基于STEM教育的實驗教學中心建設探索

田傳軍，饒 星

（暨南大學a.招標采購中心；b.實驗室與設備管理處，廣州 510632）

0 引言

STEM 是Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）和Mathematics（數學）四門學科英文的簡稱。STEM教育是指在科學、技術、工程和數學領域的教和學，從概念本身來看，雖然這4門學科之間是相互獨立的，但是STEM教育指的是4門學科核心知識的有機整合，培養學生的STEM素養［1］。STEM教育能夠培養學生多學科知識整合能力、團隊協作能力、實踐能力和創新能力。STEM實驗教學中心作為學生實踐教育的主要場所，承擔著學生STEM知識教育、實驗技能和創新能力培養的任務。

1 建設STEM實驗教學中心的意義

目前我國建設“雙一流”大學主要目的是培養具有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型和復合型人才。大學實驗室作為教學、科研、服務社會平臺和基地，具有不可替代的重要地位與作用，主要體現在培養創新人才的基地、培育創新成果的搖籃、服務社會經濟的平臺、展現大學學科專業水平的窗口［2］。大學擁有眾多的傳統實驗室，但是沒有專門按照STEM實驗教學要求合理規劃和整合使用，難以滿足需求。有些高校僅僅是將實驗場地、儀器設備和實驗室工作人員整合，這樣易操作且見效快，但整合之后實驗教學水平無法得到有效提高，實驗室存在重復建設等方面的問題［3］。建設STEM教學實驗中心，有利于提供充分的教學設施與完善的教學資源，在培養創新精神和實踐能力的高素質復合型人才方面有重要意義［4］。

2 STEM實驗教學中心建設目標

2.1 整合學校資源和社會資源，發展STEM教育

STEM實驗教學中心將分散的相關學科資源進行專業整合，優化現有配置形成結構化的多層次、多模塊體系，充分發揮教學中心的資源的整體效益，有利于促進實驗教學體系的完善［5］。同時將STEM實驗教學與企業研發需求相融合，爭取相關企業的資金、儀器設備和技術支持，共建實驗教學中心。為國家建設培養適應社會需要創新人才，從產業發展、人才需求的角度綜合考慮，整合政府、高校和社會的資源推動STEM教育的發展。

2.2 提高學生綜合素質和培養學生創新能力

學生在STEM實驗教學中心自主思考、自主學習、自主探索，通過查閱文獻、設計實驗方案、選擇使用實驗器材、采集分析數據、撰寫報告掌握科學研究的方法。培養學生提出原創性問題的能力；針對提出的問題且具有分析問題、解決問題的能力；理性評估解決方案對社會產生影響的能力；形成有效地轉變解決方案，并對方案進行優化創新的能力［6］。

2.3 培養STEM教育師資力量

STEM教師的質量直接影響到STEM教育的整個過程。我國STEM教師培養還存在諸多問題，包括教師培養數量和供給總量嚴重不足，教師培養體系不健全，教師在職專業發展支持不足，這些現實困境都制約了我國STEM教育的發展［7］。同時不同于目前大學一般的實驗室工作人員業務較專的情形，STEM實驗教學中心管理員必須具備綜合素養，在負責計劃、開發和維護實驗教學中心設備和材料的同時，還要講授STEM教育的課程，與教師共同開發STEM課程［8］。STEM實驗教學中心通過建立STEM教師培養體系加強具有跨學科背景的師資力量的培養，提高關于科學、工程和技術科學素養，提升教師和實驗教學中心管理員的綜合素養。

2.4 促進教學和學習方式的變革，改革人才培養體系

通過STEM項目的實踐，運用先進的技術手段，采取社會需求引導、任務驅動等方式，優化學生培養體系和STEM課程內容。充分了解學生的發展需求，制定與培養目標相匹配、對廣大學生有利的教學管理制度，同時優化不同層次學生的培養結構，針對不同類別的學生采取相對應的措施提高學生STEM學習的適應性，加強學業發展規劃與引領，有針對性地為不同學生設計發展路徑。

2.5 探索并完善STEM教育考核與評估體系

目前我國STEM教育還處于發展初期，國內相應的考核標準及評估體系還處于空白狀態［9］。一套健全完善的STEM教育考核和評估體系對STEM教育政策、項目開展、培訓效果等一系列內容進行一個有效的評價和反饋。在STEM實驗教學中心建設和運行過程中，應當積極探索多樣化的課程評價機制和評價技術策略，嘗試建立并完善STEM教育考核與多元綜合性評估體系。

