STEAM教育理念下跨學(xué)科融合案例分析*

原晨冉 馮小燕 趙明富 石放

摘? 要? STEAM教育倡導(dǎo)多學(xué)科融合，以學(xué)科融合的方式支持學(xué)生認(rèn)識世界，符合學(xué)生雙重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)[1]。對比不同跨學(xué)科模式，建立STEAM理念下的學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動模型，在此基礎(chǔ)上對基于STEAM理念的項目設(shè)計流程進行探討，對“華為杯”研究生數(shù)學(xué)建模競賽案例進行系統(tǒng)分析。研究發(fā)現(xiàn)，以項目解決為導(dǎo)向的跨學(xué)科融合競賽可以使學(xué)生增強學(xué)習(xí)動機，強化自我認(rèn)同感，提升創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞? STEAM教育；跨學(xué)科融合；競賽組隊；數(shù)學(xué)建模競賽；任務(wù)驅(qū)動模型

中圖分類號：G643? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）22-0097-05

0? 引言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的加速，新的分支學(xué)科和新的增長點不斷出現(xiàn)，學(xué)科深度交叉融合勢在必行[2]。經(jīng)濟社會發(fā)展對高層次、創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的需求更加迫切。從20世紀(jì)50年代起，高校及研究所的組織機構(gòu)擴大，研究人員增多，學(xué)科結(jié)構(gòu)也在不斷細(xì)化。

21世紀(jì)以來，隨著學(xué)科的不斷細(xì)分和信息技術(shù)的快速發(fā)展，科研的重點和方向也越來越明確，但是傳統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)造成無法跨越的學(xué)科鴻溝，無法進行更加高效的溝通協(xié)作，較為復(fù)雜的問題也必須通過多個學(xué)科結(jié)合才能解決。傳統(tǒng)的院系結(jié)構(gòu)、專業(yè)設(shè)置、教學(xué)模式并不完全滿足當(dāng)下社會的需要，因此，如何促進跨專業(yè)教育融合，進行管理模式和科研方式的變革，是全球高校都應(yīng)該重視且有效解決的共同問題?？鐚W(xué)科融合專業(yè)的創(chuàng)立是當(dāng)前高等教育中推動跨學(xué)科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的根本途徑[3]。

STEAM教育提倡多學(xué)科融合，支持學(xué)生用學(xué)科融合的方式認(rèn)知世界，注重創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，近年來引起教育界的廣泛關(guān)注。通過STEAM教育與傳統(tǒng)教育的結(jié)合，我國當(dāng)前研究產(chǎn)生的STEAM教育案例可以指導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，STEAM教育理念下跨學(xué)科教育整合的優(yōu)勢在于，以共同任務(wù)為目標(biāo)，以任務(wù)為主線，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，以任務(wù)驅(qū)動和探究式學(xué)習(xí)為手段進行教學(xué)或研究，進而解決實際問題[4]。

1? 理論探討

STEAM教育理念和跨學(xué)科融合具有提高學(xué)生“雙創(chuàng)”能力的共同目標(biāo)，“雙創(chuàng)”比賽（如數(shù)學(xué)建模競賽）可以作為項目解決的案例進行分析，既有競賽性質(zhì)，又會形成學(xué)術(shù)成果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和高階思維。STEAM理念不斷更新，學(xué)科整合愈加流行，較為典型的兩種跨學(xué)科融合方式是校企結(jié)合和競賽組隊，其中競賽組隊的跨學(xué)科融合方式在高校中應(yīng)用廣泛，效果顯著。

1.1? 跨學(xué)科融合方式

基于探究式的學(xué)科整合模式可以使學(xué)生均衡發(fā)展聽說讀寫的綜合能力，提高問題解決和與溝通交流能力。然而，目前因高校院系與學(xué)科的領(lǐng)域特定性，不同學(xué)科在進行交叉融合時存在壁壘。競賽組隊是學(xué)科融合的有效方式，可以使學(xué)生在具備當(dāng)前專業(yè)科學(xué)知識的前提下吸收學(xué)習(xí)其他學(xué)科知識，提高高階思維能力與溝通交流能力。

1.2? 競賽組隊是跨學(xué)科融合的有效方式

競賽組隊（國家政策）是跨學(xué)科融合的典型方式?！半p創(chuàng)”大賽是在一個共同目標(biāo)的指引下，在短時間內(nèi)匯聚各學(xué)科人才，旨在提高學(xué)生的創(chuàng)新和合作能力。這些競賽的開展表明了時代對學(xué)生創(chuàng)新能力的重視。單一的學(xué)科知識顯然不能滿足多元化和創(chuàng)新的要求，不同學(xué)科人才的結(jié)合和互補是當(dāng)今社會更深層次的需求與要求。

