基于STEAM理念的創(chuàng)新型人才實踐教學(xué)模式研究

尹立蘋 王新亭

摘要：順應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高校教學(xué)改革的重要目標(biāo)之一。分科教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，體現(xiàn)出學(xué)科之間融合度不夠，學(xué)生學(xué)習(xí)知識碎片化等問題，容易出現(xiàn)綜合創(chuàng)新能力不強(qiáng)的狀況。文章基于STEAM整合創(chuàng)新教育理念，在分析其內(nèi)涵及教育啟示的基礎(chǔ)上，以工業(yè)設(shè)計專業(yè)為例，提出創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)模式。教學(xué)實踐表明，以項目、問題、情景等要素為基礎(chǔ)的STEAM教育理念的實施過程中，組建跨專業(yè)學(xué)生團(tuán)隊，貼近實際產(chǎn)品研發(fā)流程，有利于在沉浸式的教育過程中培養(yǎng)學(xué)生寬廣的知識視野與跨學(xué)科整合創(chuàng)新能力，教學(xué)成效顯著提高。

關(guān)鍵詞：STEAM教育理念；分科教學(xué)；創(chuàng)新型人才；實踐教學(xué)模式

在以知識的創(chuàng)新與運用為基礎(chǔ)的知識經(jīng)濟(jì)時代，全球化的進(jìn)一步發(fā)展以及信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等在加劇競爭的同時，對創(chuàng)新提出更高的要求，跨學(xué)科融合、整合創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新日益成為各領(lǐng)域發(fā)展的必然要求。知識的快速更迭，也使創(chuàng)新過程中面臨的問題復(fù)雜性加大，單一的學(xué)科知識難以勝任。因而，從社會可持續(xù)發(fā)展的角度來看，培養(yǎng)視野開闊、創(chuàng)新能力強(qiáng)的人才已經(jīng)成為高等教育的基本要求。

受到傳統(tǒng)“分科教學(xué)”模式的影響，高校普遍在教學(xué)上缺乏專業(yè)交叉與融合，造成部分學(xué)生“只見樹木，不見森林”，表現(xiàn)為學(xué)生學(xué)到的知識不系統(tǒng)、思維方式單一、協(xié)作創(chuàng)新能力弱等問題。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、卓越人才培養(yǎng)計劃、創(chuàng)客教育，既是對分科教學(xué)弊病的反思，也反映了教育界對教學(xué)改革的熱情與期待。針對傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊病，國內(nèi)外教育學(xué)者及高校都積極開展教學(xué)研究。湯曉蒙、劉暉從教育方法論的角度論述了高等教育學(xué)科從“單一學(xué)科”向“跨學(xué)科”研究的轉(zhuǎn)變趨勢。邵云飛、曾勇、汪臘梅提出“復(fù)合培養(yǎng)實驗班、建設(shè)協(xié)同創(chuàng)新中心、校企合作組隊參加創(chuàng)業(yè)競賽”的教學(xué)模式。朱曦闡述了“學(xué)生核心”導(dǎo)向的整合創(chuàng)新教學(xué)模式。另外，江南大學(xué)通過開設(shè)整合創(chuàng)新實驗班，開展創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。美國斯坦福大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計學(xué)院也開設(shè)了跨專業(yè)創(chuàng)新項目。美國辛辛納提大學(xué)設(shè)有跨專業(yè)合作學(xué)院，開展跨專業(yè)整合創(chuàng)新教育。

實踐教學(xué)是落實“理論結(jié)合實踐”原則不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)，因此實踐教學(xué)模式的探索一直是高校教學(xué)改革的重點內(nèi)容。跨學(xué)科人才培養(yǎng)視野下，實踐教學(xué)應(yīng)擺脫學(xué)科專業(yè)壁壘，以問題的發(fā)現(xiàn)、知識的融合運用、整合創(chuàng)新能力的訓(xùn)練為目標(biāo)進(jìn)行開展。本文以STEAM教育理念（S-科學(xué)、T-技術(shù)、E-工程、A-藝術(shù)、M-數(shù)學(xué)）為理論依據(jù)，以天津科技大學(xué)工業(yè)設(shè)計專業(yè)為例，探討創(chuàng)新型人才實踐教學(xué)模式的改革方法與策略。

