基于STEM的工科數學混合式教學設計與評價研究

摘"要：為提高工科數學教學效果，培養學生的創新思維和解決問題的能力，設計了一種基于STEM的工科數學混合式教學模式。文章重點總結了教學目標、教學要點和教學場景的相關內容，并對該教學模式進行了評價。研究結果表明，該模式顯著提高了學生的學習成績和滿意度，同時增強了學生的知識理解能力和邏輯思維能力。

關鍵詞：STEM；工科數學；混合式教學；邏輯思維能力

中圖分類號：O1-4""""""文獻標識碼：A"""""""文章編號：20959699（2024）03012406

黨的二十大報告提出，要加快建設高質量教育體系，建設國家戰略人才力量，努力培養卓越工程師，最終實現教育強國、科技強國和人才強國的目標[1]。這一目標為中國工程教育改革進入更深層次，提升工程教育學科建設，培養高層次工程教育人才指明了方向。

在全球信息技術革命的浪潮中，物聯網、云計算、大數據和人工智能等前沿科技正在以前所未有的速度滲透到經濟社會的各個角落，對各行各業產生深遠影響。工程科技的進步和創新已成為推動人類社會發展的重要引擎[2]。隨著新興產業和新經濟的迅速崛起，人才需求的格局發生了深刻變革。社會更加青睞具備工程實踐能力強、創新思維活躍，且具備國際視野的高素質復合型“新工科”人才。因此，培養學生的創新能力、思維能力和實踐能力已成為工程教育改革的重中之重。這不僅是為了滿足中國經濟轉型升級的迫切需求，更是為了適應新時代發展的必然要求。因此，教師必須采取切實有效的措施，加強對學生這些能力的培養，以期為中國經濟的持續健康發展提供有力的人才保障。

隨著教育領域的不斷發展，STEM教育作為培養創新型和復合型人才的新興路徑，逐漸受到學界的廣泛關注和重視。其教育理念不僅有利于學生的全面發展，更符合新時代背景下對人才素質的需求。然而，針對STEM教育在高等教育中如何進行本土化設計的研究尚顯不足。鑒于此，文章致力于探討基于STEM的混合式教學模式，緊密圍繞高校工科數學的實際教學需求，制定具體的教學實踐方案，并通過深入的實證分析，全面評估教學效果。文章期望通過這一研究，探索出一條培養工程科技創新人才的新路徑，為高校的教育教學創新改革提供借鑒。

1"基于STEM教育理念的工科數學混合式教學模式基礎理論

1.1"STEM理念

STEM理念通過跨學科、跨領域的整合方式，推進科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的融合，旨在培養學生解決實際問題的能力和綜合素養，是培養學生核心素養的主要創新教育模式[34]。

楊體榮等[5]以開放視野分析STEM教育發展的國際經驗，綜合考量政府政策文本、權威研究報告以及學術論文等資料，深入剖析了美國STEM教育改革的演進歷程、實踐路徑及其面臨的核心問題，以期通過研究全面揭示美國在該領域改革的整體特征及未來發展趨勢。胡源龍等［6］分別從本體論、認識論和價值論三個方面系統闡釋了STEM的內涵，總結了STEM教育在促進個體全面發展、增強國家綜合實力以及提升國家核心競爭力的價值，強調對STEM教育內涵的精準把握既是有效開展STEM教育的前提，也是實現教育現代化的必經路徑。張博[7]通過梳理國際STEM教育理念研究、教學變革研究及推進研究，提出了中國STEM教育發展應從強化STEM教育理論研究、開發STEM教學路徑以及健全STEM教育協同生態三個方面進行改進。武建鑫等［8］以“制作紅外測溫儀”為具體課程案例，運用STEM教育理念，遵循基于問題的學習（PBL）與STEM教育相結合的教學流程，初步構建了一套針對計算思維培養的課程教學模式。實踐結果表明，這種基于項目的STEM課程教學模式在培養學生的計算思維方面展現出顯著效果，為學生提供了富有成效的學習體驗。

