基于STEAM理念的創(chuàng)新型人才實踐教學模式研究

尹立蘋 王新亭

摘要：順應社會經(jīng)濟發(fā)展趨勢，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高校教學改革的重要目標之一。分科教學的傳統(tǒng)教學模式，體現(xiàn)出學科之間融合度不夠，學生學習知識碎片化等問題，容易出現(xiàn)綜合創(chuàng)新能力不強的狀況。文章基于STEAM整合創(chuàng)新教育理念，在分析其內(nèi)涵及教育啟示的基礎上，以工業(yè)設計專業(yè)為例，提出創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實踐教學模式。教學實踐表明，以項目、問題、情景等要素為基礎的STEAM教育理念的實施過程中，組建跨專業(yè)學生團隊，貼近實際產(chǎn)品研發(fā)流程，有利于在沉浸式的教育過程中培養(yǎng)學生寬廣的知識視野與跨學科整合創(chuàng)新能力，教學成效顯著提高。

關(guān)鍵詞：STEAM教育理念；分科教學；創(chuàng)新型人才；實踐教學模式

在以知識的創(chuàng)新與運用為基礎的知識經(jīng)濟時代，全球化的進一步發(fā)展以及信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等在加劇競爭的同時，對創(chuàng)新提出更高的要求，跨學科融合、整合創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新日益成為各領(lǐng)域發(fā)展的必然要求。知識的快速更迭，也使創(chuàng)新過程中面臨的問題復雜性加大，單一的學科知識難以勝任。因而，從社會可持續(xù)發(fā)展的角度來看，培養(yǎng)視野開闊、創(chuàng)新能力強的人才已經(jīng)成為高等教育的基本要求。

受到傳統(tǒng)“分科教學”模式的影響，高校普遍在教學上缺乏專業(yè)交叉與融合，造成部分學生“只見樹木，不見森林”，表現(xiàn)為學生學到的知識不系統(tǒng)、思維方式單一、協(xié)作創(chuàng)新能力弱等問題。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、卓越人才培養(yǎng)計劃、創(chuàng)客教育，既是對分科教學弊病的反思，也反映了教育界對教學改革的熱情與期待。針對傳統(tǒng)教學模式的弊病，國內(nèi)外教育學者及高校都積極開展教學研究。湯曉蒙、劉暉從教育方法論的角度論述了高等教育學科從“單一學科”向“跨學科”研究的轉(zhuǎn)變趨勢。邵云飛、曾勇、汪臘梅提出“復合培養(yǎng)實驗班、建設協(xié)同創(chuàng)新中心、校企合作組隊參加創(chuàng)業(yè)競賽”的教學模式。朱曦闡述了“學生核心”導向的整合創(chuàng)新教學模式。另外，江南大學通過開設整合創(chuàng)新實驗班，開展創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。美國斯坦福大學創(chuàng)新設計學院也開設了跨專業(yè)創(chuàng)新項目。美國辛辛納提大學設有跨專業(yè)合作學院，開展跨專業(yè)整合創(chuàng)新教育。

實踐教學是落實“理論結(jié)合實踐”原則不可或缺的教學環(huán)節(jié)，因此實踐教學模式的探索一直是高校教學改革的重點內(nèi)容。跨學科人才培養(yǎng)視野下，實踐教學應擺脫學科專業(yè)壁壘，以問題的發(fā)現(xiàn)、知識的融合運用、整合創(chuàng)新能力的訓練為目標進行開展。本文以STEAM教育理念（S-科學、T-技術(shù)、E-工程、A-藝術(shù)、M-數(shù)學）為理論依據(jù)，以天津科技大學工業(yè)設計專業(yè)為例，探討創(chuàng)新型人才實踐教學模式的改革方法與策略。

一、STEAM教育理念內(nèi)涵及教育啟示

STEAM教育理念源于美國，近年來備受我國教育界的重視，是以打破學科專業(yè)知識隔閡為手段，以科學融合為抓手，以實踐教學為載體，培養(yǎng)學習者跨學科整合創(chuàng)新能力為目標的教育理念。

STEAM理念具有較為科學的體系，主要特征體現(xiàn)為：

（一）面向問題的跨學科知識融合

在STEAM教育中，強調(diào)以解決問題為目標，整合相關(guān)的科學、技術(shù)、工程或數(shù)學知識，以藝術(shù)性的創(chuàng)意去解決問題，而不是將重點放在某一學科或過分關(guān)注邊界學科。這種具有系統(tǒng)性思維的教育理念，可以更加凸顯知識之間的彼此關(guān)聯(lián)，滿足了創(chuàng)新實踐對知識的體系性要求。

（二）基于項目的體驗式學習

STEAM教育提倡依托開展與生活實際緊密相關(guān)的項目，使學生在解決問題的過程中，體會到抽象的知識與實際生活的聯(lián)系。因此項目的問題設計尤為關(guān)鍵，必須置于一定的生活情景中，并且包含一定的結(jié)構(gòu)化知識。情景性問題的解決過程中，學生對知識的理解更為深入，并且體會了知識的社會性與情景性，對知識的靈活遷移能力有所增加。

