STEAM视角下科技教育创客活动中产品设计教学实践研究——以Arduino+3D打印应用为例

邹月卫 辽宁省大连市第九中学

● STEAM教育和创客活动

STEAM代表科学、技术、工程、艺术、数学，是多学科融合的综合教育。STEAM教育强调知识跨界、场景多元、问题生成、批判建构、创新驱动，既体现出课程综合化、实践化、活动化的诸多特征，又反映了课程回归生活、回归社会、回归自然的本质诉求。STEAM教育的特点是知识情境化、强调团队合作、动手实践、产品或策略生成。STEAM教育理念素养包括科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养、数学素养。

创客活动主要是通过围绕学习者对现实问题或者项目产生的兴趣与爱好展开的创意、设计、制造，涉及科学、工程、技术、数学、艺术等综合类教育。创客活动包括项目计划、项目分析、项目时间、项目执行、项目策略、项目产品、资源管理、团队贡献等。以产品设计为理念的创客活动，是以动手实践为主的实践类课程，是通过项目式学习培养学生创新思维及审美、设计、知识应用能力的学习活动。

● 基于STEAM教育理念的创客产品开发教学设计

1.理论基础

建构主义学习理论认为学习是个体在原有知识经验基础上，积极主动地进行意义建构的过程，即根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择、加工和处理，从而获得自己的意义。

2.课程设计模式

（1）课程目标

基于项目式学习的方式围绕真实问题开展问题探究、信息意识生成、学科知识构建、知识重组、动手实践的团队协作探究学习。项目式学习过程有团队项目建立、项目计划、项目分析、项目执行、项目策略或项目产品，涉及数学、物理、机械、计算机、艺术、设计、工程、技术综合类的学习。

（2）课程内容

产品设计和制作的创客活动，在功能设计方面涉及Arduino开源硬件与常见的传感器或电机搭配制作创意电路等，具体的学习内容有编程、电路搭建和功能部件设计。在外观设计上，涉及3D打印技术、艺术设计、3D建模等。在产品的组装上，涉及工程和技术实践。

（3）教学策略

结合生活现象提出研究问题，确定研究项目和项目团队；借助团队力量和信息工具开展数字化学习。

（4）教学资源

通过初步筛选和二次加工，建立专题资源，供学生使用。

（5）教学实施

科技类校本课由学生自愿申请（形成科技类社团），一般每周一节，课时为90分钟。学生参与5个学习活动环节：进入情境与问题提出；活动探究与信息意识；案例操作与学科知识；实践活动与跨学科融合；产品设计与反馈。

（6）课程评价

教学评价依据性质分析可以分为两种：量化评价和质性评价。量化分析有测验、考试、结构观察；质性分析有谈话、观察、行为记录、档案袋及过程性评价。因此，教师可以在学生活动过程中设置在线习题或问卷了解学生的学习情况，利用SPSS软件进行数据分析（量化评价），还可以利用协同协作软件，云端记录学习过程（质性评价）。

●《智能垃圾桶》产品开发创客教学活动设计

教学情境：教师向学生展示常见的传统垃圾箱的图片，请学生说说它们的优缺点，并提出改造的想法。

创新设计：制作一个基于Arduino平台，利用超声波传感器和舵机等物件，结合3D打印技术制作，实现自动开关盖子功能的智能垃圾桶。

STEAM素养：熟悉Arduino开源硬件和Arduino IDE编程环境、常见的传感器、SLDWORKS建模平台、3D打印技术原理，以及物理电路搭建和测量和机械组装等。

1.教学目标

（1）信息意识

①情境意识。能够通过教师出示的垃圾箱图片，说出传统垃圾箱的应用场景特征。

②主体功能意识。能够根据应用场景的不同，说出垃圾箱主体结构与功能。

③批判与改造意识。能够说出传统垃圾箱在场景下结构设计与功能的不足，提出改进意见，并设计新的基本框架与结构。

（2）计算思维

①问题构建。通过特定情境提出新型垃圾箱的设计概念模型，运用机械原理、Arduino开源硬件平台与3D打印功能实现基本外壳设计与结构功能的设计。

②思维活动。熟悉Arduino开源硬件平台，掌握Arduino IDE编程环境，了解常见的传感器特征和原理；熟悉SLDWORKS建模平台，掌握基本建模命令，熟悉建模和3D打印技术流程；了解电路基本常识和搭建。能够根据传感器的工作原理，搭配Arduino平台，设计与实现产品功能，利用万用表进行电路测量与线路检修；能够根据产品外形设计需要，利用SLDWORKS软件进行产品设计与装配；能利用辅助工具将产品进行最终组装与调试。

（3）数字化学习与创新

通过垃圾箱概念设计探究问题，利用网络协同写作平台生成产品概念设计需求，形成项目驱动任务管理。通过Arduino、SLDWORKS专题数字化资源学习，掌握使用流程与基本命令并生成概念垃圾箱的问题解决方案。利用信息工具对资源、知识进行管理，最终创造产品。

（4）信息社会与责任

通过问题解决，培养学生探索问题的精神、批判思维、创新意识、创新思维以及解决问题能力。通过产品制作，培养学生的艺术美学意识、小组团队合作意识、正确价值观。

2.教学内容

①产品需求设计（1课时）。课程内容：如何实现产品智能化（形成开发设计需求文档和产品概念）。课程目标：培养学生问题提出、问题分析、策略生成、问题解决能力。

②产品功能设计（2课时）。课程内容：Arduino开源硬件与IDE基本编程；超声波传感器与舵机使用。课程目标：掌握Arduino语言基本语法、变量和循环结构；掌握传感器的工作原理与结构。

③产品外观设计与打印（2课时）。SLDWORKS软件建模常见命令与建模流程；数字化模型到产品打印。课程目标：熟悉SLDWORKS工作界面，了解建模流程与装配体；掌握3D打印原理。

④产品组装与调试（1课时）。利用工具进行外观打印与功能平台组装与程序下载调试，实现既定功能；能够利用万用表测试电路，解释工作原理。课程目标：掌握万用表的使用方法；掌握热熔器使用技巧；提高动手实践能力。

3.教学资源

①制作微课资源。通过演示法，让学生了解万用表和Arduino硬件基本使用。

②建立专题资源，帮助学生了解SLDWORKS建模的基本命令和3D打印技术的原理。

③通过网络资源，了解创客创意设计。

4.教学活动设计

进入情境与问题提出；活动探究与信息意识；案例操作与学科知识；实践活动与跨学科融合；产品设计与反馈。

5.教学评价

围绕课堂活动教学目标达成情况和群体差异进行分析，从量化评价和质性评价两方面入手。在教学活动中采用5项指标（兴趣、参与度、知识表述能力、实践能力、创造能力）作为观察指数，通过考试、问卷、课堂记录、交流表达等方式进行调查分析。

●总结

以智能制造产品设计为理念的创客活动改变了传统的以单学科知识学习与逻辑构建的教学方式，新兴的技术与产业发展为科技教育发展带来了新的契机，为创新人才培养提供了方向。本文案例结合STEAM教育理念提出创客活动产品设计的五个环节，着重了解了学生计算思维的生成和实践技能的培养情况。在众多的教育活动观察体系指标中，为了有效地观察学生学习效果的达成情况，选用教学中的5项指标进行活动监督，目的在于快速了解学生在STEAM教学模式下的学习状态，以便及时调整教学。