STEM教學模式在“產品綜合開發”課程中的應用

【摘" 要】 在創新導向與技術賦能的產業背景下，STEM教育模式在技工院校的推廣與深耕，將有助于學校立足實際培養符合時代需求的技能型人才。文章結合迭代研究法，構建了STEM結合BOPPPS框架的教學模型，通過技工院校“產品綜合開發”課程的教學實踐，表明該模式能夠在有機融合多元學科的基礎上，極大地增強技工院校學生的學習興趣，提高課堂的實踐創新力，使學生的綜合技能素養得到更全面的發展。該研究建立的基于STEM教學模式的模型，可供技工院校的教育教學和人才培養參考借鑒。

【關鍵詞】 STEM；教育體系；綜合素質

一、STEM教育是一種可持續性的創新教育

在創新導向與技術賦能的產業大背景下，STEM教育通過跨學科融合，從教授學生某個技能、某個知識點過渡到強調過程性的探究學習，通過培養學生在遇到真實問題時自主運用多學科知識解決問題的能力，來打造真正意義上的創新型人才。融合了“科學”“技術”“工程”“數學”4個科目的STEM教學方式，在技工院校的推廣與工學一體化的技能人才培養上體現“做中學”“學中做”。

STEM教育模式將多學科、交叉學科，甚至超學科的知識體系進行有機融合，打破了學科的界限和壁壘，呈現了學生在實踐中更真實的狀態：學生通過科學與數學的規律，認識事物、發現世界；教師結合技術與工程的探究實踐新成果，讓課外活動、職業培訓等成為STEM教育模式的載體。美國進步主義教育家克伯屈提倡：“學生從基于現實世界的探究活動中提出學習目的”，技工教育通過結合實時的產業業態，打造了STEM教育課堂內外的探究環境，以活動和項目為載體，以學生為本，以項目探究過程為引線，體現了技能教育立足時代的可持續性。

二、“STEM+BOPPPS”——基于STEM的教學模式模型設計

BOPPPS教學框架最初應用于加拿大的教學技能工作坊，其要求學生明確學習目標，從而構建認知脈絡，強調引導學生主動參與并體驗課堂，讓學生成為課堂的中心。技工學校的學生擅動手、重技能，借助BOPPPS基礎框架（Bridge in—熱身、Objective—學習目的、Pre Assessment—前測、Participatory Learning—參與式學習、Post Assessment—后測、Summary—反思），教師可以更有效地引導學生帶著學習目的參與課程。

以STEM為基礎的“STEM+BOPPPS”模型具有以下特點：1. 從真實世界的實際項目或現實生活的實際問題出發，構建跨學科融合的課堂焦點；2. 以應用創新、技術創新為載體，讓學生在知識技能的實踐中主動探索、勇于攀登；3. 通過多元協作的課堂環境豐富實踐過程，提高學生的問題解決能力和綜合素質。

本研究基于STEM的“STEM+BOPPPS”教學模型，將圍繞“情境熱身與目標構建—任務探究與協作實踐—成效交流與總結反思”的程序，構筑“學中做—做中學”的動態實踐課堂，創設以學生為本的課程參與形式。

三、“產品綜合開發”課程概述

“產品綜合開發”課程是技工學校計算機輔助設計與制造專業的一門實踐課，課程設置在高級技工階段的第3學期，每周10課時。課程通過教授產品開發的技能與方法，并結合項目訓練，讓學生將所學的技能從設計構思，到CAD三維設計，最后進行原型制作、呈現產品說明書等形式，系統地把所學的技能結合起來，形成一定的產品開發能力。

四、基于STEM的教學模式在“產品綜合開發”中的教學實踐

為了檢驗基于STEM的“STEM+BOPPPS”課程模型在技工教育中的有效性，本研究選取了技師學院計算機輔助設計與制造專業高級工班的“產品綜合開發”課程開展教學實踐研究。教學活動面向該班的36名學生，通過“實踐—修正—再實踐”的迭代研究法，開展為期一學期的兩輪實踐。第一輪實踐從開學到期中結束，以期中為節點進行修正，再于下半學期進行第二輪實踐。

（一）第一輪教學實踐

該輪實踐的主題是“花灑的創新設計”，學生針對生活中常見的花灑進行設計和原型制作，要將零部件正確分型，并裝配成功。該專業的學生具有一定的造型能力，在實施階段的熱身環節，教師引入了仿生設計的概念，使項目主題更加明確，并具有挑戰性。

環節一：圍繞產業生活實際，構建主題情境，激發學生投入課堂的熱情。在課前，教師讓學生觀看仿生花灑的微視頻，以“花灑的創新設計”為課題，然后讓學生自由組隊，3人為一組。在上課階段，教師展示市面上的實物花灑，供學生現場研究。然后教師解讀課題，并闡釋“仿生”的理念，而后轉入課堂的熱身環節，讓小組成員完成團建分工。各組向全班介紹團隊，以提升項目的士氣。該環節旨在創設真實問題的情境，讓學生帶著興趣融入項目，為后期課程的推進注入動力。

