基于STEM教育理念的PBL教學模式設計與實踐研究

[摘? ?要] STEM教育作為全球工程教育的新理念已成為學界關注的熱點。然而，如何實現STEM教育的本土化教學卻存在諸多的現實困惑。研究提出了一種基于STEM教育理念的PBL教學模式設計，即聚焦工程創新素養、工程人文素養、AI素養的人才培養目標設計;注重探究—實踐—交流的科學程序設計;依據循證實踐的多維多層評價設計;促進產學融合、專業與通識融合的環境保障設計。該模式在AI通識課程進行三輪教學實踐，研究表明，基于STEM教育理念的PBL教學模式能夠提高學生的學習投入度，提升學生的工程創新素養、工程人文素養、AI素養，增強學生的學習體驗和教學滿意度，并促進了產學研深度融合，可為高校一流本科教育教學改革和工程科技創新人才培養提供參考和借鑒。

[關鍵詞] STEM; PBL; 人工智能; 通識課程

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 葉荔輝（1980—），女，福建安溪人。教授，博士研究生，主要從事高等教育管理研究。E-mail：66926401@qq.com。

一、引? ?言

《中國工程教育質量報告》顯示，我國普通高校工科人數和規模已位居世界第一[1]。近年來，工程教育認證、新工科計劃、卓越工程師計劃、人工智能創新行動計劃等一系列高等工程教育質量提升計劃的有效實施，深刻推動了人們對工程人才培養目標、培養內涵和培養模式的再認識。STEM教育作為一種影響全球工程教育的新理念，逐漸成為國內學者研究的熱點。然而，如何實現STEM教育在高等教育中的本土化設計，國內研究聚焦理論探討較多，實證研究較少，導致理論在指導實踐過程中存在諸多困惑和盲點。鑒于此，本研究基于STEM教育理念的PBL教學模式，以高校AI通識課程為例進行教學實踐設計，并對教學效果進行實證分析，以探索工程創新人才培養新路徑。

二、STEM教育的核心理念

起源于美國的STEM教育，是一種以培養學生工程創新素養為目標，以學科整合為基本特征的理念運動。STEM教育培養學生在科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門“元學科”以及相關交叉領域中運用整合跨學科知識來解決現實世界問題的能力。美國國家研究委員會（NFC）指出，本科STEM教育改革的核心理念在于“跨學科整合”“循證教學”“主動學習”[2]。

第一，跨學科整合思維是STEM教育的重要前提。朱莉·湯普森·克萊因（Julie Thompson Klein）將STEM跨學科整合課程分為多學科、交叉學科、超學科三個層次。在實踐中，多學科課程表現為將不同學科進行簡單組合拼裝，學科融合度不高;交叉學科課程是將多門學科根據要解決問題目標進行知識選取整合和結構化重構，有利于培養學生的創新能力;超學科課程則強調超越學科視角，在批判反思的基礎上構建超學科文化，是STEM課程整合的終極目標[3]。可見，交叉學科和超學科課程真正打破了學科壁壘和界限，將科學、技術、工程和數學等學科整合為一個全新的學習體系。赫希巴奇（Herschbach）指出，最常用的STEM整合方式是打破學科之間的界限，通過活動或項目形成連貫的、有組織的課程結構，其中，如何在打破的學科之間取得平衡、建立新的課程結構對一線教師和政策制定者提出了新的挑戰[4]。應對這些挑戰需要教師對學生解決一個項目問題所需要的跨學科知識進行梳理和結構化整合，注意每個階段學科間知識關聯的系統性連接，并保持各塊知識的均衡覆蓋和重疊交叉[5]，幫助學生創造性解決問題。

