基于STEAM理念的創(chuàng)新型人才實(shí)踐教學(xué)模式研究

尹立蘋 王新亭

摘要：順應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高校教學(xué)改革的重要目標(biāo)之一。分科教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，體現(xiàn)出學(xué)科之間融合度不夠，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)碎片化等問題，容易出現(xiàn)綜合創(chuàng)新能力不強(qiáng)的狀況。文章基于STEAM整合創(chuàng)新教育理念，在分析其內(nèi)涵及教育啟示的基礎(chǔ)上，以工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)為例，提出創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，以項(xiàng)目、問題、情景等要素為基礎(chǔ)的STEAM教育理念的實(shí)施過程中，組建跨專業(yè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)，貼近實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)流程，有利于在沉浸式的教育過程中培養(yǎng)學(xué)生寬廣的知識(shí)視野與跨學(xué)科整合創(chuàng)新能力，教學(xué)成效顯著提高。

關(guān)鍵詞：STEAM教育理念；分科教學(xué)；創(chuàng)新型人才；實(shí)踐教學(xué)模式

在以知識(shí)的創(chuàng)新與運(yùn)用為基礎(chǔ)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，全球化的進(jìn)一步發(fā)展以及信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等在加劇競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)，對(duì)創(chuàng)新提出更高的要求，跨學(xué)科融合、整合創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新日益成為各領(lǐng)域發(fā)展的必然要求。知識(shí)的快速更迭，也使創(chuàng)新過程中面臨的問題復(fù)雜性加大，單一的學(xué)科知識(shí)難以勝任。因而，從社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的角度來看，培養(yǎng)視野開闊、創(chuàng)新能力強(qiáng)的人才已經(jīng)成為高等教育的基本要求。

受到傳統(tǒng)“分科教學(xué)”模式的影響，高校普遍在教學(xué)上缺乏專業(yè)交叉與融合，造成部分學(xué)生“只見樹木，不見森林”，表現(xiàn)為學(xué)生學(xué)到的知識(shí)不系統(tǒng)、思維方式單一、協(xié)作創(chuàng)新能力弱等問題。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、卓越人才培養(yǎng)計(jì)劃、創(chuàng)客教育，既是對(duì)分科教學(xué)弊病的反思，也反映了教育界對(duì)教學(xué)改革的熱情與期待。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊病，國內(nèi)外教育學(xué)者及高校都積極開展教學(xué)研究。湯曉蒙、劉暉從教育方法論的角度論述了高等教育學(xué)科從“單一學(xué)科”向“跨學(xué)科”研究的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。邵云飛、曾勇、汪臘梅提出“復(fù)合培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)班、建設(shè)協(xié)同創(chuàng)新中心、校企合作組隊(duì)參加創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽”的教學(xué)模式。朱曦闡述了“學(xué)生核心”導(dǎo)向的整合創(chuàng)新教學(xué)模式。另外，江南大學(xué)通過開設(shè)整合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班，開展創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。美國斯坦福大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)院也開設(shè)了跨專業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目。美國辛辛納提大學(xué)設(shè)有跨專業(yè)合作學(xué)院，開展跨專業(yè)整合創(chuàng)新教育。

實(shí)踐教學(xué)是落實(shí)“理論結(jié)合實(shí)踐”原則不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)，因此實(shí)踐教學(xué)模式的探索一直是高校教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容?？鐚W(xué)科人才培養(yǎng)視野下，實(shí)踐教學(xué)應(yīng)擺脫學(xué)科專業(yè)壁壘，以問題的發(fā)現(xiàn)、知識(shí)的融合運(yùn)用、整合創(chuàng)新能力的訓(xùn)練為目標(biāo)進(jìn)行開展。本文以STEAM教育理念（S-科學(xué)、T-技術(shù)、E-工程、A-藝術(shù)、M-數(shù)學(xué)）為理論依據(jù)，以天津科技大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)為例，探討創(chuàng)新型人才實(shí)踐教學(xué)模式的改革方法與策略。

