STEM教育理念下應(yīng)用型本科院校機(jī)械電子工程專業(yè)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘" 要：培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力，是STEM教育理念的思想核心。在教學(xué)改革中，如何兼顧職業(yè)性和創(chuàng)新性則是一個(gè)難題。機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目作為STEM教育中的一種實(shí)踐教學(xué)方式，學(xué)生能夠在實(shí)踐中提升自身的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。通過這種教育方式，可以實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)的效果。文章首先介紹了將STEM教育理念引入應(yīng)用型本科高校中的機(jī)械電子工程專業(yè)課程中的意義及課程特點(diǎn)，提出對(duì)機(jī)械電子工程相關(guān)課程的整體改革思路和實(shí)踐，最后以機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程為例，結(jié)合具體的課程內(nèi)容制訂課程設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：STEM教育；課程改革；課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1673-7164（2024）05-0109-04

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳教改課題“民辦高校STEM教學(xué)理念下的工科教學(xué)改革研究”（課題編號(hào)：SJGY20210759）。

作者簡(jiǎn)介：苗青（1977—），男，學(xué)士，黑龍江工商學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)閼?yīng)用力學(xué)；鄒玲玲（1984—），女，碩士，黑龍江工商學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件與應(yīng)用；張麗英（1982—），女，碩士，黑龍江工商學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析。

隨著我國(guó)提出“中國(guó)制造2025計(jì)劃”，制造業(yè)要向智能化、數(shù)字化、綜合化方向發(fā)展的目標(biāo)，機(jī)械電子工程這一在機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子工程等學(xué)科基礎(chǔ)上建立起來(lái)的跨學(xué)科專業(yè)，也要順應(yīng)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展所需的復(fù)合型人才。依靠傳統(tǒng)教學(xué)方式很難實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)復(fù)合型人才的目標(biāo)。將STEM教育模式引入機(jī)械電子工程的教學(xué)改革，轉(zhuǎn)變教師主導(dǎo)課堂的、理論灌輸?shù)慕虒W(xué)方式，正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可行性方案。

一、STEM教育的意義及課程特點(diǎn)

（一）STEM教育的意義

STEM教育是一種注重實(shí)踐、跨學(xué)科的教育理念，是一種教育哲學(xué)。它將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)融合在一起，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、問題解決能力和團(tuán)隊(duì)合作以及探索能力［1］。STEM教育模式下的教育目標(biāo)包含了科學(xué)素質(zhì)、數(shù)學(xué)素質(zhì)、技術(shù)素質(zhì)和工程素質(zhì)等方面。對(duì)于從事機(jī)械電子制造與維護(hù)的高校學(xué)生而言，STEM教育的目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的基本能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)、數(shù)學(xué)如何在工程中的合理應(yīng)用產(chǎn)生更深層次的理解。STEM教育具有以下意義：

1. 提高學(xué)生工程素養(yǎng)

工程素養(yǎng)是解決工程實(shí)際工程問題的能力，主要內(nèi)涵包括扎實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)、豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、分析工程需求與解決工程問題的能力。通過STEM教育模式對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方式改革后，學(xué)生將在大量的實(shí)踐項(xiàng)目中，學(xué)習(xí)完成項(xiàng)目所需的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)，通過數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算工程中需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。在STEM教育理念中，學(xué)生除了需要學(xué)習(xí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品所必需的科學(xué)知識(shí)外，還需要掌握技術(shù)以及分析數(shù)據(jù)的技能。這些知識(shí)和技能既是滿足學(xué)生學(xué)業(yè)考核要求的保障，也是通過工程項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的基礎(chǔ)，更是他們成為一名合格工程師所必需的素質(zhì)。

2. 著重體現(xiàn)高校的“高等性”