第二，循證教學的評估實踐是STEM教育的重要保障。教育作為一種專業實踐，應該基于證據（Evidence-based）或者至少從證據中獲取信息（Evidence-informed），并將之應用于學生學習、教師教學以及教育政策制定[6]。美國本科STEM教育質量評估指標制定委員會認為，學生STEM能力的養成必須依靠循證的STEM教育實踐（即循證教育實踐，EBEP）[7]。因而，國家本科STEM教育評估包含了對學生學習體驗的教學活動監測、對學習機會和環境的教學環境監測兩個方面。微觀層面的STEM課程設計方面，國內學者余勝泉認為，要注重STEM課堂問題或項目中所包含的學科知識的內在聯系，要關注學生在解決問題和完成任務過程中的認知活動，要強調對學習過程中一切證據的收集和利用，從而促進教學的評估診斷和學生核心素養的提升[6]。這里包含三層循證：一是教學內容設計要基于“項目問題”的證據;二是教學方法選取要有利于學生探究推理的循證;三是教學評價方式要體現學習活動全過程的發展性評價。

第三，主動學習的有利環境是STEM教育的重要驅動。基于“跨學科整合”“循證教學”特點的STEM課程，體現了“以學生為中心”和“以實踐為中心”的理念，是以建構主義和認知科學為理論依據的教學實踐[8]，從而創造了學生的自主學習的有利環境。斯滕伯格（R. J. Sternberg）強調，個體的主動性在建構認知結構中起到關鍵作用[9]，維果斯基（Vygotsgy）強調了認知過程中學習者所處社會文化歷史背景的作用，提出了“最新發展區”理論[10]。STEM教育一方面為學習者提供了有利于激發認知好奇的現實情境;另一方面幫助學習者提供了為解決問題而積極建構跨學科知識的路徑方法，注重科學探究、工程實踐、交流強化的教學流程為學生探究、發現、協作提供了科學程序和群體動力，強化了個體主動找到自己的“最新發展區”的學習動機，從而獲得學習的意義，促進學習效果的轉化提升。

總之，跨學科整合思維、循證教學的評估實踐、基于建構主義和認知科學的主動學習是STEM教育理念的核心。而如何將這三項關鍵點通過教學活動的功能性設計，實現對學生創新素養等高階能力的提升轉化，其教學模式的選擇尤為重要。

三、基于STEM教育理念的PBL教學模式

教學模式不同于教學方法和策略，是達成不同教學目標或學習結果的學習環境系統[11]。一個完整的教學模式由教學目標、達成教學目標的程序、學習反應產生的原理、學習發生的社會支持系統等部分組成[12]。教學模式應突出基于更多證據的教學、與課程目標結合以及應用信息技術等特征[11]。PBL（Project based Learning）是一種以學生為主體的項目式學習的教學模式，解決的是如何學的問題，由1918年克伯屈（William Hurd Cobbler）提出的“設計教學法”演變而來，它倡導學生基于現實世界的探究活動尋找有意義的切入點，以小組方式進行較長周期的開放性探究活動，完成一系列設計、計劃、問題解決、決策、作品創建、成果交流等活動，最終達到知識建構和能力提升的一種教學模式[13]。內容、活動、情境和結果構成了PBL教學的四大要素[14]。PBL教學模式關注真實世界問題，蘊含了斯滕伯格（R. J. Sternberg）的建構主義學習理論、杜威（John Dewy）的實用主義教育理論和布魯納（Jerome Seymour Bruner）的發現學習理論教育思想，從學習本質和理論基礎來看，PBL承接了STEM教育的特點，成為培養學生跨學科素養最為重要的一種學習模式[15]，對提高學生SETM學科自主學習的自我效能感、創造力和適應性有顯著效果[16]。

基于STEM教育理念的PBL教學模式，即采用PBL的學習方法，充分利用STEM教育“跨學科整合”“循證教學”“主動學習”的優勢，使學生整合科學、技術、工程和數學等跨學科知識技能，開展科學探究、工程實踐、交流強化等學習活動，進而發展STEM素養、創新素養和人文素養等核心素養。它立足項目設計，通過跨學科知識的融合建構，引領學生探索問題求證方法，歸納答案創新認知，提升高階思維能力。同時，基于STEM教育理念的PBL教學模式，既是一個囊括了內容與目標、過程與方法的系統教學體系，又是一個動態的、發展的、可驗證的完整教學過程。跨學科探究和課堂內外聯動實踐展示出教學動態發展的無限可能;師生教學的緊密互動和不斷深入的問題探究演繹出教學協同創新的和諧發展;全過程學習成果的可視化和學生創新能力的可測性又揭示了循證教學的有效性。

