項(xiàng)目課程（PBL）式的STEM教育對技工院校學(xué)生學(xué)業(yè)成績和職業(yè)興趣的影響

余姝僑，熊曉云

（深圳技師學(xué)院，廣東深圳 518116）

STEM（Science科學(xué)—Technology科技—Engineering工程—Maths數(shù)學(xué)）教育是一類幫助有志于從事創(chuàng)新創(chuàng)造工作的學(xué)習(xí)者培養(yǎng)創(chuàng)造性解決問題能力的綜合性的學(xué)習(xí)方法。STEM教育旨在引導(dǎo)學(xué)生從多學(xué)科角度看待問題，同時(shí)獲得各種必要的知識和技能。在現(xiàn)今社會，STEM囊括了多個(gè)重要的專業(yè)領(lǐng)域，如工程、技術(shù)等，也在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步方面發(fā)揮了作用。隨著世界經(jīng)濟(jì)的分化和技術(shù)的快速發(fā)展，一個(gè)國家的科技競爭力與STEM理念的有效實(shí)踐及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)有著密不可分的關(guān)系[1]。因此，在這個(gè)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，學(xué)校教育應(yīng)致力于鼓勵(lì)學(xué)生完成理論與實(shí)踐的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維，而不只是被動(dòng)地參與學(xué)科課程的學(xué)習(xí)，STEM教育也是為響應(yīng)這些需求而應(yīng)運(yùn)而生的。

技工院校是培養(yǎng)技術(shù)工人的重要教育機(jī)構(gòu)之一，也是高等教育不可或缺的一部分。近年來我國大力發(fā)展職業(yè)和技工教育，在可預(yù)見的將來，更多優(yōu)秀的技能人才是支撐我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要力量。因此，提高職業(yè)和技工院校的人才培育效能是提高人力資源數(shù)量和質(zhì)量的基礎(chǔ)。在此背景下，在職業(yè)和技工院校開展STEM教育就發(fā)揮了非常重要的作用。一般而言，技工院校的學(xué)生不僅要完成能夠促進(jìn)自身文化提升和個(gè)人發(fā)展的教育，還要完成技能培訓(xùn)，以保障他們的就業(yè)。通過引入STEM理念，技工院?？梢詭椭鷮W(xué)生獲得工作體驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，并了解一定的商業(yè)運(yùn)作規(guī)律。另外，職業(yè)和技工教育需要不斷調(diào)整以適應(yīng)市場需求，培養(yǎng)的技術(shù)工人也需保持學(xué)習(xí)能力。實(shí)現(xiàn)這種教學(xué)目的需要對技工教育的專業(yè)進(jìn)行分析和評估，并選擇最有效的教學(xué)內(nèi)容、技術(shù)和方法。培養(yǎng)實(shí)踐能力是STEM教育一個(gè)最為顯著的特征。與職業(yè)和技工教育融合的STEM教育對培養(yǎng)高素質(zhì)的技能人才有著重要的推動(dòng)作用，項(xiàng)目課程（PBL）形式是STEM教育常用策略之一，也是培養(yǎng)應(yīng)用實(shí)踐能力的一個(gè)有效方法。

基于項(xiàng)目課程（PBL）的STEM教育（STEM-PBL）是一種幫助學(xué)生解決復(fù)雜問題的教學(xué)手段，也能夠幫助學(xué)生發(fā)展分析和批判的高層次思維能力，同時(shí)學(xué)生培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作、解決問題的能力及增強(qiáng)學(xué)生自信心。有學(xué)者認(rèn)為融合了工程和技術(shù)的STEM-PBL課程對學(xué)生的未來職業(yè)生涯是有作用的[2]。因此STEM-PBL是一種既有挑戰(zhàn)也有激勵(lì)作用的教學(xué)方式，但在技工院校中較少被采用。在本文中，我們在技工院校的技術(shù)類課程中實(shí)施STEM-PBL教育，并通過測試檢測該模式在對技工院校學(xué)生的學(xué)業(yè)成績和未來STEM的職業(yè)興趣的影響，期望通過這個(gè)案例分析STEM-PBL是否適用于職業(yè)和技工教育。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 學(xué)習(xí)組的建立

在本項(xiàng)目中我們采用了單個(gè)組別的前測—后測的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究方法，選取的研究對象為2020-2021學(xué)年度第一學(xué)期深圳技師學(xué)院應(yīng)用生物學(xué)院開設(shè)的專業(yè)技能俱樂部的學(xué)生。應(yīng)用生物學(xué)院擁有實(shí)驗(yàn)室和各種設(shè)備及器材，生物類的工科也是實(shí)施STEM教育的良好對象。選取的研究對象為技能俱樂部的學(xué)生是因?yàn)橄鄬τ谡n堂教學(xué)，俱樂部的活動(dòng)實(shí)施更加靈活。研究對象為二至三年級學(xué)生，年齡范圍為16～19歲，正是形成領(lǐng)域分支和專業(yè)方向的時(shí)期。參與對象總共為15位學(xué)生，男生7人，女生8人，性別比例適中，所有學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相似，成績均屬于中上水平，均為自愿參與。

