基于STEM的高校專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革探索＊

劉海成，劉茹佳

（1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300）

當(dāng)前，中國高等教育的規(guī)模已是世界之最，作為名副其實(shí)的高等教育大國而非高等教育強(qiáng)國，在現(xiàn)有高等教育體系下培養(yǎng)的學(xué)生特別是工科學(xué)生雖然理論知識水平扎實(shí)，但普遍存在創(chuàng)新能力不足以及實(shí)踐能力不強(qiáng)的問題，這些均會(huì)制約國家的進(jìn)步及發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。高校作為當(dāng)前中國人才培養(yǎng)的搖籃，需進(jìn)一步深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革、不斷夯實(shí)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的厚實(shí)基礎(chǔ)、不斷增強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，進(jìn)而為國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效提供支撐。此外，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速、高質(zhì)發(fā)展的同時(shí)，對水生態(tài)環(huán)境及水資源保護(hù)與利用的工作不可忽視，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。

長三角區(qū)域涉及中國中東部地區(qū)、長江流域三省一市，即江蘇省、浙江省、安徽省和上海市，該區(qū)域在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展版圖中極具重要地位。長三角區(qū)域是中國重要的水環(huán)境涵養(yǎng)區(qū)域，水域面積在區(qū)域總面積中的占比高于國內(nèi)其他區(qū)域。豐富的水資源支撐地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，但同時(shí)出現(xiàn)了水環(huán)境污染、水質(zhì)性缺水等工業(yè)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中的弊端。解決水環(huán)境問題正是給排水專業(yè)技術(shù)人員的職責(zé)所在，水環(huán)境污染的治理及健康水環(huán)境的保持需要大量的給排水專業(yè)人才?；陂L三角區(qū)域一體化發(fā)展對給排水科學(xué)與工程專業(yè)人才的需求，放眼國家發(fā)展的戰(zhàn)略所需，亟需培養(yǎng)適應(yīng)新形勢的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型專業(yè)人才。

《中國STEM教育白皮書》指出，STEM教育有助于持續(xù)發(fā)揮作用，已然成為世界各國教育改革的戰(zhàn)略選擇[1]。STEM教育是跨學(xué)科、跨學(xué)段的連貫課程群，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識創(chuàng)造性解決問題的能力是STEM教育的主要目標(biāo)。此外，創(chuàng)新教育及高校思想政治教育在工科人才培養(yǎng)中的地位愈發(fā)重要。鑒于此，本文面向經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下高素質(zhì)綜合性人才的需求，結(jié)合長三角區(qū)域一體化發(fā)展的國家戰(zhàn)略，以蘇州科技大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)與發(fā)展為例，采用STEM教育理念對其實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行探索。

1 STEM實(shí)踐教學(xué)模式構(gòu)建

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式下，學(xué)生依據(jù)教師布置的作業(yè)或任務(wù)，通過操作儀器設(shè)備或繪圖軟件，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或設(shè)計(jì)圖紙，并最終形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告或設(shè)計(jì)成果。上述實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)采用的模式不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，亦不能引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用所學(xué)的知識去解決工程實(shí)踐中存在的問題。與傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式不同，STEM教育模式更加注重實(shí)踐教學(xué)的項(xiàng)目化管理，涵蓋教學(xué)大綱中的各個(gè)知識點(diǎn)以及各知識所對應(yīng)學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系。STEM教學(xué)模式屬于設(shè)計(jì)型、綜合型教育模式，其構(gòu)成要素包括提出問題、分析問題、解決問題等內(nèi)容[2]。基于STEM的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)不僅考察學(xué)生的相關(guān)知識掌握能力，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、舉一反三解決工程應(yīng)用問題的素質(zhì)。因此，高校教師在設(shè)置實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)需根據(jù)不同的專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行靈活設(shè)置。

