國家職業(yè)教育平臺支持下的STEAM教育應(yīng)用研究

【摘要】在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，如何借助國家職業(yè)教育平臺更好地促進STEAM教育應(yīng)用是本研究關(guān)注的重點。本文對STEAM教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行解析，構(gòu)建基于國家職業(yè)教育平臺支撐下的STEAM教育應(yīng)用模式，并從學(xué)習(xí)活動設(shè)計、教學(xué)過程、實施效果等方面，對STEAM教育應(yīng)用模式進行實踐探究，為一線高中教師提供相關(guān)參考。

【關(guān)鍵詞】國家職業(yè)教育平臺；STEAM教育；應(yīng)用模式

【中圖分類號】G420【文獻標(biāo)志碼】A【文章編號】1004—0463（2023）21—0090—04

STEAM教育作為技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動力，能夠為創(chuàng)新型國家提供重要的智力支撐[1]?！吨袊逃F(xiàn)代化2035》提出要加大應(yīng)用型、復(fù)合型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)的比重；不僅如此，黨的二十大首次將“推進教育數(shù)字化”寫入報告[2]。可以說，數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，教育迎來了創(chuàng)新發(fā)展的機遇。目前，普通高中STEAM教育多以項目學(xué)習(xí)等開放性學(xué)習(xí)方式開展[3]，需要豐富的學(xué)習(xí)資源支撐，但我國STEAM教育課程資源相對比較匱乏[4]，因此，如何有效獲取和整合資源成為STEAM教育應(yīng)用的關(guān)鍵。國家職業(yè)教育平臺作為國家教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要成果，教育工作者需要思考如何利用其規(guī)?；㈤_放化的數(shù)字資源，改善目前STEAM教育“關(guān)注科學(xué)與數(shù)學(xué)、不重視技術(shù)與工程學(xué)科”的現(xiàn)狀[5]。在此，筆者從STEAM教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、國家職業(yè)教育平臺支撐STEAM教育開展的可行性、模式構(gòu)建與案例教學(xué)實踐等方面進行研究，探索和總結(jié)普通高中STEAM教育相關(guān)經(jīng)驗。

一、高中STAEM教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

（一）STEAM教育需要豐富的學(xué)習(xí)資源支撐，注重學(xué)科聯(lián)結(jié)

目前，很多STEAM教育資源可以有效激發(fā)高中生的學(xué)習(xí)興趣，但沒有形成科學(xué)、完善的STEAM課程資源支撐體系，導(dǎo)致學(xué)生在STEAM課程中出現(xiàn)情境體驗不足、數(shù)字技術(shù)支持不夠、自我學(xué)習(xí)效能減弱等問題。加之學(xué)生面臨高考壓力，沒有大量時間進行深層次實踐與探究，無法建立學(xué)科知識聯(lián)結(jié)，難以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的創(chuàng)新能力?？梢?，多學(xué)科知識與技能融合并通過解決問題，才能更好地創(chuàng)新學(xué)生思維，實現(xiàn)學(xué)科聯(lián)結(jié)。在STEAM課程中，如果教學(xué)資源不足，還容易出現(xiàn)學(xué)生作品創(chuàng)新點不足、資源與學(xué)生的能力需求和認知發(fā)展不匹配、教師搜集資源和主題設(shè)計花費大量時間卻效果不佳等問題。可見，充實的學(xué)科課程基礎(chǔ)知識是開展STEAM教育的必要條件。我國目前的課程體系建立在嚴格分科的基礎(chǔ)上，比較重視知識與技能習(xí)得，各類平臺的分學(xué)科備課資源較多，部分跨學(xué)科資源由于學(xué)校軟硬件基礎(chǔ)、學(xué)情不同，往往很難得到有效運用。

（二）STEM需要綜合性實驗環(huán)境，強調(diào)問題解決

北京師范大學(xué)教授余勝泉等人認為，STEAM最核心的本質(zhì)是跨學(xué)科，通過將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)，跨越學(xué)科界限，提高學(xué)生解決實際問題的能力[6]。STEAM教育強調(diào)學(xué)生利用跨學(xué)科思維解決現(xiàn)實問題，在課程實施中注重學(xué)生的觀察、推理能力以及收集、整理、分析、解決問題的相關(guān)表現(xiàn)。STEAM項目需要學(xué)生自主合作探究超出知識儲備的內(nèi)容，從而發(fā)現(xiàn)和解決問題，而優(yōu)質(zhì)的STEAM課程資源可以幫助學(xué)生快速理解、多角度分析與思考項目，從而建構(gòu)問題解決的知識體系。同時，還需要多學(xué)科融合的綜合性實驗環(huán)境，實驗技術(shù)不局限于計算機科學(xué)與技術(shù)，還應(yīng)包含機械結(jié)構(gòu)、能源工程、動力工程、生物工程等方面內(nèi)容。

