STEM教育理念下應用型本科院校機械電子工程專業教學的設計與實踐

摘" 要：培養學生實際應用能力和創新思維能力，是STEM教育理念的思想核心。在教學改革中，如何兼顧職業性和創新性則是一個難題。機械設計項目作為STEM教育中的一種實踐教學方式，學生能夠在實踐中提升自身的實踐能力與創新能力。通過這種教育方式，可以實現讓學生在學中做、做中學的效果。文章首先介紹了將STEM教育理念引入應用型本科高校中的機械電子工程專業課程中的意義及課程特點，提出對機械電子工程相關課程的整體改革思路和實踐，最后以機械制造技術基礎課程為例，結合具體的課程內容制訂課程設計方案。

關鍵詞：STEM教育；課程改革；課程項目設計

中圖分類號：G434" "文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）05-0109-04

基金項目：黑龍江省教育廳教改課題“民辦高校STEM教學理念下的工科教學改革研究”（課題編號：SJGY20210759）。

作者簡介：苗青（1977—），男，學士，黑龍江工商學院信息與機電工程學院副教授，研究方向為應用力學；鄒玲玲（1984—），女，碩士，黑龍江工商學院信息與機電工程學院副教授，研究方向為計算機軟件與應用；張麗英（1982—），女，碩士，黑龍江工商學院信息與機電工程學院講師，研究方向為電力系統分析。

隨著我國提出“中國制造2025計劃”，制造業要向智能化、數字化、綜合化方向發展的目標，機械電子工程這一在機械制造、計算機科學與技術、電子工程等學科基礎上建立起來的跨學科專業，也要順應制造業的發展趨勢，培養符合行業發展所需的復合型人才。依靠傳統教學方式很難實現培養復合型人才的目標。將STEM教育模式引入機械電子工程的教學改革，轉變教師主導課堂的、理論灌輸的教學方式，正是實現這一目標的可行性方案。

一、STEM教育的意義及課程特點

（一）STEM教育的意義

STEM教育是一種注重實踐、跨學科的教育理念，是一種教育哲學。它將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四個領域的知識融合在一起，旨在培養學生的創新能力、問題解決能力和團隊合作以及探索能力［1］。STEM教育模式下的教育目標包含了科學素質、數學素質、技術素質和工程素質等方面。對于從事機械電子制造與維護的高校學生而言，STEM教育的目標就是培養學生分析問題、解決問題的基本能力，促進學生對科學技術、數學如何在工程中的合理應用產生更深層次的理解。STEM教育具有以下意義：

1. 提高學生工程素養

工程素養是解決工程實際工程問題的能力，主要內涵包括扎實的科學與技術基礎、豐富的工程實踐經驗、分析工程需求與解決工程問題的能力。通過STEM教育模式對現有教學方式改革后，學生將在大量的實踐項目中，學習完成項目所需的科學與技術知識，通過數學知識計算工程中需要達到的技術指標。在STEM教育理念中，學生除了需要學習進行設計和制造產品所必需的科學知識外，還需要掌握技術以及分析數據的技能。這些知識和技能既是滿足學生學業考核要求的保障，也是通過工程項目培養學生工程素養的基礎，更是他們成為一名合格工程師所必需的素質。

2. 著重體現高校的“高等性”

應用型高校的教育目的是培養大批的應用型人才，這正是高校的“職業性”。但高校還要體現出與職業學院培養的職業性人才的不同點，高校學生除掌握職業技能外，還需要有深厚的科學素養、豐富的工程經驗、扎實的數學功底等要素，具有自主學習的能力，以及終身學習的意愿，這是高校的“高等性”。應用型本科高校當前的教學活動很難同時滿足這兩個教學目標，過于強調理論則偏向學術型高校，過于強調動手能力而弱化理論知識則會偏向職業學院。STEM教育模式改變傳統的將科學、技術與工程割裂開的教學模式，改之以在完成工程實踐的過程中學習科學與技術知識。這樣的教學模式能在很好地滿足應用型本科高?！奥殬I性”的同時，又保證學校的“高等性”［2］。

