STEAM教育理念下提升學生創新能力的新工科課程整合與創新探究

紀 霞 熊秋峨

（南通大學信息科學技術學院，江蘇 南通 226007）

1 引言

工程教育專業認證下的新工科人才培養要求強化學生的創新能力，培養具有人文素養、職業道德、社會責任、有創新意識、創新實踐能力的交叉復合型專業人才[1]。隨著新工科建設的不斷深入，課程教學改革成為地方高校發展的重要問題，而課程體系是否科學合理直接影響專業培養目標及畢業要求達成。跨學科融合順應新宏觀環境的客觀需要，是推進新工科建設與發展的最有效途徑，而STEAM教育以跨學科為基本特征、以創意培養為教育初衷，提倡社會責任感、人性化培養，基于STEAM理念的新工科建設，圍繞地方高校創新人才培養需求，對人才培養方案、課程設置、教學內容等進行整合，是形成科學合理的新工科創新人才培養課程體系的最有效途徑[2]。隨著STEAM教育在國內的廣泛發展，我國高校課堂教學改革對STEAM教育也有了應用，但因研究的時間較短，所以涉及的內容很淺顯，教學內容停留在設計層面，依然處于探索、思考、改革的進程中。本課題結合STEAM教育的跨學科、項目式、創新意識培養、基于項目的問題驅動學習等理念，探索地方性高校新工科課程體系的建設路徑。

2 新工科人才培養目標及畢業要求

以我校計算機科學與技術專業人才培養方案為例，根據工程認證標準，我校重新修訂了計算機科學與技術專業2021版培養方案，培養目標為本專業培養堅持中國特色社會主義道路，擁護中國共產黨領導，德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人，培養具有良好的社會責任感、職業道德、科學人文素養和創新精神，掌握扎實的自然科學和計算機專業知識，具備計算思維和工程實踐能力，能主動適應社會發展和技術進步需要，成為從事復雜計算機應用系統研究、設計、開發和管理等工作的高級工程技術人才，并主動服務于長三角經濟一體化建設。畢業生要在品德、知識、能力和素質等方面應達到畢業要求12個指標點。

2.1 傳統授課模式的主要問題

課堂教學以教師授課為主，學生普遍參與度較低，以操作系統課程為例，課程講述的內容主要是理論和方法，知識點抽象繁雜，學生缺少工程設計思想，以教師講授為主課堂教學模式，學生學習主動性不強，學習熱情不高，學習效果不理想，在課程設計和畢業設計環節表現尤為突出，學生對基本理論概念理解不夠，掌握不清晰，缺乏理論知識與具體應用的結合，缺少工程設計能力，工程素養較差。

2.2 問題驅動式的項目式教學模式

通過項目式教學模式的探索和改革，引導學生自主分析問題，獲得解決問題的方法，通過設計教學分析案例，利用視頻及各種影像資料，模擬設計過程，可以激發和調動學生的好奇心和學習興趣，將學生的主動參與和教師的引導相結合，使學生獲得工程設計思維、分析解決問題能力。

3 STEAM教育理念的本質與內涵

STEAM教育發源于美國，是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）的簡稱，后來又增加了藝術（Arts），是STEM教育的發展與完善。STEAM教育理念旨在以數學、技術、工程、藝術為基礎，使學生掌握科學與技術知識。STEAM教育是以真實情境為基礎，以跨學科整合培養創新人才的一種教育模式，是一種偏工科思維的學習系統，它以實際問題為導向，培養學生STEAM素養。與傳統的教學模式相比較，STEAM教育有明顯的實用性，而新工科提出的多學科交叉融合的創新工程人才培養模式，也與STEAM教育理念以培養工程思維為出發點，以項目為基礎、多學科融合的教育模式不謀而合。STEAM創新人才培養模式教學實踐是面向未來的發展趨勢。

