基于CDIO理念的STEM课程教学模式构建研究

郭 琪，赵可云

(曲阜师范大学传媒学院，山东日照276826)

0 引言

培养创新人才和提升学生工程素养，需要从注重学生知识的掌握到关注学生能力提高的转变，需要变革当前教学模式，开展跨学科教学以满足社会发展对未来创新人才的需求。STEM课程具有跨学科性和整合性的特点，创新STEM课程教学模式是培养学生跨学科思维、多角度思考问题和提升学生STEM素养的有效途径，因此，针对STEM课程，提出了基于CDIO理念的STEM课程教学模式。

1 研究现状

1.1 STEM课程概述

STEM是整合科学、技术、工程、数学的多学科知识交叉融合，具有整合性、实践性和开放性的特点,旨在提升学生跨学科知识整合的能力、创新能力和实践能力。STEM课程是在探究、设计和创造的学习过程中培养学生的问题解决能力、复合思维以及创新思维[1]，为学生创造开放的学习环境。Anne Jolly提出STEM课程的六大特征，即基于真实的问题情境，以工程设计过程为导向，将学生的动手探索与开放式探究相融合，学生参与到团队工作中，应用学生所学习的科学、技术、工程和数学知识，允许存在多个正确答案并将失败再试作为学习的必要部分[2]。中小学多以校本课程的形式开展STEM课程，虽然STEM课程尚未形成独立的学科体系，但STEM课程打破学科之间的界线，实现学科知识融合的作用不容忽视。

1.2 CDIO概述

CDIO是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)四个英文单词的缩写,其中构思是根据学生掌握的相关专业知识,确定研究方向；设计是以产品设计与规划为核心,通过调研分析确定解决某一问题的方案；实现是以产品制造为核心,通过优化迭代进行产品完善；运作是学生了解产品应用的各个环节,并提供市场服务。是从现实需求出发，进行产品研发和产品运行，让学生通过动手实践学习工程。CDIO通过系统的产品设计培养学生专业技术知识、个人能力、团队工作和交流能力等，培养在企业和社会环境下对产品系统进行构思、设计、实施、运行的能力等综合素质[3]。从系统宏观的角度看，CDIO是以工程设计的导向，从需求分析到产品运行过程中强调通过实践培养学生综合素质以及过程性能力养成。实践证明，CDIO工程教育模式是培养创新型工程人才的有效途径，将其与STEM课程相结合，打开创新人才培养的新方向，将人才培养聚焦到工程能力的范畴，锻炼学生的动手实践能力、提高学生的工程思维。

CDIO相关研究主要在工程领域研究和教育教学改革，把工程理念和STEM教育相结合满足了社会对学生工程素养培养的诉求。工程教育要求学生把所学到的内容应用到教育实践中，加强学生对理论知识更深入的理解。CDIO是“做中学”和“基于项目的教育和学习”的概括和融合[4]。在STEM教育中融合工程理念，将工程设计流程作为课程开展的基础，把工程实践作为激发学生在科学、技术、工程和数学方面的学习动力。CDIO以工程项目开展为主线，引导学生通过工程实践提高学生的综合能力，这与STEM教育开展的项目式教学理念相一致。同时，CDIO更加强调时间管理、合理安排、统筹规划等方面，这对学生综合能力的培养具有借鉴意义。

2 基于CDIO理念的STEM课程教学模式设计遵循的理念

从工程的视角构建STEM课程教学模式，STEM课程教学模式将工程理念整合到STEM课程中，通过实施STEM课程能使学生在学习技术的同时习得工程思维。重视STEM课程的系统性、规范性、整体性，通过科学地教学设计和实施STEM课程来培养学生的工程思维，使学生协调各方面因素，创造性地解决实际问题，将头脑中绘制的“蓝图”转化为现实。

2.1 以工程设计为主线

陈国松认为工程是以预想的目标为依据，在特定的空间、时间、情境及资源条件的约束下，运用相关的科学、技术、人文等多学科知识和手段，依据工程设计流程有目的、有组织地设计和制造某一器物的实践活动[5]。工程是从客户需求出发，在有限条件下综合运用多学科知识，进行造物的实践，而工程设计包括分析问题、设计解决问题方案以及用建模方法和分析工具对解决方案优化。与其它课程相比，STEM课程的学习是一个动态性、创造性和反复性的过程，工程设计重点强调学生顺利完成某一活动的过程，侧重于培养学生解决实际问题的过程与方法，促进学生的“做中学”。

2.2 以知识跨学科性为核心

传统的分科教学打破了原有知识之间的联系，不同学科的孤立存在使学生无法从多角度理解某一问题，不利于学生发散思维的形成，使学生缺乏多角度思考问题的意识。STEM课程最主要的特征是跨学科性，STEM课程通过建立科学、技术、工程、数学学科之间的联系为学生提供一个综合运用各学科知识解决问题的真实情景，学生能够把各学科知识变成相互联系的整体，提高学生综合运用知识的能力，注重培养学生的创新、解决问题和合作的能力。

2.3 以优化迭代为方式

迭代是重复和不断反馈过程的活动，其目的最终是尽可能达到预期目标或结果，如图1所示。其中每一次对过程的循环称之为“迭代”，而且每一次迭代得到的结果作为下一次迭代的初始值。迭代是STEM课程教学环节的重要组成部分，在STEM课程的迭代过程中，基于已有的经验或理论设计出初级模型，模型经过作品展示、讨论交流、评价反馈、修改完善环节，然后将完善后的模型实际运用到真实的情境中，从而检验新模型，及时发现存在的问题和缺陷，并根据存在的问题引导下一轮的优化迭代，从而创造出符合标准的项目设计。

