STEAM教育理念下跨学科融合案例分析*

原晨冉 冯小燕 赵明富 石放

摘  要  STEAM教育倡导多学科融合，以学科融合的方式支持学生认识世界，符合学生双重创新能力的培养目标[1]。对比不同跨学科模式，建立STEAM理念下的学科融合任务驱动模型，在此基础上对基于STEAM理念的项目设计流程进行探讨，对“华为杯”研究生数学建模竞赛案例进行系统分析。研究发现，以项目解决为导向的跨学科融合竞赛可以使学生增强学习动机，强化自我认同感，提升创新能力。

关键词  STEAM教育；跨学科融合；竞赛组队；数学建模竞赛；任务驱动模型

中图分类号：G643    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）22-0097-05

0  引言

随着新一轮科技革命和产业转型的加速，新的分支学科和新的增长点不断出现，学科深度交叉融合势在必行[2]。经济社会发展对高层次、创新型、复合型、应用型人才的需求更加迫切。从20世纪50年代起，高校及研究所的组织机构扩大，研究人员增多，学科结构也在不断细化。

21世纪以来，随着学科的不断细分和信息技术的快速发展，科研的重点和方向也越来越明确，但是传统的层级结构造成无法跨越的学科鸿沟，无法进行更加高效的沟通协作，较为复杂的问题也必须通过多个学科结合才能解决。传统的院系结构、专业设置、教学模式并不完全满足当下社会的需要，因此，如何促进跨专业教育融合，进行管理模式和科研方式的变革，是全球高校都应该重视且有效解决的共同问题。跨学科融合专业的创立是当前高等教育中推动跨学科创新型人才培养的根本途径[3]。

STEAM教育提倡多学科融合，支持学生用学科融合的方式认知世界，注重创新精神和实践能力的培养，近年来引起教育界的广泛关注。通过STEAM教育与传统教育的结合，我国当前研究产生的STEAM教育案例可以指导学生跨学科能力和创新能力的培养。

与传统教学相比，STEAM教育理念下跨学科教育整合的优势在于，以共同任务为目标，以任务为主线，以教师为主导，以学生为主体，以任务驱动和探究式学习为手段进行教学或研究，进而解决实际问题[4]。

1  理论探讨

STEAM教育理念和跨学科融合具有提高学生“双创”能力的共同目标，“双创”比赛（如数学建模竞赛）可以作为项目解决的案例进行分析，既有竞赛性质，又会形成学术成果，培养学生的创新精神和高阶思维。STEAM理念不断更新，学科整合愈加流行，较为典型的两种跨学科融合方式是校企结合和竞赛组队，其中竞赛组队的跨学科融合方式在高校中应用广泛，效果显著。

1.1  跨学科融合方式

基于探究式的学科整合模式可以使学生均衡发展听说读写的综合能力，提高问题解决和与沟通交流能力。然而，目前因高校院系与学科的领域特定性，不同学科在进行交叉融合时存在壁垒。竞赛组队是学科融合的有效方式，可以使学生在具备当前专业科学知识的前提下吸收学习其他学科知识，提高高阶思维能力与沟通交流能力。

1.2  竞赛组队是跨学科融合的有效方式

竞赛组队（国家政策）是跨学科融合的典型方式。“双创”大赛是在一个共同目标的指引下，在短时间内汇聚各学科人才，旨在提高学生的创新和合作能力。这些竞赛的开展表明了时代对学生创新能力的重视。单一的学科知识显然不能满足多元化和创新的要求，不同学科人才的结合和互补是当今社会更深层次的需求与要求。

竞赛组队是一种多人组队的方式，是以组成团队要解决的任务为驱动的学科融合方式。在参与竞赛过程中，团队成员发挥所长、补充其短，在解决问题过程中实现不同学科知识的交叉融合。