3 STEM實驗教學中心建設思路

3.1 明確發展目標

STEM實驗教學中心建設應按照“源于實踐，符合教學”的要求，對其目標定位、整體規劃、建設管理、課程體系、教學內容、評估體系、未來規劃等方面進行探索，體現多學科融合，多層次跨越、開放式創新、實用性服務的原則。

3.2 制定人才培養計劃及改革人才培養體系

掌握社會發展最新的人才需求和未來發展方向，樹立創新型、科技型STEM教育理念，采用辯論探討、分組講解、實踐操作等考核評價形式，積極探索個性化人才培養模式，提升學生的科技創新能力［10］。STEM實驗教學中心在教學過程中，將理論知識教學、創新能力、綜合素質培養有機地結合，并引入校企合作機制，探索建立課程和實踐教學等體系，有針對性地培養高素質人才。探索建立科學的人才培養評價體系，融入創新能力、團隊協作、分析處理問題、語言表達能力等評估指標，對學生進行客觀和全面的評價。

3.3 建立有利于學科建設的管理體制和運行機制

以有利于學科建設，有利于提高辦學質量和效益，有利于提高學生的實驗、實踐能力，有利于設備資源共享的思路為指導，統一規劃，合理布局；以教學改革為核心，探索理論與實踐并重、能力培養與素質提高并行的實驗教學體系；以健全的管理程序為保障，建立合理、完善、高效的教學實驗室管理體制和運行機制［11］。

4 STEM實驗教學中心建設途徑

實驗教學中心的建設涉及教學理念、教學體系、教學方法、硬件設施、師資隊伍等多個方面［12］。STEM實驗教學中心應該密切關注社會發展動態及需求，將跨學科的學習理念和項目實踐結合起來，構建學習共同體，支持STEM教育的開展。

4.1 規劃STEM實驗教學中心的建設

STEM實驗教學中心要有獨立的行政職能，有中心主要負責人和行政管理人員。中心負責人可以自主決定中心的建設及發展方向，行政管理人員負責管理中心的日常工作。STEM實驗教學中心在實驗課程設置、人員聘用、實驗室管理和經費管理等方面具有較大的自主權，保證教學資源的充分合理利用，形成功能明確和管理有序的實驗基地。

STEM實驗教學中心以培養學生實踐動手能力為主線，以培養學生解決問題的能力為目標，按分層次、模塊化的方式來統籌實驗教學設施及資源，成為教師和學生進行創新研究與學習的重要場所。

4.2 構建STEM實驗教學體系

STEM實驗教學中心根據學科建設和人才培養的內在要求，探索構建包含基礎性實驗、綜合性實驗和開放性實驗的實驗教學體系。

在基礎性STEM實驗階段貫徹“寬口徑、厚基礎、高素質”的人才培養理念，讓學生掌握STEM相關學科基本的實驗技能，包括理解實驗原理、儀器使用方法、實驗方法、實驗操作步驟、實驗數據處理、實驗報告撰寫等。基礎性實驗通過教師示范講解和學生模仿實驗模式來傳授知識。

綜合性STEM實驗注重教學內容的創新性和STEM各學科交叉融合性，這類實驗需要學生理解實驗中所蘊含的多學科知識，在實驗過程中能夠自主學習和知識遷移。綜合性實驗由教師以課題的形式安排任務，學生自行查閱文獻、設計實驗方案、準備實驗材料、實施實驗方案、收集分析數據和撰寫實驗報告。綜合性實驗可以將STEM各學科有機結合起來，使學生掌握STEM各學科的內在聯系。

開放性STEM實驗主要讓學生體驗自主發現問題、分析問題，通過自行組織實驗團隊設計實驗，解決實際問題。開放性實驗可以由教師設計實驗課題，由學生根據實際生活確定實驗課題，也可以是教師的科研項目，或者是某類競賽項目。學生個人或者團隊在導師的指導下自主進行研究性學習，參與實驗方案的設計、實驗操作、數據處理、報告撰寫等科學研究工作的全過程。開放性實驗由教師啟發與引導學生進行獨立操作、分析和解決實際問題，培養他們的創新能力和團隊協作能力。