從教學模式特征看，基于STEM教育理念的PBL教學模式具有探究性、實踐性、協同性、綜合性和循證性五大特征。探究性體現在問題解決過程中應用科學原理與方法進行探究;實踐性體現在教學與學習過程是一種跨學科的解決真實問題的實踐活動;協同性體現在教學過程是師生之間的協同、學習過程是生生之間的協作;綜合性體現在教學與學習過程是科學、工程、技術和數學等跨學科知識的綜合應用;循證性體現在整個過程以及評價方式是基于證據導向的科學設計。穆斯塔法（Mustafa）等對STEM整合課程研究的元分析表明，PBL是當前STEM整合課程開展數量最多的學習模式[17]。

四、基于STEM教育理念的PBL教學模式設計

（一）設計理念

基于STEM教育理念的PBL教學設計是一種以促進學生自主學習和能力提升為宗旨，強調學生“創新學”和教師“創新教”的教學模式。“創新學”是通過情境學習、問題學習與探究學習，促進學生在“增加課程投入”后實現高階思維能力的提升;“創新教”則是通過跨學科課程重構、產學融合、多維循證評價，鼓勵教師為“激發學習參與”而進行的教學行為改革，最終達成培養具備更高的創新創業能力和跨界整合能力的工程科技人才的目標。而“創新學”與“創新教”的有效實施依賴教與學課程生態的有效整合。

（二）設計路徑

本研究以AI通識課程“人工智能創新項目設計”為例，進一步闡述基于STEM教育理念的PBL教學模式的設計路徑。教學模式是一個環境系統，它包括教學原理、教學目標、教學內容、教學過程乃至教學組織共同構成的系統操作樣式[18]。如圖1所示，基于STEM的AI通識課程PBL教學模式是以跨學科整合、循證教學和主動學習為教學設計主線;以培養具有工程創新素養、工程人文素養和AI素養的工程創新人才為教學目標;以學生設計開發一個AI創新項目所開展的工程研究實踐為教學內容;以課程鋪墊、科學探究、工程實踐、交流強化四環節為教學過程;以多主體參與、多形式共存、教學相長的多維循證體系為教學評價;以促進產學融合、專業與通識融合的環境為教學保障的模式。

圖1? ?基于STEM教育理念的PBL教學模式設計路徑

1. 聚焦三大素養的人才培養目標設計

基于STEM教育理念的PBL教學著重培養學生的工程創新素養、工程人文素養和AI素養，通過清晰界定課程目標避免課程的形聚神散。其中，工程創新素養聚焦分析、評估、創造等高階思維能力的培養，突出工程通用素養向工程創新素養轉化;工程人文素養注重培育“領悟善、體驗自由、超越和批判性思維”的心智，提高學生學業適應性;AI素養包括“正確理解AI科學倫理觀、提升AI技術理解力、增強AI落地場景觀察力”三方面能力，幫助學生探索未來職業的可能性。

2. 注重探究—實踐—交流的科學程序設計

基于STEM教育理念的PBL教學以項目作為課程教學的載體，以設計作為課程教學的過程，以跨學科知識、技能的創造性應用作為課程教學的宗旨。以AI通識課程“人工智能創新項目設計”為例，教學內容涵蓋人工智能、產品原型設計、工業設計、創新創業等統一的知識版塊及不同項目涉及的交叉學科知識領域。教學程序設計包含課程鋪墊、科學探究、工程實踐和交流強化四個步驟：課程鋪墊主要做好課程目標、教學方法、項目組隊和團隊建設，營造良好的學習氛圍;科學探究是通過產業調研和實地走訪完成識別問題、協作探究和方案制定三個學習環節;工程實踐包含設計建造和測試改進兩個實踐流程;交流強化以學生創業項目路演、跨專業跨界師資團隊教學指導的方式，幫助學生結構化反思學習。以上四個步驟根植于真實世界，創設了探究學習、問題學習、合作學習的有利環境，有效激發學生自主學習的心理動能。

