SETAM教育理念在能源技術經濟學課程中的應用

王洪才 張建智 代云年

摘?要：在新時代背景下，STEAM教育理念是一種培育綜合性、復合型人才的教育模式，已成為我國教育熱點和新的研究領域。本文借鑒國內外經驗，從STEAM教育產生的背景、應用現狀出發，深入地分析和總結了高校課堂STEAM教育教學模式，并結合《能源技術經濟學》課程的“節能量計算”內容，從真實情境、關鍵問題、設計方案、改進方案、實施方案、交流展示等六個方面提煉了STEAM課堂的教學流程，并進行較為詳細的分析和概述。

關鍵詞：STEAM教育?課堂教學?節能量計算

引言

高等教育是人才培養的主戰場，課堂教學是培養造就人才的重要途徑。利用創新的理念和思路來革新課堂教學方式、提高大學生教育教學質量是高校教育工作者的使命和擔當。STEAM教育是一種以實踐教學為基礎的跨學科教育理念和模式，集合了科學、技術、工程、數學、藝術等多學科的綜合教育。2015年教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》中指出“探索STEAM教育新模式，培養學生創新意識”，這是我國首次在政府文件中提出開展STEAM教育。作為一種培養綜合性、復合型人才的教育模式，STEAM教育理念，對于當前我國的經濟社會發展與教育教學改革都具有重要的借鑒意義。

一、STEAM教育理念及應用現狀

1.STEAM教育概述

STEAM源于STEM教育，指的是與科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）學科相關的教育，由美國國家科學基金會在1986年的率先提出，旨在培養學生的科學精神、技術能力、工程意識和數學素養，是一種偏向工科思維的學習系統。STEAM教育最早是由美國弗吉尼亞理工大學學者格雷特·亞克門于2010年提出的，將藝術（Arts）融入STEM中，將有助于學生從更多的視角認識不同學科之間的聯系，提高自身綜合運用知識解決現實問題的能力。這里的藝術包含廣泛的人文藝術科目，涵蓋社會、語言、人文、美學等方面。STEAM教育的理念可以概括為：以數學知識為基礎，通過工程和藝術的思維解讀科學和技術，支持學生采用多學科整合的方式來認識世界，以協同創新的方式來改造世界，培養他們提出問題、解決問題的創新能力。

2.STEAM教育的應用

STEAM教育作為一種培育綜合性、復合型人才的教育模式，已經在很多國家大力開展。如美國的北卡羅萊納等學校成立了“國家數學、科學和技術特色聯合體”，創建了美國的“STEAM教育聯盟”，旨在為學生提供高質量的STEAM教育。英國方面，2014年STEAM教育獲得了聯合政府與工黨及各黨派支持，并撥款1400萬英鎊用于伯明翰城市大學STEAM研究中心建設，強調要培養學生解決問題的能力、創造力和分析能力。韓國教育部在2011年發布《促進綜合性人才教育（STEAM）方案》政策，致力于構建多樣型的人才培養平臺，提升綜合型人才的培養質量。當前，國外對于STEAM教育方面的研究已經在概念的界定、人才的培養模式、教育的變革方式、價值觀念的體現、平臺搭建等方面取得了一定的成績。

2.12年第二屆STEM國際教育大會在北京師范大學舉行，會議圍繞跨學科研究、教學模式和教師發展等方面進行交流，該次會議的內容大多是運用國外開展STEM教育的經驗和案例。2016年教育部公布了《教育信息化“十三五”規劃》政策，明確提出“有條件的地區要積極探索信息技術在跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用”。北京教育學院等單位舉辦了“2017中國STEM+創新教育大會”，圍繞STEAM教育與創新教育、課程改革、跨學科的課程整合、創新人才的培養等方面開展。總體來說，我國當前的STEAM教育仍處于發展和嘗試階段，很多高校和學生都會嘗試著與外界的社會資源進行交流合作。如北京大學國際基礎教育研究室推廣的STEAM教育，內容涵蓋了3D打印、創新思維等多門課程，展現了STEAM教育面向未來的發展潛力。

