基于STEM教育的實驗教學中心建設(shè)探索

田傳軍，饒 星

（暨南大學a.招標采購中心；b.實驗室與設(shè)備管理處，廣州 510632）

0 引言

STEM 是Science（科學）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學）四門學科英文的簡稱。STEM教育是指在科學、技術(shù)、工程和數(shù)學領(lǐng)域的教和學，從概念本身來看，雖然這4門學科之間是相互獨立的，但是STEM教育指的是4門學科核心知識的有機整合，培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)［1］。STEM教育能夠培養(yǎng)學生多學科知識整合能力、團隊協(xié)作能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。STEM實驗教學中心作為學生實踐教育的主要場所，承擔著學生STEM知識教育、實驗技能和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的任務(wù)。

1 建設(shè)STEM實驗教學中心的意義

目前我國建設(shè)“雙一流”大學主要目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型和復合型人才。大學實驗室作為教學、科研、服務(wù)社會平臺和基地，具有不可替代的重要地位與作用，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基地、培育創(chuàng)新成果的搖籃、服務(wù)社會經(jīng)濟的平臺、展現(xiàn)大學學科專業(yè)水平的窗口［2］。大學擁有眾多的傳統(tǒng)實驗室，但是沒有專門按照STEM實驗教學要求合理規(guī)劃和整合使用，難以滿足需求。有些高校僅僅是將實驗場地、儀器設(shè)備和實驗室工作人員整合，這樣易操作且見效快，但整合之后實驗教學水平無法得到有效提高，實驗室存在重復建設(shè)等方面的問題［3］。建設(shè)STEM教學實驗中心，有利于提供充分的教學設(shè)施與完善的教學資源，在培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)復合型人才方面有重要意義［4］。

2 STEM實驗教學中心建設(shè)目標

2.1 整合學校資源和社會資源，發(fā)展STEM教育

STEM實驗教學中心將分散的相關(guān)學科資源進行專業(yè)整合，優(yōu)化現(xiàn)有配置形成結(jié)構(gòu)化的多層次、多模塊體系，充分發(fā)揮教學中心的資源的整體效益，有利于促進實驗教學體系的完善［5］。同時將STEM實驗教學與企業(yè)研發(fā)需求相融合，爭取相關(guān)企業(yè)的資金、儀器設(shè)備和技術(shù)支持，共建實驗教學中心。為國家建設(shè)培養(yǎng)適應(yīng)社會需要創(chuàng)新人才，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人才需求的角度綜合考慮，整合政府、高校和社會的資源推動STEM教育的發(fā)展。

2.2 提高學生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

學生在STEM實驗教學中心自主思考、自主學習、自主探索，通過查閱文獻、設(shè)計實驗方案、選擇使用實驗器材、采集分析數(shù)據(jù)、撰寫報告掌握科學研究的方法。培養(yǎng)學生提出原創(chuàng)性問題的能力；針對提出的問題且具有分析問題、解決問題的能力；理性評估解決方案對社會產(chǎn)生影響的能力；形成有效地轉(zhuǎn)變解決方案，并對方案進行優(yōu)化創(chuàng)新的能力［6］。

2.3 培養(yǎng)STEM教育師資力量

STEM教師的質(zhì)量直接影響到STEM教育的整個過程。我國STEM教師培養(yǎng)還存在諸多問題，包括教師培養(yǎng)數(shù)量和供給總量嚴重不足，教師培養(yǎng)體系不健全，教師在職專業(yè)發(fā)展支持不足，這些現(xiàn)實困境都制約了我國STEM教育的發(fā)展［7］。同時不同于目前大學一般的實驗室工作人員業(yè)務(wù)較專的情形，STEM實驗教學中心管理員必須具備綜合素養(yǎng)，在負責計劃、開發(fā)和維護實驗教學中心設(shè)備和材料的同時，還要講授STEM教育的課程，與教師共同開發(fā)STEM課程［8］。STEM實驗教學中心通過建立STEM教師培養(yǎng)體系加強具有跨學科背景的師資力量的培養(yǎng)，提高關(guān)于科學、工程和技術(shù)科學素養(yǎng)，提升教師和實驗教學中心管理員的綜合素養(yǎng)。

