基于STEM的高校專業實踐教學改革探索＊

劉海成，劉茹佳

（1.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.浙江農林大學風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300）

當前，中國高等教育的規模已是世界之最，作為名副其實的高等教育大國而非高等教育強國，在現有高等教育體系下培養的學生特別是工科學生雖然理論知識水平扎實，但普遍存在創新能力不足以及實踐能力不強的問題，這些均會制約國家的進步及發展戰略的實施。高校作為當前中國人才培養的搖籃，需進一步深化創新創業教育改革、不斷夯實學生創新創業的厚實基礎、不斷增強大學生創新創業能力，進而為國家實施創新驅動發展戰略、促進經濟提質增效提供支撐。此外，在實現經濟社會高速、高質發展的同時，對水生態環境及水資源保護與利用的工作不可忽視，尤其是經濟發達地區。

長三角區域涉及中國中東部地區、長江流域三省一市，即江蘇省、浙江省、安徽省和上海市，該區域在中國經濟發展版圖中極具重要地位。長三角區域是中國重要的水環境涵養區域，水域面積在區域總面積中的占比高于國內其他區域。豐富的水資源支撐地區經濟的高速發展，但同時出現了水環境污染、水質性缺水等工業社會發展進程中的弊端。解決水環境問題正是給排水專業技術人員的職責所在，水環境污染的治理及健康水環境的保持需要大量的給排水專業人才?；陂L三角區域一體化發展對給排水科學與工程專業人才的需求，放眼國家發展的戰略所需，亟需培養適應新形勢的創新創業型專業人才。

《中國STEM教育白皮書》指出，STEM教育有助于持續發揮作用，已然成為世界各國教育改革的戰略選擇[1]。STEM教育是跨學科、跨學段的連貫課程群，培養學生運用所學知識創造性解決問題的能力是STEM教育的主要目標。此外，創新教育及高校思想政治教育在工科人才培養中的地位愈發重要。鑒于此，本文面向經濟發展背景下高素質綜合性人才的需求，結合長三角區域一體化發展的國家戰略，以蘇州科技大學給排水科學與工程專業建設與發展為例，采用STEM教育理念對其實踐教學模式進行探索。

1 STEM實踐教學模式構建

傳統的實踐教學模式下，學生依據教師布置的作業或任務，通過操作儀器設備或繪圖軟件，獲取實驗數據或設計圖紙，并最終形成實驗報告或設計成果。上述實踐教學環節采用的模式不能很好地調動學生的主觀能動性，亦不能引導學生主動運用所學的知識去解決工程實踐中存在的問題。與傳統實踐教學模式不同，STEM教育模式更加注重實踐教學的項目化管理，涵蓋教學大綱中的各個知識點以及各知識所對應學科的內在聯系。STEM教學模式屬于設計型、綜合型教育模式，其構成要素包括提出問題、分析問題、解決問題等內容[2]。基于STEM的實踐教學目標不僅考察學生的相關知識掌握能力，還應培養學生理論聯系實際、舉一反三解決工程應用問題的素質。因此，高校教師在設置實踐教學環節時需根據不同的專業特點進行靈活設置。

1.1 項目選題

STEM教育模式是培養具有創新素養人才的重要依托，教育模式的實施前提是要求學生應具備相應的理科基礎如科學、技術、工程和數學等。STEM教育理念以真實的問題為學習導向，通過項目式學習培養學生的問題意識、創新精神和科學素養。因此，開展STEM教育需在實踐教學環節的項目選題上遵循以下2個原則：①需以問題為導向，強調問題源于現實世界；②以工程為導向，項目選題可來源于實際工程問題，但內涵要求高于實際工程問題。

STEM模式下的項目選題應契合專業教育背景。深刻理解專業人才的培養目標及培養過程中的核心要求，有利于開展基于STEM的項目選題工作。

給排水科學與工程專業是中國國民經濟建設中的主要工科專業之一，培養適應時代發展、符合社會需求、解決工程問題的高素質工程技術專業人才。專業培養目標著眼于人才的能力、知識、素質3個方面的綜合素養，如圖1所示。在工程認證的大形勢下，其中能力的培養體現在復雜工程問題的分析及解決能力、專業知識的獲取及應用能力、基于社會發展的創新創業能力。知識的培養體現在扎實的專業理論知識、豐富的人文社科交往能力、基于社會發展的廣泛的自然科學知識。素質的培養主要體現在三觀正確的家國情懷、內涵豐富的健康人格、積極向上的健康體魄。誠然，在人才培養過程中，素質、知識、能力3個方面的關系較為復雜，總體來說三者既彼此獨立又相互依存。良好的素質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學的能力，而能力的展現恰是完美人格與豐富知識的有機結合。這些要求對于培養合格的給水排水專業人才并服務社會至關重要，也是人才價值的體現所在。

1.2 項目設計

通過項目設計開展專業實踐教學是培養人才的有效手段。在完成項目選題之后進行教學項目設計，項目設計需要體現科學調查與工程實踐，以凸顯培養學生主觀能動性的意識、提升學生工程科學素養。基于STEM的項目式教學設計，其教學內容安排上應避免簡單的拼接，尤其是杜絕無創新元素或有悖于STEM理念的內容出現在項目設計之中。另需注意，STEM教育的特點是可依據項目問題預計結果的方向，所以項目設計時需保留不同的目標探究路徑，并針對可能技術路徑的各元件，保持其不可固定性或靈活設置性。再有，STEM教育強調以科學調查為基礎，所以項目設計之初就應預想到項目的實施流程，即項目實施應遵從工程實踐的基本流程，注重分析問題和解決問題的能力[3]。

