結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論課程教學(xué)研究與實(shí)踐

余遠(yuǎn)昱　王久江　魏麗君　秦雨萍　徐晶

摘? 要： “新工科”建設(shè)對(duì)高校的工科專業(yè)人才培養(yǎng)模式提出了更高的要求。文章介紹了在物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)課程中，使用結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論的研究與實(shí)踐。通過(guò)在課程中構(gòu)建STEAM學(xué)科與知識(shí)點(diǎn)，對(duì)前導(dǎo)課程之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行知識(shí)整合，以及建立基于項(xiàng)目的自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方法和以完成項(xiàng)目任務(wù)為核心的評(píng)價(jià)體系等措施，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞： STEAM教育理論; 項(xiàng)目學(xué)習(xí)法; “新工科”; 物聯(lián)網(wǎng)工程

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）03-114-03

Abstract： The construction of "New Engineering" puts forward higher requirements for the training mode of engineering talents in colleges and universities. This article introduces the research and practice of using STEAM education theory combined with project-based learning method in teaching of the Internet of Things engineering professional courses. By constructing the STEAM disciplines and knowledge points in the courses， integrating the knowledge of the related between preceding courses， as well as establishing the project-based autonomous learning teaching method， and the evaluation system focusing on completing project task， students' comprehensive quality and innovation ability are improved.

Key words： STEAM education theory; project-based learning; "New Engineering"; Internet of Things engineering

0 引言

為了適應(yīng)當(dāng)今世界信息化發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)高校工程教育的改革創(chuàng)新，2017年2月教育部發(fā)布了“新工科”建設(shè)規(guī)劃[1]?！靶鹿た啤蓖怀隽藢?shí)用、學(xué)科交叉與綜合的特點(diǎn)，特別注重人工智能、電子信息、自動(dòng)化控制、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的緊密結(jié)合，面向新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)的需求，培養(yǎng)具備較強(qiáng)工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的卓越工程人才[2-4]。因此，我國(guó)高等院校的工科教育正面臨著一場(chǎng)深刻的變革，不僅需要對(duì)現(xiàn)有工科專業(yè)培養(yǎng)方案改革，也要與時(shí)俱進(jìn)地增設(shè)符合未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新專業(yè)。按照“新工科”建設(shè)目標(biāo)，許多高校已開(kāi)展工科專業(yè)的教學(xué)改革。本文介紹了我校（內(nèi)江師范學(xué)院）在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)中引入結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論進(jìn)行教學(xué)改革的研究與實(shí)踐成果。

1 概念介紹

1.1 項(xiàng)目學(xué)習(xí)法（PBL）

項(xiàng)目學(xué)習(xí)法（Project-Based Learning， PBL）是在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下的以學(xué)習(xí)者為中心的一種教學(xué)模式[5]。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法不同，PBL教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，而不是以教師講授為主。在教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)了貼近真實(shí)性的任務(wù)，在復(fù)雜問(wèn)題的場(chǎng)景里設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)。由學(xué)習(xí)者通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)及團(tuán)隊(duì)成員間的相互協(xié)作來(lái)解決問(wèn)題，學(xué)習(xí)隱藏在問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí)，提高自主學(xué)習(xí)意識(shí)和解決問(wèn)題的能力[6]。PBL通過(guò)項(xiàng)目分組來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、組織管理能力、工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。二十世紀(jì)九十年代，國(guó)內(nèi)的高等院校開(kāi)始引入PBL到專業(yè)課程的教學(xué)中。

1.2 STEAM教育理論

1986年，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)發(fā)表的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告中提出了一種由科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）多學(xué)科融合的綜合教育概念，也就是STEAM 教育。其目的是促進(jìn)學(xué)科的融合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[7]。STEAM教育以創(chuàng)新的成果為導(dǎo)向，重視學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合和創(chuàng)新的能力培養(yǎng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始探究STEAM教育的本土化發(fā)展，涌現(xiàn)出紛繁多樣的教育實(shí)踐形式，本土研究也呈現(xiàn)出逐漸繁榮的態(tài)勢(shì)。2016年6月，中國(guó)教育部頒布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，明確提出要進(jìn)一步加強(qiáng)信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）中的應(yīng)用，從國(guó)家的政策的層面上推進(jìn)STEAM 教育理論本土化建設(shè)與發(fā)展。