2.4 促進教學和學習方式的變革，改革人才培養(yǎng)體系

通過STEM項目的實踐，運用先進的技術(shù)手段，采取社會需求引導、任務(wù)驅(qū)動等方式，優(yōu)化學生培養(yǎng)體系和STEM課程內(nèi)容。充分了解學生的發(fā)展需求，制定與培養(yǎng)目標相匹配、對廣大學生有利的教學管理制度，同時優(yōu)化不同層次學生的培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，針對不同類別的學生采取相對應(yīng)的措施提高學生STEM學習的適應(yīng)性，加強學業(yè)發(fā)展規(guī)劃與引領(lǐng)，有針對性地為不同學生設(shè)計發(fā)展路徑。

2.5 探索并完善STEM教育考核與評估體系

目前我國STEM教育還處于發(fā)展初期，國內(nèi)相應(yīng)的考核標準及評估體系還處于空白狀態(tài)［9］。一套健全完善的STEM教育考核和評估體系對STEM教育政策、項目開展、培訓效果等一系列內(nèi)容進行一個有效的評價和反饋。在STEM實驗教學中心建設(shè)和運行過程中，應(yīng)當積極探索多樣化的課程評價機制和評價技術(shù)策略，嘗試建立并完善STEM教育考核與多元綜合性評估體系。

3 STEM實驗教學中心建設(shè)思路

3.1 明確發(fā)展目標

STEM實驗教學中心建設(shè)應(yīng)按照“源于實踐，符合教學”的要求，對其目標定位、整體規(guī)劃、建設(shè)管理、課程體系、教學內(nèi)容、評估體系、未來規(guī)劃等方面進行探索，體現(xiàn)多學科融合，多層次跨越、開放式創(chuàng)新、實用性服務(wù)的原則。

3.2 制定人才培養(yǎng)計劃及改革人才培養(yǎng)體系

掌握社會發(fā)展最新的人才需求和未來發(fā)展方向，樹立創(chuàng)新型、科技型STEM教育理念，采用辯論探討、分組講解、實踐操作等考核評價形式，積極探索個性化人才培養(yǎng)模式，提升學生的科技創(chuàng)新能力［10］。STEM實驗教學中心在教學過程中，將理論知識教學、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)培養(yǎng)有機地結(jié)合，并引入校企合作機制，探索建立課程和實踐教學等體系，有針對性地培養(yǎng)高素質(zhì)人才。探索建立科學的人才培養(yǎng)評價體系，融入創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作、分析處理問題、語言表達能力等評估指標，對學生進行客觀和全面的評價。

3.3 建立有利于學科建設(shè)的管理體制和運行機制

以有利于學科建設(shè)，有利于提高辦學質(zhì)量和效益，有利于提高學生的實驗、實踐能力，有利于設(shè)備資源共享的思路為指導，統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局；以教學改革為核心，探索理論與實踐并重、能力培養(yǎng)與素質(zhì)提高并行的實驗教學體系；以健全的管理程序為保障，建立合理、完善、高效的教學實驗室管理體制和運行機制［11］。

4 STEM實驗教學中心建設(shè)途徑

實驗教學中心的建設(shè)涉及教學理念、教學體系、教學方法、硬件設(shè)施、師資隊伍等多個方面［12］。STEM實驗教學中心應(yīng)該密切關(guān)注社會發(fā)展動態(tài)及需求，將跨學科的學習理念和項目實踐結(jié)合起來，構(gòu)建學習共同體，支持STEM教育的開展。

4.1 規(guī)劃STEM實驗教學中心的建設(shè)