3. 依據循證實踐的多維多層評價設計

基于STEM教育理念的PBL教學模式，其循證實踐的特性決定了實施多主體參與、多形式共存、教學相長的多維評價體系。學生的學習成果有設計方案、實物裝置、視頻展示、軟件系統和研制報告以及路演匯報和回答問題情況，這些證據反映了項目實踐全過程，能夠有效監測教與學的實際效果。多主體參與指專家評價、同行評價和個體評價并行（專家包括行業專家、教務部門人員與教師團隊組成，同行指同班和同組同學，個體評價指學生自我評價）;多方式共存指形成性評價與終結性評價并舉（項目研究推進階段性匯報是形成性評價的依據，項目成果的質量、推廣成效都是終結性評價的內容）;教學相長指向師生共同發展的評價體系構建，通過建立對學生能力和課程滿意度的評估體系，為教師了解課程成效、改進目標提供資料，促進師生共同成長。

4. 促進產學融合、專業與通識融合的環境保障設計

基于STEM教育理念的PBL教學模式立足人才培養、科學研究和教育管理的實際需求，建立起教育與產業的對話機制：一方面，通過與行業協會企業等共同構建STEM教學實訓基地、學生創新項目設計平臺、開發課程項目池等形式使前沿的產業成果成為寶貴的教學資源，增加學生的工程實踐與技術體驗機會，提高學生創新項目設計能力;另一方面，結合“挑戰杯”“互聯網+”等競賽，通過校園內部資源與社會資源的創新整合，邀請行業投融資專家對課程成果進行創業落地、投資孵化，實現學校與社會協同育人，幫助學生建立學習世界與工作世界的同頻共振，構建產學融合、專業與通識融合的教學生態，為STEM教育的本土化實踐提供環境保障。

根據已有文獻及上述論證，本研究提出假設，基于STEM教育理念的PBL教學模式：（1）能夠顯著激發學生的課程投入;（2）能夠有效提升學生三大素養;（3）可以顯著改善課程滿意度。

五、基于STEM教育理念的PBL教學模式改革實踐

為驗證基于STEM教育理念的PBL教學模式的有效性，本研究以華僑大學通識選修課程“人工智能創新項目設計”為例，于2018年7—8月，2019年9—12月，2020年9—12月開展三輪教學實踐工作。共有15個專業的298名本校學生和10971名校外人士通過慕課選修了該課程。課程第一期采用線下方式授課，第二、三期改為“線上（慕課）+線下”混合教學模式，課程共32學時，將跨學科知識整合到MOOC教學中，線下教學則引導、輔助學生團隊進行真實工程項目設計實踐。任課教師團隊共4人，涉及多個學科專業領域，具有豐富的PBL模式教學經驗和創新創業工作經驗，課程還邀請多名行業企業專家和研究生助教參與教學工作。

（一）課程實施過程

“人工智能創新項目設計”課程以指導學生完成一個AI創新項目所需要的科學、技術、工程和數學跨學科知識的結構化重組為基礎，教學內容涵蓋人工智能、產品原型設計、工業設計、創新創業等統一的知識版塊及不同項目涉及的交叉學科知識領域。教學程序包含課程鋪墊、科學探究、工程實踐和交流強化四個步驟，通識課程的實施時間通常延續至第三學期，保證學生有充足的時間參與課程項目設計的全過程。

在課程鋪墊環節中，慕課線上授課2學時，講解人才培養目標、教學方法要求及相關教學資源;線下時間完成團隊組建、素質拓展，共計4學時，采用性格測試、產品經理自薦等方法快速組建團隊，開展戶外素質拓展以增強團隊凝聚力，使學生主動適應和配合教學模式改革。

在科學探究環節中，慕課3學時，線下調研實踐5學時，課后實踐包括學生進行行業走訪、產品調研、小組討論完成作業，約20學時。本環節分為三部分：一是識別問題，教師采用案例法慕課講授世界AI技術發展簡史、產業研究學習，線下組織學生體驗AI產品，拋出問題以引發學生思考;二是協作探究，教師線下組織學生走訪AI企業，了解AI項目及工程研發過程，讓學生在真實情景中探究自身學科與AI技術結合應用的未來方案，撰寫《人工智能產品體驗報告》，同時結合行業協會企業提供的項目池資源情況確定感興趣的選題;三是方案制定，教師講解工程項目開發流程，設定評測表指導團隊在協作探究的基礎上完成產品的概念化研發設計，并進行團隊調研分享匯報。此環節教師要保證對每個團隊進行至少1～2次的溝通輔導。

