STEAM教育理念下跨學科融合案例分析*

原晨冉 馮小燕 趙明富 石放

摘? 要? STEAM教育倡導多學科融合，以學科融合的方式支持學生認識世界，符合學生雙重創新能力的培養目標[1]。對比不同跨學科模式，建立STEAM理念下的學科融合任務驅動模型，在此基礎上對基于STEAM理念的項目設計流程進行探討，對“華為杯”研究生數學建模競賽案例進行系統分析。研究發現，以項目解決為導向的跨學科融合競賽可以使學生增強學習動機，強化自我認同感，提升創新能力。

關鍵詞? STEAM教育；跨學科融合；競賽組隊；數學建模競賽；任務驅動模型

中圖分類號：G643? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）22-0097-05

0? 引言

隨著新一輪科技革命和產業轉型的加速，新的分支學科和新的增長點不斷出現，學科深度交叉融合勢在必行[2]。經濟社會發展對高層次、創新型、復合型、應用型人才的需求更加迫切。從20世紀50年代起，高校及研究所的組織機構擴大，研究人員增多，學科結構也在不斷細化。

21世紀以來，隨著學科的不斷細分和信息技術的快速發展，科研的重點和方向也越來越明確，但是傳統的層級結構造成無法跨越的學科鴻溝，無法進行更加高效的溝通協作，較為復雜的問題也必須通過多個學科結合才能解決。傳統的院系結構、專業設置、教學模式并不完全滿足當下社會的需要，因此，如何促進跨專業教育融合，進行管理模式和科研方式的變革，是全球高校都應該重視且有效解決的共同問題?？鐚W科融合專業的創立是當前高等教育中推動跨學科創新型人才培養的根本途徑[3]。

STEAM教育提倡多學科融合，支持學生用學科融合的方式認知世界，注重創新精神和實踐能力的培養，近年來引起教育界的廣泛關注。通過STEAM教育與傳統教育的結合，我國當前研究產生的STEAM教育案例可以指導學生跨學科能力和創新能力的培養。

與傳統教學相比，STEAM教育理念下跨學科教育整合的優勢在于，以共同任務為目標，以任務為主線，以教師為主導，以學生為主體，以任務驅動和探究式學習為手段進行教學或研究，進而解決實際問題[4]。

1? 理論探討

STEAM教育理念和跨學科融合具有提高學生“雙創”能力的共同目標，“雙創”比賽（如數學建模競賽）可以作為項目解決的案例進行分析，既有競賽性質，又會形成學術成果，培養學生的創新精神和高階思維。STEAM理念不斷更新，學科整合愈加流行，較為典型的兩種跨學科融合方式是校企結合和競賽組隊，其中競賽組隊的跨學科融合方式在高校中應用廣泛，效果顯著。

1.1? 跨學科融合方式

基于探究式的學科整合模式可以使學生均衡發展聽說讀寫的綜合能力，提高問題解決和與溝通交流能力。然而，目前因高校院系與學科的領域特定性，不同學科在進行交叉融合時存在壁壘。競賽組隊是學科融合的有效方式，可以使學生在具備當前專業科學知識的前提下吸收學習其他學科知識，提高高階思維能力與溝通交流能力。

1.2? 競賽組隊是跨學科融合的有效方式

競賽組隊（國家政策）是跨學科融合的典型方式?！半p創”大賽是在一個共同目標的指引下，在短時間內匯聚各學科人才，旨在提高學生的創新和合作能力。這些競賽的開展表明了時代對學生創新能力的重視。單一的學科知識顯然不能滿足多元化和創新的要求，不同學科人才的結合和互補是當今社會更深層次的需求與要求。

競賽組隊是一種多人組隊的方式，是以組成團隊要解決的任務為驅動的學科融合方式。在參與競賽過程中，團隊成員發揮所長、補充其短，在解決問題過程中實現不同學科知識的交叉融合。

2? STEAM理念下的學科融合模型

如圖1所示，基于任務驅動流程對STEAM理念下的學科融合模型進行設計，其中學科特點分工過程涉及不同學科的優勢和項目解決所需能力的要求，體現了跨學科合作交流過程?？傮w流程分為項目內容選擇、項目目標分解、明確分工、項目實施、項目整合修正、項目展示六個步驟。依據學科特點進行分工，根據項目類型可以分為資料搜集、工具使用、整體框架與信息整合、其他任務協調溝通四大類。

2.1? 項目內容選擇和目標分解階段

學生在創新能力提升過程中會有許多項目內容和題目可以選擇，“雙創”型競賽也會提供不同問題讓學生去解決。以數學建模競賽為例，有從A到E五種不同問題類型可供選擇。在該階段，學生需要從眾多項目類型中選擇想要研究的問題類型并進行項目目標的分解，幾個小目標可以由不同成員去完成，也可以一個目標由幾名成員共同完成。

2.2? 學科特點分工階段

此次案例分析的人員在2019年的數學建模競賽中年級梯度分布較為均勻，研究生一年級、二年級、三年級均有學生參加；而2020年比賽只有研究生二年級學生參加，且比2019年少五支參賽隊伍，這與疫情的暴發及學校封閉式管理不無關系。雖然年級梯度不理想，但基本上每個隊伍都是三個不同專業跨學科合作，仍然具有較為鮮明的跨學科特點。

每年競賽的熱點問題不一樣，隨著年份變化，所需能力也有一定傾斜。2019年競賽賽題偏重大數據搜索、分析、解決問題，而2020年則偏重數據挖掘、機器學習和學習分析等方法，相對上一年難度更大、算法種類更多，不變的是最后的模型建議與檢驗。數學學院的學生在比賽中負責數據分析與模型建立，信息工程學院的學生則負責論文整體思路以及代碼實現，而機電學院的學生對MATLAB軟件和SPSS軟件實踐能力較強。每個成員都有自己擅長的領域，并與組內其他隊員工作協調統一，最終實現方法和結果的最優化，在有效時間內完成任務。

