STEM在通信原理课程教学改革中的应用

谢文武,刘新忠,余 超,朱 鹏

(湖南理工学院 信息科学与工程学院,湖南 岳阳 414006)

随着社会的发展,科技也日新月异.基于实用主义哲学的STEM(Science,Technology,Engineering and Mathematics)教育历经30 多年的发展,已变得越来越重要,全世界掀起STEM 研究与应用的热潮[1].2016年美国研究所与美国教育部综合了研讨会与会学者对 STEM 未来十年的发展愿景与建议,联合发布《教育中的创新愿景》,旨在推进STEM 教育创新方面的研究和发展,并为之提供坚实依据[2,3].目前我国也在向各类学校推广STEM 教育,主要体现在: 教育政策、理论研究及教育实践等多方面[4].STEM 教育不是简单地将科学、工程、技术和数学学科结合起来,而是培养学生将解决实际问题所需的知识与技能结合,转变成一个系统的综合的认知世界的过程.STEM 教育对应的课堂通常是基于实际问题的探究性学习,着重强调学生在复杂情境中提升解决问题的能力[5].

通信原理是通信工程、电子信息等专业的一门主干专业基础课,该课程对培养通信工程、电子信息专业大学生利用基本理论解决实际问题的能力具有重要的意义[6].课程涉及高科技、通信工程、新型技术以及严谨的数学推导等诸多方面,可以在真实的/现实的场景中,通过技术实践活动或案例让学生感悟高科技的魅力,培育学生的工程思维,培养学生敢于创新的精神和不断探究的勇气.进而将这些积累知识进行有效整合,在各种相关比赛(例如电子设计大赛、创青春、挑战杯、数学建模等)和实践中加以应用.

1 STEM 在教学中的误区

随着STEM 教育模式因为其科学性而被越来越多的个人和机构认可,STEM 教育的普及成为国内许多学校的工作方向.从目前已开展的STEM教育所获得的效果上来看,一方面STEM教育能够推动教师改变原有的传统教学观念,引导学生提高自己各方面的素质,提升学校的教学质量; 另一方面,目前教育工作者对STEM 教育的认识和实践经验不足,导致教学中存在一些常见误区,主要体现在如下几方面[7]:

(1) 重技能培养轻知识学习: STEM 教育的特点是多领域学科的结合,将不同的学科知识融为一体从而产生更好的教学效果.但部分教师在实际的教学过程中往往只注重专业技能的培养,而缺少了系统的知识学习.

(2) 重活动形式轻科学精神: STEM 教育中排在第一位的便是科学性,强调引导学生通过实践活动来获得解决问题的能力.很多教师花了大量精力去设计活动形式,却没有考虑如何在活动过程中培养学生的科学精神.

(3) 重学习结果轻学习过程: STEM 教育的热潮虽然让许多学校主动寻求从传统教育中转型,但在这个过程中,难免会出现功利化现象,即过分追求教育改革的结果,而忽视了学习过程的重要性.

想要有效地利用STEM 思想来提高学生各个方面的能力,就要固守教学的本质.一旦偏离了教学本质,会容易走进上述的三个误区.通信原理是一门偏理论的课程,如何在教学中将技能培养与知识学习、活跃教学氛围与科学研究性相互平衡,需要花费更多的精力去探讨与研究,才能将STEM 真正应用到课堂中,并取得良好的效果.

2 教学方式差异

引入STEM 教育理念后,与传统课程目标的最大不同有如下三点:

(1) STEM 教育结合了多学科、多领域的知识,通过将其与实际的社会环境联系,能够明显提升学生的综合能力;

(2) 在实际活动中,应训练学生将知识转化为解决实际问题的能力,学习若仅仅浮于表面,则无法与实际问题相融合;

(3) STEM 教育带来的不仅是学习结果的改变,还应注重学生学习过程的改变,形成一个科学的、系统的教育架构.

传统的教学先是让学生在体验和探究中掌握基本概念,最后才是应用于实际生活,在情感态度价值观中将自己学习的知识、理论应用于解决生活实际问题.而现在,STEM 教育的教学方式是先将科学概念和知识与社会环境充分联系,根据不同的社会环境设计合理的实践活动,培养学生的科学思考和善于动手的能力.

以“调制”为例,传统的教学课堂上,可能先说调制的概念,然后说有哪些手段可以实现调制,最后做一个实验来实现各种调制方式.具体课程设计如图1 所示.

图1 传统课程设计(调制)

但若基于STEM 的教学理念,在实施过程中,要以基本知识讲授为基础,实验教学指导为必要组成,学生自我探究为核心,最后进行学生和教师的交互评价,从多个角度对已有成果进行改进和优化.STEM教学理念流程如图2 所示.

图2 STEM 教学理念流程

在STEM 教学理念的基础上,对“调制”课堂教学进行了如下调整:

(1) 首先通过项目导入DIY 音频放大器.放大器的实现可以有多种方式: 数字或模拟两大类,还可以分很多小类型.在这个过程中,学生需要运用到其它学科相关知识,例如数字电路设计、模拟电路设计、电路分析等.该项目要达到的教学目标及涉及的跨学科知识见图3 和图4.

图3 DIY 音频放大器项目的教学目标

图4 DIY 音频放大器项目所涉及跨学科知识

(2) 讨论音频放大器实现方式、应用场景及其作用.分组讨论,讨论过程中,加入合适的问题(例如:改变哪些参数可以让声音传播得更远？收音机的天线与手机天线为什么差异这么大,与本设计的放大器有无关系？等等诸多相关探讨性问题),最终得出初步结论.

(3) 讨论本组和其他组的设计及问题,进行多维度评价.

(4) 教师对设计和讨论中所遇到的问题、现象进行概念提炼与解释,让学生在应用中深刻地理解“调制”的概念.

(5) 课后完善产品,完善产品需求报告、设计报告等内容.学生课间讨论、总结.提出本组和其他组产品的创新点及需要优化的地方.

(6) 教师总结: “调制”的概念、目的、实现方式及各种方式的优缺点.

3 STEM 教学理念难点及应对

通信原理作为一门理论性较强的课程,采取与实践相结合的教学方式比较困难,需要教师具有较强的工程应用背景和扎实的通信理论基础.笔者在通信企业工作10 余年,在通信相关知识方面可以做到融会贯通,在给学生讲授知识点的过程中能恰到好处地引入合适的实际案例进行探讨.通信原理课程体系框架如图5 所示.

图5 通信原理课程体系框架

此外,STEM 教学理念需要学生和教师在课外付出更多的精力,不同知识点都需要项目式导入,课时与精力很难支撑.因此需要教师选择合适的、覆盖面较广且容易扩展与延伸的实际项目.再者,要结合学生学情,选择难易度合适的小课题.通过与教授相同课程的教师讨论,与高年级学生进行探讨,能做到多方面全方位的覆盖,让学生真正在实践中学习,在学习中掌握科学精神,领略研究魅力.