STEM理念下的汽车专业信息化教学模式创新与实践

2023.08.15

林龙沈海青

摘? 要以智慧教育引领教育信息化的创新发展，从而带动教育教学的创新发展，已成为信息时代的必然趋势。开展高职汽车专业教学资源信息化建设，以“手动变速器的拆装”任务为例，基于Unity 3D开发虚拟拆装仿真软件，同时借助变速器实物台架，实现虚拟拆装与实物拆装相结合的教学模式创新。最后，利用3D打印技术进行变速器模型的设计制造，将STEM教育理念融入专业课程教学，优化实训资源，降低教学成本，为高职汽车专业STEM教育教学创新提供案例参考。

关键词 3D打印;汽车专业;STEM;信息化教学;Unity 3D

中图分类号：G712??? 文献标识码：B

文章编号：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打印作為一种新兴技术，已融入教育领域，推进了数字制造与STEM教育的融合发展。3D打印在教育领域的应用能够架起理论和实践的桥梁，改变传统教学模式，促进创新和创造[1]。如针对汽车专业类课程，基于3D打印技术进行汽车部件的教具开发，不仅可以优化实训资源、降低成本，而且能提升师生的工程创新能力，具有很强的现实意义[2]。此外，通过汽车元件的三维数字模型设计，教师将内部结构可视化，将数模的结构、功能、原理之间的内在联系更好地展示给学生，由此在实训之前就能让学生熟悉拆解原理和步骤，减少犯错，改善学习效果。本文基于STEM理念，将3D打印技术融入汽车专业课堂，结合自主开发的信息化教学资源，以虚拟实训和实物实训相结合的形式，探索汽车实训课堂教学的新模式。

2 3D打印STEM教育

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。

以3D打印技术为依托的STEM教育项目在基础教育阶段的应用十分宽广[3]。在中小学课堂教学中运用3D打印技术，可以在语文课上复活活字印刷，在物理课上制作小孔成像的教具，在化学课上构建球棍模型，在通用技术课上进行结构强度教具设计等。

综观国内STEM教育开展现状，3D打印STEM教育项目大多停留在小学至高中阶段[4-6]，研究对象主要处于低龄化阶段，高等教育阶段的研究运用相对较少。而高等教育作为人才培养的主战场，与未来人才的STEM能力培养具有最直接、最广泛的联系。因此，开展高等STEM课堂教育应用研究具有一定的现实价值和意义。

3 基于STEM理念的信息化教学设计与实现：以“手动变速器的拆装”任务为例

选择“汽车传动系统故障诊断与维修”课程当中的任务“手动变速器的拆装”，探讨基于3D打印技术的STEM创新课程的设计与实现。从教学目标出发，本课程需要学生掌握汽车变速器的结构、工作原理、拆卸和组装步骤方法。从学情出发，学生需完成工程制图或者汽车CAD等课程，应初步具备使用三维建模软件的能力，在此基础上将三维造型的工程能力融入本课程的实训教学。

信息化教学资源开发? 基于从虚拟拆装到实物拆装的教学理念，以开发汽车手动变速器虚拟拆装仿真软件为目标，进行该课程的信息化教学资源建设。首先运用SolidWorks对五档四速手动变速器各个零件进行三维建模，建模完成后进行约束装配，最后将变速器数模总成导入3D Max进行渲染，输出FBX文件，利用Unity 3D软件平台完成虚拟拆装仿真软件的自主开发[7]。

该软件具有变速器介绍、零部件展示、自动拆装演示、手动拆卸等实训功能，如图1所示。用户通过变速器介绍功能，了解该手动变速器的功用、分类、结构以及同步器的原理;通过零部件展示界面，对变速器各个零部件进行认识;通过自动拆装演示功能，观看变速器的拆卸和安装步骤的3D动画，可以调节拆卸速度并定格拆卸步骤;手动拆卸界面里，用户通过鼠标，按照规定步骤进行变速器的虚拟拆卸练习，掌握变速器的拆装步骤和方法。

学生在不同的学习阶段根据自身需要，既可以通过仿真软件对变速器结构进行认识，也可以进行虚拟拆装练习，大大提升观察能力、思维能力以及动手拆装的实践能力，同时降低实训设备损耗。该软件与3D打印实物模型配套，作为汽车专业学生认识、拆装变速器的虚拟仿真实训教学使用。该教学资源的自主开发建设将为后续STEM课程设计与实现奠定基础。