三、高校課堂STEAM教育模式

任何一種教學模式都是在特定的教學理論指導下建立起來，具有相對穩定的教學活動框架和程序。本文采用STEAM教育理念，結合高等學校課堂教學的現狀，從以下四個方面提出高校課堂STEAM教學模式的特征。

1.打破學科界限

STEAM教育模式核心思想是將不同學科的知識內容可以交叉融匯。在《能源技術經濟學》課程中，可以將科學、技術、工程、數學、藝術以及經濟等學科的內容整合在一個節能技術改造案例中，體現出課堂教學的真實性、趣味性。高等學校的課堂教學若要打破不同學科之間的界限，首先要在課堂教學的設計上運用多學科融合的模式，選擇合適的內容，從縱向或橫向的維度上來增強科學、技術、工程、數學、藝術相互之間的學科聯系;其次，可以通過具體案例或項目的學習，將現實生活或生產中的現象與相關學科關聯起來，融會貫通，由此進行探索、研究，將跨學科的教育理念充分體現出來。

2.強調團隊協作

STEAM教育要求必須重視學生之間的團隊協作意識與合作能力的培養。課堂上，教師一般都會指導學生組建若干小組，讓他們相互配合、啟發，共同完成每個小組的預訂任務。高等學校的STEAM課堂可以是一個互動性的學習環境，從教師與學生以及學生之間的互動中，一起去尋找學習的樂趣和意義。此外，學生在團隊合作的環境中也能夠找到自己準確的位置，認同自己扮演的角色，了解自己所處的狀態，符合國家提出的培養學生核心素養的教育理念。

3.注重實踐能力

STEAM教育在具體的實施過程中，應重點關注學生實踐能力的培養，尤其是在真實學習環境中動手操作的能力。一方面，要為學生營造出一種情景化的學習體驗環境，需要任課教師在課堂設計時需要考慮到怎樣才能營造能夠讓學生獲得學習體驗、掌握課程知識、發揮想象力和創造力的學習氛圍，既包括硬環境，也包括軟環境。另一方面，盡量提供條件讓學生親自參與到所學知識的實踐應用中，如現場考察等。這個實踐應用可以是具體的生產或生活場景，也可以是老師為學生設計的情景化教學環境。

4.增添藝術氣息

由于音樂、舞蹈、美術等藝術形式對于培養學生的審美意識、陶冶學生的情操、培養學生的個性等領域都體現出其他學科無法替代的作用，因此，在高等學校的STEAM課程中，其知識范圍不僅涵蓋了科學、工程等技術方面的內容，還應增加有關學科的歷史、人文等知識，使得學生不僅僅是單純地進行知識的學習，更重要的是教會學生從藝術的角度去理解并掌握知識。