一、STEAM教育理念內(nèi)涵及教育啟示

STEAM教育理念源于美國，近年來備受我國教育界的重視，是以打破學(xué)科專業(yè)知識隔閡為手段，以科學(xué)融合為抓手，以實踐教學(xué)為載體，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者跨學(xué)科整合創(chuàng)新能力為目標(biāo)的教育理念。

STEAM理念具有較為科學(xué)的體系，主要特征體現(xiàn)為：

（一）面向問題的跨學(xué)科知識融合

在STEAM教育中，強(qiáng)調(diào)以解決問題為目標(biāo)，整合相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、工程或數(shù)學(xué)知識，以藝術(shù)性的創(chuàng)意去解決問題，而不是將重點放在某一學(xué)科或過分關(guān)注邊界學(xué)科。這種具有系統(tǒng)性思維的教育理念，可以更加凸顯知識之間的彼此關(guān)聯(lián)，滿足了創(chuàng)新實踐對知識的體系性要求。

（二）基于項目的體驗式學(xué)習(xí)

STEAM教育提倡依托開展與生活實際緊密相關(guān)的項目，使學(xué)生在解決問題的過程中，體會到抽象的知識與實際生活的聯(lián)系。因此項目的問題設(shè)計尤為關(guān)鍵，必須置于一定的生活情景中，并且包含一定的結(jié)構(gòu)化知識。情景性問題的解決過程中，學(xué)生對知識的理解更為深入，并且體會了知識的社會性與情景性，對知識的靈活遷移能力有所增加。

（三）追求健全的人格發(fā)展

通過對情景性項目中問題的探求，學(xué)生通過協(xié)作，從多角度考慮問題，拓寬了視野，促進(jìn)了批判性思考、決策能力，激發(fā)了自主學(xué)習(xí)興趣，并鍛煉了溝通能力與靈活性、適應(yīng)性。這種以健全人格發(fā)展為教育主旨的理念，較好地反映了教育的本質(zhì)。

因此，教育工作者應(yīng)當(dāng)立足當(dāng)前的社會背景，客觀認(rèn)識學(xué)生獲取知識途徑的多元化，適時改變教學(xué)模式。借鑒STEAM理念中的項目探究式學(xué)習(xí)、以實踐為取向通過情景體驗獲取知識等優(yōu)點做好不同領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教育工作。

二、基于STEAM的創(chuàng)新型人才實踐教學(xué)模式架構(gòu)

工業(yè)設(shè)計專業(yè)作為以創(chuàng)新為核心的交叉性專業(yè)，具備整合創(chuàng)新的先天優(yōu)勢。從設(shè)計定義可以看出，設(shè)計旨在引導(dǎo)創(chuàng)新、促進(jìn)商業(yè)成功并以提高生活品質(zhì)為目的，是一種將策略性解決問題的過程應(yīng)用于產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)及體驗的設(shè)計活動。作為多學(xué)科交叉的專業(yè)，將創(chuàng)新、商業(yè)、技術(shù)、創(chuàng)意與用戶研究緊密結(jié)合在一起，具有重要的跨學(xué)科整合創(chuàng)新功能。并且設(shè)計專業(yè)與其他專業(yè)進(jìn)行跨學(xué)科合作，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。因此，選取工業(yè)設(shè)計專業(yè)進(jìn)行基于STEAM理念的創(chuàng)新型人才實踐教學(xué)研究具有較好的代表性。

以跨學(xué)科視角開展創(chuàng)新實踐教學(xué)，需要以開放的態(tài)度整合校內(nèi)外資源，務(wù)實可行的做法是以企業(yè)需求或真實項目為基礎(chǔ)，設(shè)置創(chuàng)新設(shè)計項目內(nèi)容。以天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的教學(xué)需求為研究對象，建立了跨學(xué)科的設(shè)計類專業(yè)實踐教學(xué)模式（如圖1）。以工業(yè)設(shè)計專業(yè)為紐帶，整合理工與人文社科的相關(guān)學(xué)科，構(gòu)成學(xué)科知識群組。在其中組建跨學(xué)科的教師團(tuán)隊，與企業(yè)研發(fā)部門協(xié)同確定適合學(xué)生完成的項目內(nèi)容。通過校園網(wǎng)平臺公布后，招募多專業(yè)的跨學(xué)科交叉創(chuàng)新學(xué)生團(tuán)隊，分工定責(zé)后，共同開展課題的創(chuàng)新設(shè)計實踐訓(xùn)練。

