結(jié)合項目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論課程教學(xué)研究與實踐

余遠昱　王久江　魏麗君　秦雨萍　徐晶

摘? 要： “新工科”建設(shè)對高校的工科專業(yè)人才培養(yǎng)模式提出了更高的要求。文章介紹了在物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)課程中，使用結(jié)合項目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論的研究與實踐。通過在課程中構(gòu)建STEAM學(xué)科與知識點，對前導(dǎo)課程之間的關(guān)聯(lián)進行知識整合，以及建立基于項目的自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方法和以完成項目任務(wù)為核心的評價體系等措施，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞： STEAM教育理論; 項目學(xué)習(xí)法; “新工科”; 物聯(lián)網(wǎng)工程

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）03-114-03

Abstract： The construction of "New Engineering" puts forward higher requirements for the training mode of engineering talents in colleges and universities. This article introduces the research and practice of using STEAM education theory combined with project-based learning method in teaching of the Internet of Things engineering professional courses. By constructing the STEAM disciplines and knowledge points in the courses， integrating the knowledge of the related between preceding courses， as well as establishing the project-based autonomous learning teaching method， and the evaluation system focusing on completing project task， students' comprehensive quality and innovation ability are improved.

Key words： STEAM education theory; project-based learning; "New Engineering"; Internet of Things engineering

0 引言

為了適應(yīng)當(dāng)今世界信息化發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級，推動高校工程教育的改革創(chuàng)新，2017年2月教育部發(fā)布了“新工科”建設(shè)規(guī)劃[1]。“新工科”突出了實用、學(xué)科交叉與綜合的特點，特別注重人工智能、電子信息、自動化控制、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的緊密結(jié)合，面向新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟的需求，培養(yǎng)具備較強工程實踐能力和創(chuàng)新能力的卓越工程人才[2-4]。因此，我國高等院校的工科教育正面臨著一場深刻的變革，不僅需要對現(xiàn)有工科專業(yè)培養(yǎng)方案改革，也要與時俱進地增設(shè)符合未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新專業(yè)。按照“新工科”建設(shè)目標(biāo)，許多高校已開展工科專業(yè)的教學(xué)改革。本文介紹了我校（內(nèi)江師范學(xué)院）在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)中引入結(jié)合項目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論進行教學(xué)改革的研究與實踐成果。

1 概念介紹

1.1 項目學(xué)習(xí)法（PBL）

項目學(xué)習(xí)法（Project-Based Learning， PBL）是在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下的以學(xué)習(xí)者為中心的一種教學(xué)模式[5]。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法不同，PBL教學(xué)模式強調(diào)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，而不是以教師講授為主。在教學(xué)過程中設(shè)計了貼近真實性的任務(wù)，在復(fù)雜問題的場景里設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)。由學(xué)習(xí)者通過主動學(xué)習(xí)及團隊成員間的相互協(xié)作來解決問題，學(xué)習(xí)隱藏在問題背后的科學(xué)知識，提高自主學(xué)習(xí)意識和解決問題的能力[6]。PBL通過項目分組來鼓勵學(xué)生的學(xué)習(xí)積極能動性，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、組織管理能力、工程實踐能力與創(chuàng)新能力。二十世紀九十年代，國內(nèi)的高等院校開始引入PBL到專業(yè)課程的教學(xué)中。

1.2 STEAM教育理論

1986年，在美國國家科學(xué)委員會發(fā)表的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報告中提出了一種由科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）多學(xué)科融合的綜合教育概念，也就是STEAM 教育。其目的是促進學(xué)科的融合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[7]。STEAM教育以創(chuàng)新的成果為導(dǎo)向，重視學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識進行融合和創(chuàng)新的能力培養(yǎng)。近年來，國內(nèi)越來越多的學(xué)者開始探究STEAM教育的本土化發(fā)展，涌現(xiàn)出紛繁多樣的教育實踐形式，本土研究也呈現(xiàn)出逐漸繁榮的態(tài)勢。2016年6月，中國教育部頒布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，明確提出要進一步加強信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）中的應(yīng)用，從國家的政策的層面上推進STEAM 教育理論本土化建設(shè)與發(fā)展。