應(yīng)用型高校的教育目的是培養(yǎng)大批的應(yīng)用型人才，這正是高校的“職業(yè)性”。但高校還要體現(xiàn)出與職業(yè)學(xué)院培養(yǎng)的職業(yè)性人才的不同點(diǎn)，高校學(xué)生除掌握職業(yè)技能外，還需要有深厚的科學(xué)素養(yǎng)、豐富的工程經(jīng)驗(yàn)、扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底等要素，具有自主學(xué)習(xí)的能力，以及終身學(xué)習(xí)的意愿，這是高校的“高等性”。應(yīng)用型本科高校當(dāng)前的教學(xué)活動(dòng)很難同時(shí)滿足這兩個(gè)教學(xué)目標(biāo)，過于強(qiáng)調(diào)理論則偏向?qū)W術(shù)型高校，過于強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力而弱化理論知識(shí)則會(huì)偏向職業(yè)學(xué)院。STEM教育模式改變傳統(tǒng)的將科學(xué)、技術(shù)與工程割裂開的教學(xué)模式，改之以在完成工程實(shí)踐的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)知識(shí)。這樣的教學(xué)模式能在很好地滿足應(yīng)用型本科高校“職業(yè)性”的同時(shí)，又保證學(xué)校的“高等性”［2］。

（二）經(jīng)STEM教育模式改革后的課程特點(diǎn)

1. 以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)活動(dòng)的進(jìn)行

STEM教學(xué)理念的特點(diǎn)是在工程實(shí)踐中完成科學(xué)理論的學(xué)習(xí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)技能求解恰當(dāng)?shù)墓こ虆?shù)，通過技術(shù)手段完成工程設(shè)計(jì)，得到最后的作品。這個(gè)特點(diǎn)符合以完成項(xiàng)目作為教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生作為教學(xué)活動(dòng)的主體，在教學(xué)活動(dòng)中教師只是起到引導(dǎo)學(xué)生的作用。學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目的具體情況，設(shè)計(jì)完成項(xiàng)目的技術(shù)路徑，并解決項(xiàng)目中的工程問題。一個(gè)恰當(dāng)?shù)墓こ淘O(shè)計(jì)項(xiàng)目能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、戰(zhàn)勝困難的勝負(fù)心，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅收獲知識(shí)，還能收獲完成一個(gè)個(gè)階段目標(biāo)的成就感。

2. 強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作

STEM教學(xué)理念下，學(xué)生要以小組協(xié)作的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。小組協(xié)作很好地契合了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，首先每個(gè)工程實(shí)踐都能用不同科學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，甚至同一種科學(xué)原理也可以從不同應(yīng)用方向來(lái)解決同一個(gè)工程實(shí)踐中的問題。這就需要通過多人討論、比較等方式，篩選出更好的方案。

其次，無(wú)論何種教學(xué)活動(dòng)，最終目標(biāo)都是讓學(xué)生學(xué)習(xí)到知識(shí)。根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔理論，學(xué)生把學(xué)習(xí)過的理論教授給別人過程中可以記住90%的內(nèi)容，因此，學(xué)生要給其他同學(xué)講明白自己的理論［3］。

3. 以學(xué)生為教學(xué)活動(dòng)主體

STEM教育中，教學(xué)活動(dòng)是以學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、如何能學(xué)得更好、該在什么樣的環(huán)境下學(xué)習(xí)這些為條件而展開的，改變了過去以教師為主、以講授為主、學(xué)生一味盲從的教學(xué)模式。以學(xué)生為教學(xué)活動(dòng)主體的教學(xué)模式有助于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。

二、核心課程整合優(yōu)化的整體思路

核心課程是在滿足教育部對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)基本要求的基礎(chǔ)上，符合本校人才培養(yǎng)大綱的本專業(yè)所有學(xué)生都必須掌握的學(xué)習(xí)內(nèi)容，是整個(gè)課程的核心。本著理論與實(shí)踐并舉，以應(yīng)用、機(jī)械為主，電子為用，機(jī)械與電子相結(jié)合，對(duì)核心課程做出按課程類型的優(yōu)化調(diào)整，建立包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造類、機(jī)電一體化類、控制與計(jì)算科學(xué)類的課程體系，結(jié)合教學(xué)方法和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系改革，運(yùn)用數(shù)字化教學(xué)技術(shù)，逐步提高教學(xué)水平，充分滿足學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)趣味性和個(gè)體充分發(fā)展的需求。

