STEM在通信原理課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

謝文武,劉新忠,余 超,朱 鵬

(湖南理工學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

隨著社會(huì)的發(fā)展,科技也日新月異.基于實(shí)用主義哲學(xué)的STEM(Science,Technology,Engineering and Mathematics)教育歷經(jīng)30 多年的發(fā)展,已變得越來越重要,全世界掀起STEM 研究與應(yīng)用的熱潮[1].2016年美國研究所與美國教育部綜合了研討會(huì)與會(huì)學(xué)者對(duì) STEM 未來十年的發(fā)展愿景與建議,聯(lián)合發(fā)布《教育中的創(chuàng)新愿景》,旨在推進(jìn)STEM 教育創(chuàng)新方面的研究和發(fā)展,并為之提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)[2,3].目前我國也在向各類學(xué)校推廣STEM 教育,主要體現(xiàn)在: 教育政策、理論研究及教育實(shí)踐等多方面[4].STEM 教育不是簡單地將科學(xué)、工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科結(jié)合起來,而是培養(yǎng)學(xué)生將解決實(shí)際問題所需的知識(shí)與技能結(jié)合,轉(zhuǎn)變成一個(gè)系統(tǒng)的綜合的認(rèn)知世界的過程.STEM 教育對(duì)應(yīng)的課堂通常是基于實(shí)際問題的探究性學(xué)習(xí),著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生在復(fù)雜情境中提升解決問題的能力[5].

通信原理是通信工程、電子信息等專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程對(duì)培養(yǎng)通信工程、電子信息專業(yè)大學(xué)生利用基本理論解決實(shí)際問題的能力具有重要的意義[6].課程涉及高科技、通信工程、新型技術(shù)以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)等諸多方面,可以在真實(shí)的/現(xiàn)實(shí)的場景中,通過技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)或案例讓學(xué)生感悟高科技的魅力,培育學(xué)生的工程思維,培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)新的精神和不斷探究的勇氣.進(jìn)而將這些積累知識(shí)進(jìn)行有效整合,在各種相關(guān)比賽(例如電子設(shè)計(jì)大賽、創(chuàng)青春、挑戰(zhàn)杯、數(shù)學(xué)建模等)和實(shí)踐中加以應(yīng)用.

1 STEM 在教學(xué)中的誤區(qū)

隨著STEM 教育模式因?yàn)槠淇茖W(xué)性而被越來越多的個(gè)人和機(jī)構(gòu)認(rèn)可,STEM 教育的普及成為國內(nèi)許多學(xué)校的工作方向.從目前已開展的STEM教育所獲得的效果上來看,一方面STEM教育能夠推動(dòng)教師改變?cè)械膫鹘y(tǒng)教學(xué)觀念,引導(dǎo)學(xué)生提高自己各方面的素質(zhì),提升學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量; 另一方面,目前教育工作者對(duì)STEM 教育的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足,導(dǎo)致教學(xué)中存在一些常見誤區(qū),主要體現(xiàn)在如下幾方面[7]:

(1) 重技能培養(yǎng)輕知識(shí)學(xué)習(xí): STEM 教育的特點(diǎn)是多領(lǐng)域?qū)W科的結(jié)合,將不同的學(xué)科知識(shí)融為一體從而產(chǎn)生更好的教學(xué)效果.但部分教師在實(shí)際的教學(xué)過程中往往只注重專業(yè)技能的培養(yǎng),而缺少了系統(tǒng)的知識(shí)學(xué)習(xí).

(2) 重活動(dòng)形式輕科學(xué)精神: STEM 教育中排在第一位的便是科學(xué)性,強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)踐活動(dòng)來獲得解決問題的能力.很多教師花了大量精力去設(shè)計(jì)活動(dòng)形式,卻沒有考慮如何在活動(dòng)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神.

(3) 重學(xué)習(xí)結(jié)果輕學(xué)習(xí)過程: STEM 教育的熱潮雖然讓許多學(xué)校主動(dòng)尋求從傳統(tǒng)教育中轉(zhuǎn)型,但在這個(gè)過程中,難免會(huì)出現(xiàn)功利化現(xiàn)象,即過分追求教育改革的結(jié)果,而忽視了學(xué)習(xí)過程的重要性.

想要有效地利用STEM 思想來提高學(xué)生各個(gè)方面的能力,就要固守教學(xué)的本質(zhì).一旦偏離了教學(xué)本質(zhì),會(huì)容易走進(jìn)上述的三個(gè)誤區(qū).通信原理是一門偏理論的課程,如何在教學(xué)中將技能培養(yǎng)與知識(shí)學(xué)習(xí)、活躍教學(xué)氛圍與科學(xué)研究性相互平衡,需要花費(fèi)更多的精力去探討與研究,才能將STEM 真正應(yīng)用到課堂中,并取得良好的效果.