4.3 探索并完善STEM實驗教學方法

基礎性STEM實驗課程以理論學習為主，教師采用授課、講座或研討等多種形式進行，在實驗過程中注重引導學生嚴格按照實驗步驟進行操作，讓學生了解實驗基本原理，鞏固基礎知識，掌握基本實驗操作規范和安全意識。可采用“現場演示式”的教學方法［13］。

綜合性STEM實驗課程通過學生根據實驗要求自主查閱資料，制定相應的實驗方案，然后獨立或分組完成實驗操作和收集分析數據，并撰寫實驗報告和對實驗項目進行評價。對實驗過程中出現的問題，教師引導學生自主分析問題產生的原因，制定解決問題的思路和方法，著力培養學生自主思考問題和解決問題的能力。采用“自主學習式”和“引導啟發式”的教學方法［14］。

開放性STEM實驗選擇由學生可自主完成的研究性實驗項目或工程領域中待研究的學術問題，學生獨自或組成學術討論小組，評估研究課題的價值，研究制定實驗方案，評估實驗設計方案的可行性，自行購買實驗所需的材料，完成實驗操作并撰寫實驗結果分析報告。教師組織專家對學生的成果進行點評，學生現場對專家的點評結果進行答復。采用“團隊協作式”的實驗教學方法［15］。

4.4 STEM實驗教學中心平臺的建設

STEM實驗教學需要實驗設備、教學資源等軟硬件條件作為支撐，具體包括儀器設備硬件平臺建設、實驗教學中心技術隊伍建設、內部管理規章制度建設等。

實驗教學中心儀器設備和虛擬仿真實驗教學資源購置的過程中要做好需求論證，遵循必要性和長遠性原則，依照實驗教學中心日常實驗教學需求形成科學的設備購買方案。合理購置必需的大型貴重儀器，可以充分利用學校現有的大型貴重儀器共享平臺，實現實驗教學中心資源開放共享。加強與其他高校、企業之間的合作交流，通過租借或共享來實現儀器設備和教學資源的充分利用。

根據實驗教學中心承擔的職責及規模，科學定編設崗。設置實驗室主任崗，負責實驗室的全面工作；實驗教學崗，承擔實驗教學中心的實驗教學任務；實驗技術管理崗，負責實驗教學中心實驗技術指導、日常運行等工作。實驗教學中心主任作為實驗中心負責人，具有崗位設置、職責設定、人員招聘等權力。

為了保證教學實驗中心管理工作規范化，保障實驗教學的順利進行，必須制定必要的規章制度。實驗教學中心規章制度的制定應該適合本中心工作需要，遵循事實求是、切實可行、明確具體原則。結合實際工作需求制定包括“實驗教學中心管理辦法”“實驗教學中心儀器設備管理辦法”“實驗教學中心工作人員管理辦法”等相關規章制度，并在根據日常實驗教學開展情況，進一步完善相關規章制度體系。

4.5 STEM師資隊伍的建設

由于STEM教師跨學科教育能力薄弱、教材理解欠深入、理論指導和系統思考缺乏等問題導致STEM教育者專業發展嚴重不足，這已成為目前制約我國STEM教育推進的瓶頸。STEM實驗教學中心應有針對性地引進工程教師進入教學，對數學、科學、信息技術學科教師進行工程專業培訓，提高STEM教師綜合素質。實驗教學中心以項目為牽引，吸引校內教師協同專任實驗教學中心人員開展實驗教學和科技創新，專任實驗室人員也參與教師的教學科研活動，形成優質師資隊伍的匯聚，壯大了實驗教學中心隊伍力量，提高了教育教學質量，提升人員自身水平［16］。選派實驗教學中心人員去企業掛職鍛煉，聘請企業優秀技術專家做兼職教師等方式，實現實驗教學內容與企業生產實際的緊密結合，全面增強實驗室技術人員的工程實踐意識和工程實踐能力。

5 結語

STEM教育需探索建設專業的STEM實驗室和專業化教學中心，為探究式學習創造環境［15］。本研究分析了我國目前高校STEM實驗教學中心建設的滯后性，并且對STEM實驗教學中心建設目標，建設思路和建設途徑提出針對性的對策和建議。STEM實驗教學中心能為STEM教師和學生提供學習交流的平臺，同時能整合社會各界資源，促進STEM教育發展，培養更多優秀STEM教師和創新型STEM專業技術人才。

·名人名言·

知識的問題是一個科學的問題，來不得半點虛偽和驕傲，決定倒是其反面——誠實和謙遜的態度。

——毛澤東