3.1 STEAM課程整合的特征

STEAM教育與傳統的分科教學不同，它的基本特征就是進行跨學科整合，它將相關的課程進行有機交叉融合，相互協調作用，通過在眾多的不同學科之間建立新的橋梁，將孤立的、分散的跨學科知識通過項目式學習形式進行交叉融合，形成完整的知識體系，并將其應用于實際的問題解決之中，使學生能夠從完整、系統的視角去認識世界，認識社會。

3.2 以問題為導向的項目式學習

以問題為導向的項目式學習是一種新的教學方法，使用創新的方法和方案，通過學生的自主調研、探究，解決復雜問題。項目式學習是STEAM教學中連接各個學科的紐帶，基于項目的STEAM課程旨在以動手操作的方式讓學生發現、分析、設計、合作、創造并解決問題，培養其批判思維和問題解決能力[3]。

課程要建立基于項目的以問題為導向的學習方式。一般的工程問題都包含其他技術、科學和數學方面的問題，可以分為單一主題課程整合與創新、單元組合主題課程整合與創新、多學科課程整合與創新、完全跨學科課程的整合與創新。所使用的項目應該滿足兩點要求：一是要有實景，項目來源可以是教師自己的科研項目，也可以是企業前沿的項目或案例，也可以增設多課程實驗，每一個項目都是真實的實景，都需要跨學科知識才能解決；另一個是大型。大型項目并不是某個小項目比例的放大，而是在解決大型項目時會衍生出無數新的問題，只有知識的融合貫通才能解決問題。因此，符合實景與大型兩個特點的項目或問題一般都會涉及到工程的問題。以工程為核心的綜合實踐，正是新工科創新人才培養目標實現所需要的，如大數據下的私人訂制旅游規劃、人工智能、人臉識別考勤系統、智能醫療家庭管理等項目。在算法與程序設計部分典型的教學案例如微信運動步數排行，通過實例仿真實驗、任務描述，將算法學習整個過程貫穿其中，建立模型，使用基本排序算法、快速排序及歸并排序三種方法，進行不同數據規模下算法效率的比較分析。

4 基于STEAM理念的地方高校課程體系的整合

STEAM理念課程整合涉及教學理念、教學方式、學習評價等多個維度，是一種全新的教學觀念及思考方式，可以在課程設計、實驗實踐課程、選修課、畢業設計中進行整合。也要加強校企合作，深度產教融合，通過走訪企業開展校企合作，獲取企業一線前沿的實際項目或案例，選取內容通過STEAM理念開展項目式學習。

我校修訂后的計算機科學與技術專業課程體系考慮了計算機技術的發展，安排了相關計算機前沿的選修課程，同時設置了三個可供學生自由選擇的特色課程選修模塊，提供了2個綜合實踐類課程設計，增設了3門專業、學科交叉的課程，提供了多門研究型、創新創業課程和線上線下混合課程。

4.1 課程整合的要素

（1）在課程目標方面，要強調以工程教育為核心，支撐畢業要求為目標，加強學生學科知識間的聯系，提高學生的創新意識、創新能力；（2）在課程內容方面，以解決復雜工程問題為基礎，整合具有內在邏輯的多學科內容，各學科之間相互配合，圍繞某一中心課題的方式組織教學，實現從以教師講授為主的填鴨式教學模式，轉變為以學生為主，不再是教師講、學生聽，而是學生真實地參與到問題的解決中去，通過教師參與指導的翻轉課堂教學模式；（3）在課程價值方面，理解工程設計需要考慮多種方案，通過問題引導，學生組成方案小組，收集材料、制定方案，相互討論，團隊協作，不斷嘗試，最后展示成果，引發了學生的學習興趣和參與意識，學會用工程與設計的思維和方法解決復雜工程問題，培養學生的工程素養、實踐能力，提升學生的團隊協作能力、動手能力、創新能力。