（三）STEAM教育強調(diào)學(xué)科融合，突出主題情境

STEM教育是多學(xué)科知識與技術(shù)的融合，使學(xué)生在現(xiàn)有學(xué)科知識與能力的基礎(chǔ)上，在問題解決的過程中學(xué)習(xí)新知識與技能。在通用技術(shù)、信息技術(shù)和綜合實踐課程中，涉及的STEAM主題及項目范圍有限，一旦知識脫離問題情境，則難以支撐STEAM教育[7]。STEAM課程特征鮮明，對科任教師的知識儲備、理論建構(gòu)、動手能力和教學(xué)模式有一定的要求。普通高中專職從事STAEM教育的教師數(shù)量較少，一般由校內(nèi)的物理、化學(xué)或者技術(shù)等學(xué)科教師兼任，跨學(xué)科教學(xué)的能力不強。

二、國家職業(yè)教育平臺支持下的STEAM教育應(yīng)用模式設(shè)計

在STEAM教育應(yīng)用方面，有研究者提出STEAM——工作坊學(xué)習(xí)應(yīng)用模式[8]、基于統(tǒng)整實踐的STEAM學(xué)習(xí)模式[9]等，盡管研究者構(gòu)建的立足點不同，但都體現(xiàn)出STEAM教育注重多元融合創(chuàng)新的特點，要求學(xué)習(xí)者主動學(xué)習(xí)，關(guān)注素養(yǎng)和能力發(fā)展。本研究根據(jù)STEAM教育的內(nèi)涵特質(zhì)和價值取向，基于項目式學(xué)習(xí)和體驗式學(xué)習(xí)理論，以“做中學(xué)”為建構(gòu)途徑，提出國家職業(yè)教育平臺支撐下的STEAM教育應(yīng)用模式，該應(yīng)用模式以協(xié)同教學(xué)、主題教學(xué)為整合方式，以國家職業(yè)教育平臺的所有課程資源為支撐，注重教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，從“教”與“學(xué)”相輔相成的角度，完成實踐探究、數(shù)據(jù)分析、方案設(shè)計、工程建模、制作開發(fā)等跨學(xué)科項目。

