基于STEAM的BPL教学...作的实践创新训练”课程为例_易恒.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 增刊 1 2023 年 7 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.S1 Jul.2023 收稿日期:2023-04-27 作者简介:易恒（1982），男，重庆，主要研究领域为精密机械、增材制造，。引文格式:易恒，郑艺，付铁，等.基于 STEAM 的 BPL 教学研究与实践以“基于尤克里里制作的实践创新训练”课程为例J.实验技术与管理,2023,40（增刊 1）:34-37.Cite this article:YI H,ZHENG Y,FU T,et al.Research and practice of BPL teaching based on STEAM:Taking the course“practice and innovation training based on ukulele”as an exampleJ.Experimental Technology and Management,2023,40(S1):34-37.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.S1.008 基于 STEAM 的 BPL 教学研究与实践 以“基于尤克里里制作的实践创新训练”课程为例 易 恒，郑 艺，付 铁，陈国勇，石一珺（北京理工大学 机械与车辆学院，100081 北京）摘 要：以 PBL 教学理念建设综合性项目制课程，以适应高校高阶性、挑战度、创新性一流课程培养实践创新、综合性创新人才的要求。该文以 STEAM 为指引，以“基于尤克里里制作的实践创新训练”课程为例，对 PBL 教学进行了教学目标设计和内容设计，并针对教学特点分析了相应的教学组织和教师团队建设，进行了教学研究与实践。关键词：STEAM；PBL；实践创新能力；科学与艺术；尤克里里 中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)S1-0034-04 Research and practice of BPL teaching based on STEAM:Taking the course“practice and innovation training based on ukulele”as an example YI Heng,ZHENG Yi,FU Tie,CHEN Guoyong,SHI Yijun(School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:Building a comprehensive project-based curriculum based on the PBL teaching philosophy to meet the requirements of cultivating practical and comprehensive innovative talents in high-level,challenging,and innovative first-class courses in universities.Guided by STEAM and taking the course of“practice and innovation training based on ukulele”as an example,this paper designs the teaching objectives and content of PBL teaching,analyzes the corresponding teaching organization and teacher team construction according to the teaching characteristics,and conducts teaching research and practice.Key words:STEAM;PBL;practice and innovation capability;science and art;ukulele 培养实践创新人才是对“双一流”课程建设提出的更高要求1-2。