STEAM教育理念下提升學(xué)生創(chuàng)新能力的新工科課程整合與創(chuàng)新探究

紀(jì) 霞 熊秋峨

（南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

1 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證下的新工科人才培養(yǎng)要求強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有人文素養(yǎng)、職業(yè)道德、社會(huì)責(zé)任、有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新實(shí)踐能力的交叉復(fù)合型專業(yè)人才[1]。隨著新工科建設(shè)的不斷深入，課程教學(xué)改革成為地方高校發(fā)展的重要問題，而課程體系是否科學(xué)合理直接影響專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)要求達(dá)成?？鐚W(xué)科融合順應(yīng)新宏觀環(huán)境的客觀需要，是推進(jìn)新工科建設(shè)與發(fā)展的最有效途徑，而STEAM教育以跨學(xué)科為基本特征、以創(chuàng)意培養(yǎng)為教育初衷，提倡社會(huì)責(zé)任感、人性化培養(yǎng)，基于STEAM理念的新工科建設(shè)，圍繞地方高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，對(duì)人才培養(yǎng)方案、課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行整合，是形成科學(xué)合理的新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)課程體系的最有效途徑[2]。隨著STEAM教育在國(guó)內(nèi)的廣泛發(fā)展，我國(guó)高校課堂教學(xué)改革對(duì)STEAM教育也有了應(yīng)用，但因研究的時(shí)間較短，所以涉及的內(nèi)容很淺顯，教學(xué)內(nèi)容停留在設(shè)計(jì)層面，依然處于探索、思考、改革的進(jìn)程中。本課題結(jié)合STEAM教育的跨學(xué)科、項(xiàng)目式、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)、基于項(xiàng)目的問題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)等理念，探索地方性高校新工科課程體系的建設(shè)路徑。

2 新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)要求

以我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案為例，根據(jù)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，我校重新修訂了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2021版培養(yǎng)方案，培養(yǎng)目標(biāo)為本專業(yè)培養(yǎng)堅(jiān)持中國(guó)特色社會(huì)主義道路，擁護(hù)中國(guó)共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)，德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人，培養(yǎng)具有良好的社會(huì)責(zé)任感、職業(yè)道德、科學(xué)人文素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，掌握扎實(shí)的自然科學(xué)和計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，具備計(jì)算思維和工程實(shí)踐能力，能主動(dòng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步需要，成為從事復(fù)雜計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)和管理等工作的高級(jí)工程技術(shù)人才，并主動(dòng)服務(wù)于長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)一體化建設(shè)。畢業(yè)生要在品德、知識(shí)、能力和素質(zhì)等方面應(yīng)達(dá)到畢業(yè)要求12個(gè)指標(biāo)點(diǎn)。

2.1 傳統(tǒng)授課模式的主要問題

課堂教學(xué)以教師授課為主，學(xué)生普遍參與度較低，以操作系統(tǒng)課程為例，課程講述的內(nèi)容主要是理論和方法，知識(shí)點(diǎn)抽象繁雜，學(xué)生缺少工程設(shè)計(jì)思想，以教師講授為主課堂教學(xué)模式，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)，學(xué)習(xí)熱情不高，學(xué)習(xí)效果不理想，在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)表現(xiàn)尤為突出，學(xué)生對(duì)基本理論概念理解不夠，掌握不清晰，缺乏理論知識(shí)與具體應(yīng)用的結(jié)合，缺少工程設(shè)計(jì)能力，工程素養(yǎng)較差。

2.2 問題驅(qū)動(dòng)式的項(xiàng)目式教學(xué)模式

通過項(xiàng)目式教學(xué)模式的探索和改革，引導(dǎo)學(xué)生自主分析問題，獲得解決問題的方法，通過設(shè)計(jì)教學(xué)分析案例，利用視頻及各種影像資料，模擬設(shè)計(jì)過程，可以激發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，將學(xué)生的主動(dòng)參與和教師的引導(dǎo)相結(jié)合，使學(xué)生獲得工程設(shè)計(jì)思維、分析解決問題能力。