三、國家職業(yè)教育平臺支持下的STEAM教育教學(xué)案例設(shè)計與實施效果

本研究以國家職業(yè)教育平臺為支撐，開發(fā)“逆風(fēng)小車”“智能輔助機器人”“未來校園”這三個STEAM課程主題校本課程，旨在通過平臺資源學(xué)習(xí)與體驗環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)；通過資料搜集、數(shù)據(jù)分析、編寫程序及調(diào)試機器人等，提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)；通過構(gòu)思設(shè)計、迭代優(yōu)化等操作，鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計與制作技能；通過設(shè)計構(gòu)思、建模設(shè)計、模型制作等，培養(yǎng)學(xué)生對藝術(shù)與美的感知能力；通過收集數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、模擬與計算等操作，提升學(xué)生的數(shù)學(xué)與技術(shù)應(yīng)用能力。筆者在某省級示范性高中進行了一學(xué)期共計20個課時的實踐研究，實驗對象為35名高一學(xué)生，項目的實施由1名物理教師與1名技術(shù)教師組成，學(xué)生根據(jù)主題自主組成學(xué)習(xí)小組。逆風(fēng)小車項目對應(yīng)的STEAM知識有影響小車行駛的因素（S）、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計能力（T）、傳動與齒輪（E）、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（A）、阻力和摩擦力計算（M）。課程目標(biāo)為探究逆風(fēng)小車的原理；動手制作質(zhì)量輕、速度快的逆風(fēng)小車；增強問題意識和設(shè)計思維能力；以小組探究的方式，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識和問題解決能力。所用到的國家職業(yè)教育平臺資源有《空氣動力學(xué)基礎(chǔ)與飛行原理》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》《力學(xué)與結(jié)構(gòu)》等。智能輔助機器人項目對應(yīng)的STEAM知識有傳感器原理及使用（S），材料加工、建模等（T），電機、摩擦力、避障（E），機器人整體設(shè)計（A），傳動比、笛卡爾坐標(biāo)系應(yīng)用、PID比例等（M）。課程目標(biāo)為，了解常見智能機器人的控制原理、構(gòu)造系統(tǒng)等相關(guān)知識；掌握機器人模型制作；對智能小車編程，實現(xiàn)如巡線、避障等功能；利用機器人輔助解決實際生活中的問題。所用到的國家職業(yè)教育平臺資源有《電機控制和轉(zhuǎn)速測量（智能小車設(shè)計與制作）》《電子組裝工藝》《高等數(shù)學(xué)》《Python程序設(shè)計》等。未來校園項目對應(yīng)的STEAM知識有開源硬件的原理和使用（S），材料選擇與使用（T）模型的設(shè)計、制作、實現(xiàn)（E），排版和制作海報（A），利用調(diào)查軟件進行功能調(diào)查（M）。課程目標(biāo)，為通過調(diào)查分析，了解未來校園的功能；按照設(shè)計圖完成功能模塊方案撰寫、繪制設(shè)計圖；掌握開源硬件的電子模塊并實現(xiàn)相關(guān)功能；培養(yǎng)利用開源硬件搭建校園設(shè)計原型的能力。所用到的國家職業(yè)教育平臺資源有《AutoCAD繪制建筑施工圖》《環(huán)境生態(tài)學(xué)》《藝術(shù)設(shè)計》《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》《環(huán)境工程技術(shù)》等。

（一）教學(xué)活動開展（以未來校園為例）

1.創(chuàng)設(shè)情境，明確問題。教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過觀看視頻《人工智能帶給我們的改變》，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強情境體驗。在這個過程中，教師可以提出任務(wù)要求，增強學(xué)生的規(guī)范意識；通過提問，引導(dǎo)學(xué)生從不同應(yīng)用群體和場景角度思考：人工智能、技術(shù)的發(fā)展會給校園生活帶來怎樣的改變？學(xué)生結(jié)合實際生活體驗，通過小組討論和查閱國家職業(yè)教育平臺的課程資源，進行資料分析與設(shè)計思考。

2.任務(wù)分解，調(diào)查研究。在此階段，教師圍繞相關(guān)創(chuàng)新進階活動，進一步明確任務(wù)需求。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生平均分成3至4人小組，各小組利用教師提供的課程資源，圍繞各組選定的主題，針對研究背景、研究目標(biāo)、要解決的問題，結(jié)合研究思路和研究方法，羅列關(guān)鍵點。在這個過程中，教師可以為學(xué)生提供必要的引導(dǎo)，如小組在設(shè)計“自動測溫”這一功能時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生考慮如何將控制板、傳感器、電源等開源硬件進行組合，實現(xiàn)自動測溫功能，可以提供模型設(shè)計原圖，讓學(xué)生修改，實現(xiàn)對模打印等。

3.設(shè)計制作，迭代改進。在此階段，教師可以給學(xué)生提供開源硬件和3D打印機、3D建模軟件、思維導(dǎo)圖軟件等，引導(dǎo)學(xué)生將想法快速呈現(xiàn)出來，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新、自由探索。學(xué)生按照設(shè)計模型，通過建模，完成任務(wù)攻關(guān)、硬件裝配、程序調(diào)試、診斷測試等，通過對比任務(wù)要求，不斷試錯、迭代改進。如有小組設(shè)計“自動垃圾桶”，項目完成后，還要對垃圾桶的自動開關(guān)、位置感測、語音提醒、容量提示等進行測試，不斷改進，設(shè)計最優(yōu)產(chǎn)品。在這個過程中，教師有針對性地給予指引，實時觀察學(xué)生的操作，要求學(xué)生記錄工程筆記，用于評測學(xué)生的創(chuàng)新思維水平。