1.2"基于STEM教育理念的混合式教學模式

伴隨新一代信息技術的快速發展，在“互聯網+”背景下，教育與信息化深度融合，傳統課堂教學模式已無法滿足數字時代學生的學習需求。項目式學習、跨學科學習和主題式學習等多元學習方式不斷創新涌現，尤其是在后疫情時代的疊加影響下，混合式教學已經成為學校課程實施的重要方式之一[9]。混合教學模式是在充分融合現代信息技術的基礎上，逐漸形成的一種“線上與線下相結合”的教學模式，突出“以學生為中心”的核心理念，致力于在提升教學質量的同時，全面促進學生的自主學習能力和綜合素質的培養[1011]。在混合教學模式中，線上教學通過重構教學內容，聚焦知識點推演、原理展示和應用示例，有助于不同層次學生的自主學習，培養學生的終身學習能力和使用現代工具的能力；線下教學則通過綜合運用案例教學、小組討論、啟發式教學和課后項目研討等教學方式，培養學生的高階思維能力和專業素養[12]。此外，已有研究證明，基于STEM教育理念開展的混合式教學對促進學生自主學習、培養科學精神與合作創新能力具有積極意義[13]。

綜上所述，從學習本質和理論基礎角度看，混合教學模式承接了STEM教育的核心理念，對培養學生綜合能力具有積極意義。筆者立足實證研究，旨在結合學者已有的理論研究，進一步深入探索并驗證相關理論的實踐應用。

2"基于STEM教育理念的工科數學混合式教學模式設計

基于STEM的工科數學教學設計立足學生本體，旨在培養學生的問題解決能力、跨學科整合能力、創新思維能力和實踐能力。在教學過程中，融合線上與線下教學的優勢，合理安排教學活動，以提高教學效果。

2.1"教學目標及要點

首先，明確STEM教育框架下的教學目標和教學要點，如表1所示。在科學框架下，教學目標是提高學生解決科學領域實際問題的能力，使學生能夠利用數學工具進行技術設計、開發和創新，強調數學原理在技術領域的應用。

2.2"教學場景設計

在STEM教育框架下，根據工科數學教學的理論基礎以及線上線下混合教學的特點，將整個教學模式分為課前、課中和課后三個階段，設計線上學習基礎、線下互動進階、線上線下拓展的混合教學課程場景，具體設計如圖1所示。

在課前，教師首先要明確教學目標，包括知識目標和能力目標，立足學生本體，有針對性地設計教學內容和方法。一方面，教師可以建立互動交流平臺，學生通過在線問答、小組討論等方式進行互動，激發學習興趣，提高學生參與度；另一方面，教師充分利用線上平臺資源，結合教學內容，篩選優質視頻、動畫和圖表等資源并推送到線上平臺，使教學內容更加生動、形象。互動環節的設計有助于教師及時了解學生的學習情況，為后續教學提供支持。學生在自主學習過程中遇到問題時，教師能夠及時提供在線答疑，并整理共性問題以備課堂講解。

在課中，課堂導入是至關重要的一環。教師在開始新的課程章節時，可以通過提出與工程實踐密切相關的問題來吸引學生的興趣。通過問題引導學生思考，幫助他們探索解決方案。例如，采用講解、演示和互動討論等方式，幫助學生深入理解數學概念和原理。還可以通過舉例和類比等方式，將抽象的數學知識融入實際問題情境中，以促進學生對其深入理解和實際應用的能力。教師還可以通過提問、回答和交流等互動方式開展討論，引導學生正確理解和分析問題，避免偏離主題或產生誤解。在教學過程中，及時收集學生的反饋意見和評價結果，以便對教學方法和內容進行相應的調整和改進。

在課后，設計具有層次性和針對性的作業與練習，以鞏固學生在課堂上學習的知識點。作業可以分為基礎題、提高題和挑戰題，以適應不同學生的學習需求。教師應及時批改作業，給予學生反饋和指導，幫助學生糾正錯誤，加深學生對知識點的理解。同時，利用在線資源與平臺，為學生提供豐富的課后學習資源。此外，教師還可以創新性地建立在線學習社區，鼓勵學生之間的交流與合作，共同提高學習效果。安排定期的復習與測試活動，幫助學生鞏固和復習所學數學知識，了解學生的學習情況。根據學生評價，及時調整教學策略，以確保教學質量。