2.3? 項目實施與修正階段

在項目內容選擇、目標分解和成員分工完成之后，進入項目實施階段。其中具體研究內容確定之后不會輕易變動，項目從目標分解到項目實施的整個過程中遇到阻礙，如時間不協調等情況，都可以及時進行修正。初步問題解決之后，對整個流程信息進行匯總整理，不斷完善步驟細節，直至得出團隊內部最初的成果。

2.4? 項目展示階段

團隊成員得到最初的成果后，教師會對成果進行檢驗并給出評價與不足之處，在有限時間內團隊成員繼續對項目成果進行修改直至最終提交。一段時間后，競賽組織方會對成果進行評價并劃分等級，如一等獎、二等獎、三等獎與優秀獎。團隊最終成果也可以根據個人興趣從不同角度進行分析，得出新的個人學術成果。在比賽過程中，每位成員都發揮應有的作用，都會有屬于自己的成就感，如完成一次良好的合作、在過程中獲得其他學科的知識、充分發揮自我才能等。

3? 華為杯研究生數學建模案例分析

競賽組隊是跨學科融合方式之一，STEAM理念下完成競賽過程可以作為項目案例進行分析。本文基于STEAM理念下的學科融合任務驅動模型，以2020年“華為杯”研究生數學建模競賽所給的A～E題中的B題“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”作為案例進行分析。

3.1? “降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”項目流程設計

基于STEAM理念下的學科融合任務驅動模型，以2020年比賽中B題“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”為分析對象，針對五個待解決的問題設計流程圖，如圖2所示。

此項目案例流程設計以STEAM理念下的學科融合任務驅動模型為指引，在中間流程涉及數據處理、篩選主要變量、建立并檢驗模型、方案優化和模型可視化展示等五個具體問題的解決方案。其中查閱文獻貫穿整個項目過程，充分體現了STEAM理念下的任務驅動法在跨學科融合中的應用。

3.2? “降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”項目案例分析

“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”是“雙創”比賽研究生數學建模中的一個題目，不同學科的學生在比賽規定的三天簡短的時間內對與生活相關的五個問題進行資料信息搜集和解答，從而在這個問題解決的過程中實現跨學科整合和高階思維能力的培養，這在傳統課堂上很難做到。

本研究將STEAM理念融入“雙創”比賽中的“華為杯”研究生數學建模競賽進行案例分析，以選擇B題的三類跨學科高校學生為研究對象，以項目式為研究方式、任務驅動法為理論基礎，項目的設計以上述STEAM理念下的學科融合任務驅動模型為指導，讓學生協作解決給出的五個問題，具體項目案例如表1所示。

“降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型”項目案例不同于傳統課堂教學，在學生了解題目的相關主題知識后，使學生發散思維，每位隊員充分發揮特長，利用自身相關學科優勢去搜集資料。在這個過程中，學生會發揮主觀能動性，篩選出必要的信息，在此基礎上思考并推進數據處理、變量篩選、模型建立以及模型可視化等項目的具體任務。融入STEAM理念，學生利用項目解決的方式開展團隊學習。在這個過程中，學生能充分體會跨學科整合的樂趣，能在問題解決的過程中更好地與人協作，提高思維能力，完成任務目標，增強創新能力。

4? 結論

本研究將STEAM理念融入“雙創”型競賽中，項目式教學與STEAM理念下學科融合任務驅動模型的目標都為提升學生的學習與創新能力。在項目實施過程中，除在課堂上機械反復地練習理論知識外，還與其他學科知識相結合，以提升學生對問題的分析和解決能力。

競賽組隊的跨學科融合方式可以增強學生的學習動機。通過本文的案例分析發現，與現實結合緊密的任務驅動比課堂上按部就班的課程學習更能激發學生的興趣和學習動機，激勵學生主動解決問題，培養創新思維，提升綜合能力。當把任務分成多層小目標時，每達成一個小目標就會增強學生的自我效能感，且短時間能結束的任務比周期長的更容易獲得滿足感。

參考文獻

[1] 蔡妍娜.STEAM教育理念下高職學生雙創能力培養研究[J].高等職業教育探索，2020，19（3）：33-38.

[2] 金波，楊鵬，王毅.“十四五”圖書館、情報與文獻學學科發展態勢與前瞻[J].圖書館雜志，2022，41（1）：4-16.

[3] 韓建秋，王超華.“跨學科融合”生態專業創新型人才培養模式的研究與實踐[J].教育現代化，2018，5（4）：33-34，39.

[4] 黃南海，王卿.基于項目任務驅動法的地方高校電子信息工程專業教學模式改革[J].現代交際，2017（21）：31.

[5] 于佳音，李新暉.基于4C/ID模型的STEAM學科融合項目設計與案例分析[J].現代信息科技，2019，3（11）：125-128.

*項目來源：教育部人文社會科學研究專項任務項目（工程科技人才培養研究）一般項目“人工智能人才培養新模式研究”（項目號：18JDGC017）；河南省哲學社會科學規劃項目“移動互聯網環境下大學生學習投入對學習收獲的影響及干預研究”（項目號：2019BJY009）；教育部產學合作協同育人項目“虛擬現實類課程教學體系構建與實踐創新”（項目號：202002080002）。

作者：原晨冉，河南科技學院信息工程學院，主要研究方向為教育信息化；馮小燕，河南科技學院信息工程學院，副教授，主要研究方向為數字化學習資源設計；趙明富，河南科技學院信息工程學院，教授，主要研究方向為教育信息化；石放，河南科技學院信息工程學院，主要研究方向為農業信息化（453000）。