3 STEAM教育理念的本質(zhì)與內(nèi)涵

STEAM教育發(fā)源于美國(guó)，是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡(jiǎn)稱，后來又增加了藝術(shù)（Arts），是STEM教育的發(fā)展與完善。STEAM教育理念旨在以數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)為基礎(chǔ)，使學(xué)生掌握科學(xué)與技術(shù)知識(shí)。STEAM教育是以真實(shí)情境為基礎(chǔ)，以跨學(xué)科整合培養(yǎng)創(chuàng)新人才的一種教育模式，是一種偏工科思維的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，它以實(shí)際問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生STEAM素養(yǎng)。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，STEAM教育有明顯的實(shí)用性，而新工科提出的多學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式，也與STEAM教育理念以培養(yǎng)工程思維為出發(fā)點(diǎn)，以項(xiàng)目為基礎(chǔ)、多學(xué)科融合的教育模式不謀而合。STEAM創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式教學(xué)實(shí)踐是面向未來的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 STEAM課程整合的特征

STEAM教育與傳統(tǒng)的分科教學(xué)不同，它的基本特征就是進(jìn)行跨學(xué)科整合，它將相關(guān)的課程進(jìn)行有機(jī)交叉融合，相互協(xié)調(diào)作用，通過在眾多的不同學(xué)科之間建立新的橋梁，將孤立的、分散的跨學(xué)科知識(shí)通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)形式進(jìn)行交叉融合，形成完整的知識(shí)體系，并將其應(yīng)用于實(shí)際的問題解決之中，使學(xué)生能夠從完整、系統(tǒng)的視角去認(rèn)識(shí)世界，認(rèn)識(shí)社會(huì)。

3.2 以問題為導(dǎo)向的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

以問題為導(dǎo)向的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種新的教學(xué)方法，使用創(chuàng)新的方法和方案，通過學(xué)生的自主調(diào)研、探究，解決復(fù)雜問題。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是STEAM教學(xué)中連接各個(gè)學(xué)科的紐帶，基于項(xiàng)目的STEAM課程旨在以動(dòng)手操作的方式讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、設(shè)計(jì)、合作、創(chuàng)造并解決問題，培養(yǎng)其批判思維和問題解決能力[3]。

課程要建立基于項(xiàng)目的以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式。一般的工程問題都包含其他技術(shù)、科學(xué)和數(shù)學(xué)方面的問題，可以分為單一主題課程整合與創(chuàng)新、單元組合主題課程整合與創(chuàng)新、多學(xué)科課程整合與創(chuàng)新、完全跨學(xué)科課程的整合與創(chuàng)新。所使用的項(xiàng)目應(yīng)該滿足兩點(diǎn)要求：一是要有實(shí)景，項(xiàng)目來源可以是教師自己的科研項(xiàng)目，也可以是企業(yè)前沿的項(xiàng)目或案例，也可以增設(shè)多課程實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)項(xiàng)目都是真實(shí)的實(shí)景，都需要跨學(xué)科知識(shí)才能解決；另一個(gè)是大型。大型項(xiàng)目并不是某個(gè)小項(xiàng)目比例的放大，而是在解決大型項(xiàng)目時(shí)會(huì)衍生出無數(shù)新的問題，只有知識(shí)的融合貫通才能解決問題。因此，符合實(shí)景與大型兩個(gè)特點(diǎn)的項(xiàng)目或問題一般都會(huì)涉及到工程的問題。以工程為核心的綜合實(shí)踐，正是新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)所需要的，如大數(shù)據(jù)下的私人訂制旅游規(guī)劃、人工智能、人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)、智能醫(yī)療家庭管理等項(xiàng)目。在算法與程序設(shè)計(jì)部分典型的教學(xué)案例如微信運(yùn)動(dòng)步數(shù)排行，通過實(shí)例仿真實(shí)驗(yàn)、任務(wù)描述，將算法學(xué)習(xí)整個(gè)過程貫穿其中，建立模型，使用基本排序算法、快速排序及歸并排序三種方法，進(jìn)行不同數(shù)據(jù)規(guī)模下算法效率的比較分析。