在工程實踐環節中，慕課4學時，線下設計實踐課8學時，課后產品視頻制作輔導2學時，教師項目輔導8學時，學生需要投入30學時以上課前課后學習。這一環節包括：（1）設計建造，首先由負責軟件開發的教師講解AI算法，指導小組討論開發、匯報算法流程圖，并做技術路線匯報;其次由負責產品原型設計的教師講解嵌入式系統設計流程，指導小組集成AI產品，并編制評測表對產品進行系統性對標評價，以完善方案。這部分包括了數學模型的分析建構以及AI產品嵌入集成的工程實踐過程。（2）測試改進，由負責工業設計的教師講授AI產品功能和工業設計規范，助教團隊課后輔導產品展示的視頻制作技術，小組開展系統設計和測試優化，并以產品原型交互設計匯報來完成階段性總結。

在交流強化環節中，慕課2學時，線下匯報2學時，課后AI產品創新創業孵化調研及實踐約10學時。這一環節，學生慕課學習教師講授的項目路演、產品創新創業孵化的相關知識，了解本項目進一步可持續發展的政策、資金、競賽等資源并開展產品創新創業孵化實踐，最后進行項目路演，接受由AI行業協會、AI投融資的專家或企業高管、教師組成的專家評審團的點評指導。根據建議改進項目，在團隊內分享學習收獲與反思。課程結束后，優秀項目選入“僑僑人工智能學生創新工作室”繼續培育孵化，結合學校資金扶持、競賽參與、科創保研、科創榮譽等激勵保障機制，促進教學成果的轉化提升。

團隊匯報分享共4次，分別是項目選題匯報、產品算法和技術路線匯報、產品原型和交互設計匯報（三項皆為過程性評價，占比40%，日常出勤占比10%）以及AI產品創新孵化項目路演（終結性評價占比50%）。評價主體包括了專家、同行和個體三類。課程結束后，選課學生參與了課程滿意度與能力發展自評以及學習小結深度訪談。

（二）教學驗證設計

1. 研究設計

為了更好地了解基于STEM教育理念的PBL教學模式的實施成效，本研究設計了應用效果評估問卷。問卷分為三個部分：除了基本信息外，第一部分是學習投入（課后投入時間與深度學習）評估;第二部分是能力發展（三大素養）評估;第三部分是滿意度（學習體驗和教學實施滿意度）評估。除了第一部分的學習投入評估中的“項目參與”選題外，問卷其他部分題目采用 Likert心理反應量表，根據問題情況進行5～7級賦分。

初稿問卷首先隨機邀請了52名選課學生進行問卷前期測試，并選擇10名學生進行測試訪談，對問卷的表述進行修正優化。其次進行Alpha信度系數法檢驗，60個條目克隆巴赫系數為0.987，各個分維度的Alpha信度系數也均超過0.93，說明問卷可靠性高，內部一致性高。同時，因子分析法檢驗顯示，各個分維度KMO值均>0.7，Bartlett球體檢驗均在0.01水平。分維度因子載荷均>0.6，方差累積貢獻率均>70%，問卷具有良好的效度，能夠較好地反映課程效果的全貌。

2. 數據采集與分析

2021年12月，教學團隊通過問卷星對近三輪參與選課的298名本校學生進行問卷調查，共有來自9個學院和12個專業的260名學生提交了問卷，占選課人數的87%。其中，男生192人（占74%），女生68人（占26%）。除了調查問卷外，課程還通過授課學生的課程小結及深度訪談15名學生，以此全面了解本課程實施的效果。研究假設驗證如下：

（1）學生學習投入度顯著增加。本研究從課后學習投入時間和深度學習兩個方面驗證學生課程參與的效率。全體學生都在課后參與了小組探究學習，有81.5%的學生參與了4～6次以上課后小組討論，其中，17%參與了高達9次以上的課后自發小組討論學習，如圖2所示。算法設計階段和產品成型設計階段，也就是科學探究和工程實踐兩個環節，是討論用時最多的階段，如圖3所示。68%的學生表示，課程結束后繼續完善孵化項目以及參加科創競賽、科研課題或社會實踐等活動，如圖4所示。

