STEM教育在CUPT中的體現(xiàn)及創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式初探

畢瑛潔，白 赫，段瑞夢，許 靜

(天津師范大學 a.物理與材料科學學院；b.教師教育學院，天津 300387)

培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才是高校教育的目標，也是落實科學技術生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化和實現(xiàn)科技強國的重要保障. 創(chuàng)新人才的創(chuàng)新能力及創(chuàng)新意識建立在一定的綜合素質(zhì)及能力基礎上，經(jīng)過科學訓練才能具備.STEM教育是建立在真實情境中的以團隊協(xié)作的方式進行學習的一種教育理念，結(jié)合中國大學物理學術競賽的平臺，將STEM教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式整合，建立培養(yǎng)具有綜合實踐能力的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式.

1 STEM教育內(nèi)涵的發(fā)展

20世紀90年代，美國國家科學基金會最先提出STEM，它是科學、技術、工程和數(shù)學(Science，technology，engineering，mathematics)首字母的縮寫，在當時被理解為4門獨立、分離的學科[1]. 隨著STEM運動的推進，教育者發(fā)現(xiàn)STEM本質(zhì)是一種教育方法，因此在STEM后增加 “教育”二字，認為這種教育應貫穿學生的整個學習階段[2]. 2013年Vasquez等人率先提出將STEM教育與學校教育相整合，并將整合的水平劃分為學科、多學科、交叉學科和跨學科4個層次，同時描述了4個層次所對應的特征. 整合性主要體現(xiàn)在學科知識間的聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)是持續(xù)的、動態(tài)的和以學習者為中心的[3]. 顯然STEM教育也并非4門學科的簡單組合，而是以聯(lián)系真實世界為基礎、任務學習為導向、團隊合作為方式、貫通學科核心概念的嚴謹?shù)南到y(tǒng)化學習方式[4]. 2015年美國第一部《STEM教育法》(STEM Education Act of 2015)正式落地[5]，并對STEM教育的概念做了明確說明，指出STEM教育改革對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性. 2017年美國繼續(xù)以提高STEM教育質(zhì)量為目標，并設定了2022年新增100萬STEM畢業(yè)生的目標，鼓勵更多的學生參與STEM教育，以滿足對具有STEM素養(yǎng)及創(chuàng)新能力人才的需求[6].

2 基于項目學習的STEM教育模式

項目學習(Project based learning)是以學生為中心的教學方式，將先進的教育理論應用于教學實踐，以團隊合作的方式，在系列任務的指引下，使用必要的學習資源解決實際問題，從而獲得知識與技能，該教學方式對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有積極的作用[7]. 在項目學習過程中，以項目為驅(qū)動，要求學生跨學科進行思維整合，將分散的學科問題集中并且融合，以便應對實際挑戰(zhàn)和解決復雜問題，是將現(xiàn)實世界的問題和實踐相融合的學習過程[8].

基于項目學習的STEM教育模式具有多樣性，其中針對工程取向的STEM教學模式最受學者關注，例如逆向設計模式、知情設計模式、協(xié)同設計模式等[9]. 2014年美國國際技術與工程教育學會提出的6E設計型學習模式(Learning by DeSINTM model)與STEM教育的契合度最高，其6個階段分別為[10]：

1)參與(Engage)：在項目學習背景下，教師通過提問、講授等互動方式引導學生將已有知識和經(jīng)驗與項目內(nèi)容建立連接，根據(jù)學生的反饋調(diào)整教學目標，設計符合教育發(fā)展規(guī)律的任務學習過程；學生通過了解項目內(nèi)容回顧相關概念，確認研究內(nèi)容，建立合作學習小組.

2)探索(Explore)：在此階段，教師作為項目學習的推進者，為學生提供學習材料并指導探索活動. 學生根據(jù)研究內(nèi)容查閱相關資料，建立各學科之間的聯(lián)系，整理概括出研究的主要內(nèi)容，通過討論、頭腦風暴等方式提出合理的研究假設，制定研究計劃.

3)解釋(Explain)：根據(jù)組內(nèi)提出的研究計劃，以分組匯報的形式闡述所需研究的問題、研究假設、研究方法以及研究技術路線，說明研究的可行性. 在匯報的過程中，教師提出合理的建議，引導學生發(fā)散思維，促使學生將所學概念與更廣泛、真實的情境相連.

4)工程(Engineer)：根據(jù)研究方案設計并且完成預實驗，將預實驗的結(jié)果與研究假設比較，進一步完善實驗方案. 教師提供必要的測試以及制作裝備的使用方法及注意事項，介紹設計的概念，引導學生優(yōu)化實驗結(jié)構，并且對制作過程進行質(zhì)量監(jiān)控. 這一階段重點讓學生了解工程設計的一般步驟，能夠根據(jù)實驗方案提出合理的實驗設計方案.