1.1 項(xiàng)目選題

STEM教育模式是培養(yǎng)具有創(chuàng)新素養(yǎng)人才的重要依托，教育模式的實(shí)施前提是要求學(xué)生應(yīng)具備相應(yīng)的理科基礎(chǔ)如科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等。STEM教育理念以真實(shí)的問題為學(xué)習(xí)導(dǎo)向，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)。因此，開展STEM教育需在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的項(xiàng)目選題上遵循以下2個(gè)原則：①需以問題為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)問題源于現(xiàn)實(shí)世界；②以工程為導(dǎo)向，項(xiàng)目選題可來源于實(shí)際工程問題，但內(nèi)涵要求高于實(shí)際工程問題。

STEM模式下的項(xiàng)目選題應(yīng)契合專業(yè)教育背景。深刻理解專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)及培養(yǎng)過程中的核心要求，有利于開展基于STEM的項(xiàng)目選題工作。

給排水科學(xué)與工程專業(yè)是中國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的主要工科專業(yè)之一，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展、符合社會(huì)需求、解決工程問題的高素質(zhì)工程技術(shù)專業(yè)人才。專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)著眼于人才的能力、知識、素質(zhì)3個(gè)方面的綜合素養(yǎng)，如圖1所示。在工程認(rèn)證的大形勢下，其中能力的培養(yǎng)體現(xiàn)在復(fù)雜工程問題的分析及解決能力、專業(yè)知識的獲取及應(yīng)用能力、基于社會(huì)發(fā)展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。知識的培養(yǎng)體現(xiàn)在扎實(shí)的專業(yè)理論知識、豐富的人文社科交往能力、基于社會(huì)發(fā)展的廣泛的自然科學(xué)知識。素質(zhì)的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在三觀正確的家國情懷、內(nèi)涵豐富的健康人格、積極向上的健康體魄。誠然，在人才培養(yǎng)過程中，素質(zhì)、知識、能力3個(gè)方面的關(guān)系較為復(fù)雜，總體來說三者既彼此獨(dú)立又相互依存。良好的素質(zhì)離不開豐富的知識與突出的能力，知識的獲取離不開謙遜的人格和一心向?qū)W的能力，而能力的展現(xiàn)恰是完美人格與豐富知識的有機(jī)結(jié)合。這些要求對于培養(yǎng)合格的給水排水專業(yè)人才并服務(wù)社會(huì)至關(guān)重要，也是人才價(jià)值的體現(xiàn)所在。

1.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)開展專業(yè)實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)人才的有效手段。在完成項(xiàng)目選題之后進(jìn)行教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要體現(xiàn)科學(xué)調(diào)查與工程實(shí)踐，以凸顯培養(yǎng)學(xué)生主觀能動(dòng)性的意識、提升學(xué)生工程科學(xué)素養(yǎng)?；赟TEM的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)，其教學(xué)內(nèi)容安排上應(yīng)避免簡單的拼接，尤其是杜絕無創(chuàng)新元素或有悖于STEM理念的內(nèi)容出現(xiàn)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之中。另需注意，STEM教育的特點(diǎn)是可依據(jù)項(xiàng)目問題預(yù)計(jì)結(jié)果的方向，所以項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需保留不同的目標(biāo)探究路徑，并針對可能技術(shù)路徑的各元件，保持其不可固定性或靈活設(shè)置性。再有，STEM教育強(qiáng)調(diào)以科學(xué)調(diào)查為基礎(chǔ)，所以項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初就應(yīng)預(yù)想到項(xiàng)目的實(shí)施流程，即項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)遵從工程實(shí)踐的基本流程，注重分析問題和解決問題的能力[3]。

