國家職業教育平臺支持下的STEAM教育應用研究

【摘要】在教育數字化轉型背景下，如何借助國家職業教育平臺更好地促進STEAM教育應用是本研究關注的重點。本文對STEAM教育的關鍵環節進行解析，構建基于國家職業教育平臺支撐下的STEAM教育應用模式，并從學習活動設計、教學過程、實施效果等方面，對STEAM教育應用模式進行實踐探究，為一線高中教師提供相關參考。

【關鍵詞】國家職業教育平臺；STEAM教育；應用模式

【中圖分類號】G420【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2023）21—0090—04

STEAM教育作為技術創新的驅動力，能夠為創新型國家提供重要的智力支撐[1]。《中國教育現代化2035》提出要加大應用型、復合型、技術技能型人才培養的比重；不僅如此，黨的二十大首次將“推進教育數字化”寫入報告[2]。可以說，數字化轉型背景下，教育迎來了創新發展的機遇。目前，普通高中STEAM教育多以項目學習等開放性學習方式開展[3]，需要豐富的學習資源支撐，但我國STEAM教育課程資源相對比較匱乏[4]，因此，如何有效獲取和整合資源成為STEAM教育應用的關鍵。國家職業教育平臺作為國家教育數字化轉型的重要成果，教育工作者需要思考如何利用其規模化、開放化的數字資源，改善目前STEAM教育“關注科學與數學、不重視技術與工程學科”的現狀[5]。在此，筆者從STEAM教育的關鍵環節、國家職業教育平臺支撐STEAM教育開展的可行性、模式構建與案例教學實踐等方面進行研究，探索和總結普通高中STEAM教育相關經驗。

一、高中STAEM教育的關鍵環節

（一）STEAM教育需要豐富的學習資源支撐，注重學科聯結

目前，很多STEAM教育資源可以有效激發高中生的學習興趣，但沒有形成科學、完善的STEAM課程資源支撐體系，導致學生在STEAM課程中出現情境體驗不足、數字技術支持不夠、自我學習效能減弱等問題。加之學生面臨高考壓力，沒有大量時間進行深層次實踐與探究，無法建立學科知識聯結，難以培養學生解決問題的創新能力。可見，多學科知識與技能融合并通過解決問題，才能更好地創新學生思維，實現學科聯結。在STEAM課程中，如果教學資源不足，還容易出現學生作品創新點不足、資源與學生的能力需求和認知發展不匹配、教師搜集資源和主題設計花費大量時間卻效果不佳等問題。可見，充實的學科課程基礎知識是開展STEAM教育的必要條件。我國目前的課程體系建立在嚴格分科的基礎上，比較重視知識與技能習得，各類平臺的分學科備課資源較多，部分跨學科資源由于學校軟硬件基礎、學情不同，往往很難得到有效運用。

（二）STEM需要綜合性實驗環境，強調問題解決

北京師范大學教授余勝泉等人認為，STEAM最核心的本質是跨學科，通過將科學、技術、工程、藝術和數學等學科相互關聯，跨越學科界限，提高學生解決實際問題的能力[6]。STEAM教育強調學生利用跨學科思維解決現實問題，在課程實施中注重學生的觀察、推理能力以及收集、整理、分析、解決問題的相關表現。STEAM項目需要學生自主合作探究超出知識儲備的內容，從而發現和解決問題，而優質的STEAM課程資源可以幫助學生快速理解、多角度分析與思考項目，從而建構問題解決的知識體系。同時，還需要多學科融合的綜合性實驗環境，實驗技術不局限于計算機科學與技術，還應包含機械結構、能源工程、動力工程、生物工程等方面內容。

（三）STEAM教育強調學科融合，突出主題情境

STEM教育是多學科知識與技術的融合，使學生在現有學科知識與能力的基礎上，在問題解決的過程中學習新知識與技能。在通用技術、信息技術和綜合實踐課程中，涉及的STEAM主題及項目范圍有限，一旦知識脫離問題情境，則難以支撐STEAM教育[7]。STEAM課程特征鮮明，對科任教師的知識儲備、理論建構、動手能力和教學模式有一定的要求。普通高中專職從事STAEM教育的教師數量較少，一般由校內的物理、化學或者技術等學科教師兼任，跨學科教學的能力不強。