5)深化(Enrich)：經(jīng)組內(nèi)合作完成實驗測量后對數(shù)據(jù)進行分析，建立實驗與理論之間的聯(lián)系，能夠根據(jù)客觀實驗條件分析實驗誤差，并對理論公式加以修正，得到各參量之間的相互影響關系，總結(jié)得出相關結(jié)論，說明理論與實踐間的聯(lián)系，拓展知識層面. 在這一階段，學生通過實踐的方式，將不同學科間的知識進行整合，體驗學科融合的過程，并能根據(jù)客觀事實提出合理分析，建立各實驗變量間的聯(lián)系.

6)評價(Evaluate)：對項目學習的評價分為2個維度：

a.對學生查閱資料、總結(jié)研究內(nèi)容以及匯報研究成果的過程性評價，重點考察團隊協(xié)作能力、資料收集整合能力、項目匯報表達能力等幾方面內(nèi)容，對最終項目完成情況進行點評，提出可以繼續(xù)改進或創(chuàng)新的方案；

b.針對項目實驗設計，主要對實驗裝置簡便性、測量方式的合理性以及實驗數(shù)據(jù)處理的科學性進行評價[11].

可以看出，6E學習模式是科學探究思維與工程設計的整合，強調(diào)學習任務的真實性，體現(xiàn)學生的主體地位. 基于STEM理念的項目學習模式旨在讓學生在客觀環(huán)境中以現(xiàn)實問題為導向，通過自主學習、自主探究、自主評價的方式，運用跨學科的知識應對挑戰(zhàn)性任務，達到培養(yǎng)創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的目的.

3 STEM教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的整合：依托中國大學生物理學術競賽

3.1 中國大學生物理學術競賽的特點

中國大學生物理學術競賽(China Undergraduate Physicists’ Tournament, CUPT )于2007年首次舉辦，競賽模式借鑒了國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists’ Tournament， IYPT). IYPT與國際物理奧林匹克競賽、國際青年學生科學論文競賽并稱三大頂級國際中學生物理競賽[12]. CUPT是面對全國高校本科生展開的團隊學術賽事，比賽以團隊協(xié)作的形式研究物理問題，在辯論的過程中交流研究成果，旨在通過實際物理現(xiàn)象發(fā)掘物理本質(zhì)，提高運用所學知識解決問題的能力，培養(yǎng)學生團隊合作精神和創(chuàng)新開放思維. 隨著賽事不斷推廣，2017年于哈爾濱舉辦的第8屆CUPT參與學校高達100余所，可見賽事參與面廣，影響深遠. 縱觀歷屆賽事題目，可體現(xiàn)出如下特征：

1)源于生活. 傳統(tǒng)物理競賽選題通常將實際問題進行人為加工、分解、簡化與抽象，使之成為純化的抽象問題[13]. 而CUPT競賽題目大部分源于生活且貼近生產(chǎn)實際，對題目的描述也是從客觀現(xiàn)象出發(fā)，用最簡單的語言說明需要研究的問題. 例如第8屆CUPT第15題Boiled egg(煮雞蛋). 該題目要求使用無損測量的方法，設計1種或多種實驗方案，檢測雞蛋的成熟程度. 題目以日常生活中經(jīng)常會遇到的問題為背景，將傳統(tǒng)的定性分析提升為定量研究，對檢測的方法及方案提出了具體的要求. 可實現(xiàn)無損檢測的方案有多種，如三線擺法、密度差分法、激光檢測法和超聲波法等. 利用激光的高穿透性，照射雞蛋表面，通過拍攝不同成熟度雞蛋的照片，使用Matlab軟件分析雞蛋外形區(qū)域圖片灰度值，將蛋白質(zhì)成熟曲線與灰度值建立聯(lián)系，實現(xiàn)區(qū)分雞蛋的成熟度. 這類與生活實際相關的題目首先結(jié)合生活經(jīng)驗提出研究假設，再根據(jù)所學知識進行實際驗證，如三線擺法就是在大學物理基礎實驗中測量轉(zhuǎn)動慣量的實驗，通過對儀器的改造和理論修正，可以實現(xiàn)題目要求的無損測量，從而體現(xiàn)出理論與實際的聯(lián)系.