校內(nèi)教學(xué)平臺作為項目流程執(zhí)行、學(xué)習(xí)資源等支撐，校內(nèi)與企業(yè)實驗室提供硬件與測試環(huán)境。可依托教學(xué)平臺與實驗室開放共享機(jī)制，整合資源構(gòu)建基于情景的項目開發(fā)環(huán)境，提供實踐過程所需的創(chuàng)新要素與硬件支撐條件。項目定題的核心內(nèi)容是進(jìn)行產(chǎn)品的定義，也就是將所要達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行具體的規(guī)范，包括需求或待解決的問題、產(chǎn)品規(guī)格、技術(shù)觀測指標(biāo)等。

學(xué)生在校內(nèi)教師指導(dǎo)下通過各種途徑進(jìn)行設(shè)計調(diào)研、按照設(shè)計方法與程序進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)思與方案設(shè)計，進(jìn)一步在技術(shù)驗證基礎(chǔ)上，制作產(chǎn)品原型（可以是虛擬的樣機(jī)或原型機(jī)），再進(jìn)行技術(shù)驗證與仿真。最后通過學(xué)生、教師、企業(yè)技術(shù)人員的多方評估，確定項目研究是否解決了設(shè)計問題。如果沒有通過，則進(jìn)行反饋，進(jìn)一步進(jìn)行研究；通過，則進(jìn)行項目完成的總結(jié)報告，進(jìn)行成績評判。

為順利展開跨學(xué)科合作，項目的開展可以以專業(yè)拓展類課程的形式，納入到校內(nèi)開放課程中，各專業(yè)的學(xué)生完成后，都可以認(rèn)定實踐學(xué)分。

三、教學(xué)實踐探索案例

以下為以工業(yè)設(shè)計專業(yè)為核心展開的跨學(xué)科整合創(chuàng)新設(shè)計的教學(xué)實踐案例闡述。該項目是機(jī)電裝備創(chuàng)新設(shè)計課內(nèi)作業(yè)之一，是天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)設(shè)計系與天津明德福自動化技術(shù)有限公司聯(lián)合開展的智能物料小車的整合創(chuàng)新設(shè)計。

項目是要為某化工類企業(yè)生產(chǎn)線上的運輸粉類物料的自動配送小車進(jìn)行智能化改造。要求從功能結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形象、強(qiáng)弱電控制等角度進(jìn)行重點改良設(shè)計。依據(jù)項目開展的需求，成立工業(yè)設(shè)計、機(jī)械電子工程、計算機(jī)技術(shù)、自動化等專業(yè)教師共同組建的跨學(xué)科教師指導(dǎo)團(tuán)隊，制定教學(xué)計劃后，通過教學(xué)平臺限額招募工業(yè)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計及制造、自動化、計算機(jī)等專業(yè)的學(xué)生組建3個創(chuàng)新設(shè)計小組。

本項目歷時3個實踐教學(xué)周，涵蓋設(shè)計調(diào)研、創(chuàng)意構(gòu)思與方案設(shè)計、設(shè)計原型或數(shù)字樣機(jī)制作及設(shè)計評估等環(huán)節(jié)。

（一）設(shè)計調(diào)研

根據(jù)項目中產(chǎn)品的定義，分析問題涉及的功能技術(shù)要素，分組進(jìn)行設(shè)計調(diào)研，前往企業(yè)及市場進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)研、技術(shù)調(diào)研及競品調(diào)研與分析（如圖2）。以工業(yè)設(shè)計學(xué)生為主進(jìn)行用戶研究和產(chǎn)品市場調(diào)研，明確設(shè)計目標(biāo)，由機(jī)械電子工程與自動化專業(yè)學(xué)生制定物料小車及技術(shù)路線。

各小組在競品（競爭產(chǎn)品）分析及調(diào)研分析報告的基礎(chǔ)上，由專業(yè)教師指導(dǎo)各小組，綜合運用頭腦風(fēng)暴法、形態(tài)表分析法、TRIZ等多種創(chuàng)新方法開展問題的解構(gòu)與創(chuàng)意設(shè)計，將可能的設(shè)計方案以草圖的形式記錄下來（如圖3）。在此過程中，不同專業(yè)的學(xué)生發(fā)揮本專業(yè)優(yōu)勢，各小組（都由不同專業(yè)學(xué)生構(gòu)成）對于產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)、智能控制、供電方式、硬件選型、產(chǎn)品外觀、功能定位等提出自己的方案。

