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(yè)大學工業(yè)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(shù)學），以專業(yè)實踐為載體，以培養(yǎng)學生設計創(chuàng)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(yǎng)各專業(yè)學生以多學科或跨學科知識、資源、信息等來解決現(xiàn)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(lián)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?qū)⒖茖W、技術、工程、藝術和數(shù)學等多學科知識進行合理、可行及有效的整合、調(diào)整與優(yōu)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(nèi)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(yǎng)藝術類專業(yè)學生的工程實訓經(jīng)驗，提高藝術類專業(yè)學生進行機械設計、工藝規(guī)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(yǎng)的培養(yǎng)，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(yè)學生主修的專業(yè)必修課。教學任務是使交互設計專業(yè)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(xiàn)實生活中獲得設計知識，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意靈感，培養(yǎng)創(chuàng)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(chuàng)新，能夠合理運用工業(yè)設計方法對本專業(yè)領域項目中涉及的形態(tài)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(chǎn)品案例，進行創(chuàng)意產(chǎn)品運動結構設計。項目訓練一：簡單產(chǎn)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(jù)產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品運動結構創(chuàng)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)境光線傳感器等。）和運動擴展，并學習通過使用開發(fā)工具App Inventor，設計構建移動應用，實現(xiàn)智能控制。項目訓練三：智能產(chǎn)品設計。項目要求：基于Arduino平臺和App Inventor開發(fā)工具，將傳感器裝置應用于產(chǎn)品設計中，一定程度上實現(xiàn)對產(chǎn)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(qū)動電機選擇，App Inventor開發(fā)工具編寫遙控動作設計，小車功能結構和形態(tài)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(chuàng)意產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品中設計中的交互方式，注意設計概念的原創(chuàng)性，表現(xiàn)的藝術性。評價標準：①作品創(chuàng)意（20分）；②技術方案：內(nèi)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(xiàn)：效果圖+實物模型多角度照片（20分）；④綜合表現(xiàn)：作品動作表現(xiàn)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(zhì)的波浪、魚和海草等形狀，燈管旋轉(zhuǎn)，剪影在海洋裝置中呈現(xiàn)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(nèi)部結構：a.滑塊伸縮——產(chǎn)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(chǎn)品緊貼凹槽兩側；智能控制：通過超聲波模塊控制舵機轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)絡公共課平臺上補充學習一些優(yōu)秀課程團隊開發(fā)的優(yōu)質(zhì)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(shù)字媒體技術與設計》、蕪湖職業(yè)技術學院的課程《移動快速應用開發(fā)》、浙江大學城市學院的課程《App Inventor-零基礎Android移動應用開發(fā)》等。

實驗室及相關實踐平臺：綜合材料加工實驗室，產(chǎn)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(qū)動式的教學，由機械設計、計算機科學與通信技術、產(chǎn)品設計專業(yè)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(fā)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(fā)技術，培養(yǎng)設計專業(yè)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(chǎn)品設計奠定基礎；同時為藝術類工業(yè)設計專業(yè)學生工程技術能力培養(yǎng)提供了課程改革實踐案例。