過程，強調知識與能力并重，因此選擇過程性評價的方法。過程性評價關注教學過程中學生智能發展的過程性結果，如解決問題的能力等，及時對學生的學習質量水平做出判斷，肯定成績，找出問題。同時教師可對平時作業、項目式學習、學習報告、創新項目作業、期末考試等分配權重。建立靈活的評價方式，比如作品評價、學生自評、學生組內互評、觀察面談等，對學習過程與結果進行綜合評判。工程制圖教學新模式設計如圖1所示。

圖1 工程制圖教學新模式各個環節

3 教學新模式的關鍵問題和解決方法

3.1 項目式學習的設計

項目式學習的設計是教學新模式的核心內容，因此需要教師做大量的調研準備，根據不同教學內容進行設計。項目學習的設計要把握好尺度，難易適中，太容易則流于平淡，學生不屑準備，也不屑回答，更無助于啟發思維，太難會使學生如墜迷霧，探究半天沒有結果，沒有成就感，喪失學習興趣。表1中給出了項目設計的選題參考來源，以及要達到的效果特點，作為參考依據對項目學習進行設計篩選。

表1 工程制圖項目學習設計選取參考和特點

通過精心設計項目式學習，有效的聯系空間形體與平面視圖，把抽象變為具體，在實踐過程中鞏固和轉化習得的知識，讓學生充分發揮主觀能動性，自覺投入到項目式學習。

3.2 項目式學習與教學的有效結合

目前我國高校工程制圖課程呈現出大班授課、少學時化教學的現狀，由于受課程教學計劃和學時的限制，課堂教學中要兼顧教學內容和教學進度的安排。因此需要合理分配教課環節、項目式學習環節和討論環節，從而實現教學和實踐的有效結合。

鑒于工程制圖課程內容的特點，根據實踐時間的長短把項目式學習分為三類：(1)小型項目學習，實踐時間<10分鐘，比如點投影、直線投影、面投影、基本立體投影等知識點，可在正常教課中實現，且省去討論環節，既可以提高學生的空間想象力和構思分析能力，又可以忽略對教課環節的影響，讓學生在實踐中實現知識的鞏固和轉化。(2)中型項目學習，實踐時間<30分鐘，比如立體的截切，組合體讀圖，組合體看圖和表達方法等知識點，此類項目學習含有討論環節。為不影響正常教學進度，有兩種方法：一是安排在習題輔導課，適當根據情況減少項目類似作業習題的數量；二是代替教課環節類似的課上例題。(3)大型項目學習，比如零件圖、裝配圖、標準件和常用件等知識點，為課程精心設計，且為探究或工程實踐類的綜合項目，教師起主導作用，帶領學生去探究或實踐，進行學生的分組協作，在這個過程中讓學生自己建構知識和技能，達到培養內在的綜合能力的目標，該類項目的學習可通過替代“零件或裝配體測繪”環節來實現。三類項目式學習與教學的結合方式如圖2所示。

圖2 項目式學習與教學的結合方式

4 總結

通過調研當前工程制圖教學現狀，結合STEAM教育理念，提出工程制圖教學新模式，該模式融入了項目式學習環節，注重實踐和過程，強調知識與能力并重，強調創新與創造力的培養；根據新模式的設想，設計了教學方法、教學資源和評價方式等部分，建立工程制圖教學新模式的整體框圖；針對教學新模式中的關鍵問題，通過提出工程制圖的項目學習設計選取參考和特點，分析研究項目式學習的設計，通過對項目式學習分類融入教學的方法，合理分配教課、項目式學習和討論環節，實現項目式學習與教學的有效結合；形成工程制圖教學新模式，從而培養科學基礎厚、工程實踐能力強、綜合素質高、具備國際競爭力的復合型工程科技人才。