STEM理念下的汽車專業(yè)信息化教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐

林龍 沈海青

摘? 要 以智慧教育引領(lǐng)教育信息化的創(chuàng)新發(fā)展，從而帶動(dòng)教育教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展，已成為信息時(shí)代的必然趨勢。開展高職汽車專業(yè)教學(xué)資源信息化建設(shè)，以“手動(dòng)變速器的拆裝”任務(wù)為例，基于Unity 3D開發(fā)虛擬拆裝仿真軟件，同時(shí)借助變速器實(shí)物臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝與實(shí)物拆裝相結(jié)合的教學(xué)模式創(chuàng)新。最后，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行變速器模型的設(shè)計(jì)制造，將STEM教育理念融入專業(yè)課程教學(xué)，優(yōu)化實(shí)訓(xùn)資源，降低教學(xué)成本，為高職汽車專業(yè)STEM教育教學(xué)創(chuàng)新提供案例參考。

關(guān)鍵詞 3D打印;汽車專業(yè);STEM;信息化教學(xué);Unity 3D

中圖分類號(hào)：G712??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）20-0111-03

Innovation and Practice of Information-based Teaching Model for Automobile Major under Concept of STEM//LIN Long， SHENHaiqing

Abstract It has become an inevitable trend in the information age to lead the innovative development of education informationization by wisdom education and thus to promote the innovative development of education and teaching. The information construction of teaching resources for automobile major is carried out. Taking the task of Disassembly and Assembly of Manual Transmission as an example， the virtual simulation software is developed by using Unity 3D， andthe teaching mode innovation of combining virtual and reality is rea-lized with the physical platform of transmission. Finally， the trans-mission model is designed and manufactured based on 3D printing technology. STEM education concept is integrated into professional curriculum teaching， thus optimizing training resources and reducingteaching costs. This case provides reference for STEM education innovation of automobile major in higher vocational colleges.

Key words 3D printing; automobile major; STEM; information-based teaching; Unity 3D

1 前言

3D打印作為一種新興技術(shù)，已融入教育領(lǐng)域，推進(jìn)了數(shù)字制造與STEM教育的融合發(fā)展。3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用能夠架起理論和實(shí)踐的橋梁，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，促進(jìn)創(chuàng)新和創(chuàng)造^[1]。如針對(duì)汽車專業(yè)類課程，基于3D打印技術(shù)進(jìn)行汽車部件的教具開發(fā)，不僅可以優(yōu)化實(shí)訓(xùn)資源、降低成本，而且能提升師生的工程創(chuàng)新能力，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義^[2]。此外，通過汽車元件的三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)，教師將內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化，將數(shù)模的結(jié)構(gòu)、功能、原理之間的內(nèi)在聯(lián)系更好地展示給學(xué)生，由此在實(shí)訓(xùn)之前就能讓學(xué)生熟悉拆解原理和步驟，減少犯錯(cuò)，改善學(xué)習(xí)效果。本文基于STEM理念，將3D打印技術(shù)融入汽車專業(yè)課堂，結(jié)合自主開發(fā)的信息化教學(xué)資源，以虛擬實(shí)訓(xùn)和實(shí)物實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的形式，探索汽車實(shí)訓(xùn)課堂教學(xué)的新模式。

2 3D打印STEM教育

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。STEM教育并不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的簡單疊加，而是要將四門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

以3D打印技術(shù)為依托的STEM教育項(xiàng)目在基礎(chǔ)教育階段的應(yīng)用十分寬廣^[3]。在中小學(xué)課堂教學(xué)中運(yùn)用3D打印技術(shù)，可以在語文課上復(fù)活活字印刷，在物理課上制作小孔成像的教具，在化學(xué)課上構(gòu)建球棍模型，在通用技術(shù)課上進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度教具設(shè)計(jì)等。

綜觀國內(nèi)STEM教育開展現(xiàn)狀，3D打印STEM教育項(xiàng)目大多停留在小學(xué)至高中階段^[4-6]，研究對(duì)象主要處于低齡化階段，高等教育階段的研究運(yùn)用相對(duì)較少。而高等教育作為人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場，與未來人才的STEM能力培養(yǎng)具有最直接、最廣泛的聯(lián)系。因此，開展高等STEM課堂教育應(yīng)用研究具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和意義。

3 基于STEM理念的信息化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：以“手動(dòng)變速器的拆裝”任務(wù)為例