1.3 PBL與STEAM教育理論的結(jié)合

PBL以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心，是一種以解決實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)的教學(xué)方式，涵蓋了面對(duì)挑戰(zhàn)性問(wèn)題如何開(kāi)展研究、如何實(shí)踐探索、如何成果進(jìn)行評(píng)價(jià)與改進(jìn)等核心要素。在學(xué)習(xí)中，PBL要求學(xué)生有能力進(jìn)行跨學(xué)科的思維整合，通過(guò)項(xiàng)目分組學(xué)習(xí)，將分散的多個(gè)學(xué)科問(wèn)題融合，解決復(fù)雜的問(wèn)題。而STEAM教育方法則是基于跨學(xué)科體驗(yàn)、探究、實(shí)踐教學(xué)，強(qiáng)調(diào)整合的教學(xué)方式，包括了學(xué)科知識(shí)整合取向，生活經(jīng)驗(yàn)整合取向，學(xué)習(xí)者中心整合取向這三個(gè)方面核心內(nèi)容。通過(guò)PBL教學(xué)，有利于實(shí)現(xiàn)這三方面的整合，因此在STEAM教育理論的研究與實(shí)踐中，引入PBL方法是十分有益的[8]。

2 結(jié)合PBL的STEAM課程教學(xué)研究實(shí)踐

2.1 課程簡(jiǎn)介

結(jié)合我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學(xué)現(xiàn)狀，選擇“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程作為試點(diǎn)，開(kāi)展結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐。“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”是面向大三學(xué)生開(kāi)設(shè)的選修課程，主要講授基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。課程由校方和企業(yè)合作共建，企業(yè)提供基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制芯片開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板上配備了CAN、RS232、RS485、I2C、SPI、ADC和DAC接口，通過(guò)接口連接不同外部設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)特定的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程包括芯片功能介紹，接口電路設(shè)計(jì)，傳感器、外設(shè)應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。經(jīng)過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠根據(jù)特定場(chǎng)景需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

2.2 實(shí)施框架

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)法的STEAM教育以跨學(xué)科的任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，圖1是“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革研究的實(shí)施框架。強(qiáng)調(diào)了五個(gè)學(xué)科的交叉融合，并以項(xiàng)目學(xué)習(xí)法的成果為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生理性思維，提升創(chuàng)新和問(wèn)題解決能力。

2.3 STEAM教學(xué)方案

“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”是對(duì)高年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的綜合設(shè)計(jì)課程，內(nèi)容涉及物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多門前導(dǎo)課程。結(jié)合STEAM教學(xué)理論所涉及的五個(gè)學(xué)科，將知識(shí)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)課程的關(guān)系進(jìn)行分類，如表1所示。

通過(guò)建立學(xué)科、知識(shí)點(diǎn)與前導(dǎo)課程的關(guān)聯(lián)，使得學(xué)生在“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程學(xué)習(xí)中也鞏固了之前所學(xué)的課程知識(shí)。五個(gè)學(xué)科的教學(xué)任務(wù)概述如下。

科學(xué)：指導(dǎo)學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中選用傳感器的科學(xué)原理，如光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等。引導(dǎo)學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用科學(xué)方法選用傳感器，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

技術(shù)：指導(dǎo)學(xué)生使用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（C語(yǔ)言）編寫物聯(lián)網(wǎng)芯片控制傳感器和外部設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)程序，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際方案中。

工程：指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求，能夠進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)芯片的嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、連線與系統(tǒng)調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和工程開(kāi)發(fā)能力。

藝術(shù)：提高學(xué)生的審美能力，要求學(xué)生在實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的前提下，能夠從美觀、實(shí)用的角度出發(fā)，以圖紙的形式演示主板、傳感器和外部設(shè)備的外殼，激發(fā)學(xué)生藝術(shù)創(chuàng)作的靈感。

數(shù)學(xué)：指導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)學(xué)、算法分析等方法優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率。培養(yǎng)學(xué)生在工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中自覺(jué)運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯思維的習(xí)慣。

STEAM教學(xué)理論要求在跨學(xué)科思維的基礎(chǔ)上開(kāi)展對(duì)科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)能力、工程開(kāi)發(fā)能力、藝術(shù)修養(yǎng)和數(shù)學(xué)思維能力的培養(yǎng)。課程教學(xué)的任務(wù)是學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出面向工業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。結(jié)合課程培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)中更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的交叉綜合，促進(jìn)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的相互融合，培養(yǎng)具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力的跨界工程人才。

2.4 項(xiàng)目學(xué)習(xí)法教學(xué)實(shí)施

PBL是一種以學(xué)習(xí)者為主的教學(xué)方法，賦予學(xué)生自主學(xué)習(xí)和教育的責(zé)任，培養(yǎng)其主動(dòng)學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題的能力。一般是通過(guò)學(xué)生分組來(lái)激發(fā)其主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的自學(xué)能力。“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取以下方案實(shí)施PBL教學(xué)法。

