基于STEM建环专业实践教学改革的探索＊

李奉翠，宋艳苹

（河南城建学院，河南 平顶山 467036）

1 引言

实践教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，是提升学生职业素养和职场核心竞争力的重要途径。鉴于建环专业本身即是一个复杂的系统工程，培养学生树立工程系统观、掌握专业的工程科学知识和工程实践的能力迫在眉睫。河南工程学院王虹等人介绍了一种搭建校企合作平台的实践教学模式，在一定程度上解决了实践教学环节中存在的问题[1]。山东建筑大学刘吉营等人针对本校目前实践教学存在的实习时间、实习内容、实习方式等问题提出了探索的改进方法，然而并没有提出实质性的教学实践内容[2]。辽宁工业大学的于戈针对高校人才培养“重理论、轻实践”的问题，提出了实践改革的思路，实践教学不仅是重要的教学内容，更是培养学生动手实践、创新能力的渠道[3]。武汉科技大学张春枝等人针对该校专业课程设计实践关节存在的问题，提出将实践教学关节任务分解嵌入到理论课程教学环节中，将相对独立的课程进行有机融合[4]。江西理工大学蒋达华等人提出以学科竞赛为载体的综合素质培养模式、以创新为导向的教学方法和以专业技能为核心的创新创业训练平台等实践教学手段[5]。除上述之外的教学实践改革，比较有代表性的还有校企合作实践的教学模式[6]、以实际工程为核心和提高创新能力为目标的实践教学模式[7]和基于工程教育专业认证的教学模式[8]等。综上所述，国内多数高校为提升学生的创新实践能力，多采用认知实习、校企合作、订单式培养或理论和实践相结合的多种实践教学方法，上述教学方法在教学模式中确实起到了一定的培养效果。然而，随着经济的快速发展和产业结构的不断调整，上述教学模式存在一定的局限性，尤其是在产业结构调整的过程中。为提升学生的创新与实践能力，以河南城建学院建环专业为例，本文在专业实践教学中采用STEM教育的方法，搭建问题引导下的项目式教学方法，培养学生综合运用科学知识、数学工具和工程技术手段的能力，以适应产业结构调整下的多层次应用型人才需求。

2 STEM课程

STEM是一种由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）4门学科知识融合集成的教育模式，世界各国都非常重视STEM教育的发展，认为STEM教育是国家竞争力的重要基石，能够促进综合应用型人才、创新型人才的培养[9]。STEM课程具有跨学科、工程性、价值性和情景性等特征，注重以项目为依托，整合相关学科内容，培养学生相关知识和技能，并能进行灵活迁移应用、解决真实世界问题的能力[10]。STEM课程强调以综合能力培养为目标，以做中学、自主探究等教学思想为指导，充分利用现代教育技术，以项目为载体，结合科学、技术、工程及数学知识，形成融知识传授、能力培养、素质教育为一体的课程模式。因此，STEM课程方法具备应用型本科教育综合应用型人才的需求，此处以河南城建学院建环专业为例进行实践教学模式的探索。

3 基于STEM教育的项目式教学

STEM课程是基于项目的课程，项目课程是当前新工科背景下应用型本科院校人才培养改革的主导理念。下述将从课程开发思路、课程开发过程、课程内容和评价等4个方面进行介绍。

3.1 课程开发思路

如上所述，STEM课程强调以综合能力培养为目标，因此基于STEM的课程开发需选择合适的专业核心课程。专业核心课程与其他课程（如专业课、基础课等）具有较强的内在联系，另一方面其对于建环专业的职业能力也紧密相关。因此，专业核心课程适合采用STEM模式进行开发与实施。其次，STEM课程以项目为核心，围绕项目选取不同学科课程中的知识进行组合。由此，STEM课程项目开发过程中需妥善处理其与其他学科课程之间的关系；课程中的基础知识围绕于STEM课程中的项目任务服务，课程设置的内容需与项目任务中的动态联系形成一个良好的生态系统，二者相辅相成。最后，STEM课程以培养学生能力为主，而项目开发的产品通常是商业化应用、工程化应用，二者最终目标不同；因此，STEM课程中的项目不可单一的从市场中进行选择，而是需要对其进行二次开发，使其高于实际产品，在项目设置中融入教师期望学生掌握的知识技能。

