基于STEM教育的实验教学中心建设探索

田传军，饶 星

（暨南大学a.招标采购中心；b.实验室与设备管理处，广州 510632）

0 引言

STEM 是Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）和Mathematics（数学）四门学科英文的简称。STEM教育是指在科学、技术、工程和数学领域的教和学，从概念本身来看，虽然这4门学科之间是相互独立的，但是STEM教育指的是4门学科核心知识的有机整合，培养学生的STEM素养［1］。STEM教育能够培养学生多学科知识整合能力、团队协作能力、实践能力和创新能力。STEM实验教学中心作为学生实践教育的主要场所，承担着学生STEM知识教育、实验技能和创新能力培养的任务。

1 建设STEM实验教学中心的意义

目前我国建设“双一流”大学主要目的是培养具有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型和复合型人才。大学实验室作为教学、科研、服务社会平台和基地，具有不可替代的重要地位与作用，主要体现在培养创新人才的基地、培育创新成果的摇篮、服务社会经济的平台、展现大学学科专业水平的窗口［2］。大学拥有众多的传统实验室，但是没有专门按照STEM实验教学要求合理规划和整合使用，难以满足需求。有些高校仅仅是将实验场地、仪器设备和实验室工作人员整合，这样易操作且见效快，但整合之后实验教学水平无法得到有效提高，实验室存在重复建设等方面的问题［3］。建设STEM教学实验中心，有利于提供充分的教学设施与完善的教学资源，在培养创新精神和实践能力的高素质复合型人才方面有重要意义［4］。

2 STEM实验教学中心建设目标

2.1 整合学校资源和社会资源，发展STEM教育

STEM实验教学中心将分散的相关学科资源进行专业整合，优化现有配置形成结构化的多层次、多模块体系，充分发挥教学中心的资源的整体效益，有利于促进实验教学体系的完善［5］。同时将STEM实验教学与企业研发需求相融合，争取相关企业的资金、仪器设备和技术支持，共建实验教学中心。为国家建设培养适应社会需要创新人才，从产业发展、人才需求的角度综合考虑，整合政府、高校和社会的资源推动STEM教育的发展。

2.2 提高学生综合素质和培养学生创新能力

学生在STEM实验教学中心自主思考、自主学习、自主探索，通过查阅文献、设计实验方案、选择使用实验器材、采集分析数据、撰写报告掌握科学研究的方法。培养学生提出原创性问题的能力；针对提出的问题且具有分析问题、解决问题的能力；理性评估解决方案对社会产生影响的能力；形成有效地转变解决方案，并对方案进行优化创新的能力［6］。

2.3 培养STEM教育师资力量

STEM教师的质量直接影响到STEM教育的整个过程。我国STEM教师培养还存在诸多问题，包括教师培养数量和供给总量严重不足，教师培养体系不健全，教师在职专业发展支持不足，这些现实困境都制约了我国STEM教育的发展［7］。同时不同于目前大学一般的实验室工作人员业务较专的情形，STEM实验教学中心管理员必须具备综合素养，在负责计划、开发和维护实验教学中心设备和材料的同时，还要讲授STEM教育的课程，与教师共同开发STEM课程［8］。STEM实验教学中心通过建立STEM教师培养体系加强具有跨学科背景的师资力量的培养，提高关于科学、工程和技术科学素养，提升教师和实验教学中心管理员的综合素养。

2.4 促进教学和学习方式的变革，改革人才培养体系

通过STEM项目的实践，运用先进的技术手段，采取社会需求引导、任务驱动等方式，优化学生培养体系和STEM课程内容。充分了解学生的发展需求，制定与培养目标相匹配、对广大学生有利的教学管理制度，同时优化不同层次学生的培养结构，针对不同类别的学生采取相对应的措施提高学生STEM学习的适应性，加强学业发展规划与引领，有针对性地为不同学生设计发展路径。

2.5 探索并完善STEM教育考核与评估体系

目前我国STEM教育还处于发展初期，国内相应的考核标准及评估体系还处于空白状态［9］。一套健全完善的STEM教育考核和评估体系对STEM教育政策、项目开展、培训效果等一系列内容进行一个有效的评价和反馈。在STEM实验教学中心建设和运行过程中，应当积极探索多样化的课程评价机制和评价技术策略，尝试建立并完善STEM教育考核与多元综合性评估体系。