四、能源技術經濟學課堂教學流程

國家標準《用能單位節能量計算方法》已于2019年4月1日起實施，本文以“節能量計算”教學內容為例開展STEAM課堂教學的案例分析。

1.學習主題

開展技改項目節能量計算分析。涉及的主要內容如下：

科學：熱力學第一定律、物質守恒定律，各類能源發熱量的科學選擇等。

技術：技改所用技術，節能量計算方法，借助計算機網絡查閱相關資料等。

工程：改造項目建設工藝、生產過程，主要耗能環節能耗及產品數據采集，節能量計算流程設計等。

藝術：技術改造項目能源消耗和產品生產統計的邊界劃分，統計、計算表格的設計、制作等。

數學：技術改造項目能耗和產品數量的統計、能耗標準量的計算、節能量的計算、有關變量的歸一化處理等。

2.學習目標

當前生態文明建設和節能減排意識已深入人心，但在校生缺少具體、實際的接觸和實踐。為了培養學生的動手能力、思維能力。課例學習目標包括：

（1）知識傳授

講解節能量計算方法、項目邊界認定、劃分，節能量計算分析等。

（2）實踐鍛煉

在理解節能量計算內容的基礎上，通過小組分工、交流、合作，鍛煉學生搜集計算資料、分析計算過程、設計計算方案的能力。

（3）能力提升

通過對改造項目節能量計算任務的整體安排設計，培養學生對科學、技術、工程、數學、藝術等方面的整合能力。

3.課程分析

STEAM課堂教學模式的共同要素主要包括真實情境、關鍵問題、設計方案、改進方案、實施方案、產品交流展示等方面。

（1）真實情境

主要表現為教師對該課例教學背景的理解，體現出教師關注該主題實踐環節這一特征。從教室能源消耗設備（如節能燈等）更新改造入手，進而引導至企業技術改造項目（如電機更換、工藝技術改進等）中去，情境對于學生來說應真實，這樣才能夠提起學生對于該課題的計算和設計興趣。

（2）關鍵問題

該課例要求學生解決的關鍵問題是計算某一技術項目改造前后的節能量，整個教學都是圍繞“如何開展技改項目節能量的計算”這個關鍵性問題展開。關鍵性的問題應具驅動的功能且富有挑戰性，才能夠激發學生進行創造性的設計。例如，在計算項目節能量的同時，考慮其經濟性，可能在一定程度上能夠激發學生的學習興趣。

（3）設計方案

比較理想的情況是先讓學生在所屬團隊內進行頭腦風暴，提出面臨的問題，討論設計思路，共同規劃設計方案。例如，想要解決這個問題，學生首先要考慮的是項目消耗的多個能源種類如何統一，節能量計算步驟如何分工、安排進度等，這個環節是導出學生原有知識、形成創新想法并確保想法得以實施的過程。

（4）改進方案

每個小組初步設計的方案都需要進行不斷檢查、反復討論改進。在本課例中，該環節的教學方式是先請每個小組通過手機、電腦等進一步查閱有關資料，完善各自小組的計算思路（如煤炭如何折算標準煤等）;其次，還可以通過團隊研討、交流，發現存在問題，提出更恰當、更便捷的思路進行修改論證，完善初步設計方案。

（5）實施方案

學生根據改進后的方案實施，對設計的節能量計算步驟進行逐一展開，運用統籌學方法，將有關步驟協同進行。但是由于的方案沒有對如數據的統計，人員的分工，進度的安排等活動進行設計，可能會造成有些學生無法真正參與到實施中來，這就需要教師的指導和督促。

（6）交流展示

形成的最終成果即各個小組最終計算的節能量，體現出本課例所要求形成最終結論的特征。在該環節中，教師要求各小組以PPT的形式展示交流，在一定程度上限制了學生的創造性的自我表現。

綜上可知，開展“技術改造項目節能量計算分析”為主題的STEAM課程采用的是“基于工程項目”的學習模式，不僅具備了項目學習的特征，也具備了工程設計的部分特點。

4.課程總結

課例中學生對于項目節能量計算的設計方案比較完善，且每一環節都要求有明確的任務目標，讓學生經歷“親自參與-動手操作-方案設計-反復論證-改進完善”的過程。看似簡單的節能量計算分析，其中還包含了項目邊界劃分、相關資料收集、數據統計處理等一系列實際問題，能夠使學生在完成任務的過程中，意識到真實問題的復雜性，并且能夠通過活動初步體會工程、設計的思想在解決實際問題中的重要價值。

五、思考與展望

STEAM教育具有知識覆蓋面廣、能力鍛煉多樣、情感體驗豐富的特點，是一種培養學生創新精神、實踐能力的教學方法，也是一種重要的創新人才培養模式，已經成為世界范圍內教育所關注的重點領域。課堂教學是高等學校人才培養的主陣地，也是培育綜合型人才最直接的方式，其教學質量的高低直接關乎人才培養好壞。因此，將STEAM教育的新理念和新思路引入到更多的高校課堂教學中，是打造“金課”杜絕“水課”的有效方式，有助于進一步提升課堂教學質量，以培養出具有創新能力和綜合素養的復合型人才，推動我國的教育教學服務的高質量發展。

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作者簡介

王洪才（1982—），男，安徽臨泉人，中南大學能源科學與工程學院講師，博士。