基于STEM建環專業實踐教學改革的探索＊

李奉翠，宋艷蘋

（河南城建學院，河南 平頂山 467036）

1 引言

實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節，是提升學生職業素養和職場核心競爭力的重要途徑。鑒于建環專業本身即是一個復雜的系統工程，培養學生樹立工程系統觀、掌握專業的工程科學知識和工程實踐的能力迫在眉睫。河南工程學院王虹等人介紹了一種搭建校企合作平臺的實踐教學模式，在一定程度上解決了實踐教學環節中存在的問題[1]。山東建筑大學劉吉營等人針對本校目前實踐教學存在的實習時間、實習內容、實習方式等問題提出了探索的改進方法，然而并沒有提出實質性的教學實踐內容[2]。遼寧工業大學的于戈針對高校人才培養“重理論、輕實踐”的問題，提出了實踐改革的思路，實踐教學不僅是重要的教學內容，更是培養學生動手實踐、創新能力的渠道[3]。武漢科技大學張春枝等人針對該校專業課程設計實踐關節存在的問題，提出將實踐教學關節任務分解嵌入到理論課程教學環節中，將相對獨立的課程進行有機融合[4]。江西理工大學蔣達華等人提出以學科競賽為載體的綜合素質培養模式、以創新為導向的教學方法和以專業技能為核心的創新創業訓練平臺等實踐教學手段[5]。除上述之外的教學實踐改革，比較有代表性的還有校企合作實踐的教學模式[6]、以實際工程為核心和提高創新能力為目標的實踐教學模式[7]和基于工程教育專業認證的教學模式[8]等。綜上所述，國內多數高校為提升學生的創新實踐能力，多采用認知實習、校企合作、訂單式培養或理論和實踐相結合的多種實踐教學方法，上述教學方法在教學模式中確實起到了一定的培養效果。然而，隨著經濟的快速發展和產業結構的不斷調整，上述教學模式存在一定的局限性，尤其是在產業結構調整的過程中。為提升學生的創新與實踐能力，以河南城建學院建環專業為例，本文在專業實踐教學中采用STEM教育的方法，搭建問題引導下的項目式教學方法，培養學生綜合運用科學知識、數學工具和工程技術手段的能力，以適應產業結構調整下的多層次應用型人才需求。

2 STEM課程

STEM是一種由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）4門學科知識融合集成的教育模式，世界各國都非常重視STEM教育的發展，認為STEM教育是國家競爭力的重要基石，能夠促進綜合應用型人才、創新型人才的培養[9]。STEM課程具有跨學科、工程性、價值性和情景性等特征，注重以項目為依托，整合相關學科內容，培養學生相關知識和技能，并能進行靈活遷移應用、解決真實世界問題的能力[10]。STEM課程強調以綜合能力培養為目標，以做中學、自主探究等教學思想為指導，充分利用現代教育技術，以項目為載體，結合科學、技術、工程及數學知識，形成融知識傳授、能力培養、素質教育為一體的課程模式。因此，STEM課程方法具備應用型本科教育綜合應用型人才的需求，此處以河南城建學院建環專業為例進行實踐教學模式的探索。

3 基于STEM教育的項目式教學

STEM課程是基于項目的課程，項目課程是當前新工科背景下應用型本科院校人才培養改革的主導理念。下述將從課程開發思路、課程開發過程、課程內容和評價等4個方面進行介紹。

3.1 課程開發思路

如上所述，STEM課程強調以綜合能力培養為目標，因此基于STEM的課程開發需選擇合適的專業核心課程。專業核心課程與其他課程（如專業課、基礎課等）具有較強的內在聯系，另一方面其對于建環專業的職業能力也緊密相關。因此，專業核心課程適合采用STEM模式進行開發與實施。其次，STEM課程以項目為核心，圍繞項目選取不同學科課程中的知識進行組合。由此，STEM課程項目開發過程中需妥善處理其與其他學科課程之間的關系；課程中的基礎知識圍繞于STEM課程中的項目任務服務，課程設置的內容需與項目任務中的動態聯系形成一個良好的生態系統，二者相輔相成。最后，STEM課程以培養學生能力為主，而項目開發的產品通常是商業化應用、工程化應用，二者最終目標不同；因此，STEM課程中的項目不可單一的從市場中進行選擇，而是需要對其進行二次開發，使其高于實際產品，在項目設置中融入教師期望學生掌握的知識技能。