二、國家職業教育平臺支持下的STEAM教育應用模式設計

在STEAM教育應用方面，有研究者提出STEAM——工作坊學習應用模式[8]、基于統整實踐的STEAM學習模式[9]等，盡管研究者構建的立足點不同，但都體現出STEAM教育注重多元融合創新的特點，要求學習者主動學習，關注素養和能力發展。本研究根據STEAM教育的內涵特質和價值取向，基于項目式學習和體驗式學習理論，以“做中學”為建構途徑，提出國家職業教育平臺支撐下的STEAM教育應用模式，該應用模式以協同教學、主題教學為整合方式，以國家職業教育平臺的所有課程資源為支撐，注重教師的主導作用和學生的主體作用，從“教”與“學”相輔相成的角度，完成實踐探究、數據分析、方案設計、工程建模、制作開發等跨學科項目。

三、國家職業教育平臺支持下的STEAM教育教學案例設計與實施效果

本研究以國家職業教育平臺為支撐，開發“逆風小車”“智能輔助機器人”“未來校園”這三個STEAM課程主題校本課程，旨在通過平臺資源學習與體驗環節，提升學生的科學素養；通過資料搜集、數據分析、編寫程序及調試機器人等，提升學生的技術素養；通過構思設計、迭代優化等操作，鍛煉學生的工程設計與制作技能；通過設計構思、建模設計、模型制作等，培養學生對藝術與美的感知能力；通過收集數據、整理數據、模擬與計算等操作，提升學生的數學與技術應用能力。筆者在某省級示范性高中進行了一學期共計20個課時的實踐研究，實驗對象為35名高一學生，項目的實施由1名物理教師與1名技術教師組成，學生根據主題自主組成學習小組。逆風小車項目對應的STEAM知識有影響小車行駛的因素（S）、機械結構設計能力（T）、傳動與齒輪（E）、穩定結構（A）、阻力和摩擦力計算（M）。課程目標為探究逆風小車的原理；動手制作質量輕、速度快的逆風小車；增強問題意識和設計思維能力；以小組探究的方式，培養學生的協作意識和問題解決能力。所用到的國家職業教育平臺資源有《空氣動力學基礎與飛行原理》《結構力學》《結構設計原理》《力學與結構》等。智能輔助機器人項目對應的STEAM知識有傳感器原理及使用（S），材料加工、建模等（T），電機、摩擦力、避障（E），機器人整體設計（A），傳動比、笛卡爾坐標系應用、PID比例等（M）。課程目標為，了解常見智能機器人的控制原理、構造系統等相關知識；掌握機器人模型制作；對智能小車編程，實現如巡線、避障等功能；利用機器人輔助解決實際生活中的問題。所用到的國家職業教育平臺資源有《電機控制和轉速測量（智能小車設計與制作）》《電子組裝工藝》《高等數學》《Python程序設計》等。未來校園項目對應的STEAM知識有開源硬件的原理和使用（S），材料選擇與使用（T）模型的設計、制作、實現（E），排版和制作海報（A），利用調查軟件進行功能調查（M）。課程目標，為通過調查分析，了解未來校園的功能；按照設計圖完成功能模塊方案撰寫、繪制設計圖；掌握開源硬件的電子模塊并實現相關功能；培養利用開源硬件搭建校園設計原型的能力。所用到的國家職業教育平臺資源有《AutoCAD繪制建筑施工圖》《環境生態學》《藝術設計》《算法與數據結構》《環境工程技術》等。

（一）教學活動開展（以未來校園為例）

1.創設情境，明確問題。教師可以引導學生通過觀看視頻《人工智能帶給我們的改變》，激發學習興趣，增強情境體驗。在這個過程中，教師可以提出任務要求，增強學生的規范意識；通過提問，引導學生從不同應用群體和場景角度思考：人工智能、技術的發展會給校園生活帶來怎樣的改變？學生結合實際生活體驗，通過小組討論和查閱國家職業教育平臺的課程資源，進行資料分析與設計思考。

2.任務分解，調查研究。在此階段，教師圍繞相關創新進階活動，進一步明確任務需求。在教師的指導下，學生平均分成3至4人小組，各小組利用教師提供的課程資源，圍繞各組選定的主題，針對研究背景、研究目標、要解決的問題，結合研究思路和研究方法，羅列關鍵點。在這個過程中，教師可以為學生提供必要的引導，如小組在設計“自動測溫”這一功能時，教師可以引導學生考慮如何將控制板、傳感器、電源等開源硬件進行組合，實現自動測溫功能，可以提供模型設計原圖，讓學生修改，實現對模打印等。