高等教育致力于培养“全面的”“发展的”人才3-7，在教学中，如何引导学生以学科整合的、全面的、综合的、创新的视角去认识和改造世界，是教学研究改革的重要方向。STEAM 教育包含科学（science）、技术（technology）、工程（engineer）、数学（mathematics）和艺术（art）五个方面3-7，PBL教学模式即 project-based learning（基于项目制的学习）3-7。以 STEAM 为五大培育目标，通过 PBL 模式进行内容整合与综合，建设高阶性、挑战度、创新性的多领域、多学科融合性综合课程，有利于提高学生的实践创新能力、终身学习能力和综合素质。本文从乐器入手，将 STEAM 中的 art 作为基本元素进行教学设计，使感性和理性产生深层次的化学反应，目的是在技术作为侧重点的课程中更多地开发学生的创新思维和人文体验，不仅实现学科之间知识的交叉融合，而且实现学科之间思维方式的交叉融合。易 恒，等：基于 STEAM 的 BPL 教学研究与实践以“基于尤克里里制作的实践创新训练”课程为例 35 1 PBL 教学模式建设 建设多学科多领域的综合性项目制课程，并不是简单地对学科和领域做加法，而是需要将内容、理念和思维相融合，使知识点之间能够实现连接、对话和呼应，从而使项目具有灵活而有活力的内涵8-12。从建构主义理论出发，应尽量选取学生在生活中、专业上易于接触到的、熟知的、能够激发学生兴趣的物品、作品和内容来进行课程开发。值得提出的是，熟知的、成熟的工艺抑或是物品并不影响创新能力的培养，创新能力是学生通过在学习过程中的体会与经验获得的，并不意味着只有科研类的、未知事物才能作为教学的素材。相反，熟知的、经典的内容更易于使学生产生亲切感和兴趣点13，对于学习者来说，只要是未学过的知识都是崭新的，教师应该充分利用学习者学习新知识的过程，通过教学内容的选取和教学模式的调控来达到培养学生创新能力的目的。以我校选修课“基于尤克里里制作的实践创新训练”（以下简称“尤克里里”）为例，课程的 PBL 选择以学生熟知而感兴趣的乐器为切入点进行教学设计。尤克里里是一种载歌载舞的可爱型四弦拨弦乐器，也称为夏威夷吉他。虽然尤克里里是一种市面上的常见乐器，其制作工艺成熟，已经实现批量生产，但学生对其制作方法并不了解。通过引导学生分析其精巧的结构、研究其发音与弦长张力比例、讨论和学习其构件制作工艺，引申到对加工原理、相关设计软件操作、材料微观分析、加工编程方法的学习上。制成作品的成就感会对学生产生激励作用，使之产生亲手制作尤克里里并学习基本演奏方法的渴望，从而形成 STEAM 理念的多领域融合教学。尤里里 PBL 教学模式如图 1 所示。图 1 尤克里里 PBL 教学模式 2 STEAM 教学目标与内容设计 在教学目标设计中，应以 STEAM 为核心展开，拓宽学习领域，促进学科交叉融合，培育能够全面、发展地看世界，具有独立思考能力和创新精神以及动手实践能力的一流人才14。仍以“尤克里里”课程为例，表 1 所示是 PBL 教学的 STEAM 设计分析。值得指出的是，在原有基础上加入了 S&A（科学与艺术的关系）。表 1“尤克里里”课程 PBL 教学的 STEAM 设计 教学目标 知识与能力 过程与方法 层次 S（科学）S1 木材学与振动声学性能 S2 金属材料学 S3 机械原理 S4 模具设计 S5 激光器原理/电火花放电原理 S6 刀具角度 理论讲授 高阶性 T（技术）T1 CAD 设计 T2 SOILDWORKS 设计 T3 MASTERCAM 编程 尤克里里设计实践 挑战度与创新性 E（工程）E1 电火花设备操作 E2 电阻炉操作 E3 数控铣削操作 E4 数控车操作 E5 钳工与木工操作 E6 激光加工设备操作 尤克里里制作实践 挑战度 A（艺术）A1 基本乐理 A2 尤克里里发声原理 A3 尤克里里的基本弹奏指法 A4 弹唱与指弹 尤克里里弹奏实践 挑战度 M（数学）M1 尤克里里结构分析与尺寸计算 M2 回音条与支撑梁尺寸和位置计算 M3 音调弦长张力计算 尤克里里制作实践 挑战度 S&A（科学与艺术）SA1 科学与艺术的关系 SA2 物理中的声学原理 SA3 音乐中的声与十二平均律 SA4 一弦器 理论讲授 创新性 36 实 验 技 术 与 管 理 以制作乐器的实践过程为引领，反推模具与夹具的设计与制作，及各类工程加工中的原理科学问题，使理论与实践相结合。在设计与实践过程中，离不开数学的精确分析与计算，同时促进了对相关设计软件和加工编程软件的学习，最后在乐器弹奏中体会音乐、艺术与科学的关系。