1.2 STEM-PBL課程的建立

本項(xiàng)目的STEM-PBL主題為：“基于工程設(shè)計(jì)的DNA分子分離和鑒別的裝置”，包含數(shù)學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)等多種STEM元素。教師講授理論知識、原理背景和設(shè)計(jì)要求，學(xué)生需思考如何使產(chǎn)品更簡化、更低成本、更安全、有效和便攜等。學(xué)生獲得的STEM理念為：（1）理解工程和科技對生物實(shí)驗(yàn)設(shè)備的重要性；（2）將學(xué)到的理論知識轉(zhuǎn)化到實(shí)際操作中去；（3）通過制作一個(gè)產(chǎn)品展現(xiàn)對工程和技術(shù)改善產(chǎn)品性能的理解。本項(xiàng)目探討的兩個(gè)問題為：（1）STEM-PBL教育對技工院校學(xué)生的學(xué)業(yè)成績有影響嗎？（2）STEMPBL教育是否會影響技工院校學(xué)生對STEM專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情。

學(xué)生先通過一段時(shí)間的理論學(xué)習(xí)，理解DNA分子的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)、分離DNA的原理、檢測和鑒定DNA分子的方法及其實(shí)際臨床意義。STEM理念體現(xiàn)在讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)和組裝一款簡單便攜的DNA分離和鑒別裝置。學(xué)生首先構(gòu)思裝置的設(shè)計(jì)，根據(jù)使用材料進(jìn)行外觀上的創(chuàng)新，再用CAD軟件繪制產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖，最后完成裝置的組裝和測試。STEM教育講求使用低成本的材料完成創(chuàng)新，因此本課程使用的材料均為塑料盒、電線、電池組、硬紙板，明膠，食品色素等便宜常見的材料。在課程開始前和完成后，各組織一次STEM學(xué)業(yè)成績測試（STEM academic achievemnet test,STEM-AAT）和STEM職業(yè)興趣量表（STEM career interest scale,STEM CIS）的測試[3,4]。如表1所示，STEM-AAT包含12道與學(xué)業(yè)成績有關(guān)的問題，滿分為100分；STEM-CIS包含44道與4個(gè)STEM分支相關(guān)的問題：科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）各11題（見表2），滿分為50分；STEM-CIS的匯總結(jié)果通過計(jì)算，可界定為分?jǐn)?shù)低于2.60分表示負(fù)興趣，2.60分及以上的表示正興趣（見表3）。

表1 STEM-AAI問題列表

表2 STEM-CIS問題表和相應(yīng)的社會認(rèn)知傾向偏好

表3 STEM-CIS-李克特類型量表-選項(xiàng)和分值區(qū)間

1.3 STEM-PBL課程的實(shí)施

課程的實(shí)施分為以下幾步：（1）前測：所有參與的學(xué)生在課程開始前進(jìn)行一次STEM-AAT和STEM-CIS的測試；（2）學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)于DNA分子分離和鑒定的知識，包括學(xué)習(xí)分離裝置的構(gòu)造及其背后的工程學(xué)原理等；（3）學(xué)生分組安排項(xiàng)目進(jìn)度，3～4位學(xué)生一組，隨機(jī)分組，分組后每組自行完成文獻(xiàn)索引、資料分析等工作；（4）分發(fā)用于裝置組裝的材料；教師強(qiáng)調(diào)“簡單、低成本、安全、有效、便攜”等核心產(chǎn)品特性，學(xué)生結(jié)合STEM理念探討如何設(shè)計(jì)該裝置；（5）學(xué)生在三周內(nèi)完成本課程，教師進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)。學(xué)生理解DNA分離的工程學(xué)意義，電流的走向，液體試劑的計(jì)算、配置、存放等技術(shù)問題，并使用CAD繪圖軟件設(shè)計(jì)裝置外觀，使其緊湊、便攜；（6）第五周進(jìn)行小組項(xiàng)目匯報(bào)；（7）后測：所有完成課程的學(xué)生再進(jìn)行一次STEM-AAT和STEM-CIS的測試，項(xiàng)目完結(jié)。

2 結(jié)果和討論

第一部分STEM-AAT的前測-后測結(jié)果顯示，采用STEM-PBL課程教學(xué)的學(xué)生的學(xué)業(yè)成績測試平均分有所提高（51.26<62.23），學(xué)習(xí)組在課程的前測和后測的成績差異明顯有利于后測（如表4所示）。因此，實(shí)施STEM-PBL的教育方式對學(xué)生的知識學(xué)習(xí)和成績提升都有一定的效果。

表4 學(xué)習(xí)組學(xué)業(yè)成績測驗(yàn)（STEM-AAT）的前測和后測平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