4 基于STEAM理念的地方高校課程體系的整合

STEAM理念課程整合涉及教學(xué)理念、教學(xué)方式、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等多個(gè)維度，是一種全新的教學(xué)觀念及思考方式，可以在課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程、選修課、畢業(yè)設(shè)計(jì)中進(jìn)行整合。也要加強(qiáng)校企合作，深度產(chǎn)教融合，通過走訪企業(yè)開展校企合作，獲取企業(yè)一線前沿的實(shí)際項(xiàng)目或案例，選取內(nèi)容通過STEAM理念開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

我校修訂后的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系考慮了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，安排了相關(guān)計(jì)算機(jī)前沿的選修課程，同時(shí)設(shè)置了三個(gè)可供學(xué)生自由選擇的特色課程選修模塊，提供了2個(gè)綜合實(shí)踐類課程設(shè)計(jì)，增設(shè)了3門專業(yè)、學(xué)科交叉的課程，提供了多門研究型、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程和線上線下混合課程。

4.1 課程整合的要素

（1）在課程目標(biāo)方面，要強(qiáng)調(diào)以工程教育為核心，支撐畢業(yè)要求為目標(biāo)，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)科知識(shí)間的聯(lián)系，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力；（2）在課程內(nèi)容方面，以解決復(fù)雜工程問題為基礎(chǔ)，整合具有內(nèi)在邏輯的多學(xué)科內(nèi)容，各學(xué)科之間相互配合，圍繞某一中心課題的方式組織教學(xué)，實(shí)現(xiàn)從以教師講授為主的填鴨式教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主，不再是教師講、學(xué)生聽，而是學(xué)生真實(shí)地參與到問題的解決中去，通過教師參與指導(dǎo)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式；（3）在課程價(jià)值方面，理解工程設(shè)計(jì)需要考慮多種方案，通過問題引導(dǎo)，學(xué)生組成方案小組，收集材料、制定方案，相互討論，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，不斷嘗試，最后展示成果，引發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與意識(shí)，學(xué)會(huì)用工程與設(shè)計(jì)的思維和方法解決復(fù)雜工程問題，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、實(shí)踐能力，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。

4.2 對(duì)教師的要求

（1）需要教師具備較強(qiáng)的組織能力、協(xié)調(diào)能力、責(zé)任心，通過項(xiàng)目式教學(xué)方式，教師指導(dǎo)學(xué)生在教學(xué)過程中提升自身的綜合能力；（2）項(xiàng)目式教學(xué)方法除要求教師具有學(xué)科基礎(chǔ)理論知識(shí)要求外，教師還要具有一定的工程實(shí)踐能力，授課教師應(yīng)具備較高的工程素養(yǎng)和綜合能力，能主動(dòng)結(jié)合自己的科研項(xiàng)目，積極使用微課、慕課，能夠精心設(shè)計(jì)并實(shí)施項(xiàng)目式學(xué)習(xí)任務(wù)，能為大學(xué)生申報(bào)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目提供支持；（3）教師要善于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，經(jīng)常對(duì)項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行反思及持續(xù)改進(jìn)，針對(duì)項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)中出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)建優(yōu)秀教學(xué)內(nèi)容，并能對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，從而為項(xiàng)目式教學(xué)模式的改革與探索提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[9]。