（二）經STEM教育模式改革后的課程特點

1. 以項目驅動教學活動的進行

STEM教學理念的特點是在工程實踐中完成科學理論的學習，運用數學技能求解恰當的工程參數，通過技術手段完成工程設計，得到最后的作品。這個特點符合以完成項目作為教學目標，學生作為教學活動的主體，在教學活動中教師只是起到引導學生的作用。學生根據項目的具體情況，設計完成項目的技術路徑，并解決項目中的工程問題。一個恰當的工程設計項目能夠激發學生的學習興趣、戰勝困難的勝負心，使學生在學習過程中不僅收獲知識，還能收獲完成一個個階段目標的成就感。

2. 強調團隊合作

STEM教學理念下，學生要以小組協作的方式進行學習。小組協作很好地契合了項目驅動的教學方式，首先每個工程實踐都能用不同科學原理來實現，甚至同一種科學原理也可以從不同應用方向來解決同一個工程實踐中的問題。這就需要通過多人討論、比較等方式，篩選出更好的方案。

其次，無論何種教學活動，最終目標都是讓學生學習到知識。根據學習金字塔理論，學生把學習過的理論教授給別人過程中可以記住90%的內容，因此，學生要給其他同學講明白自己的理論［3］。

3. 以學生為教學活動主體

STEM教育中，教學活動是以學生的學習目標、學習內容、如何能學得更好、該在什么樣的環境下學習這些為條件而展開的，改變了過去以教師為主、以講授為主、學生一味盲從的教學模式。以學生為教學活動主體的教學模式有助于學生更好地學習。

二、核心課程整合優化的整體思路

核心課程是在滿足教育部對機械電子工程專業基本要求的基礎上，符合本校人才培養大綱的本專業所有學生都必須掌握的學習內容，是整個課程的核心。本著理論與實踐并舉，以應用、機械為主，電子為用，機械與電子相結合，對核心課程做出按課程類型的優化調整，建立包括機械設計制造類、機電一體化類、控制與計算科學類的課程體系，結合教學方法和學習評價體系改革，運用數字化教學技術，逐步提高教學水平，充分滿足學生對學習趣味性和個體充分發展的需求。

（一）機械制造與機械運動類課程

在引入工程項目時，充分考慮“工程力學”“機械設計基礎”“機械制造技術基礎”“機械制造基礎”這四門專業課的相互聯系與課程主要內容的區別，項目盡可能涵蓋這四門專業課的所有重要知識點。項目從機械設計出發，運用工程力學知識分析工件的剛度與強度，選擇機械制造技術完成機械設備的制造，使學生對所學的每門課程及課程的重點內容有清晰、直觀的定位與理解［4］。

（二）機電一體化及運動控制類課程

這一大類課程包含“機電一體化設計”“數控原理與維修”“機電傳動控制”“液壓與氣動技術”等主要課程，設計“機電一體化系統設計”項目，將“數控原理與維修”課程中設備使用方面的內容與“機電傳動控制”課程中控制器內容有機結合于超控運動器件的液壓部分驅動器件運動。盡最大可能把實驗課內容融入項目，增強學生綜合運用專業知識的能力。

（三）應用計算機技術類課程

為了培養滿足“中國制造2025計劃”所需要的技術人才，專業的課程設置應增加計算機技術類課程在核心課程中的比重。在原有的“C語言”“單片機原理與接口”的基礎上增加AutoCAD、MATLAB等課程，讓學生具有更強的機械設計、制圖、仿真能力［5］。

（四）強化實踐教學

機械電子工程是一個跨學科的工科專業，知識繁復、難度較大，實踐教學不僅有利于學生更好地掌握紛繁復雜的公式、理論與技術，還可以培養學生對工程設計的理解與動手能力，體現出實踐教學的相對優越性。在實踐課程中以學生為主，教師為輔的教學方式為主，將課題分析、方案確定、實驗驗證的全過程結合起來，邊設計、邊實驗、邊修改，密切動腦與動手之間的關系［2］。

三、STEM教育模式在機械設計基礎課程中的應用

與機械相關的所有工科專業都會開設機械設計基礎這門課程。課程的特點是知識點多、理論知識抽象深奧、結構圖與總裝圖多、需要良好的制圖功底、公式繁雜，是一門面向應用的學科。結合STEM教育理念下的課程特點，對難度大、抽象、知識點多的機械設計基礎課程應改變教學方法，以項目驅動式教學進行，項目整合相互關聯的多門學科，既滿足了該課程的教學目標，又讓學生理解了機械設計基礎與其他專業課的聯系及應用。