一、STEAM教育理念內(nèi)涵及教育啟示

STEAM教育理念源于美國，近年來備受我國教育界的重視，是以打破學(xué)科專業(yè)知識(shí)隔閡為手段，以科學(xué)融合為抓手，以實(shí)踐教學(xué)為載體，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者跨學(xué)科整合創(chuàng)新能力為目標(biāo)的教育理念。

STEAM理念具有較為科學(xué)的體系，主要特征體現(xiàn)為：

（一）面向問題的跨學(xué)科知識(shí)融合

在STEAM教育中，強(qiáng)調(diào)以解決問題為目標(biāo)，整合相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、工程或數(shù)學(xué)知識(shí)，以藝術(shù)性的創(chuàng)意去解決問題，而不是將重點(diǎn)放在某一學(xué)科或過分關(guān)注邊界學(xué)科。這種具有系統(tǒng)性思維的教育理念，可以更加凸顯知識(shí)之間的彼此關(guān)聯(lián)，滿足了創(chuàng)新實(shí)踐對(duì)知識(shí)的體系性要求。

（二）基于項(xiàng)目的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)

STEAM教育提倡依托開展與生活實(shí)際緊密相關(guān)的項(xiàng)目，使學(xué)生在解決問題的過程中，體會(huì)到抽象的知識(shí)與實(shí)際生活的聯(lián)系。因此項(xiàng)目的問題設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，必須置于一定的生活情景中，并且包含一定的結(jié)構(gòu)化知識(shí)。情景性問題的解決過程中，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更為深入，并且體會(huì)了知識(shí)的社會(huì)性與情景性，對(duì)知識(shí)的靈活遷移能力有所增加。

（三）追求健全的人格發(fā)展

通過對(duì)情景性項(xiàng)目中問題的探求，學(xué)生通過協(xié)作，從多角度考慮問題，拓寬了視野，促進(jìn)了批判性思考、決策能力，激發(fā)了自主學(xué)習(xí)興趣，并鍛煉了溝通能力與靈活性、適應(yīng)性。這種以健全人格發(fā)展為教育主旨的理念，較好地反映了教育的本質(zhì)。

因此，教育工作者應(yīng)當(dāng)立足當(dāng)前的社會(huì)背景，客觀認(rèn)識(shí)學(xué)生獲取知識(shí)途徑的多元化，適時(shí)改變教學(xué)模式。借鑒STEAM理念中的項(xiàng)目探究式學(xué)習(xí)、以實(shí)踐為取向通過情景體驗(yàn)獲取知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)做好不同領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教育工作。

二、基于STEAM的創(chuàng)新型人才實(shí)踐教學(xué)模式架構(gòu)

工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)作為以創(chuàng)新為核心的交叉性專業(yè)，具備整合創(chuàng)新的先天優(yōu)勢(shì)。從設(shè)計(jì)定義可以看出，設(shè)計(jì)旨在引導(dǎo)創(chuàng)新、促進(jìn)商業(yè)成功并以提高生活品質(zhì)為目的，是一種將策略性解決問題的過程應(yīng)用于產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)及體驗(yàn)的設(shè)計(jì)活動(dòng)。作為多學(xué)科交叉的專業(yè)，將創(chuàng)新、商業(yè)、技術(shù)、創(chuàng)意與用戶研究緊密結(jié)合在一起，具有重要的跨學(xué)科整合創(chuàng)新功能。并且設(shè)計(jì)專業(yè)與其他專業(yè)進(jìn)行跨學(xué)科合作，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此，選取工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行基于STEAM理念的創(chuàng)新型人才實(shí)踐教學(xué)研究具有較好的代表性。

以跨學(xué)科視角開展創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，需要以開放的態(tài)度整合校內(nèi)外資源，務(wù)實(shí)可行的做法是以企業(yè)需求或真實(shí)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，設(shè)置創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。以天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的教學(xué)需求為研究對(duì)象，建立了跨學(xué)科的設(shè)計(jì)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式（如圖1）。以工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)為紐帶，整合理工與人文社科的相關(guān)學(xué)科，構(gòu)成學(xué)科知識(shí)群組。在其中組建跨學(xué)科的教師團(tuán)隊(duì)，與企業(yè)研發(fā)部門協(xié)同確定適合學(xué)生完成的項(xiàng)目?jī)?nèi)容。通過校園網(wǎng)平臺(tái)公布后，招募多專業(yè)的跨學(xué)科交叉創(chuàng)新學(xué)生團(tuán)隊(duì)，分工定責(zé)后，共同開展課題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐訓(xùn)練。