（三）追求健全的人格發(fā)展

通過對情景性項目中問題的探求，學生通過協(xié)作，從多角度考慮問題，拓寬了視野，促進了批判性思考、決策能力，激發(fā)了自主學習興趣，并鍛煉了溝通能力與靈活性、適應性。這種以健全人格發(fā)展為教育主旨的理念，較好地反映了教育的本質(zhì)。

因此，教育工作者應當立足當前的社會背景，客觀認識學生獲取知識途徑的多元化，適時改變教學模式。借鑒STEAM理念中的項目探究式學習、以實踐為取向通過情景體驗獲取知識等優(yōu)點做好不同領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教育工作。

二、基于STEAM的創(chuàng)新型人才實踐教學模式架構(gòu)

工業(yè)設計專業(yè)作為以創(chuàng)新為核心的交叉性專業(yè)，具備整合創(chuàng)新的先天優(yōu)勢。從設計定義可以看出，設計旨在引導創(chuàng)新、促進商業(yè)成功并以提高生活品質(zhì)為目的，是一種將策略性解決問題的過程應用于產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務及體驗的設計活動。作為多學科交叉的專業(yè)，將創(chuàng)新、商業(yè)、技術(shù)、創(chuàng)意與用戶研究緊密結(jié)合在一起，具有重要的跨學科整合創(chuàng)新功能。并且設計專業(yè)與其他專業(yè)進行跨學科合作，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。因此，選取工業(yè)設計專業(yè)進行基于STEAM理念的創(chuàng)新型人才實踐教學研究具有較好的代表性。

以跨學科視角開展創(chuàng)新實踐教學，需要以開放的態(tài)度整合校內(nèi)外資源，務實可行的做法是以企業(yè)需求或真實項目為基礎，設置創(chuàng)新設計項目內(nèi)容。以天津科技大學機械工程學院的教學需求為研究對象，建立了跨學科的設計類專業(yè)實踐教學模式（如圖1）。以工業(yè)設計專業(yè)為紐帶，整合理工與人文社科的相關(guān)學科，構(gòu)成學科知識群組。在其中組建跨學科的教師團隊，與企業(yè)研發(fā)部門協(xié)同確定適合學生完成的項目內(nèi)容。通過校園網(wǎng)平臺公布后，招募多專業(yè)的跨學科交叉創(chuàng)新學生團隊，分工定責后，共同開展課題的創(chuàng)新設計實踐訓練。

校內(nèi)教學平臺作為項目流程執(zhí)行、學習資源等支撐，校內(nèi)與企業(yè)實驗室提供硬件與測試環(huán)境。可依托教學平臺與實驗室開放共享機制，整合資源構(gòu)建基于情景的項目開發(fā)環(huán)境，提供實踐過程所需的創(chuàng)新要素與硬件支撐條件。項目定題的核心內(nèi)容是進行產(chǎn)品的定義，也就是將所要達到的目標進行具體的規(guī)范，包括需求或待解決的問題、產(chǎn)品規(guī)格、技術(shù)觀測指標等。

學生在校內(nèi)教師指導下通過各種途徑進行設計調(diào)研、按照設計方法與程序進行創(chuàng)意構(gòu)思與方案設計，進一步在技術(shù)驗證基礎上，制作產(chǎn)品原型（可以是虛擬的樣機或原型機），再進行技術(shù)驗證與仿真。最后通過學生、教師、企業(yè)技術(shù)人員的多方評估，確定項目研究是否解決了設計問題。如果沒有通過，則進行反饋，進一步進行研究；通過，則進行項目完成的總結(jié)報告，進行成績評判。

為順利展開跨學科合作，項目的開展可以以專業(yè)拓展類課程的形式，納入到校內(nèi)開放課程中，各專業(yè)的學生完成后，都可以認定實踐學分。

三、教學實踐探索案例

以下為以工業(yè)設計專業(yè)為核心展開的跨學科整合創(chuàng)新設計的教學實踐案例闡述。該項目是機電裝備創(chuàng)新設計課內(nèi)作業(yè)之一，是天津科技大學機械工程學院工業(yè)設計系與天津明德福自動化技術(shù)有限公司聯(lián)合開展的智能物料小車的整合創(chuàng)新設計。

項目是要為某化工類企業(yè)生產(chǎn)線上的運輸粉類物料的自動配送小車進行智能化改造。要求從功能結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形象、強弱電控制等角度進行重點改良設計。依據(jù)項目開展的需求，成立工業(yè)設計、機械電子工程、計算機技術(shù)、自動化等專業(yè)教師共同組建的跨學科教師指導團隊，制定教學計劃后，通過教學平臺限額招募工業(yè)設計、機械設計及制造、自動化、計算機等專業(yè)的學生組建3個創(chuàng)新設計小組。