从工程上来说，尤克里里的制作是复杂的工程问题，所谓复杂是指学科的交叉融合、结构精巧、零部件各异、加工方法多样、涉及理论知识广泛等。在表 1 中，基于 STEAM 各分项对课程目标进行了分析，但在实际教学实施中，却始终围绕尤克里里 PBL 整体展开，使学生在致力于制作乐器的过程中浑然一体地学习各种知识与能力。3 教学组织 PBL 教学组织与传统课程教学组织有根本不同，PBL 教学以学生为中心、以项目为核心展开，而传统课堂则以教师讲授为中心、以知识点为核心展开。因此，需要重构符合学生认知过程的 PBL 教学组织模式，即从学生兴趣出发，以项目进程为主线，针对学生的认知过程，动态调整学习内容和组织形式，以便获得更好的教学效果。如图 2 所示，如同用弓箭射中水中的靶心，PBL教学能够更好地抓住学生的兴趣点，具有极高的目的性，从而完成项目、射中靶心。而从拉紧弓箭到射中靶心的过程中，所学习的知识、技能和获得的能力将成为学生受益终身的综合素质。就像水中的靶心受力荡漾开的波纹，进一步扩展到设计的原理和操作，最终扩展到实践能力、创新能力、设计能力和终身学习能力。在“尤克里里”课程组织中，师生的共同目标是制作尤克里里，虽然工作是围绕做琴（即图 2 的靶心），但整个课程的目的却不是为了做琴，而是以其为主线，贯穿研究、设计、制作、弹奏等环节，最终获得相应的知识与能力。图 2 教学组织的逻辑 “尤克里里”课程以制作过程为主线设计教学组织模式，从引言到结构分析到各部件制作，其间贯穿S-T-E-A-M 各领域知识与能力。如表 2 所示，从引言到琴颈、琴头、侧板、底板面板制作，到两次组装，再到弹奏，每一个制作步骤中，依照制作特点和所涉及的知识点所处领域的不同，包含了各专业领域类的理论课、实践课、设计课内容。表 2“尤克里里”课程教学组织 序号 内容 引言 M1；SA1；SA2；SA3 琴颈制作 S3；S4；T2；T3；S5；E3；E4 琴头制作 侧板制作 S1；S4；E1；S6；E2 面板与底板制作 S1；T1；S5；E6 组装 E5；M2 组装 S2；E5；SA4；M3 弹奏 A1；A2；A3；A4 注：表 2 中字母对应表 1 中知识与能力教学内容指标。4 教学团队建设 基于 STEAM 理念的 PBL 教学因其项目制、综合性、学科交叉融合等特点，对教师素质能力要求较高15。一是对教师的知识领域提出了极大挑战，建议以团队为单位进行教学研究与课程建设。教学团队可以整合各专业领域教师，促进边界融合、学科交叉，同时保证课程的专业性、科学性。二是对教师的教学能力带来极大挑战。在制作内容和教学内容的转换上，针对PBL 课程的教学目标和组织形式，应从教学理念的转变开始带动整个课程建设内容的转变。教师的教授方法、启发形式对学生创新意识、科研思维、探索能力的培养具有极为重要的影响，如何使用好优质教学资源用于锤炼学生的素质与品格，是教师教学研究的重要任务16。加强对教师教学能力和教学理念的培养，是优质 PBL 课程实施的保障。5 教学实践 目前，按照 STEAM 理念设计的“尤克里里”PBL教学项目，已完成教学设计与内容建设，并获批建立选修课。课程团队目前有三位教师，涉及不同专业领域，以保证课程涉及学科的交叉融合。该课程引起了学生的极大兴趣，学生在项目制作与学习过程中，培养相关素质与能力，受到了学生的欢迎。图 3 为“尤克里里”课程部分教学场景。值得指出的是，“尤克里里”课程在教学组织上具有很大柔性。在疫情发生或其他需要更加灵活空间情况下，课程可以以口袋实验形式开展，也可扩展为混合课程。理论知识与讨论分析环节，可以通过相关知识技能的 MOOC、乐学（我校的在线学习平台）以及 易 恒，等：基于 STEAM 的 BPL 教学研究与实践以“基于尤克里里制作的实践创新训练”课程为例 37 图 3“尤克里里”课程部分教学场景 在线直播等方式授课，加工实践环节可通过直播给学生以直观感受，所加工的尤克里里零部件可以口袋实验方式邮寄至学生家中，由教师通过在线直播指导学生在家中进行尤克里里组装实践，再通过直播课形式持亲手制作的尤克里里进行弹奏。在疫情好转之后或方便到实践现场时，可进行实践环节的进一步体验，形成混合课程。参考文献(References)1 张海峰.“双一流”背景下的一流实验室建设研究J.实验技术与管理，2017,34(12):610.2 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