STEAM視角下科技教育創(chuàng)客活動(dòng)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐研究
——以Arduino+3D打印應(yīng)用為例

鄒月衛(wèi) 遼寧省大連市第九中學(xué)

● STEAM教育和創(chuàng)客活動(dòng)

STEAM代表科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)，是多學(xué)科融合的綜合教育。STEAM教育強(qiáng)調(diào)知識(shí)跨界、場景多元、問題生成、批判建構(gòu)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，既體現(xiàn)出課程綜合化、實(shí)踐化、活動(dòng)化的諸多特征，又反映了課程回歸生活、回歸社會(huì)、回歸自然的本質(zhì)訴求。STEAM教育的特點(diǎn)是知識(shí)情境化、強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作、動(dòng)手實(shí)踐、產(chǎn)品或策略生成。STEAM教育理念素養(yǎng)包括科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

創(chuàng)客活動(dòng)主要是通過圍繞學(xué)習(xí)者對(duì)現(xiàn)實(shí)問題或者項(xiàng)目產(chǎn)生的興趣與愛好展開的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造，涉及科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等綜合類教育。創(chuàng)客活動(dòng)包括項(xiàng)目計(jì)劃、項(xiàng)目分析、項(xiàng)目時(shí)間、項(xiàng)目執(zhí)行、項(xiàng)目策略、項(xiàng)目產(chǎn)品、資源管理、團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)等。以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為理念的創(chuàng)客活動(dòng)，是以動(dòng)手實(shí)踐為主的實(shí)踐類課程，是通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及審美、設(shè)計(jì)、知識(shí)應(yīng)用能力的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

● 基于STEAM教育理念的創(chuàng)客產(chǎn)品開發(fā)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是個(gè)體在原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，積極主動(dòng)地進(jìn)行意義建構(gòu)的過程，即根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)背景，對(duì)外部信息進(jìn)行主動(dòng)地選擇、加工和處理，從而獲得自己的意義。

2.課程設(shè)計(jì)模式

（1）課程目標(biāo)

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式圍繞真實(shí)問題開展問題探究、信息意識(shí)生成、學(xué)科知識(shí)構(gòu)建、知識(shí)重組、動(dòng)手實(shí)踐的團(tuán)隊(duì)協(xié)作探究學(xué)習(xí)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程有團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目建立、項(xiàng)目計(jì)劃、項(xiàng)目分析、項(xiàng)目執(zhí)行、項(xiàng)目策略或項(xiàng)目產(chǎn)品，涉及數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、藝術(shù)、設(shè)計(jì)、工程、技術(shù)綜合類的學(xué)習(xí)。

（2）課程內(nèi)容

產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作的創(chuàng)客活動(dòng)，在功能設(shè)計(jì)方面涉及Arduino開源硬件與常見的傳感器或電機(jī)搭配制作創(chuàng)意電路等，具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容有編程、電路搭建和功能部件設(shè)計(jì)。在外觀設(shè)計(jì)上，涉及3D打印技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)、3D建模等。在產(chǎn)品的組裝上，涉及工程和技術(shù)實(shí)踐。

（3）教學(xué)策略

結(jié)合生活現(xiàn)象提出研究問題，確定研究項(xiàng)目和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)；借助團(tuán)隊(duì)力量和信息工具開展數(shù)字化學(xué)習(xí)。

（4）教學(xué)資源

通過初步篩選和二次加工，建立專題資源，供學(xué)生使用。

（5）教學(xué)實(shí)施

科技類校本課由學(xué)生自愿申請(qǐng)（形成科技類社團(tuán)），一般每周一節(jié)，課時(shí)為90分鐘。學(xué)生參與5個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)環(huán)節(jié)：進(jìn)入情境與問題提出；活動(dòng)探究與信息意識(shí)；案例操作與學(xué)科知識(shí)；實(shí)踐活動(dòng)與跨學(xué)科融合；產(chǎn)品設(shè)計(jì)與反饋。

（6）課程評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)依據(jù)性質(zhì)分析可以分為兩種：量化評(píng)價(jià)和質(zhì)性評(píng)價(jià)。量化分析有測驗(yàn)、考試、結(jié)構(gòu)觀察；質(zhì)性分析有談話、觀察、行為記錄、檔案袋及過程性評(píng)價(jià)。因此，教師可以在學(xué)生活動(dòng)過程中設(shè)置在線習(xí)題或問卷了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（量化評(píng)價(jià)），還可以利用協(xié)同協(xié)作軟件，云端記錄學(xué)習(xí)過程（質(zhì)性評(píng)價(jià)）。

●《智能垃圾桶》產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)客教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

教學(xué)情境：教師向?qū)W生展示常見的傳統(tǒng)垃圾箱的圖片，請(qǐng)學(xué)生說說它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出改造的想法。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：制作一個(gè)基于Arduino平臺(tái)，利用超聲波傳感器和舵機(jī)等物件，結(jié)合3D打印技術(shù)制作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)蓋子功能的智能垃圾桶。

STEAM素養(yǎng)：熟悉Arduino開源硬件和Arduino IDE編程環(huán)境、常見的傳感器、SLDWORKS建模平臺(tái)、3D打印技術(shù)原理，以及物理電路搭建和測量和機(jī)械組裝等。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）信息意識(shí)