4.3 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

所有教學(xué)模式都是在一定教學(xué)理論指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)的，STEAM教育理念在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”的大環(huán)境下，立足創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)，新工科的專業(yè)課程要融合經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、教育學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、人工智能等多學(xué)科，組織不同學(xué)院之間的教師進(jìn)行交流，協(xié)同進(jìn)行課程建設(shè)，從而提高學(xué)科融合的質(zhì)量和效果，達(dá)到真正提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的。不同學(xué)科知識(shí)可以融合到一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，既有課程的真實(shí)性，又能體現(xiàn)趣味性使學(xué)生獲得樂趣。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以從橫向和縱向兩個(gè)維度考慮，進(jìn)行相關(guān)課程融合和廣域課程融合。精心營(yíng)造情景化的教學(xué)環(huán)境，良好的課堂氛圍能夠有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，設(shè)計(jì)多元化的教學(xué)情境，教師要打破傳固定化、流程化的思維模式，從如何組織教學(xué)、引導(dǎo)學(xué)生興趣入手，營(yíng)造情景化的教學(xué)環(huán)境，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，好的情景可以很好地展現(xiàn)知識(shí)所處的背景，為學(xué)生提供一個(gè)想象空間。教師從學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程問題，設(shè)計(jì)項(xiàng)目式教學(xué)方案。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，以學(xué)生為主導(dǎo)、教師指導(dǎo)為輔的方式，將學(xué)生分成幾個(gè)研究小組，學(xué)生在小組中相互交流、討論、探討，使用各種檢索工具進(jìn)行材料收集，制定問題解決方案，進(jìn)行設(shè)計(jì)，寫成總結(jié)報(bào)告，進(jìn)行成果展示。詳細(xì)教學(xué)流程設(shè)計(jì)如下：

首先，教師積極制作微課、慕課等數(shù)字化資源，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用數(shù)字化資源進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，教師精心營(yíng)造情景化的教學(xué)環(huán)境，提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)情境資源，結(jié)合自己的科研課題或企業(yè)前沿工程項(xiàng)目給出需要完成的項(xiàng)目，在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生進(jìn)行材料收集，教師提出知識(shí)的重點(diǎn)難點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生如何掌握項(xiàng)目，學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)銜接，培養(yǎng)學(xué)生的探索實(shí)踐能力；接著，課堂內(nèi)，教師進(jìn)行案例分析，講解知識(shí)點(diǎn)，由教師提供“支架”，通過項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生在課堂教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，學(xué)生從不同視角探尋思路，教師針對(duì)學(xué)生提出的問題進(jìn)行答疑解惑，提供同步引導(dǎo)，學(xué)生借助教師的幫助自主探索，此環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生思考問題與解決問題的能力；然后，教師指導(dǎo)學(xué)生小組成員之間開展專題討論，分工協(xié)作，完善各小組的設(shè)計(jì)任務(wù)書及可行性分析，并確定設(shè)計(jì)方案，通過小組協(xié)作的方式解決問題，教師同步引導(dǎo)答疑解惑，合作學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展，激發(fā)學(xué)生參與熱情，在問題解決過程中產(chǎn)生創(chuàng)意，并培養(yǎng)學(xué)生溝通與協(xié)作能力；最后，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對(duì)設(shè)計(jì)方案提煉升華，通過教學(xué)反思，優(yōu)化教學(xué)方案，課程結(jié)束后，學(xué)生分享自己的成果，進(jìn)行成果展示，報(bào)告要語言精練、邏輯清晰、設(shè)計(jì)計(jì)算分析過程要嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確，并相互交流心得和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)不足，經(jīng)過全過程的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的學(xué)習(xí)，學(xué)生的創(chuàng)新能力將會(huì)得到很大的提高。

5 結(jié)語

綜上所述，STEAM教育是在真實(shí)問題的情境中，以學(xué)科整合的方式培養(yǎng)學(xué)生多方面綜合素養(yǎng)的一種教育模式，STEAM教育拓寬了學(xué)生獲取知識(shí)的渠道，它更加重視學(xué)習(xí)的過程，是一種重實(shí)踐的超學(xué)科教學(xué)理念，意在培養(yǎng)學(xué)生具備各學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)能力和綜合運(yùn)用能力，以支撐未來科技的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，并為解決傳統(tǒng)工科專業(yè)課堂教學(xué)存在的教學(xué)效果不佳、教學(xué)模式僵化以及解決復(fù)雜工程問題能力不足等問題起到非常重要的作用。深入學(xué)習(xí)STEAM教學(xué)理念，不斷改革教學(xué)方法，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，并以創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享為發(fā)展理念，加快新工科建設(shè)步伐。