競賽組隊是一種多人組隊的方式，是以組成團隊要解決的任務(wù)為驅(qū)動的學(xué)科融合方式。在參與競賽過程中，團隊成員發(fā)揮所長、補充其短，在解決問題過程中實現(xiàn)不同學(xué)科知識的交叉融合。

2? STEAM理念下的學(xué)科融合模型

如圖1所示，基于任務(wù)驅(qū)動流程對STEAM理念下的學(xué)科融合模型進行設(shè)計，其中學(xué)科特點分工過程涉及不同學(xué)科的優(yōu)勢和項目解決所需能力的要求，體現(xiàn)了跨學(xué)科合作交流過程?？傮w流程分為項目內(nèi)容選擇、項目目標(biāo)分解、明確分工、項目實施、項目整合修正、項目展示六個步驟。依據(jù)學(xué)科特點進行分工，根據(jù)項目類型可以分為資料搜集、工具使用、整體框架與信息整合、其他任務(wù)協(xié)調(diào)溝通四大類。

2.1? 項目內(nèi)容選擇和目標(biāo)分解階段

學(xué)生在創(chuàng)新能力提升過程中會有許多項目內(nèi)容和題目可以選擇，“雙創(chuàng)”型競賽也會提供不同問題讓學(xué)生去解決。以數(shù)學(xué)建模競賽為例，有從A到E五種不同問題類型可供選擇。在該階段，學(xué)生需要從眾多項目類型中選擇想要研究的問題類型并進行項目目標(biāo)的分解，幾個小目標(biāo)可以由不同成員去完成，也可以一個目標(biāo)由幾名成員共同完成。

2.2? 學(xué)科特點分工階段

此次案例分析的人員在2019年的數(shù)學(xué)建模競賽中年級梯度分布較為均勻，研究生一年級、二年級、三年級均有學(xué)生參加；而2020年比賽只有研究生二年級學(xué)生參加，且比2019年少五支參賽隊伍，這與疫情的暴發(fā)及學(xué)校封閉式管理不無關(guān)系。雖然年級梯度不理想，但基本上每個隊伍都是三個不同專業(yè)跨學(xué)科合作，仍然具有較為鮮明的跨學(xué)科特點。

每年競賽的熱點問題不一樣，隨著年份變化，所需能力也有一定傾斜。2019年競賽賽題偏重大數(shù)據(jù)搜索、分析、解決問題，而2020年則偏重數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)分析等方法，相對上一年難度更大、算法種類更多，不變的是最后的模型建議與檢驗。數(shù)學(xué)學(xué)院的學(xué)生在比賽中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析與模型建立，信息工程學(xué)院的學(xué)生則負(fù)責(zé)論文整體思路以及代碼實現(xiàn)，而機電學(xué)院的學(xué)生對MATLAB軟件和SPSS軟件實踐能力較強。每個成員都有自己擅長的領(lǐng)域，并與組內(nèi)其他隊員工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一，最終實現(xiàn)方法和結(jié)果的最優(yōu)化，在有效時間內(nèi)完成任務(wù)。

2.3? 項目實施與修正階段

在項目內(nèi)容選擇、目標(biāo)分解和成員分工完成之后，進入項目實施階段。其中具體研究內(nèi)容確定之后不會輕易變動，項目從目標(biāo)分解到項目實施的整個過程中遇到阻礙，如時間不協(xié)調(diào)等情況，都可以及時進行修正。初步問題解決之后，對整個流程信息進行匯總整理，不斷完善步驟細(xì)節(jié)，直至得出團隊內(nèi)部最初的成果。

2.4? 項目展示階段

團隊成員得到最初的成果后，教師會對成果進行檢驗并給出評價與不足之處，在有限時間內(nèi)團隊成員繼續(xù)對項目成果進行修改直至最終提交。一段時間后，競賽組織方會對成果進行評價并劃分等級，如一等獎、二等獎、三等獎與優(yōu)秀獎。團隊最終成果也可以根據(jù)個人興趣從不同角度進行分析，得出新的個人學(xué)術(shù)成果。在比賽過程中，每位成員都發(fā)揮應(yīng)有的作用，都會有屬于自己的成就感，如完成一次良好的合作、在過程中獲得其他學(xué)科的知識、充分發(fā)揮自我才能等。