（一）以機械設計基礎為主體的工程項目

根據STEM教育模式下課程特點，用“項目驅動”改革教師講授式的“機械設計基礎”課程。將項目按設計思路進行分階段設計（子項目），將課程重要知識點與工程組件設計充分融合，使學生在完成項目的同時，學習專業課知識，從而在做中學，學中做。通過學生動手實踐過程，增強對知識和技能的理解。本課程所選機械設計項目如表1所示。

（二）項目實施步驟

1. 分組后的學生按組構成團隊

每4—5個學生為一組，以上學期成績和動手能力為主要的分組依據均勻分組。每個子項目設計完成后，各小組選出一個展示的作品，并分析哪個設計更合理，目的是培養學生團隊合作能力［6］。

2. 以學生為主體完成設計

教師先介紹每個子項目設計的可行性技術路線及所必需的科學知識，帶領學生熟悉教材和相關機械設計手冊部分、國家標準等資源，介紹設計準則，然后下達設計任務。學生利用各種資源，以小組為單位，邊學邊做完成子項目設計任務，并得出達到設計要求所必需的技術數據。設計過程中，教師只起到解答學生疑問和引導學習的作用，目的是鍛煉學生分析問題、解決問題以及提升自主學習的能力［7］。

3. 對重點內容、重點參數的確定開展研討

教師通過疑問和設問的方式，對設計中重要參數的選擇依據、選擇方法、選定參數會給設計帶來的好處或者危害提出問題。針對學生的回答結果，教師要及時進行點評，并給出形成性評價。其目的是加深學生對知識的理解、拓寬分析問題的視野、增強設計的責任感和敬畏心、提升學生的工程素質［8］。

4. 成果展示

項目設計完成后，各小組從以下方面進行設計展示：設計的整體思路、各子項目的選型依據、參數的選定依據、機械整體的剛度與強度、整體設計指標的達成情況等。各小組認真聽取其他小組的成果展示后，給出自己的設計與其他組項目的對比，并給出對比結果報告。還要給出除自己小組以外的其他小組設計的得分排序。通過結果展示學生可以相互印證拓寬設計思路，并對機械產品優劣形成自己的判斷［9］。

四、結語

總之，STEM教育理念在機械電子工程專業課程中的應用，需要引入恰當的設計項目，使專業教育兼具“職業性”與“高等性”，讓學生在完成項目設計的過程中潛移默化地提高自身的科學、技術、工程及數學素養［3］。通過一系列的項目實踐，學生不僅對專業知識的理解更加深入，同時也鍛煉了他們的批判性思維、團隊合作和溝通協調能力。這種沉浸式的學習方式能夠使學生在完成項目的過程中潛移默化地提高STEM素養，進一步強化對機械電子設備或機電一體化系統運作原理和方式的認知。STEM教育理念在機械電子工程專業課程中的應用，有助于培養出既具備深厚理論基礎，又具備高度實踐能力的專業人才。通過引入恰當的設計項目，專業教育能夠更好地滿足社會對復合型人才的需求，為學生的未來職業發展打下堅實的基礎。

參考文獻：

［1］ 余勝泉. STEM課程的跨學科整合模式與基本取向［J］. 今日教育，2017（10）：18-19.

［2］ 張萌雪. 基于STEM教育的課程設計研究［J］. 課程教育研究，2018（25）：8-11.

［3］ 秦瑾若，傅鋼善. 面向STEM教育的設計型學習研究：模式構建與案例分析［J］. 電化教育研究，2018，39（10）：83-89+103.

［4］ 高凱濤，高杰，賈嫚. STEM教育理念下技術與課程的融合探究［J］. 現代教育技術，2018，28（07）：106-112.

［5］ 楊博衍，顧衛. STEM教育策略與教學方案實施探究［J］. 中國教育信息化，2018（17）：26-27.

［6］ 李春玲，肖遠軍. 推進美國STEM教育改革的政府行動：緣由、目標與措施［J］. 全球教育展望，2018，47（07）：48-56.

［7］ 徐奕菊. 我國高校STEM教育研究狀況及發展趨勢綜述［J］. 文教資料，2018（16）：117-118+182.

［8］ 段瑤瑤. STEM教育理念融于應用型本科人才培養路徑探析［J］. 科教導刊：中旬刊，2018（05）：73-75.

［9］ 楊玉琴，倪娟. 工程設計：STEM課程整合的有效途徑［J］. 上海教育科研，2017（10）：45-49.

（責任編輯：淳潔）