（一）機(jī)械制造與機(jī)械運(yùn)動(dòng)類課程

在引入工程項(xiàng)目時(shí)，充分考慮“工程力學(xué)”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”“機(jī)械制造基礎(chǔ)”這四門專業(yè)課的相互聯(lián)系與課程主要內(nèi)容的區(qū)別，項(xiàng)目盡可能涵蓋這四門專業(yè)課的所有重要知識(shí)點(diǎn)。項(xiàng)目從機(jī)械設(shè)計(jì)出發(fā)，運(yùn)用工程力學(xué)知識(shí)分析工件的剛度與強(qiáng)度，選擇機(jī)械制造技術(shù)完成機(jī)械設(shè)備的制造，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的每門課程及課程的重點(diǎn)內(nèi)容有清晰、直觀的定位與理解［4］。

（二）機(jī)電一體化及運(yùn)動(dòng)控制類課程

這一大類課程包含“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)”“數(shù)控原理與維修”“機(jī)電傳動(dòng)控制”“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”等主要課程，設(shè)計(jì)“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，將“數(shù)控原理與維修”課程中設(shè)備使用方面的內(nèi)容與“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程中控制器內(nèi)容有機(jī)結(jié)合于超控運(yùn)動(dòng)器件的液壓部分驅(qū)動(dòng)器件運(yùn)動(dòng)。盡最大可能把實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容融入項(xiàng)目，增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力。

（三）應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)類課程

為了培養(yǎng)滿足“中國(guó)制造2025計(jì)劃”所需要的技術(shù)人才，專業(yè)的課程設(shè)置應(yīng)增加計(jì)算機(jī)技術(shù)類課程在核心課程中的比重。在原有的“C語(yǔ)言”“單片機(jī)原理與接口”的基礎(chǔ)上增加AutoCAD、MATLAB等課程，讓學(xué)生具有更強(qiáng)的機(jī)械設(shè)計(jì)、制圖、仿真能力［5］。

（四）強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)

機(jī)械電子工程是一個(gè)跨學(xué)科的工科專業(yè)，知識(shí)繁復(fù)、難度較大，實(shí)踐教學(xué)不僅有利于學(xué)生更好地掌握紛繁復(fù)雜的公式、理論與技術(shù)，還可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的理解與動(dòng)手能力，體現(xiàn)出實(shí)踐教學(xué)的相對(duì)優(yōu)越性。在實(shí)踐課程中以學(xué)生為主，教師為輔的教學(xué)方式為主，將課題分析、方案確定、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全過程結(jié)合起來(lái)，邊設(shè)計(jì)、邊實(shí)驗(yàn)、邊修改，密切動(dòng)腦與動(dòng)手之間的關(guān)系［2］。

三、STEM教育模式在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用

與機(jī)械相關(guān)的所有工科專業(yè)都會(huì)開設(shè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這門課程。課程的特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)多、理論知識(shí)抽象深?yuàn)W、結(jié)構(gòu)圖與總裝圖多、需要良好的制圖功底、公式繁雜，是一門面向應(yīng)用的學(xué)科。結(jié)合STEM教育理念下的課程特點(diǎn)，對(duì)難度大、抽象、知識(shí)點(diǎn)多的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程應(yīng)改變教學(xué)方法，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)進(jìn)行，項(xiàng)目整合相互關(guān)聯(lián)的多門學(xué)科，既滿足了該課程的教學(xué)目標(biāo)，又讓學(xué)生理解了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與其他專業(yè)課的聯(lián)系及應(yīng)用。