2  STEAM理念下的学科融合模型

如图1所示，基于任务驱动流程对STEAM理念下的学科融合模型进行设计，其中学科特点分工过程涉及不同学科的优势和项目解决所需能力的要求，体现了跨学科合作交流过程。总体流程分为项目内容选择、项目目标分解、明确分工、项目实施、项目整合修正、项目展示六个步骤。依据学科特点进行分工，根据项目类型可以分为资料搜集、工具使用、整体框架与信息整合、其他任务协调沟通四大类。

2.1  项目内容选择和目标分解阶段

学生在创新能力提升过程中会有许多项目内容和题目可以选择，“双创”型竞赛也会提供不同问题让学生去解决。以数学建模竞赛为例，有从A到E五种不同问题类型可供选择。在该阶段，学生需要从众多项目类型中选择想要研究的问题类型并进行项目目标的分解，几个小目标可以由不同成员去完成，也可以一个目标由几名成员共同完成。

2.2  学科特点分工阶段

此次案例分析的人员在2019年的数学建模竞赛中年级梯度分布较为均匀，研究生一年级、二年级、三年级均有学生参加；而2020年比赛只有研究生二年级学生参加，且比2019年少五支参赛队伍，这与疫情的暴发及学校封闭式管理不无关系。虽然年级梯度不理想，但基本上每个队伍都是三个不同专业跨学科合作，仍然具有较为鲜明的跨学科特点。

每年竞赛的热点问题不一样，随着年份变化，所需能力也有一定倾斜。2019年竞赛赛题偏重大数据搜索、分析、解决问题，而2020年则偏重数据挖掘、机器学习和学习分析等方法，相对上一年难度更大、算法种类更多，不变的是最后的模型建议与检验。数学学院的学生在比赛中负责数据分析与模型建立，信息工程学院的学生则负责论文整体思路以及代码实现，而机电学院的学生对MATLAB软件和SPSS软件实践能力较强。每个成员都有自己擅长的领域，并与组内其他队员工作协调统一，最终实现方法和结果的最优化，在有效时间内完成任务。

2.3  项目实施与修正阶段

在项目内容选择、目标分解和成员分工完成之后，进入项目实施阶段。其中具体研究内容确定之后不会轻易变动，项目从目标分解到项目实施的整个过程中遇到阻碍，如时间不协调等情况，都可以及时进行修正。初步问题解决之后，对整个流程信息进行汇总整理，不断完善步骤细节，直至得出团队内部最初的成果。

2.4  项目展示阶段

团队成员得到最初的成果后，教师会对成果进行检验并给出评价与不足之处，在有限时间内团队成员继续对项目成果进行修改直至最终提交。一段时间后，竞赛组织方会对成果进行评价并划分等级，如一等奖、二等奖、三等奖与优秀奖。团队最终成果也可以根据个人兴趣从不同角度进行分析，得出新的个人学术成果。在比赛过程中，每位成员都发挥应有的作用，都会有属于自己的成就感，如完成一次良好的合作、在过程中获得其他学科的知识、充分发挥自我才能等。

3  华为杯研究生数学建模案例分析

竞赛组队是跨学科融合方式之一，STEAM理念下完成竞赛过程可以作为项目案例进行分析。本文基于STEAM理念下的学科融合任务驱动模型，以2020年“华为杯”研究生数学建模竞赛所给的A～E题中的B题“降低汽油精制过程中的辛烷值损失模型”作为案例进行分析。

3.1  “降低汽油精制过程中的辛烷值损失模型”项目流程设计

基于STEAM理念下的学科融合任务驱动模型，以2020年比赛中B题“降低汽油精制过程中的辛烷值损失模型”为分析对象，针对五个待解决的问题设计流程图，如图2所示。

此项目案例流程设计以STEAM理念下的学科融合任务驱动模型为指引，在中间流程涉及数据处理、筛选主要变量、建立并检验模型、方案优化和模型可视化展示等五个具体问题的解决方案。其中查阅文献贯穿整个项目过程，充分体现了STEAM理念下的任务驱动法在跨学科融合中的应用。