人才的培養應牢記其初心，即應是基于社會發展與需求的人才培養。對于高等學校教育，如果將高校比作工廠，學生既是原料也是產品，而社會即是市場，學生進入社會即是產品投放市場。畢業生進入社會后能否被社會所接受并真正融入社會發展進程甚或促進社會發展，是對人才培養的最為真實有效的檢驗手段。此外，項目設計也應充分考慮創新意識的培養。當前，社會的發展靠人才的競爭，而人才的區別不僅僅在于知識、能力、素質等方面的差別，創新意識、創新能力更是人才競爭中的關鍵要素。以往以知識傳授為主的高等教育模式必須改變，創新創業意識教育必須貫徹到人才培養的全過程。

人才的培養不僅僅是對專業知識的掌握，更應該重視思想政治教育工作。思政教育是當前高等教育的熱點。當今社會的發展進程中，用人單位對人才的需求已不是簡單停留在對人的專業技術的需求，人才的社會責任感、主人公意識也是用人單位考核人才的關注點。作為高校教育的重要環節之一，專業實踐環節也必須融入思政教育元素。為此，基于STEM教育模式的項目選題必須兼顧實踐教學中的思政融入點，并挖掘合適的思政元素以貫徹到整個項目過程，在實踐教學中提升學生的專業認同感、社會責任感、工程倫理觀和職業道德觀。

2 基于STEM理念的“給水排水管道工程”教學設計

以給排水科學與工程專業核心必修課“給水排水管道工程”課程設計為例，進行基于STEM理念的實踐教學設計。

2.1 實踐教學目標

“給水排水管道工程”課程設計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”課程的教學內容，是很重要的實踐環節。其主要目的是使學生熟悉并掌握給水和排水管網的設計程序，并使學生在教師輔導下，基本能達到獨立設計給水和排水管網的能力，培養和提高學生計算能力、設計和繪圖的實踐水平。學生通過給水排水管道工程的理論學習，應具有壓力管道、重力流管道布置以及水力計算、技術經濟比較的能力。通過該課設，學生應完成城市給水管道、城市污水管道、城市雨水管道的規劃方案確定、平面布置、縱斷面設計等工作，并具有較好的水力計算能力和一般的施工方法確定的知識。

此外，通過課程設計的實施，還應達到以下2方面的目標：①創新教育方面。學生能夠基于STEM理念，在給水排水管道系統的設計、維護等方面不拘于理論及常識，創新性地運用新工具、新思路開展方案設計、運行維護等工作。比如運用新技術開展給水排水管道檢漏，以提升管網維護效率。②思政教育方面?；赟TEM理念的教育模式，能夠將給水排水管道系統與社會發展進程中的熱點現象有機結合，真正意義上做到運用專業知識服務社會發展與國家建設大業，增強學生的家國情懷。例如強化給水管道水質保障能力，確保人民的飲水健康，切實做到以人為本的社會高質量發展。又如提升污水管道的抗滲能力，杜絕污水外滲導致對水環境的影響，切實服務于生態文明建設的需求。

2.2 實踐教學設計思路

依據上述的實踐教學目標，結合STEM的教育理念，實踐教學環節的設計應從單學科知識的應用轉為多學科知識的綜合應用，并通過富有創新的方式方法來解決生活實際問題。為使學生獲得積極的體驗和豐富經驗、養成主動探究工程問題的習慣并形成問題意識，實踐類課程設計應以發展探究能力和創新精神為終極目標。實踐類課程主題設計流程如圖2所示。

由圖2可知，實踐類課程設計流程融入了STEM教育理念和教師的專業素養，整個實踐課程以學生為中心，學生由被動轉為主動，注重培養學生的思維創新、動手實踐等綜合能力。具體介紹如下：①實踐教學主題以學校專業培養大綱為準，選題既要貼近生活，又要高于生活，同時也應具有挑戰性。②活動目標主要體現行業轉型升級所需的創新精神。③設計與制作環節，學生需調研分析教師所提出的主題問題，進而運用所學的知識來完成相關的任務。此過程中，教師作為指導者，督促并幫助學生學會使用多學科的知識點完成更高質量的作品。④測試與優化環節，學生將初步完成的作品進行試驗分析與驗證，針對不足的環節進行反饋完善；學生向教師展示作品，評價團隊成員的表現以及自我的表現與反思。同時，教師對學生作品進行評價，進一步反思教學中的不足。⑤拓展應用是評價學生作品的實戰方法，也是評價教師主題選取是否得當的途徑。若該作品可通過學生競賽或可孵化為創新創業訓練項目，則可進一步提升學生下一層次的實踐環節。另一方面，教師亦可通過主題項目的反思，為下一個實踐環節主題選定提供參考。

3 結束語

相比傳統的實踐教學環節，STEM教育理念是一種較為先進的教學模式，其在歐美等國家已進行了多年的實踐。中國的社會發展已進入高速高質量發展階段，社會面臨的問題及矛盾也愈發突出，如社會發展與人口紅利之間的矛盾、技術更新與資源利用方面的矛盾、產業結構與經濟發展方面的矛盾等等。粗放性的社會經濟發展模式正在轉向集約型，產業結構持續調整，以人為本、科技支撐、資源節約型社會發展模式已成常態。在此背景下，具有創新能力強、思政意識濃的技術技能型人才需求愈發凸顯?；赟TEM教育理念，改革人才培養模式、提升人才培養質量是對中國經濟社會發展新態勢的有利支撐，同時也會促進中國由高等教育大國向高等教育強國轉變。為使中國應用型高等教育更好地適應社會發展需求，需要廣大高校教師隊伍在STEM實踐教學理念的引導下，積極主動推進實踐教學改革。