3 STEM实验教学中心建设思路

3.1 明确发展目标

STEM实验教学中心建设应按照“源于实践，符合教学”的要求，对其目标定位、整体规划、建设管理、课程体系、教学内容、评估体系、未来规划等方面进行探索，体现多学科融合，多层次跨越、开放式创新、实用性服务的原则。

3.2 制定人才培养计划及改革人才培养体系

掌握社会发展最新的人才需求和未来发展方向，树立创新型、科技型STEM教育理念，采用辩论探讨、分组讲解、实践操作等考核评价形式，积极探索个性化人才培养模式，提升学生的科技创新能力［10］。STEM实验教学中心在教学过程中，将理论知识教学、创新能力、综合素质培养有机地结合，并引入校企合作机制，探索建立课程和实践教学等体系，有针对性地培养高素质人才。探索建立科学的人才培养评价体系，融入创新能力、团队协作、分析处理问题、语言表达能力等评估指标，对学生进行客观和全面的评价。

3.3 建立有利于学科建设的管理体制和运行机制

以有利于学科建设，有利于提高办学质量和效益，有利于提高学生的实验、实践能力，有利于设备资源共享的思路为指导，统一规划，合理布局；以教学改革为核心，探索理论与实践并重、能力培养与素质提高并行的实验教学体系；以健全的管理程序为保障，建立合理、完善、高效的教学实验室管理体制和运行机制［11］。

4 STEM实验教学中心建设途径

实验教学中心的建设涉及教学理念、教学体系、教学方法、硬件设施、师资队伍等多个方面［12］。STEM实验教学中心应该密切关注社会发展动态及需求，将跨学科的学习理念和项目实践结合起来，构建学习共同体，支持STEM教育的开展。

4.1 规划STEM实验教学中心的建设

STEM实验教学中心要有独立的行政职能，有中心主要负责人和行政管理人员。中心负责人可以自主决定中心的建设及发展方向，行政管理人员负责管理中心的日常工作。STEM实验教学中心在实验课程设置、人员聘用、实验室管理和经费管理等方面具有较大的自主权，保证教学资源的充分合理利用，形成功能明确和管理有序的实验基地。

STEM实验教学中心以培养学生实践动手能力为主线，以培养学生解决问题的能力为目标，按分层次、模块化的方式来统筹实验教学设施及资源，成为教师和学生进行创新研究与学习的重要场所。

4.2 构建STEM实验教学体系

STEM实验教学中心根据学科建设和人才培养的内在要求，探索构建包含基础性实验、综合性实验和开放性实验的实验教学体系。

在基础性STEM实验阶段贯彻“宽口径、厚基础、高素质”的人才培养理念，让学生掌握STEM相关学科基本的实验技能，包括理解实验原理、仪器使用方法、实验方法、实验操作步骤、实验数据处理、实验报告撰写等。基础性实验通过教师示范讲解和学生模仿实验模式来传授知识。

综合性STEM实验注重教学内容的创新性和STEM各学科交叉融合性，这类实验需要学生理解实验中所蕴含的多学科知识，在实验过程中能够自主学习和知识迁移。综合性实验由教师以课题的形式安排任务，学生自行查阅文献、设计实验方案、准备实验材料、实施实验方案、收集分析数据和撰写实验报告。综合性实验可以将STEM各学科有机结合起来，使学生掌握STEM各学科的内在联系。

开放性STEM实验主要让学生体验自主发现问题、分析问题，通过自行组织实验团队设计实验，解决实际问题。开放性实验可以由教师设计实验课题，由学生根据实际生活确定实验课题，也可以是教师的科研项目，或者是某类竞赛项目。学生个人或者团队在导师的指导下自主进行研究性学习，参与实验方案的设计、实验操作、数据处理、报告撰写等科学研究工作的全过程。开放性实验由教师启发与引导学生进行独立操作、分析和解决实际问题，培养他们的创新能力和团队协作能力。