3? 華為杯研究生數(shù)學(xué)建模案例分析

競賽組隊是跨學(xué)科融合方式之一，STEAM理念下完成競賽過程可以作為項目案例進行分析。本文基于STEAM理念下的學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動模型，以2020年“華為杯”研究生數(shù)學(xué)建模競賽所給的A～E題中的B題“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”作為案例進行分析。

3.1? “降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”項目流程設(shè)計

基于STEAM理念下的學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動模型，以2020年比賽中B題“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”為分析對象，針對五個待解決的問題設(shè)計流程圖，如圖2所示。

此項目案例流程設(shè)計以STEAM理念下的學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動模型為指引，在中間流程涉及數(shù)據(jù)處理、篩選主要變量、建立并檢驗?zāi)Ｐ?、方案?yōu)化和模型可視化展示等五個具體問題的解決方案。其中查閱文獻貫穿整個項目過程，充分體現(xiàn)了STEAM理念下的任務(wù)驅(qū)動法在跨學(xué)科融合中的應(yīng)用。

3.2? “降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”項目案例分析

“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”是“雙創(chuàng)”比賽研究生數(shù)學(xué)建模中的一個題目，不同學(xué)科的學(xué)生在比賽規(guī)定的三天簡短的時間內(nèi)對與生活相關(guān)的五個問題進行資料信息搜集和解答，從而在這個問題解決的過程中實現(xiàn)跨學(xué)科整合和高階思維能力的培養(yǎng)，這在傳統(tǒng)課堂上很難做到。

本研究將STEAM理念融入“雙創(chuàng)”比賽中的“華為杯”研究生數(shù)學(xué)建模競賽進行案例分析，以選擇B題的三類跨學(xué)科高校學(xué)生為研究對象，以項目式為研究方式、任務(wù)驅(qū)動法為理論基礎(chǔ)，項目的設(shè)計以上述STEAM理念下的學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動模型為指導(dǎo)，讓學(xué)生協(xié)作解決給出的五個問題，具體項目案例如表1所示。

“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”項目案例不同于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，在學(xué)生了解題目的相關(guān)主題知識后，使學(xué)生發(fā)散思維，每位隊員充分發(fā)揮特長，利用自身相關(guān)學(xué)科優(yōu)勢去搜集資料。在這個過程中，學(xué)生會發(fā)揮主觀能動性，篩選出必要的信息，在此基礎(chǔ)上思考并推進數(shù)據(jù)處理、變量篩選、模型建立以及模型可視化等項目的具體任務(wù)。融入STEAM理念，學(xué)生利用項目解決的方式開展團隊學(xué)習(xí)。在這個過程中，學(xué)生能充分體會跨學(xué)科整合的樂趣，能在問題解決的過程中更好地與人協(xié)作，提高思維能力，完成任務(wù)目標(biāo)，增強創(chuàng)新能力。

4? 結(jié)論

本研究將STEAM理念融入“雙創(chuàng)”型競賽中，項目式教學(xué)與STEAM理念下學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動模型的目標(biāo)都為提升學(xué)生的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。在項目實施過程中，除在課堂上機械反復(fù)地練習(xí)理論知識外，還與其他學(xué)科知識相結(jié)合，以提升學(xué)生對問題的分析和解決能力。

競賽組隊的跨學(xué)科融合方式可以增強學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。通過本文的案例分析發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)實結(jié)合緊密的任務(wù)驅(qū)動比課堂上按部就班的課程學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)動機，激勵學(xué)生主動解決問題，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提升綜合能力。當(dāng)把任務(wù)分成多層小目標(biāo)時，每達成一個小目標(biāo)就會增強學(xué)生的自我效能感，且短時間能結(jié)束的任務(wù)比周期長的更容易獲得滿足感。

參考文獻

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*項目來源：教育部人文社會科學(xué)研究專項任務(wù)項目（工程科技人才培養(yǎng)研究）一般項目“人工智能人才培養(yǎng)新模式研究”（項目號：18JDGC017）；河南省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目“移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下大學(xué)生學(xué)習(xí)投入對學(xué)習(xí)收獲的影響及干預(yù)研究”（項目號：2019BJY009）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“虛擬現(xiàn)實類課程教學(xué)體系構(gòu)建與實踐創(chuàng)新”（項目號：202002080002）。

作者：原晨冉，河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，主要研究方向為教育信息化；馮小燕，河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，副教授，主要研究方向為數(shù)字化學(xué)習(xí)資源設(shè)計；趙明富，河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，教授，主要研究方向為教育信息化；石放，河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，主要研究方向為農(nóng)業(yè)信息化（453000）。