3.2 课程开发过程

在建筑环境与能源应用工程专业开展基于STEM教育理念的核心课程开发研究，此处以“工程热力学”为开发对象，按照图1的流程进行课程开发。课程开发的具体介绍如下：课程开发必须依托本专业人才培养方案及相关课程的课程标准才能保证课程开发的有效性和合理性，这是基本的标准要求；在调研企业筛选适当的项目时，需统筹安排本门课程的其他项目，以便尽可能包含核心课程的各个知识点，并使之有合理的进度关联；教学指导手册、教学资源分别类似于教材使用的明细和课程教学时的PPT、视频等素材；教学团队接受开发团队的培训等措施是为了保证课程分学期、分教师教学的可行性；教学反馈和项目改进主要是收集学生的学习效果及开发课程实施过程中存在的问题，通过反馈给课程开发团队来保证学生综合能力培养的目标。

图1 “工程热力学”STEM课程的开发过程

3.3 课程内容

工程设计是STEM课程的重要特征，主要包括发现问题、分析问题、解决问题三个部分，其中解决问题时需灵活应用所学知识或探索可掌握的知识来解决工程项目或课本知识点中的问题。此处以“工程热力学”中的“平衡状态”这一知识点为例说明STEM教学模式的改革。

3.3 .1基本概念介绍

系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称“平衡状态”。

平衡状态的充要条件：热平衡（温度平衡）、力平衡（压力平衡）、化学势平衡（包括相平衡和化学平衡），平衡必稳定，反之稳定未必平衡。

3.3 .2基于STEM理念的平衡状态教学模式

基于STEM平衡概念的教学模式如图2所示，该教学模式将一级知识点中的二级知识点逐个进行介绍，将其进行参数化、数学化，在此基础上采用计算机技术对上述数学模型进行描述；进而，采用简单的案例对数学模型进行图示化、原理介绍；最后采用基于数学、计算机和案例的综合项目进行概念教学，更直观动态、详细地向学生介绍基本知识点。

图2 基于STEM平衡概念的教学模式

3.4 课程评价

STEM教育与传统的学习评价区别在于前者更注重学生跨学科知识的应用能力，解决问题等核心素养的发展。因此，传统的课程评价方式不再适用，此处提出评价体系如图3所示。该评价体系主要包括评价主体、评价内容、评价方法和评价结果等四个方面，鉴于STEM教育更倾向于学生综合运用知识的能力，此处的评价主体主要包括学生自我评价，项目参与的同伴评价和教师对学生的表现评价，其中更注重以学生自我评价为主，通过学生的自我反思意识以识别其对某个知识和能力掌握的程度。

图3 评价体系

从评价内容来看，STEM教育强调开发与培养学生跨界整合能力目标相一致的评价指标。STEM教育主张多元化的评价方法，采用科研论文、产品展示和汇报答辩等多种渠道来改善传统闭卷考试的单一考核方式以考察学生的学习效果。学生完成课程测试，形成学习资料；教师的预期教学目标和学生的学习效果相联系，进行教学评估；对学习资料、学生满意度进行数据分析，将学生的学习效果与教师的教学效果相联系[11]。

4 结束语

2016年教育部发布的《中国学生发展核心素养》总体框架提出了中国学生的核心素养，包括理性思维、批判质疑、勇于探究、勤于反思、劳动意识、问题解决、技术运用等。STEM教育倡导在真实的任务中实习，强调在动手实践中学习，这种更加综合的学习将是培养学生这些核心素养的重要途径。然而，当前中国的STEM教育形式还处于比较初级的状态，远不如美国和其他国家那般成熟，因此，高校教师应对STEM教育理念有基础的认知与了解，并能将STEM教育理念合理应用到本科教学环境中来，以应对企业转型升级中的复合型人才需求。