4.展示作品，交流評價。作品完成后，集中演示，驗證應(yīng)用效果，傾聽反饋與建議。學(xué)生需要準備好演示文稿，介紹項目的設(shè)計方案、創(chuàng)新點、國家職業(yè)平臺資源使用情況等。而教師從STEAM設(shè)計視角出發(fā)，針對各小組的作品設(shè)計，提出改進建議，進行點評。之后，學(xué)生回顧項目活動的過程與感受，完成項目報告及評價量表。

5.遷移應(yīng)用，總結(jié)提升。此次項目活動要求學(xué)生掌握智能設(shè)計的原理，促使學(xué)生科學(xué)思維、技術(shù)思維發(fā)展，在分析問題、收集資料、方案設(shè)計和問題解決的同時，重新整合知識，通過遷移運用，體現(xiàn)STEAM教育價值。

（二）應(yīng)用效果分析

1.實踐效果分析。此次STEAM課程由2名教師協(xié)同教學(xué)，根據(jù)課程主題，輪流主講。課后經(jīng)過了解，兩位教師均認為項目學(xué)習(xí)是STEAM課程教學(xué)的好形式，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。主講“智能輔助機器人”主題的教師表示，項目難度較大，但學(xué)生完成得較好。借助國家職業(yè)教育平臺實訓(xùn)中心的VR課程，學(xué)生可以身臨其境體會。有小組完成了利用手勢遙控機器人機械臂抓取物體的任務(wù)，學(xué)生的信息獲取、動手操作能力都得到了鍛煉。主講“未來校園”主題的教師認為，項目貼近學(xué)生實際，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、生態(tài)建設(shè)、智能設(shè)計等學(xué)科知識，學(xué)生通過學(xué)習(xí)教師提供的課程資源，實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)?？梢姡n程學(xué)習(xí)中，盡管學(xué)生的水平有差距，有的學(xué)生從來沒有接觸過Arduino，但是學(xué)習(xí)能力很強，從最基礎(chǔ)的功能入手，按照任務(wù)單，通過自主探究、小組合作等方式，很快能掌握基礎(chǔ)知識；而有的學(xué)生有一定的知識基礎(chǔ)，可選擇的主題相對更復(fù)雜，實踐效果也較好。兩名教師均表示，各小組的方案水平和作品超出預(yù)期。

2.學(xué)生調(diào)查結(jié)果分析。通過現(xiàn)場訪談、問卷調(diào)查，采集學(xué)生基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和項目工程筆記，從跨學(xué)科思維、資源應(yīng)用、技能掌握、問題解決能力和團隊合作等維度了解情況。調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生的跨學(xué)科思維有所提升，運用多學(xué)科知識解決問題的意識有所增強；學(xué)生對國家職業(yè)教育平臺的資源有了更深入的了解和運用，有95%的學(xué)生完成了學(xué)習(xí)任務(wù)；圍繞“是否愿意繼續(xù)參與STEAM課程學(xué)習(xí)”的問題，92%的學(xué)生希望繼續(xù)參與，并非常認可小組合作學(xué)習(xí)方式；圍繞“學(xué)習(xí)過程中印象最深的環(huán)節(jié)”這一問題，大部分學(xué)生表示是動手動腦解決問題的過程?？梢?，通過STEAM教學(xué)實踐活動，學(xué)生掌握了知識與技能，解決實際問題的能力與創(chuàng)新能力均有所提升。此外，通過師生交流和課堂觀察可知，學(xué)生對借助國家職業(yè)教育平臺資源參與STEAM項目表現(xiàn)出較高的興趣。在項目實施過程中，學(xué)生經(jīng)歷了用計算機建模、用3D打印機打印模型、編程、測試等過程。

基于國家職業(yè)教育平臺開展STEAM教育，貼合當(dāng)前我國STEAM教育的現(xiàn)狀，為教師融合多學(xué)科知識，開發(fā)與整合STEAM課程提供資源支持，有利于學(xué)生全面發(fā)展。未來，研究團隊將重點圍繞國家職業(yè)教育平臺的技術(shù)與工程課程，拓展學(xué)科實踐范圍，擴寬STEAM教學(xué)共同體，積極探索適合我國STEAM教育實施的有效方式。

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（本文系2021年度甘肅省“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃STEM教改實驗專項資助課題“基于學(xué)習(xí)共同體的STEM教育校本教研機制研究——以西北師大附中為例”的研究成果，項目立項號：GS[2021]GH？ BZX101）

編輯：彭雪亮