校內(nèi)教學(xué)平臺(tái)作為項(xiàng)目流程執(zhí)行、學(xué)習(xí)資源等支撐，校內(nèi)與企業(yè)實(shí)驗(yàn)室提供硬件與測(cè)試環(huán)境?？梢劳薪虒W(xué)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室開放共享機(jī)制，整合資源構(gòu)建基于情景的項(xiàng)目開發(fā)環(huán)境，提供實(shí)踐過程所需的創(chuàng)新要素與硬件支撐條件。項(xiàng)目定題的核心內(nèi)容是進(jìn)行產(chǎn)品的定義，也就是將所要達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行具體的規(guī)范，包括需求或待解決的問題、產(chǎn)品規(guī)格、技術(shù)觀測(cè)指標(biāo)等。

學(xué)生在校內(nèi)教師指導(dǎo)下通過各種途徑進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)研、按照設(shè)計(jì)方法與程序進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)思與方案設(shè)計(jì)，進(jìn)一步在技術(shù)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，制作產(chǎn)品原型（可以是虛擬的樣機(jī)或原型機(jī)），再進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證與仿真。最后通過學(xué)生、教師、企業(yè)技術(shù)人員的多方評(píng)估，確定項(xiàng)目研究是否解決了設(shè)計(jì)問題。如果沒有通過，則進(jìn)行反饋，進(jìn)一步進(jìn)行研究；通過，則進(jìn)行項(xiàng)目完成的總結(jié)報(bào)告，進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)判。

為順利展開跨學(xué)科合作，項(xiàng)目的開展可以以專業(yè)拓展類課程的形式，納入到校內(nèi)開放課程中，各專業(yè)的學(xué)生完成后，都可以認(rèn)定實(shí)踐學(xué)分。

三、教學(xué)實(shí)踐探索案例

以下為以工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)為核心展開的跨學(xué)科整合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐案例闡述。該項(xiàng)目是機(jī)電裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)課內(nèi)作業(yè)之一，是天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系與天津明德福自動(dòng)化技術(shù)有限公司聯(lián)合開展的智能物料小車的整合創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目是要為某化工類企業(yè)生產(chǎn)線上的運(yùn)輸粉類物料的自動(dòng)配送小車進(jìn)行智能化改造。要求從功能結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形象、強(qiáng)弱電控制等角度進(jìn)行重點(diǎn)改良設(shè)計(jì)。依據(jù)項(xiàng)目開展的需求，成立工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化等專業(yè)教師共同組建的跨學(xué)科教師指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，制定教學(xué)計(jì)劃后，通過教學(xué)平臺(tái)限額招募工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)及制造、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的學(xué)生組建3個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)小組。

本項(xiàng)目歷時(shí)3個(gè)實(shí)踐教學(xué)周，涵蓋設(shè)計(jì)調(diào)研、創(chuàng)意構(gòu)思與方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)原型或數(shù)字樣機(jī)制作及設(shè)計(jì)評(píng)估等環(huán)節(jié)。

（一）設(shè)計(jì)調(diào)研

根據(jù)項(xiàng)目中產(chǎn)品的定義，分析問題涉及的功能技術(shù)要素，分組進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)研，前往企業(yè)及市場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)研、技術(shù)調(diào)研及競(jìng)品調(diào)研與分析（如圖2）。以工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生為主進(jìn)行用戶研究和產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，由機(jī)械電子工程與自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生制定物料小車及技術(shù)路線。

各小組在競(jìng)品（競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品）分析及調(diào)研分析報(bào)告的基礎(chǔ)上，由專業(yè)教師指導(dǎo)各小組，綜合運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法、形態(tài)表分析法、TRIZ等多種創(chuàng)新方法開展問題的解構(gòu)與創(chuàng)意設(shè)計(jì)，將可能的設(shè)計(jì)方案以草圖的形式記錄下來（如圖3）。在此過程中，不同專業(yè)的學(xué)生發(fā)揮本專業(yè)優(yōu)勢(shì)，各小組（都由不同專業(yè)學(xué)生構(gòu)成）對(duì)于產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)、智能控制、供電方式、硬件選型、產(chǎn)品外觀、功能定位等提出自己的方案。