3.2  “降低汽油精制过程中的辛烷值损失模型”项目案例分析

“降低汽油精制过程中的辛烷值损失模型”是“双创”比赛研究生数学建模中的一个题目，不同学科的学生在比赛规定的三天简短的时间内对与生活相关的五个问题进行资料信息搜集和解答，从而在这个问题解决的过程中实现跨学科整合和高阶思维能力的培养，这在传统课堂上很难做到。

本研究将STEAM理念融入“双创”比赛中的“华为杯”研究生数学建模竞赛进行案例分析，以选择B题的三类跨学科高校学生为研究对象，以项目式为研究方式、任务驱动法为理论基础，项目的设计以上述STEAM理念下的学科融合任务驱动模型为指导，让学生协作解决给出的五个问题，具体项目案例如表1所示。

“降低汽油精制过程中的辛烷值损失模型”项目案例不同于传统课堂教学，在学生了解题目的相关主题知识后，使学生发散思维，每位队员充分发挥特长，利用自身相关学科优势去搜集资料。在这个过程中，学生会发挥主观能动性，筛选出必要的信息，在此基础上思考并推进数据处理、变量筛选、模型建立以及模型可视化等项目的具体任务。融入STEAM理念，学生利用项目解决的方式开展团队学习。在这个过程中，学生能充分体会跨学科整合的乐趣，能在问题解决的过程中更好地与人协作，提高思维能力，完成任务目标，增强创新能力。

4  结论

本研究将STEAM理念融入“双创”型竞赛中，项目式教学与STEAM理念下学科融合任务驱动模型的目标都为提升学生的学习与创新能力。在项目实施过程中，除在课堂上机械反复地练习理论知识外，还与其他学科知识相结合，以提升学生对问题的分析和解决能力。

竞赛组队的跨学科融合方式可以增强学生的学习动机。通过本文的案例分析发现，与现实结合紧密的任务驱动比课堂上按部就班的课程学习更能激发学生的兴趣和学习动机，激励学生主动解决问题，培养创新思维，提升综合能力。当把任务分成多层小目标时，每达成一个小目标就会增强学生的自我效能感，且短时间能结束的任务比周期长的更容易获得满足感。

参考文献

[1] 蔡妍娜.STEAM教育理念下高职学生双创能力培养研究[J].高等职业教育探索，2020，19（3）：33-38.

[2] 金波，杨鹏，王毅.“十四五”图书馆、情报与文献学学科发展态势与前瞻[J].图书馆杂志，2022，41（1）：4-16.

[3] 韩建秋，王超华.“跨学科融合”生态专业创新型人才培养模式的研究与实践[J].教育现代化，2018，5（4）：33-34，39.

[4] 黄南海，王卿.基于项目任务驱动法的地方高校电子信息工程专业教学模式改革[J].现代交际，2017（21）：31.

[5] 于佳音，李新晖.基于4C/ID模型的STEAM学科融合项目设计与案例分析[J].现代信息科技，2019，3（11）：125-128.

*项目来源：教育部人文社会科学研究专项任务项目（工程科技人才培养研究）一般项目“人工智能人才培养新模式研究”（项目号：18JDGC017）；河南省哲学社会科学规划项目“移动互联网环境下大学生学习投入对学习收获的影响及干预研究”（项目号：2019BJY009）；教育部产学合作协同育人项目“虚拟现实类课程教学体系构建与实践创新”（项目号：202002080002）。

作者：原晨冉，河南科技学院信息工程学院，主要研究方向为教育信息化；冯小燕，河南科技学院信息工程学院，副教授，主要研究方向为数字化学习资源设计；赵明富，河南科技学院信息工程学院，教授，主要研究方向为教育信息化；石放，河南科技学院信息工程学院，主要研究方向为农业信息化（453000）。