教学设计与实施

1）课前。课前内容预习应用JITT教学方法，建立反馈链，课前教师能及时调整下一节课的授课内容、教学方法及教学进度等;同时，学生能收到来自教师的各种评价。从教师的活动看，教师首先根据课程教学大纲要求，列出课程的教学目标，整理归纳出教学内容涉及的知识点和测试题目;其次，下发任务单，有针对性地在互动平台设置讨论问题，对学生的疑问进行在线解答;最后，根据知识点的掌握要求设计课堂教学活动。从学生的活动看，学生首先登录KTS教学平台观看视频，掌握基本知识点，并完成教师布置的测试。在观看视频和练习测试题的过程中可能产生疑问，学生可以自主查找资料，增强自学能力，也可以在网络平台与教师进行交流。

2）课中。教师按照预先设计的课堂活动，简单介绍课时目标和任务，引出该次课创设的场景;接下来，按照知识点顺序抛出变速器故障相关的问题进行讨论。学生由3～5人组成一个讨论小组，每组推选一名组长，组长负责协调组员参与问题讨论和发言，积极调动每位组员参与问题讨论的积极性。以小组为单位，学生通过工单制订相应的实施方案，最后各组长汇报小组方案。至此完成从现象到原因到方案制订的知识讲解过程。

教师通过自主开发的虚拟拆装仿真软件进行拆装动画演示，学生观看动画视频后，各小组进行虚拟拆装练习。同时对照变速器实物进行拆卸，从虚拟到现实，让学生熟练掌握拆装步骤和方法，实现做中学、学中做。教师随时查看各组拆装状况，及时给予指导。学生完成拆装后对各个部件进行分类，填写检查记录表。学生在学习平台上完成自评，各组长总结评价组员表现。最后，教师在Kahoot！平台上进行互动测评。考核评价伴随着整个教学过程，线上评价与线下评价相结合，教师评价与学生评价相结合，根据各阶段考核得出综合成绩，反馈教学效果，优化教学策略。

3）课后。课后以制作汽车手动变速器模型为目标，将该目标分解为六大工程实训项目，设计各项目任务如表1所示。学生在3D打印创新工作室对手动变速器各个部件模型进行导出打印，最后组装成完整的手动变速器模型，如图2所示。师生共同参与大学生科技创新项目，学生工程创新实践能力不断提升，其中开发制作的变速器教具模型投入教学使用，降低了实物设备的损耗，激发了学生学习兴趣，提高了教学质量。

4 结语

本文将3D打印技术融入汽车专业STEM课程，实现信息化教学改革。以“手动变速器拆装”任务为例，建设虚拟仿真教学资源，设计信息化教学过程，通过制作手动变速器模型进行STEM课程的探索创新，实现仿真与实训结合、拆装与制造结合的学做融合过程。总结如下：

1）多种信息化手段合理使用，优化学习进程，提升学习效率;

2）虚拟拆装仿真软件配合变速器模型实物共同运用，将教学任务进行拆分，实现做中学、学中做;

3）学生课后运用所学知识与技能参加大学生科技创新项目，利用模型3D打印零件，并组装手动变速器模型，提升工程创新能力。

参考文献

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[2]王华.基于3D打印的四种自动变速器教具的应用[J].北京印刷学院学报，2017，25（4）：38-41.

[3]何沣燊，高佳平.基于3D打印的steam学习资源包设计开发[J].中国教育技术装备，2017（14）：31-35.

[4]吴澜，巩媛丽.初中阶段系统化3D打印课程：从设计到成品[J].中小学信息技术教育，2017（12）：71-73.

[5]首新，胡卫平，刘斌.3D打印融入中小学STEM教育项目的设计与教学：从国外融入3D打印的典型STEM教育项目谈起[J].基础教育，2017，14（4）：68-80.

[6]郭威，薛耀鋒，杨金朋.基于3D打印的高中物理STEM课程设计与应用研究[J].中国教育信息化，2017（18）：24-27.

[7]胡建忠.基于VR技术的虚拟拆装训练仿真软件设计：以IS50-32-125型离心泵为例[J].机电设备，2017，34（5）：16-19.