图1 迭代流程

2.4 以多元评价为指标

基于CDIO理念的STEM课程教学模式是一个涵盖了工程教育理念、动手操作、作品制作、团队协作、职责分工等因素在内的系统综合实践模式，STEM课程教学模式的实施是一个复杂的系统工程，需要考虑师生的配合、学校提供所需的硬件设备和从构思到实施评估系统的规范。相比传统的学科课程，STEM课程更加关注学生在学习过程中的表现，所以STEM课程采取形成性评价和终结性评价相结合并赋权，根据学生各方面表现全面综合评价学生学习情况。同时，评价量规是对STEM课程中综合知识的系统梳理，制定的评价量规指标需与STEM课程的学习目标相一致，依据学生达到的相关能力标准进行划分，帮助学生自我诊断，针对不同的STEM项目，采用师生共同制定评价量规的方法，以满足不同项目的实际需求。

3 基于CDIO理念的STEM课程教学模式实施流程

根据上述设计理念提出本研究的教学模式，本研究是在建构主义理论的指导下，基于CDIO的工程理念、“做中学”以及美国的项目引路(PLTW)构建了基于CDIO理念的STEM课程教学模式(如图2所示)。该教学模式分为基础知识学习阶段、真实问题情境、项目设计规划、执行项目设计、项目评价反馈、撰写项目报告六部分。该模式是以培养学生的工程思维、创新能力、多元跨学科思维为目标，转变传统师生角色，凸显以学生为中心的课堂教学，通过动手实践和团队协作解决问题，从而提高学生的综合能力，为深入研究STEM课程教学模式提供借鉴。

图2 基于CDIO理念的STEM课程教学模式

3.1 基础知识学习阶段

基础知识学习阶段主要使学生掌握STEM课程所需的基础知识，包括工程设计的原理、工程流程、建模方法、基本工具使用等相关内容。工程设计方面的知识是帮助学生从宏观上把握STEM项目的设计流程和实施步骤，确保STEM项目实施过程的规范。学生了解项目的问题情境和背景知识，掌握项目学习所涉及工具的使用方法，这是保证STEM项目顺利进行的前提条件。

3.2 真实问题构思

工程情境要保持真实性、复杂性和挑战性。CDIO为学生提供一种学习经验和情境，使学生根据所学知识和已有经验开展与STEM课程相关的项目学习，实现各学科间的整合性。STEM课程可以借助虚拟现实技术为学生打造仿真的问题解决情境[6]，依托虚拟现实技术的STEM项目学习能够弥补二维空间无法实现的情景体验学习，激发学生学习兴趣。现阶段关注度比较高的是人工智能技术，将智能机器人应用于STEM教育活动中，将会促进学生STEM学习中能力的提高。

3.3 项目设计规划

项目设计是对项目的整体规划和宏观把控，需要落实到具体的细节。在制定解决方案时，根据评价标准和项目目标，进行项目的详细规划包括小组分工、时间安排、搜集相关资料等，形成项目规划设计的可行性方案。STEM项目实践活动中造物需参照一定的评判标准和技术参数，方案设计充分考虑学校所提供的可供使用的材料、成本、项目时间进度等因素以及需要满足的技术参数，从而确定最佳可行方案。其次，细化项目设计方案的整体规划设计和项目设计各组成部分的详细参数。最后，测试和评估设计模型，建立模型的评估档案并记录测试结果。此外，STEM项目有明确的时间限制，小组成员要在规定时间内完成项目，这也是工程设计所要达到的基本要求。

3.4 执行项目设计

赵中建教授认为STEM课堂的典型特点是在包含多学科的复杂情境中强调学生的设计能力与问题解决能力，学生通过小组合作解决教师提供的真实问题，在学生小组协作中共同完成项目。通过使用技术搜索、数据分析，并设计、测试和改进一个解决方案，然后与其同伴交流研究成果。根据项目设计形成的合理方案进行数学建模，借助计算机进行数据分析处理，并对测试结果评估。在执行项目的过程中，学生按照工程设计流程实施项目实践，并进行迭代设计完善方案，最后习得工程设计流程。教师要密切关注、组织和指导小组活动，关注项目进展情况，可利用互联网技术，加强师生之间的线上线下交流。

3.5 项目评价反馈

STEM课程提倡整合各学科的知识、技能，强调实践探究与工程设计相结合。基于CDIO理念的STEM课程教学模式的，把课堂转变为作品展，让学生分享他们的学习成果。学生的能力是在不断实践的过程中形成，STEM项目学习的形成性评价是帮助学生获得应用知识的方法，因此，STEM课程注重学生形成性评价。STEM课程教学评价聚焦在课堂教学过程中，学生通过自评、互评和师评逐步形成相应的能力，学生学习过程中的形成的相关能力则以记录、报告等形式进行考核。

3.6 撰写项目报告

撰写项目报告是对整个项目反思的过程，也是对项目客观评价的过程。撰写项目报告时，要坚持实事求是的原则，既要全面总结项目实施的效果，又要客观反映存在的问题、项目完成情况、取得哪些主要成效；在开展项目的过程中，采取了哪些做法和措施；项目完成后自己的经验和体会，思考每一环节存在的问题以及值得借鉴的地方，下一步工作的打算和建议。

4 结语

构建的STEM课程教学模式融合了科学、技术、工程、数学等学科知识，依托VR技术、人工智能等先进技术，以工程设计为主线综合运用各学科相关知识解决现实问题。该教学模式运用工程设计的理念，以迭代优化为关键点，培养学生的STEM素养。在STEM课程中，教师根据真实的问题情景构思，结合理论知识进行项目实践解决问题，教学过程中促进学生对工程设计的理解，进而培养学生的工程素养。人工智能教育所要求的工程素养与STEM教育中学生工程素养的培养具有相似之处，因此，人工智能与STEM教育相融合将成为新的研究方向。