各小組在評審選出最后的設(shè)計方案后，進(jìn)行深入的設(shè)計。根據(jù)專業(yè)的優(yōu)勢進(jìn)行分工，各專業(yè)分別進(jìn)行產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計（含硬件選型）、強(qiáng)電供電方式、智能控制、材料與工藝等工作，教師與企業(yè)工程師團(tuán)隊進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)與整體把控。

（二）產(chǎn)品原型制作

因為本產(chǎn)品體量較大、硬件選型（電機(jī)、減速器、卸料閥等）價格較貴，直接制作實體原型，投入較大。因此采用三維軟件進(jìn)行建模與產(chǎn)品虛擬樣機(jī)的設(shè)計制作（如圖3）。

（三）技術(shù)驗證與仿真

在進(jìn)行供電技術(shù)方案設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計后，對控制部分進(jìn)行基于lab view軟件的運動控制仿真，測試產(chǎn)品的運行功能。各設(shè)計小組在此階段規(guī)定采用相同的仿真測試平臺，便于橫向?qū)Ρ取Ｔ谶M(jìn)行測試與仿真之后，各小組進(jìn)行完善方案，完成設(shè)計效果圖，并完成產(chǎn)品的初步工程設(shè)計。

（四）項目結(jié)題答辯

項目完成后，由專業(yè)教師及企業(yè)專家技術(shù)人員組成的評審團(tuán)對各設(shè)計成果進(jìn)行評審答辯。對各小組的創(chuàng)新設(shè)計成果從創(chuàng)新性、技術(shù)與工藝可行性、市場前景等方面進(jìn)行綜合評價。

答辯結(jié)束后，企業(yè)依據(jù)部分方案進(jìn)行進(jìn)一步的工程開發(fā)，并進(jìn)行樣機(jī)制作。部分學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計，獲得了顯著的成果，申報國家實用新型專利1項，參加天津市工業(yè)設(shè)計大賽獲得一等獎1項。

四、結(jié)語

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是社會發(fā)展的必然，設(shè)計教育需要打破常規(guī)，研判經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展趨勢，進(jìn)行教學(xué)改革，培養(yǎng)具有國際視野、跨學(xué)科整合能力的復(fù)合型創(chuàng)新人才。

改變實踐教學(xué)模式和考核方式，從跨學(xué)科的視角開展整合創(chuàng)新設(shè)計實踐，能夠提高教學(xué)的有效性，改變傳統(tǒng)模式下，學(xué)生被動聽課，知識容易碎片化的現(xiàn)象，也順應(yīng)了社會對人才素質(zhì)的需求。

通過合理的項目設(shè)計，將問題、應(yīng)用情景、探究體驗、協(xié)作溝通等要素與結(jié)構(gòu)化知識要求整合起來，學(xué)生的知識習(xí)得是沉浸式的、體驗式的，更加深刻并且更有興趣。項目背景鮮明，也使學(xué)生對知識的實際應(yīng)用價值有更清晰的認(rèn)識，學(xué)習(xí)積極性大為提高，為適應(yīng)社會崗位，增強(qiáng)就業(yè)競爭力奠定了基礎(chǔ)。將創(chuàng)新設(shè)計成果，進(jìn)行專利申請或項目孵化，與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育進(jìn)一步結(jié)合，可更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)熱情。

同時，我們也需要看到基于STEAM理念進(jìn)行創(chuàng)新人才實踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，學(xué)校整體的教學(xué)政策對專業(yè)教師積極性（教師開展跨學(xué)科教學(xué)的能力提升與學(xué)習(xí)）的影響、校企合作的資源狀況、傳統(tǒng)模式教學(xué)思維的慣性、學(xué)生積極性的調(diào)動等諸多因素，都影響到該模式的順利實施。因此，有必要結(jié)合校情（如大類招生）進(jìn)一步開展深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯曉蒙，劉暉.從“多學(xué)科”研究走向“跨學(xué)科”研究[J].教育研究，2014，12.

[2]邵云飛，曾勇，汪臘梅.高校協(xié)同創(chuàng)新視角下的復(fù)合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式探索[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2017，19（1）.

[3]朱曦.培養(yǎng)有戰(zhàn)略思維的整合創(chuàng)新設(shè)計人才[J].裝飾，2016，9.

[4]張祥泉，過山.多學(xué)科整合創(chuàng)新設(shè)計實踐教學(xué)模式探索[J].設(shè)計藝術(shù)研究，2016，6（1）.