人才的培養(yǎng)應(yīng)牢記其初心，即應(yīng)是基于社會(huì)發(fā)展與需求的人才培養(yǎng)。對于高等學(xué)校教育，如果將高校比作工廠，學(xué)生既是原料也是產(chǎn)品，而社會(huì)即是市場，學(xué)生進(jìn)入社會(huì)即是產(chǎn)品投放市場。畢業(yè)生進(jìn)入社會(huì)后能否被社會(huì)所接受并真正融入社會(huì)發(fā)展進(jìn)程甚或促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，是對人才培養(yǎng)的最為真實(shí)有效的檢驗(yàn)手段。此外，項(xiàng)目設(shè)計(jì)也應(yīng)充分考慮創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。當(dāng)前，社會(huì)的發(fā)展靠人才的競爭，而人才的區(qū)別不僅僅在于知識、能力、素質(zhì)等方面的差別，創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力更是人才競爭中的關(guān)鍵要素。以往以知識傳授為主的高等教育模式必須改變，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識教育必須貫徹到人才培養(yǎng)的全過程。

人才的培養(yǎng)不僅僅是對專業(yè)知識的掌握，更應(yīng)該重視思想政治教育工作。思政教育是當(dāng)前高等教育的熱點(diǎn)。當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程中，用人單位對人才的需求已不是簡單停留在對人的專業(yè)技術(shù)的需求，人才的社會(huì)責(zé)任感、主人公意識也是用人單位考核人才的關(guān)注點(diǎn)。作為高校教育的重要環(huán)節(jié)之一，專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)也必須融入思政教育元素。為此，基于STEM教育模式的項(xiàng)目選題必須兼顧實(shí)踐教學(xué)中的思政融入點(diǎn)，并挖掘合適的思政元素以貫徹到整個(gè)項(xiàng)目過程，在實(shí)踐教學(xué)中提升學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感、社會(huì)責(zé)任感、工程倫理觀和職業(yè)道德觀。

2 基于STEM理念的“給水排水管道工程”教學(xué)設(shè)計(jì)

以給排水科學(xué)與工程專業(yè)核心必修課“給水排水管道工程”課程設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行基于STEM理念的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.1 實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

“給水排水管道工程”課程設(shè)計(jì)主要是為了配合本科生“給水工程”“排水工程”和“給水排水管道系統(tǒng)”課程的教學(xué)內(nèi)容，是很重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。其主要目的是使學(xué)生熟悉并掌握給水和排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)程序，并使學(xué)生在教師輔導(dǎo)下，基本能達(dá)到獨(dú)立設(shè)計(jì)給水和排水管網(wǎng)的能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生計(jì)算能力、設(shè)計(jì)和繪圖的實(shí)踐水平。學(xué)生通過給水排水管道工程的理論學(xué)習(xí)，應(yīng)具有壓力管道、重力流管道布置以及水力計(jì)算、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的能力。通過該課設(shè)，學(xué)生應(yīng)完成城市給水管道、城市污水管道、城市雨水管道的規(guī)劃方案確定、平面布置、縱斷面設(shè)計(jì)等工作，并具有較好的水力計(jì)算能力和一般的施工方法確定的知識。

此外，通過課程設(shè)計(jì)的實(shí)施，還應(yīng)達(dá)到以下2方面的目標(biāo)：①創(chuàng)新教育方面。學(xué)生能夠基于STEM理念，在給水排水管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)等方面不拘于理論及常識，創(chuàng)新性地運(yùn)用新工具、新思路開展方案設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)等工作。比如運(yùn)用新技術(shù)開展給水排水管道檢漏，以提升管網(wǎng)維護(hù)效率。②思政教育方面?；赟TEM理念的教育模式，能夠?qū)⒔o水排水管道系統(tǒng)與社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中的熱點(diǎn)現(xiàn)象有機(jī)結(jié)合，真正意義上做到運(yùn)用專業(yè)知識服務(wù)社會(huì)發(fā)展與國家建設(shè)大業(yè)，增強(qiáng)學(xué)生的家國情懷。例如強(qiáng)化給水管道水質(zhì)保障能力，確保人民的飲水健康，切實(shí)做到以人為本的社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。又如提升污水管道的抗?jié)B能力，杜絕污水外滲導(dǎo)致對水環(huán)境的影響，切實(shí)服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)的需求。