第二部分STEM-CIS前測-后測的得分是針對STEM中的每個(gè)學(xué)科計(jì)算獲得的（見表5）。結(jié)果顯示，在STEM-CIS后測中，除科學(xué)以外，技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的平均得分均高于其前測得分。如表5所示，在實(shí)踐STEM-PBL課程之前，STEM-CIS的前測平均得分為3.11分，而根據(jù)上文中的計(jì)算，當(dāng)被試的平均分值在2.6分以上時(shí)，說明影響力是正向的。在STEM-PBL實(shí)踐后，STEM-CIS后測的平均得分為3.59分，也是正向得分。因此，可以得出STEM-PBL課程實(shí)施在提高學(xué)生的職業(yè)興趣方面具有正向的積極作用。此外，工程學(xué)（E）的后測得分為39.3，與前測得分（32.16）相比，提升幅度是最大的，因此可以判斷STEM教育對學(xué)生工程方面的職業(yè)影響最大。

表5 學(xué)習(xí)組職業(yè)興趣量表（STEM-CIS）的前測和后測平均得分

兩部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)施STEM-PBL課程對學(xué)生的學(xué)業(yè)成績和STEM職業(yè)興趣都是有益的。從STEM學(xué)業(yè)成績測試（STEM-AAT）的前測和后測數(shù)據(jù)來看，學(xué)生對課程知識的掌握、重點(diǎn)難點(diǎn)的理解，以及個(gè)人的學(xué)科自信等方面，都有了較大的提升，這是一般非STEM課程在短期內(nèi)難以達(dá)到的。對于本項(xiàng)目第二個(gè)探討的問題，STEM-PBL教育是否會影響技工院校學(xué)生對STEM專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情？STEM職業(yè)興趣量表（STEM-CIS）的結(jié)果顯示，STEM-PBL課程的實(shí)施幫助學(xué)生整體提升了對STEM專業(yè)的興趣，這種提升在工程領(lǐng)域（E）表現(xiàn)尤其顯著。與之相比較，在技術(shù)（T）和數(shù)學(xué)（M）領(lǐng)域的增幅較小，也并不明顯；尤其是在數(shù)學(xué)領(lǐng)域的得分相對較低，前測和后測的得分均低于其他三個(gè)領(lǐng)域，可能是因?yàn)閷W(xué)生普遍對數(shù)學(xué)這門學(xué)科缺乏興趣。而在科學(xué)領(lǐng)域（S），后測得分反而呈現(xiàn)降低趨勢，這樣的結(jié)果可能是因?yàn)閷W(xué)生在STEM-PBL課程的設(shè)置中更傾向于通過動(dòng)手操作學(xué)習(xí)技術(shù)和工程的內(nèi)容，否則無法直觀感受科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科的魅力。但是，總的來說，STEM-PBL的方式總體上對學(xué)生的STEM職業(yè)興趣有積極和正面的影響。這一結(jié)論，與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致，在Reiss和Mujtaba（2017）的研究中，他們強(qiáng)調(diào)了將職業(yè)和技能教育融入STEM課程的重要性[5]；Franz-Odendaal、Blotnicky、French和Joy（2016）的研究結(jié)果也顯示，學(xué)生參與STEM活動(dòng)正向影響了他們對STEM領(lǐng)域職業(yè)的態(tài)度[6]，這些結(jié)論都支持本文的研究結(jié)果。

3 結(jié)語

本項(xiàng)目研究了在技工院校開展基于項(xiàng)目課程的STEM教育（STEM-PBL）實(shí)踐及其對學(xué)生學(xué)業(yè)成績和STEM職業(yè)興趣的影響。從研究結(jié)果來看，STEM-PBL課程的實(shí)施，對這兩部分都有積極、正面的影響，學(xué)生對于自身的學(xué)業(yè)成績以及未來從事與STEM相關(guān)的職業(yè)興趣都有較大提升。本研究使用的方法為前測-后測的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究方法，此類研究方法只有單個(gè)體組，沒有實(shí)驗(yàn)對照組，因此其科學(xué)性有待商榷。因此，未來的STEM-PBL研究課題可加入對照組，以增強(qiáng)其科學(xué)性和有效性。此外，本次的研究對象為生物專業(yè)技能俱樂部的學(xué)生，完成的項(xiàng)目主題為生物工程學(xué)中的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和組裝，未來的研究可針對不同專業(yè)和不同年齡段的學(xué)生開展。除項(xiàng)目課程（PBL）的方式外，還可以采用其他的形式進(jìn)行，如問題式、設(shè)計(jì)式、問卷式等。綜合看來，本研究結(jié)果支持在技工院校中開展STEM-PBL課程，因其在一定程度上能夠提升學(xué)生的學(xué)業(yè)成績和增強(qiáng)學(xué)生未來對STEM職業(yè)的興趣；針對較低年級的學(xué)生開展STEM職業(yè)興趣研究，有可能幫助引導(dǎo)他們從事合適的職業(yè)。因此，正如Y?ld?r?m和Altun（2015）所說，現(xiàn)代化的學(xué)校教育，尤其是在職業(yè)和技工院校，迫切需要以STEM教育為核心的課程體系的開發(fā)及應(yīng)用[7]；類似本文專門為技工院校工科學(xué)生設(shè)計(jì)的STEM-PBL課程，有助于培養(yǎng)具備現(xiàn)代化技能的技術(shù)人員、工程師和科學(xué)家。