2)立足研究. 自主實驗設計是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要途徑之一，通過搭建實驗平臺，組裝實驗儀器，根據(jù)研究假設進行實驗測量，并根據(jù)實驗測量結(jié)果建立理論與假設之間的聯(lián)系，提出符合客觀實驗條件的理論修正，最后得出實驗結(jié)論. 例如第8屆CUPT第17題Vacuum bazooka(真空火箭筒)，該題目要求使用家用吸塵器和PVC管，自主設計“火箭筒”，并研究發(fā)射物的運動規(guī)律及設法提高出口速度. 研究開始階段，學生需根據(jù)題目要求進行預實驗，在實驗過程中檢驗研究假設，根據(jù)定性或半定量分析結(jié)果進一步完善實驗裝置，以實現(xiàn)精確的定量測量.

反復改進實驗方案以及實驗裝置的過程不僅能充分調(diào)動學生鉆研物理規(guī)律的興趣，更為重要的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與嚴謹?shù)目茖W態(tài)度. 《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》也明確指出，素質(zhì)教育是教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略主題，堅持重點培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才[14].

3)開放創(chuàng)新. CUPT的開放與創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下3方面：

首先，競賽以匯報的形式進行學術交流，所研究的每個項目均沒有“標準”答案，在交流匯報的環(huán)節(jié)中，反方需通過認真分析正方匯報內(nèi)容，并且在短時間內(nèi)梳理研究假設、研究內(nèi)容、實驗方法以及結(jié)論，結(jié)合自身知識并且團隊協(xié)作，提出合理的質(zhì)疑或者猜想，而對傳統(tǒng)競賽中答案的唯一性不做討論，這種競賽形式本身就具有一定的開放與創(chuàng)新性；

其次，雖然CUPT競賽題目可以按照聲、光、力、熱、電等傳統(tǒng)學科知識進行分類，但針對某一題的研究所需的理論知識范圍廣，并無明顯知識領域甚至學科界限；

最后，較傳統(tǒng)的本科教學模式而言，參與CUPT的學習是學生在導師指導下，自主完成研究的創(chuàng)新培養(yǎng)模式. 從現(xiàn)象到物理模型的提煉，再從預實驗到定量實驗分析，最后呈現(xiàn)研究結(jié)論以及匯報，全部由團隊成員協(xié)作完成，這對培養(yǎng)學生團隊合作精神、交流溝通能力、正確采集與分析數(shù)據(jù)的方法以及開放性思維等具有非常重要的推動作用.

3.2 基于6E的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式案例

以第8屆全國大學物理學術競賽第17題Vacuum bazooka為例，說明6E模式在培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力中的具體應用.

1) STEM項目主題：真空火箭炮的設計與定量研究.

2)學習對象：本科1～3年級學生.

3)學習時間：30學時.

4)項目介紹：該項目為第8屆CUPT競賽題目之一，要求使用家庭用吸塵器達到發(fā)射物速度最大化，并根據(jù)理論和實驗給出發(fā)射物運動規(guī)律. 掌握高速攝像技術，學會使用Tractor軟件分析實驗視頻并提取數(shù)據(jù)，能夠使用Matlab進行數(shù)據(jù)分析. 會使用3D建模軟件繪圖并使用3D打印技術制作實驗配件. 通過查閱文獻，了解真空技術及真空發(fā)射炮在彈道學中的應用.

5)情境設置及挑戰(zhàn)內(nèi)容：請使用家用吸塵器和PVC管，設計并制作真空發(fā)射器，研究發(fā)射物的最大出口速度，并說明影響發(fā)射物極限速度的影響因素，推導出發(fā)射物的運動規(guī)律.

6)STEM學科知識：

a.科學包括伯努利方程、牛頓第二定律、空氣動力學、熱學等；

b.技術包括3D打印技術、真空技術、光電轉(zhuǎn)化技術等；

c.工程包括3D繪圖、CAD制圖及組裝配件；

d.數(shù)學包括使用Matlab和Origin軟件擬合數(shù)據(jù),求解一階、二階微分方程.

STEM理念創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程教學計劃如表1所示.

表1 STEM理念創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程教學計劃

4 結(jié)束語

STEM教育的整合性是課程改革的發(fā)展趨勢，也是教學模式創(chuàng)新的必然選擇. 2016年教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出：有條件的地區(qū)要積極探索信息技術在“眾創(chuàng)空間”、“跨學科學習(STEM教育)”、“創(chuàng)客教育”等新的教育模式中應用. STEM教育學習的真實情境性以及實踐探究性是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的一種新途徑，而CUPT恰好能夠作為STEM教育的項目學習資源，建立基于STEM理念的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式也體現(xiàn)新時代對大學生綜合創(chuàng)新素養(yǎng)的新要求.

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