3.2 課程開發過程

在建筑環境與能源應用工程專業開展基于STEM教育理念的核心課程開發研究，此處以“工程熱力學”為開發對象，按照圖1的流程進行課程開發。課程開發的具體介紹如下：課程開發必須依托本專業人才培養方案及相關課程的課程標準才能保證課程開發的有效性和合理性，這是基本的標準要求；在調研企業篩選適當的項目時，需統籌安排本門課程的其他項目，以便盡可能包含核心課程的各個知識點，并使之有合理的進度關聯；教學指導手冊、教學資源分別類似于教材使用的明細和課程教學時的PPT、視頻等素材；教學團隊接受開發團隊的培訓等措施是為了保證課程分學期、分教師教學的可行性；教學反饋和項目改進主要是收集學生的學習效果及開發課程實施過程中存在的問題，通過反饋給課程開發團隊來保證學生綜合能力培養的目標。

圖1 “工程熱力學”STEM課程的開發過程

3.3 課程內容

工程設計是STEM課程的重要特征，主要包括發現問題、分析問題、解決問題三個部分，其中解決問題時需靈活應用所學知識或探索可掌握的知識來解決工程項目或課本知識點中的問題。此處以“工程熱力學”中的“平衡狀態”這一知識點為例說明STEM教學模式的改革。

3.3 .1基本概念介紹

系統在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力性質不隨時間而變化，系統內外同時建立了熱的和力的平衡，這時系統的狀態稱為熱力平衡狀態，簡稱“平衡狀態”。

平衡狀態的充要條件：熱平衡（溫度平衡）、力平衡（壓力平衡）、化學勢平衡（包括相平衡和化學平衡），平衡必穩定，反之穩定未必平衡。

3.3 .2基于STEM理念的平衡狀態教學模式

基于STEM平衡概念的教學模式如圖2所示，該教學模式將一級知識點中的二級知識點逐個進行介紹，將其進行參數化、數學化，在此基礎上采用計算機技術對上述數學模型進行描述；進而，采用簡單的案例對數學模型進行圖示化、原理介紹；最后采用基于數學、計算機和案例的綜合項目進行概念教學，更直觀動態、詳細地向學生介紹基本知識點。

圖2 基于STEM平衡概念的教學模式

3.4 課程評價

STEM教育與傳統的學習評價區別在于前者更注重學生跨學科知識的應用能力，解決問題等核心素養的發展。因此，傳統的課程評價方式不再適用，此處提出評價體系如圖3所示。該評價體系主要包括評價主體、評價內容、評價方法和評價結果等四個方面，鑒于STEM教育更傾向于學生綜合運用知識的能力，此處的評價主體主要包括學生自我評價，項目參與的同伴評價和教師對學生的表現評價，其中更注重以學生自我評價為主，通過學生的自我反思意識以識別其對某個知識和能力掌握的程度。

圖3 評價體系

從評價內容來看，STEM教育強調開發與培養學生跨界整合能力目標相一致的評價指標。STEM教育主張多元化的評價方法，采用科研論文、產品展示和匯報答辯等多種渠道來改善傳統閉卷考試的單一考核方式以考察學生的學習效果。學生完成課程測試，形成學習資料；教師的預期教學目標和學生的學習效果相聯系，進行教學評估；對學習資料、學生滿意度進行數據分析，將學生的學習效果與教師的教學效果相聯系[11]。

4 結束語

2016年教育部發布的《中國學生發展核心素養》總體框架提出了中國學生的核心素養，包括理性思維、批判質疑、勇于探究、勤于反思、勞動意識、問題解決、技術運用等。STEM教育倡導在真實的任務中實習，強調在動手實踐中學習，這種更加綜合的學習將是培養學生這些核心素養的重要途徑。然而，當前中國的STEM教育形式還處于比較初級的狀態，遠不如美國和其他國家那般成熟，因此，高校教師應對STEM教育理念有基礎的認知與了解，并能將STEM教育理念合理應用到本科教學環境中來，以應對企業轉型升級中的復合型人才需求。