4.3 探索并完善STEM实验教学方法

基础性STEM实验课程以理论学习为主，教师采用授课、讲座或研讨等多种形式进行，在实验过程中注重引导学生严格按照实验步骤进行操作，让学生了解实验基本原理，巩固基础知识，掌握基本实验操作规范和安全意识。可采用“现场演示式”的教学方法［13］。

综合性STEM实验课程通过学生根据实验要求自主查阅资料，制定相应的实验方案，然后独立或分组完成实验操作和收集分析数据，并撰写实验报告和对实验项目进行评价。对实验过程中出现的问题，教师引导学生自主分析问题产生的原因，制定解决问题的思路和方法，着力培养学生自主思考问题和解决问题的能力。采用“自主学习式”和“引导启发式”的教学方法［14］。

开放性STEM实验选择由学生可自主完成的研究性实验项目或工程领域中待研究的学术问题，学生独自或组成学术讨论小组，评估研究课题的价值，研究制定实验方案，评估实验设计方案的可行性，自行购买实验所需的材料，完成实验操作并撰写实验结果分析报告。教师组织专家对学生的成果进行点评，学生现场对专家的点评结果进行答复。采用“团队协作式”的实验教学方法［15］。

4.4 STEM实验教学中心平台的建设

STEM实验教学需要实验设备、教学资源等软硬件条件作为支撑，具体包括仪器设备硬件平台建设、实验教学中心技术队伍建设、内部管理规章制度建设等。

实验教学中心仪器设备和虚拟仿真实验教学资源购置的过程中要做好需求论证，遵循必要性和长远性原则，依照实验教学中心日常实验教学需求形成科学的设备购买方案。合理购置必需的大型贵重仪器，可以充分利用学校现有的大型贵重仪器共享平台，实现实验教学中心资源开放共享。加强与其他高校、企业之间的合作交流，通过租借或共享来实现仪器设备和教学资源的充分利用。

根据实验教学中心承担的职责及规模，科学定编设岗。设置实验室主任岗，负责实验室的全面工作；实验教学岗，承担实验教学中心的实验教学任务；实验技术管理岗，负责实验教学中心实验技术指导、日常运行等工作。实验教学中心主任作为实验中心负责人，具有岗位设置、职责设定、人员招聘等权力。

为了保证教学实验中心管理工作规范化，保障实验教学的顺利进行，必须制定必要的规章制度。实验教学中心规章制度的制定应该适合本中心工作需要，遵循事实求是、切实可行、明确具体原则。结合实际工作需求制定包括“实验教学中心管理办法”“实验教学中心仪器设备管理办法”“实验教学中心工作人员管理办法”等相关规章制度，并在根据日常实验教学开展情况，进一步完善相关规章制度体系。

4.5 STEM师资队伍的建设

由于STEM教师跨学科教育能力薄弱、教材理解欠深入、理论指导和系统思考缺乏等问题导致STEM教育者专业发展严重不足，这已成为目前制约我国STEM教育推进的瓶颈。STEM实验教学中心应有针对性地引进工程教师进入教学，对数学、科学、信息技术学科教师进行工程专业培训，提高STEM教师综合素质。实验教学中心以项目为牵引，吸引校内教师协同专任实验教学中心人员开展实验教学和科技创新，专任实验室人员也参与教师的教学科研活动，形成优质师资队伍的汇聚，壮大了实验教学中心队伍力量，提高了教育教学质量，提升人员自身水平［16］。选派实验教学中心人员去企业挂职锻炼，聘请企业优秀技术专家做兼职教师等方式，实现实验教学内容与企业生产实际的紧密结合，全面增强实验室技术人员的工程实践意识和工程实践能力。

5 结语

STEM教育需探索建设专业的STEM实验室和专业化教学中心，为探究式学习创造环境［15］。本研究分析了我国目前高校STEM实验教学中心建设的滞后性，并且对STEM实验教学中心建设目标，建设思路和建设途径提出针对性的对策和建议。STEM实验教学中心能为STEM教师和学生提供学习交流的平台，同时能整合社会各界资源，促进STEM教育发展，培养更多优秀STEM教师和创新型STEM专业技术人才。

·名人名言·

知识的问题是一个科学的问题，来不得半点虚伪和骄傲，决定倒是其反面——诚实和谦逊的态度。

——毛泽东