“跨學科學習”“自主學習”是基于STEM教育理念的PBL教學模式的主要特征，反映學生學習的深入程度。研究結果顯示，90.7%的學生認為，課程中自己“進行跨學科學習，將AI與自身專業相結合來解決問題”的頻數以及88%的學生認為，課程中“比較判斷、分析評估方案解決問題”“不拘泥現成做法，獨立思考創新解決問題”“反思吸取經驗”的頻數達“稍多”“經常”甚至“十分經常”;90.7%的學生認為，課程中自己較多、經常“帶著問題目標自主探究學習”;90%的學生經常“積極參與小組討論”“分享學習技能”“主動向老師請教”。“這種教學法很棒，老師為我們提供一個平臺和方向，所有的都讓我們自己去探索，毫無疑問，這樣的一種學習方式讓人記憶深刻，同時也讓人成長很快”（ZK，男）。可見，該教學模式有效增加了學生的學習投入，促進深度學習和探究學習。

（2）學生能力顯著提升。表1反映了學生課程前后對自身三大素養部分指標的評估狀況。工程創新素養方面，學生認為，“進步不錯”和“進步很大”的能力有：“創新意識、創新思維和創新實踐能力”“問題分析與解決能力”（均為87%以上）、“跨學科應用能力”“技術與使用工具能力”（均為83%以上）、“產品設計與開發能力”（78.8%以上）。工程人文素養方面，學生認為，“進步不錯”和“進步很大”的能力有：“社會責任感”“自我反思能力”（87%以上）、“調查與研究能力”“項目管理與溝通合作能力”“自主學習與終身學習能力”（83%以上）。來自土木學院的學生XMH描述了自己在跨學科能力和項目溝通管理能力方面的進步：“AI工程創新項目管理是我之前從未涉足的領域，我發現這門課程的價值比想象中的更高，在實踐中學習比單純的書本學習效率更高。”AI素養方面，96%的學生認為，課程“增加了自己對專業和AI現實應用領域的了解”，93.8%的學生“對AI項目感到有趣”。超過94%的學生認為，“更了解科技創新的實踐意義”，超過95%的學生認為，“課程使自己今后在面對學業困難時不會輕易放棄”。

（3）學生學習體驗、教學滿意度高。如圖5所示，學生對基于STEM教育理念的PBL教學模式的實施情況（教學情況、教師支持、小組合作、企業參訪、團建拓展、學習環境）滿意度高達95%以上。“課程提供給我們一個迅速成長的過程。我們學習AI項目以及其開發制作，最為難得的是這門課確確實實地讓我們在極短的時間內親自見證產品在自己手上的成長。雖然它并不是一個十分成熟的項目，但是它成長的每一步都由我們成員一起親手打造和打磨。所以說，盡管它不是一個優秀的作品，但是它是一個滿分的體驗”（LLY，男） 。“通過這次課程，我收獲了一批志同道合的朋友。行走在校園里我們都是一樣的平凡，但是遇見彼此卻讓我們發現自己也可以有所創新、有所創造。對于課程的體驗，整體來說回憶十分美好，但過程又是十分匆忙，終日處在討論—修改—討論的循環里”（XQM，女）。

六、結? ?語

本研究提出了一種基于STEM教育理念的PBL教學模式設計，即聚焦工程創新素養、工程人文素養、AI素養的人才培養目標設計;注重探究—實踐—交流的科學程序設計;依據循證實踐的多維多層評價設計;促進產學融合、專業與通識融合的環境保障設計。課程教學實踐表明，基于STEM教育理念的PBL教學模式在AI通識課程中的應用具有可行性和有效性，且該教學模式有助于提高學生的學習投入度，有助于提升學生的工程創新能力、工程人文素養和AI素養以及增強學生的學習體驗和教學滿意度，并促進了產學研深度融合，可為高校一流本科教育教學改革和工程科技創新人才培養提供參考和借鑒。

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