2.2 實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)思路

依據(jù)上述的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合STEM的教育理念，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)從單學(xué)科知識的應(yīng)用轉(zhuǎn)為多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用，并通過富有創(chuàng)新的方式方法來解決生活實(shí)際問題。為使學(xué)生獲得積極的體驗(yàn)和豐富經(jīng)驗(yàn)、養(yǎng)成主動(dòng)探究工程問題的習(xí)慣并形成問題意識，實(shí)踐類課程設(shè)計(jì)應(yīng)以發(fā)展探究能力和創(chuàng)新精神為終極目標(biāo)。實(shí)踐類課程主題設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

由圖2可知，實(shí)踐類課程設(shè)計(jì)流程融入了STEM教育理念和教師的專業(yè)素養(yǎng)，整個(gè)實(shí)踐課程以學(xué)生為中心，學(xué)生由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，注重培養(yǎng)學(xué)生的思維創(chuàng)新、動(dòng)手實(shí)踐等綜合能力。具體介紹如下：①實(shí)踐教學(xué)主題以學(xué)校專業(yè)培養(yǎng)大綱為準(zhǔn)，選題既要貼近生活，又要高于生活，同時(shí)也應(yīng)具有挑戰(zhàn)性。②活動(dòng)目標(biāo)主要體現(xiàn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級所需的創(chuàng)新精神。③設(shè)計(jì)與制作環(huán)節(jié)，學(xué)生需調(diào)研分析教師所提出的主題問題，進(jìn)而運(yùn)用所學(xué)的知識來完成相關(guān)的任務(wù)。此過程中，教師作為指導(dǎo)者，督促并幫助學(xué)生學(xué)會(huì)使用多學(xué)科的知識點(diǎn)完成更高質(zhì)量的作品。④測試與優(yōu)化環(huán)節(jié)，學(xué)生將初步完成的作品進(jìn)行試驗(yàn)分析與驗(yàn)證，針對不足的環(huán)節(jié)進(jìn)行反饋完善；學(xué)生向教師展示作品，評價(jià)團(tuán)隊(duì)成員的表現(xiàn)以及自我的表現(xiàn)與反思。同時(shí)，教師對學(xué)生作品進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)一步反思教學(xué)中的不足。⑤拓展應(yīng)用是評價(jià)學(xué)生作品的實(shí)戰(zhàn)方法，也是評價(jià)教師主題選取是否得當(dāng)?shù)耐緩健Ｈ粼撟髌房赏ㄟ^學(xué)生競賽或可孵化為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，則可進(jìn)一步提升學(xué)生下一層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)。另一方面，教師亦可通過主題項(xiàng)目的反思，為下一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)主題選定提供參考。

3 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，STEM教育理念是一種較為先進(jìn)的教學(xué)模式，其在歐美等國家已進(jìn)行了多年的實(shí)踐。中國的社會(huì)發(fā)展已進(jìn)入高速高質(zhì)量發(fā)展階段，社會(huì)面臨的問題及矛盾也愈發(fā)突出，如社會(huì)發(fā)展與人口紅利之間的矛盾、技術(shù)更新與資源利用方面的矛盾、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的矛盾等等。粗放性的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式正在轉(zhuǎn)向集約型，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整，以人為本、科技支撐、資源節(jié)約型社會(huì)發(fā)展模式已成常態(tài)。在此背景下，具有創(chuàng)新能力強(qiáng)、思政意識濃的技術(shù)技能型人才需求愈發(fā)凸顯?；赟TEM教育理念，改革人才培養(yǎng)模式、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量是對中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新態(tài)勢的有利支撐，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)中國由高等教育大國向高等教育強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。為使中國應(yīng)用型高等教育更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，需要廣大高校教師隊(duì)伍在STEM實(shí)踐教學(xué)理念的引導(dǎo)下，積極主動(dòng)推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革。