3.設計制作，迭代改進。在此階段，教師可以給學生提供開源硬件和3D打印機、3D建模軟件、思維導圖軟件等，引導學生將想法快速呈現出來，鼓勵學生大膽創新、自由探索。學生按照設計模型，通過建模，完成任務攻關、硬件裝配、程序調試、診斷測試等，通過對比任務要求，不斷試錯、迭代改進。如有小組設計“自動垃圾桶”，項目完成后，還要對垃圾桶的自動開關、位置感測、語音提醒、容量提示等進行測試，不斷改進，設計最優產品。在這個過程中，教師有針對性地給予指引，實時觀察學生的操作，要求學生記錄工程筆記，用于評測學生的創新思維水平。

4.展示作品，交流評價。作品完成后，集中演示，驗證應用效果，傾聽反饋與建議。學生需要準備好演示文稿，介紹項目的設計方案、創新點、國家職業平臺資源使用情況等。而教師從STEAM設計視角出發，針對各小組的作品設計，提出改進建議，進行點評。之后，學生回顧項目活動的過程與感受，完成項目報告及評價量表。

5.遷移應用，總結提升。此次項目活動要求學生掌握智能設計的原理，促使學生科學思維、技術思維發展，在分析問題、收集資料、方案設計和問題解決的同時，重新整合知識，通過遷移運用，體現STEAM教育價值。

（二）應用效果分析

1.實踐效果分析。此次STEAM課程由2名教師協同教學，根據課程主題，輪流主講。課后經過了解，兩位教師均認為項目學習是STEAM課程教學的好形式，可以激發學生的學習興趣。主講“智能輔助機器人”主題的教師表示，項目難度較大，但學生完成得較好。借助國家職業教育平臺實訓中心的VR課程，學生可以身臨其境體會。有小組完成了利用手勢遙控機器人機械臂抓取物體的任務，學生的信息獲取、動手操作能力都得到了鍛煉。主講“未來校園”主題的教師認為，項目貼近學生實際，涉及結構設計、材料選擇、生態建設、智能設計等學科知識，學生通過學習教師提供的課程資源，實現了預設的學習目標。可見，課程學習中，盡管學生的水平有差距，有的學生從來沒有接觸過Arduino，但是學習能力很強，從最基礎的功能入手，按照任務單，通過自主探究、小組合作等方式，很快能掌握基礎知識；而有的學生有一定的知識基礎，可選擇的主題相對更復雜，實踐效果也較好。兩名教師均表示，各小組的方案水平和作品超出預期。

2.學生調查結果分析。通過現場訪談、問卷調查，采集學生基礎數據、過程數據和項目工程筆記，從跨學科思維、資源應用、技能掌握、問題解決能力和團隊合作等維度了解情況。調查結果表明，學生的跨學科思維有所提升，運用多學科知識解決問題的意識有所增強；學生對國家職業教育平臺的資源有了更深入的了解和運用，有95%的學生完成了學習任務；圍繞“是否愿意繼續參與STEAM課程學習”的問題，92%的學生希望繼續參與，并非常認可小組合作學習方式；圍繞“學習過程中印象最深的環節”這一問題，大部分學生表示是動手動腦解決問題的過程。可見，通過STEAM教學實踐活動，學生掌握了知識與技能，解決實際問題的能力與創新能力均有所提升。此外，通過師生交流和課堂觀察可知，學生對借助國家職業教育平臺資源參與STEAM項目表現出較高的興趣。在項目實施過程中，學生經歷了用計算機建模、用3D打印機打印模型、編程、測試等過程。

基于國家職業教育平臺開展STEAM教育，貼合當前我國STEAM教育的現狀，為教師融合多學科知識，開發與整合STEAM課程提供資源支持，有利于學生全面發展。未來，研究團隊將重點圍繞國家職業教育平臺的技術與工程課程，拓展學科實踐范圍，擴寬STEAM教學共同體，積極探索適合我國STEAM教育實施的有效方式。

參考文獻

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（本文系2021年度甘肅省“十四五”教育科學規劃STEM教改實驗專項資助課題“基于學習共同體的STEM教育校本教研機制研究——以西北師大附中為例”的研究成果，項目立項號：GS[2021]GH？ BZX101）

編輯：彭雪亮