環節二：架構學習認知，引導學生關注學習目標。在課前，由各小組搜集花灑案例，進行簡要分析。在上課階段，教師現場演示花灑實物的裝配過程，并闡釋項目的細化要求：該課題要求每個學習小組設計一款仿生花灑，展示三維效果結構圖、編輯文字說明書，并制作能拆分裝配的產品模型。教師要解讀課題的學習目標：1. 通過“花灑的創新設計”項目實踐，使學生學習相對簡單的產品結構開發。2. 通過小組合作，學習并提升學生CAD、CAM和原型制作的水平。3. 通過原型裝配，增強學生克難攻堅的實踐意識。教師介紹項目的學習方式：依據課程內容節點，各團隊利用計算機、數控加工中心設備及3D打印機等設備，完成節點任務，學生通過任務的知識積累與技能實踐，學習產品開發的方法。然后教師為學生分析花灑案例的三視圖、拆分零件圖和裝配圖，并讓學生研究花灑實物。該環節旨在讓學生把握學習方向，便于在學習階段重視學習點，引導學生提前鋪墊在學習過程中的方式，從而達到最好的學習效果。

環節三：摸底鋪墊，聚焦課堂。教師布置摸底任務，每個團隊自行選擇實物花灑，繪制三維建模與裝配圖，組長協調團隊完成作業并上交。然后教師評估學生的完成度，選擇進入創新開發階段或進行技能的再提升訓練、降低難度等。該環節一方面能摸清學生的真實水平，對深入教學進行鋪墊；另一方面能讓學生更直觀地了解后續可能面對的實踐內容，并逐步推動課程進入核心階段。

環節四：多元協作，師生開展跨學科的任務實踐。該環節是課程的核心，學生團隊將完成若干個任務。首先，要完成花灑外觀的創新設計，本案例引導學生結合仿生知識開拓思維；團隊提交外觀設計說明書。其次，團隊完成產品零件圖、裝配圖的繪制。再次，將原型制作結合3D打印技術（外觀分型）、CAM數控技術（內部組件）參與制造過程（本案例先統一安排數控實訓，再統一安排3D打印實訓）。最后，小組完成產品說明書，并整理零件圖，成冊上交。該環節圍繞STEM元學科展開實踐，學生要以科學的思維設計結構，以數學的知識測量檢驗，以工程的目的制造裝配，以技術的手段完成綜合開發。這個環節需要師生間、小組內的互相協作及理論環境—實訓環境的互相協作，是該課題最重要的學習實踐階段。

環節五：展示評價或后測，檢視課程成效。小組匯報成果，全體學生每人一票，進行投票評價，同時教師投出自己最欣賞的作品，最后依據總票數，評出最佳創新獎三個、最佳裝配制造獎兩個和最優團隊獎兩個。該環節是學生成果集體交流的過程，教師結合自己的專業知識對學生進行指導性地評價，能夠使學生互相學習、進一步提升自己。

（二）第一輪模型驗證與修正

為了更好地驗證基于STEM的教學模型在實踐中的效果，研究引用了北京師范大學李艷燕教授等人提出以STEM教育質量評價體系模型制作問卷，結合技工學校學生實際的微調二級指標，并對學生發放問卷。問卷圍繞課堂環境、課程結構、教學內容和學生表現等4項一級指標和18項二級指標，由學生賦值，指出不足：每個二級指標計1分，如果該二級指標有改進點，則對該二級指標項賦0分，并在相關一級指標后指出0分二級指標的代碼，然后提出原因或建議。問卷共發放36份，全部有效回收，統計結果如表1所示。

統計結束后，研究組分別在各組抽取兩名學生進行訪談，針對差值大于0.3的項目，提出修正意見。

在“課堂環境”部分，學生指出STEM設備、空間布局以及公平性二級指標有待提高；在“學生表現”部分，學生指出測試和檢驗、迭代設計二級指標有待提高。針對以上問題，本研究修正了基于STEM的教學模型，如圖1所示。

針對“STEM設備”“空間布局”問題，本研究采用了STEM協作實踐教學空間，主要包括協調授課實訓場所及對應技術的指導。針對“公平性”問題，通過細化項目任務書與節點子任務書，督促小組成員合理分工。針對“測試與檢驗”“迭代設計”問題，通過組建專家團隊，構建循證交流與階段性匯報機制，推進方案的改革。

（三）第二輪教學實踐

第二輪實踐依然對同一個班級的36名學生展開，主題為“小夜燈的開發”：教師提供現成電路的亮燈模塊，學生完成其余結構與外觀的設計，并制造裝配。基于修正版模型，實施較上一輪有了以下變化：1. 第二輪組建了多元教學團隊，并完善了STEM教學空間。以任課教師為主、實訓管理員和電專業教師任技術顧問，給予學生經驗和循證指導。在教學空間的安排上，同步開放CAM和3D打印實訓室，于晚自習使用。任課教師和管理員協同教學，給學生更充足的實踐機會；2. 課程初期發布項目任務書，每堂課發布子任務書，細化小節任務的分工；3. 構建階段性的匯報機制，學生的每次匯報，都由教師與技術團隊共同參與。

基于修正版的教學模型，從期中到期末半個學期，學生完成了第二輪教學實踐。

（四）第二輪模型驗證

第二輪實踐結束，研究組再次對學生發放問卷，36份問卷全部有效回收，統計結果如表2所示。

此輪統計，“課堂環境”與“學生表現”等一級指標的滿意度大幅提升，4個一級指標的平均分與總分差值也維持在了更小的范圍內。在課程結束后，全部學生上交一份課程總結，從學生的反饋中，得出以下幾點結論：1. STEM教學模式在“產品綜合開發”課程中的運用，讓學生感到挑戰性、趣味性和實踐性；2. 學生在實踐中體會到了團隊合作的力量，項目中不同學科的知識與涉及的非專業知識有機地融合在了一起；3. 項目在推進過程中，以循證結果推進討論、化解分歧，使學生最終獲得了創新成果和豐富的學習體驗。

參考文獻：

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