各小組在評(píng)審選出最后的設(shè)計(jì)方案后，進(jìn)行深入的設(shè)計(jì)。根據(jù)專業(yè)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分工，各專業(yè)分別進(jìn)行產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含硬件選型）、強(qiáng)電供電方式、智能控制、材料與工藝等工作，教師與企業(yè)工程師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)與整體把控。

（二）產(chǎn)品原型制作

因?yàn)楸井a(chǎn)品體量較大、硬件選型（電機(jī)、減速器、卸料閥等）價(jià)格較貴，直接制作實(shí)體原型，投入較大。因此采用三維軟件進(jìn)行建模與產(chǎn)品虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)制作（如圖3）。

（三）技術(shù)驗(yàn)證與仿真

在進(jìn)行供電技術(shù)方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)控制部分進(jìn)行基于lab view軟件的運(yùn)動(dòng)控制仿真，測(cè)試產(chǎn)品的運(yùn)行功能。各設(shè)計(jì)小組在此階段規(guī)定采用相同的仿真測(cè)試平臺(tái)，便于橫向?qū)Ρ?。在進(jìn)行測(cè)試與仿真之后，各小組進(jìn)行完善方案，完成設(shè)計(jì)效果圖，并完成產(chǎn)品的初步工程設(shè)計(jì)。

（四）項(xiàng)目結(jié)題答辯

項(xiàng)目完成后，由專業(yè)教師及企業(yè)專家技術(shù)人員組成的評(píng)審團(tuán)對(duì)各設(shè)計(jì)成果進(jìn)行評(píng)審答辯。對(duì)各小組的創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果從創(chuàng)新性、技術(shù)與工藝可行性、市場(chǎng)前景等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

答辯結(jié)束后，企業(yè)依據(jù)部分方案進(jìn)行進(jìn)一步的工程開發(fā)，并進(jìn)行樣機(jī)制作。部分學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，獲得了顯著的成果，申報(bào)國家實(shí)用新型專利1項(xiàng)，參加天津市工業(yè)設(shè)計(jì)大賽獲得一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

四、結(jié)語

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是社會(huì)發(fā)展的必然，設(shè)計(jì)教育需要打破常規(guī)，研判經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行教學(xué)改革，培養(yǎng)具有國際視野、跨學(xué)科整合能力的復(fù)合型創(chuàng)新人才。

改變實(shí)踐教學(xué)模式和考核方式，從跨學(xué)科的視角開展整合創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，能夠提高教學(xué)的有效性，改變傳統(tǒng)模式下，學(xué)生被動(dòng)聽課，知識(shí)容易碎片化的現(xiàn)象，也順應(yīng)了社會(huì)對(duì)人才素質(zhì)的需求。

通過合理的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，將問題、應(yīng)用情景、探究體驗(yàn)、協(xié)作溝通等要素與結(jié)構(gòu)化知識(shí)要求整合起來，學(xué)生的知識(shí)習(xí)得是沉浸式的、體驗(yàn)式的，更加深刻并且更有興趣。項(xiàng)目背景鮮明，也使學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有更清晰的認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)積極性大為提高，為適應(yīng)社會(huì)崗位，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力奠定了基礎(chǔ)。將創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果，進(jìn)行專利申請(qǐng)或項(xiàng)目孵化，與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育進(jìn)一步結(jié)合，可更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)熱情。

同時(shí)，我們也需要看到基于STEAM理念進(jìn)行創(chuàng)新人才實(shí)踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，學(xué)校整體的教學(xué)政策對(duì)專業(yè)教師積極性（教師開展跨學(xué)科教學(xué)的能力提升與學(xué)習(xí)）的影響、校企合作的資源狀況、傳統(tǒng)模式教學(xué)思維的慣性、學(xué)生積極性的調(diào)動(dòng)等諸多因素，都影響到該模式的順利實(shí)施。因此，有必要結(jié)合校情（如大類招生）進(jìn)一步開展深入的研究。

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