本項目歷時3個實踐教學周，涵蓋設計調(diào)研、創(chuàng)意構(gòu)思與方案設計、設計原型或數(shù)字樣機制作及設計評估等環(huán)節(jié)。

（一）設計調(diào)研

根據(jù)項目中產(chǎn)品的定義，分析問題涉及的功能技術(shù)要素，分組進行設計調(diào)研，前往企業(yè)及市場進行產(chǎn)品調(diào)研、技術(shù)調(diào)研及競品調(diào)研與分析（如圖2）。以工業(yè)設計學生為主進行用戶研究和產(chǎn)品市場調(diào)研，明確設計目標，由機械電子工程與自動化專業(yè)學生制定物料小車及技術(shù)路線。

各小組在競品（競爭產(chǎn)品）分析及調(diào)研分析報告的基礎上，由專業(yè)教師指導各小組，綜合運用頭腦風暴法、形態(tài)表分析法、TRIZ等多種創(chuàng)新方法開展問題的解構(gòu)與創(chuàng)意設計，將可能的設計方案以草圖的形式記錄下來（如圖3）。在此過程中，不同專業(yè)的學生發(fā)揮本專業(yè)優(yōu)勢，各小組（都由不同專業(yè)學生構(gòu)成）對于產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)、智能控制、供電方式、硬件選型、產(chǎn)品外觀、功能定位等提出自己的方案。

各小組在評審選出最后的設計方案后，進行深入的設計。根據(jù)專業(yè)的優(yōu)勢進行分工，各專業(yè)分別進行產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設計、機械結(jié)構(gòu)設計（含硬件選型）、強電供電方式、智能控制、材料與工藝等工作，教師與企業(yè)工程師團隊進行技術(shù)指導與整體把控。

（二）產(chǎn)品原型制作

因為本產(chǎn)品體量較大、硬件選型（電機、減速器、卸料閥等）價格較貴，直接制作實體原型，投入較大。因此采用三維軟件進行建模與產(chǎn)品虛擬樣機的設計制作（如圖3）。

（三）技術(shù)驗證與仿真

在進行供電技術(shù)方案設計、機械結(jié)構(gòu)設計后，對控制部分進行基于lab view軟件的運動控制仿真，測試產(chǎn)品的運行功能。各設計小組在此階段規(guī)定采用相同的仿真測試平臺，便于橫向?qū)Ρ取Ｔ谶M行測試與仿真之后，各小組進行完善方案，完成設計效果圖，并完成產(chǎn)品的初步工程設計。

（四）項目結(jié)題答辯

項目完成后，由專業(yè)教師及企業(yè)專家技術(shù)人員組成的評審團對各設計成果進行評審答辯。對各小組的創(chuàng)新設計成果從創(chuàng)新性、技術(shù)與工藝可行性、市場前景等方面進行綜合評價。

答辯結(jié)束后，企業(yè)依據(jù)部分方案進行進一步的工程開發(fā)，并進行樣機制作。部分學生的創(chuàng)新設計，獲得了顯著的成果，申報國家實用新型專利1項，參加天津市工業(yè)設計大賽獲得一等獎1項。

四、結(jié)語

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是社會發(fā)展的必然，設計教育需要打破常規(guī)，研判經(jīng)濟社會的發(fā)展趨勢，進行教學改革，培養(yǎng)具有國際視野、跨學科整合能力的復合型創(chuàng)新人才。

改變實踐教學模式和考核方式，從跨學科的視角開展整合創(chuàng)新設計實踐，能夠提高教學的有效性，改變傳統(tǒng)模式下，學生被動聽課，知識容易碎片化的現(xiàn)象，也順應了社會對人才素質(zhì)的需求。

通過合理的項目設計，將問題、應用情景、探究體驗、協(xié)作溝通等要素與結(jié)構(gòu)化知識要求整合起來，學生的知識習得是沉浸式的、體驗式的，更加深刻并且更有興趣。項目背景鮮明，也使學生對知識的實際應用價值有更清晰的認識，學習積極性大為提高，為適應社會崗位，增強就業(yè)競爭力奠定了基礎。將創(chuàng)新設計成果，進行專利申請或項目孵化，與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育進一步結(jié)合，可更好地激發(fā)學生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)熱情。

同時，我們也需要看到基于STEAM理念進行創(chuàng)新人才實踐教學面臨的挑戰(zhàn)，學校整體的教學政策對專業(yè)教師積極性（教師開展跨學科教學的能力提升與學習）的影響、校企合作的資源狀況、傳統(tǒng)模式教學思維的慣性、學生積極性的調(diào)動等諸多因素，都影響到該模式的順利實施。因此，有必要結(jié)合校情（如大類招生）進一步開展深入的研究。

參考文獻：

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