3"基于STEM教育理念的工科數學混合式教學實踐與評價

3.1"課程實施

在2023年3月—9月期間，作者開展了教學實踐工作。高等數學課程的教學內容涵蓋微積分、線性代數和概率統計等知識板塊。教學過程分為課前準備、課中教學和課后鞏固三個步驟，具體授課設計如表2所示。

3.2"實驗設計

為了深入探究基于STEM的混合教學模式對學生學習成績的具體影響，作者開展了一項實證研究。在2023年春季學期，以240名學生作為研究樣本，公正地將他們分為兩個相同規模的小組：實驗組和對照組，每組各120名學生。實驗組的學生基于STEM的混合教學模式進行授課，對照組則沿用了傳統的面授教學模式。為確保研究的嚴謹性，兩組學生均由同一組經驗豐富的教師進行指導，并確保他們的學習進度和課程內容保持同步。在學期結束時，兩組學生都參加了相同的期末考試，試卷內容完全一致。

為了更全面地了解學生對基于STEM的混合教學模式的接受度和滿意度，研究者為實驗組設計了一套問卷調查。問卷內容涵蓋能力發展評估和滿意度評估兩個核心部分。采用Likert心理反應量表，并根據問題的不同性質，為每個選項賦予5至7級的分數權重，以便更精確地衡量學生的態度和感受。

3.3"效果評估

3.3.1"學生滿意度分析

在問卷的初步階段，研究者隨機抽取60名學生進行前期測試，并特別挑選12名學生進行深入訪談。通過這些活動，研究者針對問卷的措辭進行了細致的修正與優化，以確保其表達的準確性和清晰性。

采用Alpha信度系數法對問卷進行信度檢驗。結果顯示，各個分維度的Alpha信度系數均超過092，充分證明問卷的高可靠性以及內部一致性。此外，因子分析法檢驗結果顯示，各個分維度的KMO值均大于0.72，且Bartlett球體檢驗均在001水平上顯著。同時，分維度的因子載荷均超過061，方差累積貢獻率也均超過71%。這些數據均表明，問卷整體設計良好，能夠全面而準確地反映課程效果的實際狀況。

在2023年10月，教學組通過問卷星這一專業的在線調查平臺，對參與混合教學課程的120名學生進行問卷調查，旨在收集學生對課程效果的反饋意見，以便進一步改進教學方法和提升教學質量。問卷發放120份，回收114份，占參課人數的95%。其中，男生70人（占58%），女生50人（占42%）。

學生對基于STEM教育理念的混合教學模式的滿意度均在90%以上，如圖2所示。

92%的學生對新的教學情況表示認可。他們認為融合線上和線下的教學模式能夠顯著改善傳統課堂教學的局限性，學習過程也更具互動性。課程設計使他們的學習更有效率和效果。課前預習的滿意度93%，課堂教學的滿意度95%，課后鞏固的滿意度94%，學習體驗和學習收獲的滿意度分別為93%和92%。學生普遍認為，基于STEM的混合教學模式有效激發了他們的學習興趣。他們樂于利用線上平臺發布的學習資源，并認真完成相關任務。這種混合式學習方式不僅提升了他們的自主學習能力，還顯著提高了學習效率。

3.3.2"學生學習效果分析

通過2023年度春季學期采用基于STEM的混合教學模式，運用SPSS軟件對實驗組和對照組學生的考試成績進行了詳盡的統計分析。研究者設定P＜0.05作為判斷顯著性差異的閾值，以確保研究結果的統計學意義。同時，研究者還對兩組學生在知識理解程度和邏輯思維能力方面進行了對比分析。具體以考試試卷中的解答題（2小題，每小題10分，總分20分）和證明題（2小題，每小題10分，總分20分）的得分情況作為評估標準，以期全面、客觀地評估學生的學業表現。在0-5得分范圍內記為很差；在5-10得分范圍內記為較差；在10-20得分范圍內記為一般；在20-30得分范圍內記為較好；在30-40得分范圍內記為很好。