STEM實驗教學中心要有獨立的行政職能，有中心主要負責人和行政管理人員。中心負責人可以自主決定中心的建設(shè)及發(fā)展方向，行政管理人員負責管理中心的日常工作。STEM實驗教學中心在實驗課程設(shè)置、人員聘用、實驗室管理和經(jīng)費管理等方面具有較大的自主權(quán)，保證教學資源的充分合理利用，形成功能明確和管理有序的實驗基地。

STEM實驗教學中心以培養(yǎng)學生實踐動手能力為主線，以培養(yǎng)學生解決問題的能力為目標，按分層次、模塊化的方式來統(tǒng)籌實驗教學設(shè)施及資源，成為教師和學生進行創(chuàng)新研究與學習的重要場所。

4.2 構(gòu)建STEM實驗教學體系

STEM實驗教學中心根據(jù)學科建設(shè)和人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求，探索構(gòu)建包含基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和開放性實驗的實驗教學體系。

在基礎(chǔ)性STEM實驗階段貫徹“寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)理念，讓學生掌握STEM相關(guān)學科基本的實驗技能，包括理解實驗原理、儀器使用方法、實驗方法、實驗操作步驟、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗報告撰寫等。基礎(chǔ)性實驗通過教師示范講解和學生模仿實驗?zāi)Ｊ絹韨魇谥R。

綜合性STEM實驗注重教學內(nèi)容的創(chuàng)新性和STEM各學科交叉融合性，這類實驗需要學生理解實驗中所蘊含的多學科知識，在實驗過程中能夠自主學習和知識遷移。綜合性實驗由教師以課題的形式安排任務(wù)，學生自行查閱文獻、設(shè)計實驗方案、準備實驗材料、實施實驗方案、收集分析數(shù)據(jù)和撰寫實驗報告。綜合性實驗可以將STEM各學科有機結(jié)合起來，使學生掌握STEM各學科的內(nèi)在聯(lián)系。

開放性STEM實驗主要讓學生體驗自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，通過自行組織實驗團隊設(shè)計實驗，解決實際問題。開放性實驗可以由教師設(shè)計實驗課題，由學生根據(jù)實際生活確定實驗課題，也可以是教師的科研項目，或者是某類競賽項目。學生個人或者團隊在導師的指導下自主進行研究性學習，參與實驗方案的設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、報告撰寫等科學研究工作的全過程。開放性實驗由教師啟發(fā)與引導學生進行獨立操作、分析和解決實際問題，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。

4.3 探索并完善STEM實驗教學方法

基礎(chǔ)性STEM實驗課程以理論學習為主，教師采用授課、講座或研討等多種形式進行，在實驗過程中注重引導學生嚴格按照實驗步驟進行操作，讓學生了解實驗基本原理，鞏固基礎(chǔ)知識，掌握基本實驗操作規(guī)范和安全意識。可采用“現(xiàn)場演示式”的教學方法［13］。

綜合性STEM實驗課程通過學生根據(jù)實驗要求自主查閱資料，制定相應(yīng)的實驗方案，然后獨立或分組完成實驗操作和收集分析數(shù)據(jù)，并撰寫實驗報告和對實驗項目進行評價。對實驗過程中出現(xiàn)的問題，教師引導學生自主分析問題產(chǎn)生的原因，制定解決問題的思路和方法，著力培養(yǎng)學生自主思考問題和解決問題的能力。采用“自主學習式”和“引導啟發(fā)式”的教學方法［14］。

開放性STEM實驗選擇由學生可自主完成的研究性實驗項目或工程領(lǐng)域中待研究的學術(shù)問題，學生獨自或組成學術(shù)討論小組，評估研究課題的價值，研究制定實驗方案，評估實驗設(shè)計方案的可行性，自行購買實驗所需的材料，完成實驗操作并撰寫實驗結(jié)果分析報告。教師組織專家對學生的成果進行點評，學生現(xiàn)場對專家的點評結(jié)果進行答復。采用“團隊協(xié)作式”的實驗教學方法［15］。