1.3 PBL與STEAM教育理論的結(jié)合

PBL以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心，是一種以解決實際問題為目標(biāo)的教學(xué)方式，涵蓋了面對挑戰(zhàn)性問題如何開展研究、如何實踐探索、如何成果進行評價與改進等核心要素。在學(xué)習(xí)中，PBL要求學(xué)生有能力進行跨學(xué)科的思維整合，通過項目分組學(xué)習(xí)，將分散的多個學(xué)科問題融合，解決復(fù)雜的問題。而STEAM教育方法則是基于跨學(xué)科體驗、探究、實踐教學(xué)，強調(diào)整合的教學(xué)方式，包括了學(xué)科知識整合取向，生活經(jīng)驗整合取向，學(xué)習(xí)者中心整合取向這三個方面核心內(nèi)容。通過PBL教學(xué)，有利于實現(xiàn)這三方面的整合，因此在STEAM教育理論的研究與實踐中，引入PBL方法是十分有益的[8]。

2 結(jié)合PBL的STEAM課程教學(xué)研究實踐

2.1 課程簡介

結(jié)合我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學(xué)現(xiàn)狀，選擇“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程作為試點，開展結(jié)合項目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論課程教學(xué)改革研究與實踐。“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”是面向大三學(xué)生開設(shè)的選修課程，主要講授基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。課程由校方和企業(yè)合作共建，企業(yè)提供基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制芯片開發(fā)板，開發(fā)板上配備了CAN、RS232、RS485、I2C、SPI、ADC和DAC接口，通過接口連接不同外部設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)特定的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程包括芯片功能介紹，接口電路設(shè)計，傳感器、外設(shè)應(yīng)用，驅(qū)動程序設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。經(jīng)過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠根據(jù)特定場景需求，設(shè)計并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

2.2 實施框架

基于項目學(xué)習(xí)法的STEAM教育以跨學(xué)科的任務(wù)為驅(qū)動，圖1是“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程教學(xué)改革研究的實施框架。強調(diào)了五個學(xué)科的交叉融合，并以項目學(xué)習(xí)法的成果為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生理性思維，提升創(chuàng)新和問題解決能力。

2.3 STEAM教學(xué)方案

“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”是對高年級學(xué)生開設(shè)的綜合設(shè)計課程，內(nèi)容涉及物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多門前導(dǎo)課程。結(jié)合STEAM教學(xué)理論所涉及的五個學(xué)科，將知識點與對應(yīng)的前導(dǎo)課程的關(guān)系進行分類，如表1所示。

通過建立學(xué)科、知識點與前導(dǎo)課程的關(guān)聯(lián)，使得學(xué)生在“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程學(xué)習(xí)中也鞏固了之前所學(xué)的課程知識。五個學(xué)科的教學(xué)任務(wù)概述如下。

科學(xué)：指導(dǎo)學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中選用傳感器的科學(xué)原理，如光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等。引導(dǎo)學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計中使用科學(xué)方法選用傳感器，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

技術(shù)：指導(dǎo)學(xué)生使用高級程序設(shè)計語言（C語言）編寫物聯(lián)網(wǎng)芯片控制傳感器和外部設(shè)備的底層驅(qū)動程序，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的程序設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到實際方案中。

工程：指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項目要求，能夠進行基于物聯(lián)網(wǎng)芯片的嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、連線與系統(tǒng)調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和工程開發(fā)能力。

藝術(shù)：提高學(xué)生的審美能力，要求學(xué)生在實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的前提下，能夠從美觀、實用的角度出發(fā)，以圖紙的形式演示主板、傳感器和外部設(shè)備的外殼，激發(fā)學(xué)生藝術(shù)創(chuàng)作的靈感。

數(shù)學(xué)：指導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)學(xué)、算法分析等方法優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率。培養(yǎng)學(xué)生在工程項目開發(fā)中自覺運用數(shù)學(xué)邏輯思維的習(xí)慣。

STEAM教學(xué)理論要求在跨學(xué)科思維的基礎(chǔ)上開展對科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)能力、工程開發(fā)能力、藝術(shù)修養(yǎng)和數(shù)學(xué)思維能力的培養(yǎng)。課程教學(xué)的任務(wù)是學(xué)生能夠設(shè)計出面向工業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。結(jié)合課程培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)中更強調(diào)學(xué)科的交叉綜合，促進科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的相互融合，培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新能力的跨界工程人才。