①情境意識(shí)。能夠通過教師出示的垃圾箱圖片，說出傳統(tǒng)垃圾箱的應(yīng)用場景特征。

②主體功能意識(shí)。能夠根據(jù)應(yīng)用場景的不同，說出垃圾箱主體結(jié)構(gòu)與功能。

③批判與改造意識(shí)。能夠說出傳統(tǒng)垃圾箱在場景下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能的不足，提出改進(jìn)意見，并設(shè)計(jì)新的基本框架與結(jié)構(gòu)。

（2）計(jì)算思維

①問題構(gòu)建。通過特定情境提出新型垃圾箱的設(shè)計(jì)概念模型，運(yùn)用機(jī)械原理、Arduino開源硬件平臺(tái)與3D打印功能實(shí)現(xiàn)基本外殼設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)功能的設(shè)計(jì)。

②思維活動(dòng)。熟悉Arduino開源硬件平臺(tái)，掌握Arduino IDE編程環(huán)境，了解常見的傳感器特征和原理；熟悉SLDWORKS建模平臺(tái)，掌握基本建模命令，熟悉建模和3D打印技術(shù)流程；了解電路基本常識(shí)和搭建。能夠根據(jù)傳感器的工作原理，搭配Arduino平臺(tái)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，利用萬用表進(jìn)行電路測量與線路檢修；能夠根據(jù)產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)需要，利用SLDWORKS軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與裝配；能利用輔助工具將產(chǎn)品進(jìn)行最終組裝與調(diào)試。

（3）數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新

通過垃圾箱概念設(shè)計(jì)探究問題，利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)同寫作平臺(tái)生成產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)需求，形成項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)任務(wù)管理。通過Arduino、SLDWORKS專題數(shù)字化資源學(xué)習(xí)，掌握使用流程與基本命令并生成概念垃圾箱的問題解決方案。利用信息工具對(duì)資源、知識(shí)進(jìn)行管理，最終創(chuàng)造產(chǎn)品。

（4）信息社會(huì)與責(zé)任

通過問題解決，培養(yǎng)學(xué)生探索問題的精神、批判思維、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維以及解決問題能力。通過產(chǎn)品制作，培養(yǎng)學(xué)生的藝術(shù)美學(xué)意識(shí)、小組團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、正確價(jià)值觀。

2.教學(xué)內(nèi)容

①產(chǎn)品需求設(shè)計(jì)（1課時(shí)）。課程內(nèi)容：如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化（形成開發(fā)設(shè)計(jì)需求文檔和產(chǎn)品概念）。課程目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生問題提出、問題分析、策略生成、問題解決能力。

②產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)（2課時(shí)）。課程內(nèi)容：Arduino開源硬件與IDE基本編程；超聲波傳感器與舵機(jī)使用。課程目標(biāo)：掌握Arduino語言基本語法、變量和循環(huán)結(jié)構(gòu)；掌握傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)。

③產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)與打印（2課時(shí)）。SLDWORKS軟件建模常見命令與建模流程；數(shù)字化模型到產(chǎn)品打印。課程目標(biāo)：熟悉SLDWORKS工作界面，了解建模流程與裝配體；掌握3D打印原理。

④產(chǎn)品組裝與調(diào)試（1課時(shí)）。利用工具進(jìn)行外觀打印與功能平臺(tái)組裝與程序下載調(diào)試，實(shí)現(xiàn)既定功能；能夠利用萬用表測試電路，解釋工作原理。課程目標(biāo)：掌握萬用表的使用方法；掌握熱熔器使用技巧；提高動(dòng)手實(shí)踐能力。

3.教學(xué)資源

①制作微課資源。通過演示法，讓學(xué)生了解萬用表和Arduino硬件基本使用。

②建立專題資源，幫助學(xué)生了解SLDWORKS建模的基本命令和3D打印技術(shù)的原理。

③通過網(wǎng)絡(luò)資源，了解創(chuàng)客創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

4.教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

進(jìn)入情境與問題提出；活動(dòng)探究與信息意識(shí)；案例操作與學(xué)科知識(shí)；實(shí)踐活動(dòng)與跨學(xué)科融合；產(chǎn)品設(shè)計(jì)與反饋。

5.教學(xué)評(píng)價(jià)

圍繞課堂活動(dòng)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況和群體差異進(jìn)行分析，從量化評(píng)價(jià)和質(zhì)性評(píng)價(jià)兩方面入手。在教學(xué)活動(dòng)中采用5項(xiàng)指標(biāo)（興趣、參與度、知識(shí)表述能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力）作為觀察指數(shù)，通過考試、問卷、課堂記錄、交流表達(dá)等方式進(jìn)行調(diào)查分析。

●總結(jié)

以智能制造產(chǎn)品設(shè)計(jì)為理念的創(chuàng)客活動(dòng)改變了傳統(tǒng)的以單學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)與邏輯構(gòu)建的教學(xué)方式，新興的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展為科技教育發(fā)展帶來了新的契機(jī)，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了方向。本文案例結(jié)合STEAM教育理念提出創(chuàng)客活動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的五個(gè)環(huán)節(jié)，著重了解了學(xué)生計(jì)算思維的生成和實(shí)踐技能的培養(yǎng)情況。在眾多的教育活動(dòng)觀察體系指標(biāo)中，為了有效地觀察學(xué)生學(xué)習(xí)效果的達(dá)成情況，選用教學(xué)中的5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行活動(dòng)監(jiān)督，目的在于快速了解學(xué)生在STEAM教學(xué)模式下的學(xué)習(xí)狀態(tài)，以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)。