4.4 STEM實驗教學中心平臺的建設(shè)

STEM實驗教學需要實驗設(shè)備、教學資源等軟硬件條件作為支撐，具體包括儀器設(shè)備硬件平臺建設(shè)、實驗教學中心技術(shù)隊伍建設(shè)、內(nèi)部管理規(guī)章制度建設(shè)等。

實驗教學中心儀器設(shè)備和虛擬仿真實驗教學資源購置的過程中要做好需求論證，遵循必要性和長遠性原則，依照實驗教學中心日常實驗教學需求形成科學的設(shè)備購買方案。合理購置必需的大型貴重儀器，可以充分利用學校現(xiàn)有的大型貴重儀器共享平臺，實現(xiàn)實驗教學中心資源開放共享。加強與其他高校、企業(yè)之間的合作交流，通過租借或共享來實現(xiàn)儀器設(shè)備和教學資源的充分利用。

根據(jù)實驗教學中心承擔的職責及規(guī)模，科學定編設(shè)崗。設(shè)置實驗室主任崗，負責實驗室的全面工作；實驗教學崗，承擔實驗教學中心的實驗教學任務(wù)；實驗技術(shù)管理崗，負責實驗教學中心實驗技術(shù)指導、日常運行等工作。實驗教學中心主任作為實驗中心負責人，具有崗位設(shè)置、職責設(shè)定、人員招聘等權(quán)力。

為了保證教學實驗中心管理工作規(guī)范化，保障實驗教學的順利進行，必須制定必要的規(guī)章制度。實驗教學中心規(guī)章制度的制定應(yīng)該適合本中心工作需要，遵循事實求是、切實可行、明確具體原則。結(jié)合實際工作需求制定包括“實驗教學中心管理辦法”“實驗教學中心儀器設(shè)備管理辦法”“實驗教學中心工作人員管理辦法”等相關(guān)規(guī)章制度，并在根據(jù)日常實驗教學開展情況，進一步完善相關(guān)規(guī)章制度體系。

4.5 STEM師資隊伍的建設(shè)

由于STEM教師跨學科教育能力薄弱、教材理解欠深入、理論指導和系統(tǒng)思考缺乏等問題導致STEM教育者專業(yè)發(fā)展嚴重不足，這已成為目前制約我國STEM教育推進的瓶頸。STEM實驗教學中心應(yīng)有針對性地引進工程教師進入教學，對數(shù)學、科學、信息技術(shù)學科教師進行工程專業(yè)培訓，提高STEM教師綜合素質(zhì)。實驗教學中心以項目為牽引，吸引校內(nèi)教師協(xié)同專任實驗教學中心人員開展實驗教學和科技創(chuàng)新，專任實驗室人員也參與教師的教學科研活動，形成優(yōu)質(zhì)師資隊伍的匯聚，壯大了實驗教學中心隊伍力量，提高了教育教學質(zhì)量，提升人員自身水平［16］。選派實驗教學中心人員去企業(yè)掛職鍛煉，聘請企業(yè)優(yōu)秀技術(shù)專家做兼職教師等方式，實現(xiàn)實驗教學內(nèi)容與企業(yè)生產(chǎn)實際的緊密結(jié)合，全面增強實驗室技術(shù)人員的工程實踐意識和工程實踐能力。

5 結(jié)語

STEM教育需探索建設(shè)專業(yè)的STEM實驗室和專業(yè)化教學中心，為探究式學習創(chuàng)造環(huán)境［15］。本研究分析了我國目前高校STEM實驗教學中心建設(shè)的滯后性，并且對STEM實驗教學中心建設(shè)目標，建設(shè)思路和建設(shè)途徑提出針對性的對策和建議。STEM實驗教學中心能為STEM教師和學生提供學習交流的平臺，同時能整合社會各界資源，促進STEM教育發(fā)展，培養(yǎng)更多優(yōu)秀STEM教師和創(chuàng)新型STEM專業(yè)技術(shù)人才。

·名人名言·

知識的問題是一個科學的問題，來不得半點虛偽和驕傲，決定倒是其反面——誠實和謙遜的態(tài)度。

——毛澤東