2.4 項目學(xué)習(xí)法教學(xué)實施

PBL是一種以學(xué)習(xí)者為主的教學(xué)方法，賦予學(xué)生自主學(xué)習(xí)和教育的責(zé)任，培養(yǎng)其主動學(xué)習(xí)和解決問題的能力。一般是通過學(xué)生分組來激發(fā)其主動學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的自學(xué)能力。“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程中，在實驗教學(xué)中采取以下方案實施PBL教學(xué)法。

⑴ 建立以解決問題為目的的自主學(xué)習(xí)模式

學(xué)生是實驗教學(xué)的主體，不再以單純完成教師布置的實驗任務(wù)為目的。學(xué)生根據(jù)教師提出的項目指標(biāo)，發(fā)揮主觀能動性，主動提出問題、對問題做分析并給出問題的解決方案。實驗教學(xué)部分按照循序漸進的原則分為“基礎(chǔ)實驗”、“進階實驗”和“創(chuàng)新實驗”三個專題。“基礎(chǔ)實驗”是在芯片驗證的實驗基礎(chǔ)上，大幅度增加與企業(yè)的工程項目開發(fā)所需的操作內(nèi)容，使學(xué)生掌握芯片的開發(fā)平臺搭建、SDK編譯、下載調(diào)試、硬件驗證分析等方面的知識和技能。“進階實驗”則從典型物聯(lián)網(wǎng)控制的工程項目中提取出部分任務(wù)作為題目，學(xué)生通過硬件電路設(shè)計和高級程序語言編程解決工程問題。“創(chuàng)新實驗”的目標(biāo)是提高學(xué)生獨立解決實際工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立進行物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)能力。“創(chuàng)新實驗”可由學(xué)生自主選擇、或在教師指導(dǎo)下擬定題目。

實驗教學(xué)的組織安排，不墨守成規(guī)，而是給予學(xué)生一定的選擇空間。學(xué)生可以結(jié)合自己的興趣特長，以項目團隊形式共同完成實驗。

⑵ 建立以完成項目任務(wù)為核心的評價體系

“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程教學(xué)目標(biāo)是使得學(xué)生具備解決物聯(lián)網(wǎng)工程問題的能力。實驗由學(xué)生項目分組完成，并鼓勵學(xué)生自主選擇“創(chuàng)新實驗”的題目。因此不能以傳統(tǒng)的筆試方法評價考核學(xué)生。課程考核方法改為提交設(shè)計報告;做PPT并上臺講解演示;回答教師的提問。

與之相適應(yīng)，制訂了一套公平的課程考核評價體系，在考慮不同項目的實現(xiàn)難度和創(chuàng)新的前提下，對學(xué)生的個人學(xué)習(xí)能力進行評價。課程考核評價因素主要包括項目難度、創(chuàng)新性、項目完成度、團隊任務(wù)分工、任務(wù)解決能力、PPT講解、回答問題、報告規(guī)范性等多方面。以完成項目任務(wù)為核心的考核方式有利于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

2.5 教學(xué)效果評價

本學(xué)年對18級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的 “工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程進行教學(xué)改革。在面對實際工程問題時，學(xué)生能夠從科學(xué)原理、技術(shù)可行性、工程復(fù)雜性、算法優(yōu)化等角度進行分析，也能夠考慮到真實場景下產(chǎn)品的美觀與實用性并對設(shè)計方案加以完善。學(xué)生認識到在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中主動實現(xiàn)多學(xué)科相互融合的重要性。

在實驗項目分組教學(xué)中，學(xué)生能夠積極進行組內(nèi)或組間相互討論，團隊合作意識較強。大部分學(xué)生能夠根據(jù)課程的評價體系，完成課程的學(xué)習(xí)。學(xué)生遇到類似的工程問題不會發(fā)憷，學(xué)生分析問題、解決問題的能力得到了明顯地提升。

3 結(jié)束語

“新工科”建設(shè)給我國高等院校現(xiàn)有工科專業(yè)的人才培養(yǎng)模式帶來了新的挑戰(zhàn)，在工科課程教學(xué)中引入結(jié)合項目學(xué)習(xí)法的STEAM教育理論，不僅能夠提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，也有利于培養(yǎng)符合“新工科”要求的復(fù)合型創(chuàng)新人才。本文介紹了在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計”課程教學(xué)改革方面的研究和實踐經(jīng)驗，可為我校物聯(lián)網(wǎng)工程、智能科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)相關(guān)課程的STEAM教育改革提供借鑒。

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