⑴ 建立以解決問(wèn)題為目的的自主學(xué)習(xí)模式

學(xué)生是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體，不再以單純完成教師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)為目的。學(xué)生根據(jù)教師提出的項(xiàng)目指標(biāo)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，主動(dòng)提出問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題做分析并給出問(wèn)題的解決方案。實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分按照循序漸進(jìn)的原則分為“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”、“進(jìn)階實(shí)驗(yàn)”和“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”三個(gè)專題?！盎A(chǔ)實(shí)驗(yàn)”是在芯片驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，大幅度增加與企業(yè)的工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)所需的操作內(nèi)容，使學(xué)生掌握芯片的開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建、SDK編譯、下載調(diào)試、硬件驗(yàn)證分析等方面的知識(shí)和技能?！斑M(jìn)階實(shí)驗(yàn)”則從典型物聯(lián)網(wǎng)控制的工程項(xiàng)目中提取出部分任務(wù)作為題目，學(xué)生通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)和高級(jí)程序語(yǔ)言編程解決工程問(wèn)題。“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”的目標(biāo)是提高學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的軟、硬件開(kāi)發(fā)能力?！皠?chuàng)新實(shí)驗(yàn)”可由學(xué)生自主選擇、或在教師指導(dǎo)下擬定題目。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織安排，不墨守成規(guī)，而是給予學(xué)生一定的選擇空間。學(xué)生可以結(jié)合自己的興趣特長(zhǎng)，以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)形式共同完成實(shí)驗(yàn)。

⑵ 建立以完成項(xiàng)目任務(wù)為核心的評(píng)價(jià)體系

“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)目標(biāo)是使得學(xué)生具備解決物聯(lián)網(wǎng)工程問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)由學(xué)生項(xiàng)目分組完成，并鼓勵(lì)學(xué)生自主選擇“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”的題目。因此不能以傳統(tǒng)的筆試方法評(píng)價(jià)考核學(xué)生。課程考核方法改為提交設(shè)計(jì)報(bào)告;做PPT并上臺(tái)講解演示;回答教師的提問(wèn)。

與之相適應(yīng)，制訂了一套公平的課程考核評(píng)價(jià)體系，在考慮不同項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)難度和創(chuàng)新的前提下，對(duì)學(xué)生的個(gè)人學(xué)習(xí)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。課程考核評(píng)價(jià)因素主要包括項(xiàng)目難度、創(chuàng)新性、項(xiàng)目完成度、團(tuán)隊(duì)任務(wù)分工、任務(wù)解決能力、PPT講解、回答問(wèn)題、報(bào)告規(guī)范性等多方面。以完成項(xiàng)目任務(wù)為核心的考核方式有利于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

2.5 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

本學(xué)年對(duì)18級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的 “工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程進(jìn)行教學(xué)改革。在面對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，學(xué)生能夠從科學(xué)原理、技術(shù)可行性、工程復(fù)雜性、算法優(yōu)化等角度進(jìn)行分析，也能夠考慮到真實(shí)場(chǎng)景下產(chǎn)品的美觀與實(shí)用性并對(duì)設(shè)計(jì)方案加以完善。學(xué)生認(rèn)識(shí)到在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中主動(dòng)實(shí)現(xiàn)多學(xué)科相互融合的重要性。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分組教學(xué)中，學(xué)生能夠積極進(jìn)行組內(nèi)或組間相互討論，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)較強(qiáng)。大部分學(xué)生能夠根據(jù)課程的評(píng)價(jià)體系，完成課程的學(xué)習(xí)。學(xué)生遇到類似的工程問(wèn)題不會(huì)發(fā)憷，學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到了明顯地提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

“新工科”建設(shè)給我國(guó)高等院?，F(xiàn)有工科專業(yè)的人才培養(yǎng)模式帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，在工科課程教學(xué)中引入結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論，不僅能夠提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，也有利于培養(yǎng)符合“新工科”要求的復(fù)合型創(chuàng)新人才。本文介紹了在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革方面的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可為我校物聯(lián)網(wǎng)工程、智能科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)相關(guān)課程的STEAM教育改革提供借鑒。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 林健.面向未來(lái)的中國(guó)新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017（2）：26-35

[2] 林健.新工科建設(shè)：強(qiáng)勢(shì)打造“卓越計(jì)劃”升級(jí)版[J].高等工程教育研究，2017（3）：13-20

[3] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017，3（1）：1-6

[4] 趙繼，謝寅波.新工科建設(shè)與工程教育創(chuàng)新[J].高等工程教育研究，2017（5）：19-23，47

[5] 劉景福，鐘志賢.基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL）模式研究[J].外國(guó)教育研究，2002（11）：18-22

[6] 沈建新，王海燕.PBL：一種新型的教學(xué)模式[J]. 復(fù)旦教育論壇，2001，22（2）：36-38

[7] 范文翔，張一春.STEAM教育：發(fā)展，內(nèi)涵與可能路徑[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018（3）：99-105

[8] 崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項(xiàng)目的STEAM學(xué)習(xí)探析：核心素養(yǎng)的視角[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：教育科學(xué)版，2017（4）

[9] 李盟，軋超，陳建輝，等.創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略背景下新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系研究[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2018（4）

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