應用型高校實驗室STEM 實踐教學模式研究

李澤良 左 工

0 引言

大學在實踐教學過程中，一般是通過實驗課開展。學生在課堂學習理論知識，然后到實驗室做實驗，通常實驗項目是驗證型實驗。而培養(yǎng)新時期應用型大學生的要求是學生具備自主設計實驗項目，多學科聯(lián)動創(chuàng)新，實驗項目向設計型、綜合型實驗發(fā)展。STEM 實踐教學模式是近年來歐美等發(fā)達國家提倡的新型實踐教學模式，通過發(fā)揮學生主體創(chuàng)新能力，將理論與實踐緊密結合，書本與實物緊密結合，自主設計實驗方案，學生通過實驗，可以培養(yǎng)多學科聯(lián)動能力從而達到STEM 教學效果。

1 STEM 實踐教學模式

1.1 STEM 實踐教學模式構建

在基于STEM 的學習理論指導下，注重實驗項目所包含的各種知識點，以及各種知識點背后各種學科知識的內在聯(lián)系。實踐教學不能僅僅是操作一下儀器，按幾個按鈕，得出數(shù)據(jù)，完成實驗報告就算完成教學任務，STEM 教學模式不僅強調學生要解決問題而且強調完成任務過程中的認知活動。高校實驗課大多是驗證型實驗，STEM 教學模式是設計型綜合型實驗。從提出問題，到找到問題，再到設計方案解決問題，最終完成實驗項目，在這個過程中一整套STEM 教學模式得以充分發(fā)揮。

大學實驗室可以根據(jù)STEM 實踐教育在不同學科的應用，在設計實驗項目時應根據(jù)專業(yè)特點靈活設置。STEM 實踐教學模式對教師授課提出以下幾個要求：我們?yōu)槭裁匆寣W生取得這樣的學習成果？如何有效的幫助學生取得這些學習的成果？我們如何知道達到了教學要求的成果？帶著以上幾個問題教師在完成一個實踐教學任務后及時總結經驗，要明白成果不僅是學生所了解的書本知識，還應包括理論聯(lián)系實踐的能力，舉一反三的能力，甚至可能涉及人生觀價值觀等因素。教學成果應兼具生活技能，注重實用性，否則容易變成片面的知識。STEM 實踐教學尤其強調連續(xù)性，因把學生在大學學習的整個階段作為實施STEM 實踐教學整體，每一學期的階段性成果及時總結，將階段成果積累成最終成果。

2 STEM 教學模式實施建議

第一，實踐教學一定要讓學生成為主體，老師起到輔助作用。教師在設計STEM 實踐教學時，不僅需要考慮多學科聯(lián)動發(fā)展，彌補一門課程單一的知識點，更重要的是需注重多學科知識的內在邏輯。第二，發(fā)展學生的關鍵能力與核心素養(yǎng)，根據(jù)每個學生個體化差異，支持教師基于效果表現(xiàn)進行評價。實踐教學不像理論課程有著明確考試分數(shù)，教師全程參與，全程互動，及時對STEM 教學效果做出評價。STEM 強調每個人都參與其中，強調人人精熟內容。所有的學生都能在學習上獲得成功，雖然說失敗是成功之母，但是成功的學習更會促進學習[1]。由于STEM 教學是多元化彈性的個性化學習模式，每個學生都是以精熟學習內容為目標，這樣更可以通過學習完成自我挑戰(zhàn)，實現(xiàn)實踐教學效果最大化。第三，充分發(fā)揮新媒體、人工智能等新一代信息技術的作用。大學老師需要根據(jù)STEM 實踐教學特點和學生的實際需求開展成果導向的STEM 教育環(huán)境。成果導向教育是衡量學生能夠做什么，而不是學生知道什么，前者是傳統(tǒng)教育無法做到的[2]。在工程應用中硬件環(huán)境建設和軟件環(huán)境環(huán)境搭建方面融入新媒體、人工智能等技術，創(chuàng)設情境式智慧型的教學環(huán)境。STEM 實踐教學強調的是知識的整合，而不是知識的割裂，是以成果導向決定學習目標而不是以教學進度決定學習目標。是合作學習，團隊建設而不是競爭學習。

3 STEM 教學模式實踐案例

3.1 STEM 教學實踐模式流程

首先，營造STEM 教育環(huán)境，以證據(jù)導向驅動。高校實驗室可以根據(jù)各自專業(yè)的特點、利用已有的軟硬件條件和各個學科教育大綱的要求創(chuàng)造不同類型的STEM 教育空間，配置相應的軟硬件設施，用于在學生學習過程中收集各種形式的證據(jù)，打造證據(jù)驅動的STEM 教育環(huán)境[3]。將新媒體技術融入STEM 實踐教學環(huán)境中，通過關鍵節(jié)點追蹤和大數(shù)據(jù)分析等各種手段收集教學效果全過程數(shù)據(jù)，做到全員參與，全員思考，全員動手，全員達到目標效果，為實現(xiàn)證據(jù)導向的STEM 教育實踐和創(chuàng)新評估方式提供技術保障與環(huán)境支持。其次，基于實踐教學要求的設計要明確教師的教學效果。實驗室根據(jù)STEM 教育環(huán)境的軟硬件條件，收集學生參與實驗的有效度，對學生的學習效果進行評價。除此之外，STEM 可以通過網絡視頻輔助教學。STEM 實踐教學的線上教學絕非等同于理論課，它可由各種智能終端、移動互聯(lián)網技術組成。網絡與課堂線上線下齊頭并進都是促進學習的好方法，二者有機結合能夠更好地為學習服務。最后，根據(jù)STEM 實踐教學效果，教師對學生參與度，正確率，以及實驗報告完成對STEM 實踐教學效果評價。

3.2 基于大數(shù)據(jù)的STEM 測評系統(tǒng)的教學案例

我們以土木專業(yè)工程力學實踐教學案例—“矩形截面梁純彎曲實驗”為例。本節(jié)課面向工科學生，在理論課堂上我們學習了純彎梁的剪力和彎矩算法以及正應力的分布規(guī)律，在實踐教學中，我們要求學生自己貼應變片，利用惠斯通電橋原理驗證正應力分布規(guī)律。僅僅是添加了一個貼應變片的過程，不僅考查學生對正應力分布規(guī)律的掌握情況，還包括對學生的知識聯(lián)動能力等的評估[4]。應變片的貼法，橋路的連接體現(xiàn)出多種知識的串聯(lián)，不僅注重知識的內在邏輯，而且對解決同類問題產生經驗幫助的效果。布置一下實驗方案，幫助學生了解相關知識點與問題，然后引出實驗的目的以及操作步驟。具體的方法是：第一步.介紹本次實驗課相關的知識點，在了解該原理的基礎上，帶領學生分析矩形截面梁的受力；第二步、學生分組沿矩形截面梁橫截面貼應變片；第三步，連接橋路，測試過程中讓學生掌握惠斯通電橋知識點，加深對橋路的理解；第四步，理論值與實測值比較，找出誤差；最后，在教師的引導下，分析誤差產生的原因和如何減少誤差。

4 小結

STEM 實踐教學是一種先進的教學理念，在歐美等一些國家已經有了多年的理論實踐，并且形成了一套完整的理論體系和實施模式，為了使我國應用型高等教育更好地適應社會發(fā)展需求，需要我們在STEM 實踐教學理念的引導下，積極推進教學改革。