選擇“汽車傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷與維修”課程當(dāng)中的任務(wù)“手動(dòng)變速器的拆裝”，探討基于3D打印技術(shù)的STEM創(chuàng)新課程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，本課程需要學(xué)生掌握汽車變速器的結(jié)構(gòu)、工作原理、拆卸和組裝步驟方法。從學(xué)情出發(fā)，學(xué)生需完成工程制圖或者汽車CAD等課程，應(yīng)初步具備使用三維建模軟件的能力，在此基礎(chǔ)上將三維造型的工程能力融入本課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

信息化教學(xué)資源開發(fā)? 基于從虛擬拆裝到實(shí)物拆裝的教學(xué)理念，以開發(fā)汽車手動(dòng)變速器虛擬拆裝仿真軟件為目標(biāo)，進(jìn)行該課程的信息化教學(xué)資源建設(shè)。首先運(yùn)用SolidWorks對(duì)五檔四速手動(dòng)變速器各個(gè)零件進(jìn)行三維建模，建模完成后進(jìn)行約束裝配，最后將變速器數(shù)?？偝蓪?dǎo)入3D Max進(jìn)行渲染，輸出FBX文件，利用Unity 3D軟件平臺(tái)完成虛擬拆裝仿真軟件的自主開發(fā)^[7]。

該軟件具有變速器介紹、零部件展示、自動(dòng)拆裝演示、手動(dòng)拆卸等實(shí)訓(xùn)功能，如圖1所示。用戶通過變速器介紹功能，了解該手動(dòng)變速器的功用、分類、結(jié)構(gòu)以及同步器的原理;通過零部件展示界面，對(duì)變速器各個(gè)零部件進(jìn)行認(rèn)識(shí);通過自動(dòng)拆裝演示功能，觀看變速器的拆卸和安裝步驟的3D動(dòng)畫，可以調(diào)節(jié)拆卸速度并定格拆卸步驟;手動(dòng)拆卸界面里，用戶通過鼠標(biāo)，按照規(guī)定步驟進(jìn)行變速器的虛擬拆卸練習(xí)，掌握變速器的拆裝步驟和方法。

學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)階段根據(jù)自身需要，既可以通過仿真軟件對(duì)變速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)識(shí)，也可以進(jìn)行虛擬拆裝練習(xí)，大大提升觀察能力、思維能力以及動(dòng)手拆裝的實(shí)踐能力，同時(shí)降低實(shí)訓(xùn)設(shè)備損耗。該軟件與3D打印實(shí)物模型配套，作為汽車專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)、拆裝變速器的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)使用。該教學(xué)資源的自主開發(fā)建設(shè)將為后續(xù)STEM課程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1）課前。課前內(nèi)容預(yù)習(xí)應(yīng)用JITT教學(xué)方法，建立反饋鏈，課前教師能及時(shí)調(diào)整下一節(jié)課的授課內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)進(jìn)度等;同時(shí)，學(xué)生能收到來自教師的各種評(píng)價(jià)。從教師的活動(dòng)看，教師首先根據(jù)課程教學(xué)大綱要求，列出課程的教學(xué)目標(biāo)，整理歸納出教學(xué)內(nèi)容涉及的知識(shí)點(diǎn)和測試題目;其次，下發(fā)任務(wù)單，有針對(duì)性地在互動(dòng)平臺(tái)設(shè)置討論問題，對(duì)學(xué)生的疑問進(jìn)行在線解答;最后，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的掌握要求設(shè)計(jì)課堂教學(xué)活動(dòng)。從學(xué)生的活動(dòng)看，學(xué)生首先登錄KTS教學(xué)平臺(tái)觀看視頻，掌握基本知識(shí)點(diǎn)，并完成教師布置的測試。在觀看視頻和練習(xí)測試題的過程中可能產(chǎn)生疑問，學(xué)生可以自主查找資料，增強(qiáng)自學(xué)能力，也可以在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與教師進(jìn)行交流。

2）課中。教師按照預(yù)先設(shè)計(jì)的課堂活動(dòng)，簡單介紹課時(shí)目標(biāo)和任務(wù)，引出該次課創(chuàng)設(shè)的場景;接下來，按照知識(shí)點(diǎn)順序拋出變速器故障相關(guān)的問題進(jìn)行討論。學(xué)生由3～5人組成一個(gè)討論小組，每組推選一名組長，組長負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)組員參與問題討論和發(fā)言，積極調(diào)動(dòng)每位組員參與問題討論的積極性。以小組為單位，學(xué)生通過工單制訂相應(yīng)的實(shí)施方案，最后各組長匯報(bào)小組方案。至此完成從現(xiàn)象到原因到方案制訂的知識(shí)講解過程。