實驗組與對照組期末考試成績比較如圖3所示。結果表明，實驗組與對照組期末考試成績差異顯著（P＜0.5），實驗組學生在新的教學方法下，成績有了顯著的提升。具體來看，實驗組的平均成績為85.23分，而對照組的平均成績為72.36分，實驗組較對照組平均成績高出了12.87分。這一數據不僅體現了實驗組學生的學習水平有了明顯提升，也證明了教學方法改革的有效性和可行性。

此外，有關知識理解程度和邏輯思維能力的對比分析如圖4所示，研究者發現實驗組同學在知識理解程度和邏輯思維能力方面表現出色，普遍達到了較好的水平。相比之下，對照組同學在這些方面的表現則相對一般。這一對比結果充分說明了實驗組同學在學習和思維方面的優勢和潛力，表明實驗組學生經過基于STEM的混合教育模式的學習后，在知識理解程度上表現出明顯的優勢，他們不僅能夠深入理解和掌握所學知識，還能將知識運用到實際問題中。相比之下，對照組學生在知識掌握上可能還停留在表面，難以深入理解和應用。

4"結論與展望

4.1"結論

本研究圍繞基于STEM的工科數學混合式教學模式的設計、實施與評價展開。將基于STEM教育理念的混合教學模式應用于工科數學課程中，不僅展現出高度的可行性，還顯示出顯著的有效性。這種創新的教學方法在提升學生跨學科知識應用能力、問題分析與解決能力、創新思維能力以及實踐能力方面發揮了積極作用。

在STEM理念的線上線下融合教學模式下，學生的角色發生了顯著變化，他們不再是被動的知識接受者，而是積極的學習參與者。在這種教學模式中，演示、傾聽、提問、回答和討論等多個環節被巧妙地結合，甚至引入了辯論的元素，使學習過程更加富有挑戰性和趣味性。因此，學生對于這種新型課堂的體驗感到更加滿意。相關研究表明，基于STEM的混合式教學模式得到了學生的廣泛認可和高度評價。

4.2"展望

第一，完善教學資源庫：為了持續推動基于STEM的工科數學混合教學模式的發展，研究者應進一步完善教學資源庫，包括線上課程、教學視頻和案例庫等。這些資源不僅要具備深度，還應涵蓋廣度，以滿足不同學生的學習需求。

第二，構建跨學科的教學團隊：基于STEM的教學模式強調跨學科知識的融合，因此，組建一個由數學、科學、工程和技術等多個領域的教師組成的教學團隊顯得尤為重要。該團隊應共同設計課程、制定教學計劃，并協同承擔教學任務。通過跨學科的合作，教師能夠更好地整合知識，提高學生的綜合素質。

第三，加強產學研合作：基于STEM的教學模式強調知識與實踐的結合。通過產學研合作平臺，教師可以了解最新的技術發展和應用需求，將前沿科技成果引入教學中。同時，學生也可以通過實習和實踐等方式了解產業界的需求和挑戰，為未來的職業發展做好準備。

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責任編輯：周瑜

Research on Design and Evaluation of Blended Teaching Model inEngineering Mathematics Based on STEM

QIN Hui

（School of Mathematics and Big data， Anhui University of Science and Technology， Huainan，232001， China）

Abstract：In order to improve the teaching effectiveness of engineering mathematics， cultivate students' innovative thinking and problemsolving abilities， a blended teaching hybrid model based on STEM is designed for engineering mathematics. The paper focuses on summarizing the relevant content of teaching objectives， teaching points， and teaching scenarios， and an evaluation is also conducted. The results indicate that this model can significantly improve students' academic performance and satisfaction， as well as enhance their knowledge understanding and logical thinking ability.

Keywords： STEM; engineering mathematics; blended teaching; logical thinking ability