2 教學(xué)方式差異

引入STEM 教育理念后,與傳統(tǒng)課程目標(biāo)的最大不同有如下三點(diǎn):

(1) STEM 教育結(jié)合了多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí),通過將其與實(shí)際的社會(huì)環(huán)境聯(lián)系,能夠明顯提升學(xué)生的綜合能力;

(2) 在實(shí)際活動(dòng)中,應(yīng)訓(xùn)練學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力,學(xué)習(xí)若僅僅浮于表面,則無法與實(shí)際問題相融合;

(3) STEM 教育帶來的不僅是學(xué)習(xí)結(jié)果的改變,還應(yīng)注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程的改變,形成一個(gè)科學(xué)的、系統(tǒng)的教育架構(gòu).

傳統(tǒng)的教學(xué)先是讓學(xué)生在體驗(yàn)和探究中掌握基本概念,最后才是應(yīng)用于實(shí)際生活,在情感態(tài)度價(jià)值觀中將自己學(xué)習(xí)的知識(shí)、理論應(yīng)用于解決生活實(shí)際問題.而現(xiàn)在,STEM 教育的教學(xué)方式是先將科學(xué)概念和知識(shí)與社會(huì)環(huán)境充分聯(lián)系,根據(jù)不同的社會(huì)環(huán)境設(shè)計(jì)合理的實(shí)踐活動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思考和善于動(dòng)手的能力.

以“調(diào)制”為例,傳統(tǒng)的教學(xué)課堂上,可能先說調(diào)制的概念,然后說有哪些手段可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制,最后做一個(gè)實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制方式.具體課程設(shè)計(jì)如圖1 所示.

圖1 傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(調(diào)制)

但若基于STEM 的教學(xué)理念,在實(shí)施過程中,要以基本知識(shí)講授為基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)為必要組成,學(xué)生自我探究為核心,最后進(jìn)行學(xué)生和教師的交互評(píng)價(jià),從多個(gè)角度對(duì)已有成果進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化.STEM教學(xué)理念流程如圖2 所示.

圖2 STEM 教學(xué)理念流程

在STEM 教學(xué)理念的基礎(chǔ)上,對(duì)“調(diào)制”課堂教學(xué)進(jìn)行了如下調(diào)整:

(1) 首先通過項(xiàng)目導(dǎo)入DIY 音頻放大器.放大器的實(shí)現(xiàn)可以有多種方式: 數(shù)字或模擬兩大類,還可以分很多小類型.在這個(gè)過程中,學(xué)生需要運(yùn)用到其它學(xué)科相關(guān)知識(shí),例如數(shù)字電路設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)、電路分析等.該項(xiàng)目要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)及涉及的跨學(xué)科知識(shí)見圖3 和圖4.

圖3 DIY 音頻放大器項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)

圖4 DIY 音頻放大器項(xiàng)目所涉及跨學(xué)科知識(shí)

(2) 討論音頻放大器實(shí)現(xiàn)方式、應(yīng)用場景及其作用.分組討論,討論過程中,加入合適的問題(例如:改變哪些參數(shù)可以讓聲音傳播得更遠(yuǎn)？收音機(jī)的天線與手機(jī)天線為什么差異這么大,與本設(shè)計(jì)的放大器有無關(guān)系？等等諸多相關(guān)探討性問題),最終得出初步結(jié)論.

(3) 討論本組和其他組的設(shè)計(jì)及問題,進(jìn)行多維度評(píng)價(jià).

(4) 教師對(duì)設(shè)計(jì)和討論中所遇到的問題、現(xiàn)象進(jìn)行概念提煉與解釋,讓學(xué)生在應(yīng)用中深刻地理解“調(diào)制”的概念.

(5) 課后完善產(chǎn)品,完善產(chǎn)品需求報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告等內(nèi)容.學(xué)生課間討論、總結(jié).提出本組和其他組產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)及需要優(yōu)化的地方.

(6) 教師總結(jié): “調(diào)制”的概念、目的、實(shí)現(xiàn)方式及各種方式的優(yōu)缺點(diǎn).

3 STEM 教學(xué)理念難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)

通信原理作為一門理論性較強(qiáng)的課程,采取與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式比較困難,需要教師具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景和扎實(shí)的通信理論基礎(chǔ).筆者在通信企業(yè)工作10 余年,在通信相關(guān)知識(shí)方面可以做到融會(huì)貫通,在給學(xué)生講授知識(shí)點(diǎn)的過程中能恰到好處地引入合適的實(shí)際案例進(jìn)行探討.通信原理課程體系框架如圖5 所示.

圖5 通信原理課程體系框架

此外,STEM 教學(xué)理念需要學(xué)生和教師在課外付出更多的精力,不同知識(shí)點(diǎn)都需要項(xiàng)目式導(dǎo)入,課時(shí)與精力很難支撐.因此需要教師選擇合適的、覆蓋面較廣且容易擴(kuò)展與延伸的實(shí)際項(xiàng)目.再者,要結(jié)合學(xué)生學(xué)情,選擇難易度合適的小課題.通過與教授相同課程的教師討論,與高年級(jí)學(xué)生進(jìn)行探討,能做到多方面全方位的覆蓋,讓學(xué)生真正在實(shí)踐中學(xué)習(xí),在學(xué)習(xí)中掌握科學(xué)精神,領(lǐng)略研究魅力.