教師通過自主開發(fā)的虛擬拆裝仿真軟件進(jìn)行拆裝動(dòng)畫演示，學(xué)生觀看動(dòng)畫視頻后，各小組進(jìn)行虛擬拆裝練習(xí)。同時(shí)對(duì)照變速器實(shí)物進(jìn)行拆卸，從虛擬到現(xiàn)實(shí)，讓學(xué)生熟練掌握拆裝步驟和方法，實(shí)現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做。教師隨時(shí)查看各組拆裝狀況，及時(shí)給予指導(dǎo)。學(xué)生完成拆裝后對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行分類，填寫檢查記錄表。學(xué)生在學(xué)習(xí)平臺(tái)上完成自評(píng)，各組長總結(jié)評(píng)價(jià)組員表現(xiàn)。最后，教師在Kahoot！平臺(tái)上進(jìn)行互動(dòng)測評(píng)?？己嗽u(píng)價(jià)伴隨著整個(gè)教學(xué)過程，線上評(píng)價(jià)與線下評(píng)價(jià)相結(jié)合，教師評(píng)價(jià)與學(xué)生評(píng)價(jià)相結(jié)合，根據(jù)各階段考核得出綜合成績，反饋教學(xué)效果，優(yōu)化教學(xué)策略。

3）課后。課后以制作汽車手動(dòng)變速器模型為目標(biāo)，將該目標(biāo)分解為六大工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)各項(xiàng)目任務(wù)如表1所示。學(xué)生在3D打印創(chuàng)新工作室對(duì)手動(dòng)變速器各個(gè)部件模型進(jìn)行導(dǎo)出打印，最后組裝成完整的手動(dòng)變速器模型，如圖2所示。師生共同參與大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，學(xué)生工程創(chuàng)新實(shí)踐能力不斷提升，其中開發(fā)制作的變速器教具模型投入教學(xué)使用，降低了實(shí)物設(shè)備的損耗，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文將3D打印技術(shù)融入汽車專業(yè)STEM課程，實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)改革。以“手動(dòng)變速器拆裝”任務(wù)為例，建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源，設(shè)計(jì)信息化教學(xué)過程，通過制作手動(dòng)變速器模型進(jìn)行STEM課程的探索創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)仿真與實(shí)訓(xùn)結(jié)合、拆裝與制造結(jié)合的學(xué)做融合過程?？偨Y(jié)如下：

1）多種信息化手段合理使用，優(yōu)化學(xué)習(xí)進(jìn)程，提升學(xué)習(xí)效率;

2）虛擬拆裝仿真軟件配合變速器模型實(shí)物共同運(yùn)用，將教學(xué)任務(wù)進(jìn)行拆分，實(shí)現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做;

3）學(xué)生課后運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技能參加大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，利用模型3D打印零件，并組裝手動(dòng)變速器模型，提升工程創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1]譚躍剛，陳章念，張帆，等.3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室及其應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（9）：246-249，295.

[2]王華.基于3D打印的四種自動(dòng)變速器教具的應(yīng)用[J].北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，25（4）：38-41.

[3]何灃燊，高佳平.基于3D打印的STEAM學(xué)習(xí)資源包設(shè)計(jì)開發(fā)[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（14）：31-35.

[4]吳瀾，鞏媛麗.初中階段系統(tǒng)化3D打印課程：從設(shè)計(jì)到成品[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2017（12）：71-73.

[5]首新，胡衛(wèi)平，劉斌.3D打印融入中小學(xué)STEM教育項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與教學(xué)：從國外融入3D打印的典型STEM教育項(xiàng)目談起[J].基礎(chǔ)教育，2017，14（4）：68-80.

[6]郭威，薛耀鋒，楊金朋.基于3D打印的高中物理STEM課程設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].中國教育信息化，2017（18）：24-27.

[7]胡建忠.基于VR技術(shù)的虛擬拆裝訓(xùn)練仿真軟件設(shè)計(jì)：以IS50-32-125型離心泵為例[J].機(jī)電設(shè)備，2017，34（5）：16-19.