（一）以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為主體的工程項(xiàng)目

根據(jù)STEM教育模式下課程特點(diǎn)，用“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”改革教師講授式的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程。將項(xiàng)目按設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分階段設(shè)計(jì)（子項(xiàng)目），將課程重要知識(shí)點(diǎn)與工程組件設(shè)計(jì)充分融合，使學(xué)生在完成項(xiàng)目的同時(shí)，學(xué)習(xí)專業(yè)課知識(shí)，從而在做中學(xué)，學(xué)中做。通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐過程，增強(qiáng)對(duì)知識(shí)和技能的理解。本課程所選機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目如表1所示。

（二）項(xiàng)目實(shí)施步驟

1. 分組后的學(xué)生按組構(gòu)成團(tuán)隊(duì)

每4—5個(gè)學(xué)生為一組，以上學(xué)期成績(jī)和動(dòng)手能力為主要的分組依據(jù)均勻分組。每個(gè)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成后，各小組選出一個(gè)展示的作品，并分析哪個(gè)設(shè)計(jì)更合理，目的是培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力［6］。

2. 以學(xué)生為主體完成設(shè)計(jì)

教師先介紹每個(gè)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可行性技術(shù)路線及所必需的科學(xué)知識(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉教材和相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)部分、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等資源，介紹設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，然后下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)。學(xué)生利用各種資源，以小組為單位，邊學(xué)邊做完成子項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)，并得出達(dá)到設(shè)計(jì)要求所必需的技術(shù)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)過程中，教師只起到解答學(xué)生疑問和引導(dǎo)學(xué)習(xí)的作用，目的是鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題以及提升自主學(xué)習(xí)的能力［7］。

3. 對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容、重點(diǎn)參數(shù)的確定開展研討

教師通過疑問和設(shè)問的方式，對(duì)設(shè)計(jì)中重要參數(shù)的選擇依據(jù)、選擇方法、選定參數(shù)會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處或者危害提出問題。針對(duì)學(xué)生的回答結(jié)果，教師要及時(shí)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并給出形成性評(píng)價(jià)。其目的是加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、拓寬分析問題的視野、增強(qiáng)設(shè)計(jì)的責(zé)任感和敬畏心、提升學(xué)生的工程素質(zhì)［8］。

4. 成果展示

項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成后，各小組從以下方面進(jìn)行設(shè)計(jì)展示：設(shè)計(jì)的整體思路、各子項(xiàng)目的選型依據(jù)、參數(shù)的選定依據(jù)、機(jī)械整體的剛度與強(qiáng)度、整體設(shè)計(jì)指標(biāo)的達(dá)成情況等。各小組認(rèn)真聽取其他小組的成果展示后，給出自己的設(shè)計(jì)與其他組項(xiàng)目的對(duì)比，并給出對(duì)比結(jié)果報(bào)告。還要給出除自己小組以外的其他小組設(shè)計(jì)的得分排序。通過結(jié)果展示學(xué)生可以相互印證拓寬設(shè)計(jì)思路，并對(duì)機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)劣形成自己的判斷［9］。

四、結(jié)語(yǔ)

總之，STEM教育理念在機(jī)械電子工程專業(yè)課程中的應(yīng)用，需要引入恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)項(xiàng)目，使專業(yè)教育兼具“職業(yè)性”與“高等性”，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中潛移默化地提高自身的科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)素養(yǎng)［3］。通過一系列的項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生不僅對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解更加深入，同時(shí)也鍛煉了他們的批判性思維、團(tuán)隊(duì)合作和溝通協(xié)調(diào)能力。這種沉浸式的學(xué)習(xí)方式能夠使學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中潛移默化地提高STEM素養(yǎng)，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)機(jī)械電子設(shè)備或機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)作原理和方式的認(rèn)知。STEM教育理念在機(jī)械電子工程專業(yè)課程中的應(yīng)用，有助于培養(yǎng)出既具備深厚理論基礎(chǔ)，又具備高度實(shí)踐能力的專業(yè)人才。通過引入恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)項(xiàng)目，專業(yè)教育能夠更好地滿足社會(huì)對(duì)復(fù)合型人才的需求，為學(xué)生的未來(lái)職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：淳潔）