4.2 對教師的要求

（1）需要教師具備較強的組織能力、協調能力、責任心，通過項目式教學方式，教師指導學生在教學過程中提升自身的綜合能力；（2）項目式教學方法除要求教師具有學科基礎理論知識要求外，教師還要具有一定的工程實踐能力，授課教師應具備較高的工程素養和綜合能力，能主動結合自己的科研項目，積極使用微課、慕課，能夠精心設計并實施項目式學習任務，能為大學生申報創新創業訓練項目提供支持；（3）教師要善于激發學生的創造能力和團隊協作精神，經常對項目式教學活動進行反思及持續改進，針對項目式教學活動中出現的問題及時進行改進，創建優秀教學內容，并能對教學效果進行科學合理的評價，從而為項目式教學模式的改革與探索提供理論依據和實踐經驗[9]。

4.3 教學流程設計

所有教學模式都是在一定教學理論指導下實現的，STEAM教育理念在當今“互聯網+”的大環境下，立足創新人才培養的目標，新工科的專業課程要融合經濟學、管理學、教育學、計算機科學與技術、人工智能等多學科，組織不同學院之間的教師進行交流，協同進行課程建設，從而提高學科融合的質量和效果，達到真正提高人才培養質量的目的。不同學科知識可以融合到一個實驗項目中，既有課程的真實性，又能體現趣味性使學生獲得樂趣。在課程設計環節，可以從橫向和縱向兩個維度考慮，進行相關課程融合和廣域課程融合。精心營造情景化的教學環境，良好的課堂氛圍能夠有效提高學生學習的主動性和積極性，設計多元化的教學情境，教師要打破傳固定化、流程化的思維模式，從如何組織教學、引導學生興趣入手，營造情景化的教學環境，依據教學內容，設計教學環節，好的情景可以很好地展現知識所處的背景，為學生提供一個想象空間。教師從學生已有的知識經驗出發，結合實際工程問題，設計項目式教學方案。在整個學習過程中，以學生為主導、教師指導為輔的方式，將學生分成幾個研究小組，學生在小組中相互交流、討論、探討，使用各種檢索工具進行材料收集，制定問題解決方案，進行設計，寫成總結報告，進行成果展示。詳細教學流程設計如下：

首先，教師積極制作微課、慕課等數字化資源，指導學生應用數字化資源進行課前預習，教師精心營造情景化的教學環境，提供創新設計情境資源，結合自己的科研課題或企業前沿工程項目給出需要完成的項目，在這個環節，學生進行材料收集，教師提出知識的重點難點，指導學生如何掌握項目，學生進行知識點銜接，培養學生的探索實踐能力；接著，課堂內，教師進行案例分析，講解知識點，由教師提供“支架”，通過項目式驅動引導學生在課堂教學過程中發現問題、思考問題，學生從不同視角探尋思路，教師針對學生提出的問題進行答疑解惑，提供同步引導，學生借助教師的幫助自主探索，此環節培養學生思考問題與解決問題的能力；然后，教師指導學生小組成員之間開展專題討論，分工協作，完善各小組的設計任務書及可行性分析，并確定設計方案，通過小組協作的方式解決問題，教師同步引導答疑解惑，合作學習促進學生創造性思維的發展，激發學生參與熱情，在問題解決過程中產生創意，并培養學生溝通與協作能力；最后，學生在教師的引導下對設計方案提煉升華，通過教學反思，優化教學方案，課程結束后，學生分享自己的成果，進行成果展示，報告要語言精練、邏輯清晰、設計計算分析過程要嚴謹準確，并相互交流心得和經驗，總結不足，經過全過程的項目驅動式的學習，學生的創新能力將會得到很大的提高。

5 結語

綜上所述，STEAM教育是在真實問題的情境中，以學科整合的方式培養學生多方面綜合素養的一種教育模式，STEAM教育拓寬了學生獲取知識的渠道，它更加重視學習的過程，是一種重實踐的超學科教學理念，意在培養學生具備各學科的基礎知識能力和綜合運用能力，以支撐未來科技的長遠發展，并為解決傳統工科專業課堂教學存在的教學效果不佳、教學模式僵化以及解決復雜工程問題能力不足等問題起到非常重要的作用。深入學習STEAM教學理念，不斷改革教學方法，將理論與實踐相結合，并以創新、協調、綠色、開放、共享為發展理念，加快新工科建設步伐。