基于STEM理念的整合式教學探索

［摘 要］ 隨著現代化科技的發展，高等教育須注重對學生創新思維和科學素質的培養，其中STEM教育理念以其獨特的活力展現出潛在的價值。通過總結STEM教育的發展歷程，分析當前教育教學存在的問題，結合STEM教學的特點進行整合性的教學目標設計，具體體現在課程結構內容、教學方式方法、課程思政培養和成績評估體系方面，并以本科經典必修課程中“二階線性微分方程”為例，探討如何將STEM理念融入課堂，以實現提高教學效果，增強學生解決實際問題的能力、個人素質全面發展的整體目標，為我國綜合型人才培養提供參考價值。

［關鍵詞］ 教學設計；STEM教學理念；整合式教學

［基金項目］ 2020年度湖南省教育科學“十三五”規劃課題青年資助專項“基于教學一致性的在線課程教學設計模式與方法研究”（XJK20QGD004）

［作者簡介］ 李際超（1990—），男，山東濰坊人，博士，國防科技大學系統工程學院副教授，主要從事復雜系統與復雜網絡、國防采辦與體系工程管理研究；于海躍（1991—），男，河北唐山人，博士，國防科技大學系統工程學院講師，主要從事系統可靠性分析研究；孫建彬（1989—），男，黑龍江雞西人，博士，國防科技大學系統工程學院副教授，主要從事不確定決策分析、裝備試驗評估研究。

引言

隨著社會新理論新技術的進步與發展，高等教育不斷推陳出新。現如今，教育不僅要求培養學生的理論基礎和專業基礎能力，更要培育學生的創新能力、思辨能力、主動獲取知識的能力等高階思維品質［1］。同時，傳統的接受式教育已經不能良好地契合學生的學習需求及自主探索需求，單一的黑板課堂授課和筆記抄寫無法充分激發學生的學習熱情，嚴重消磨了學生的學習積極性。因此，高等教育正在積極探索更適應現代化教育的教學模式與方法，如項目式教學、案例教學、混合式教學、整合式教學等，以此提高教學的學習效果及學生的綜合素質。

許多全球化問題如氣候變化、資源管理、農業生產等，都須要用一種國際通用的方式來解決，而這種解決方式有賴于科技的進一步發展［2］。這就要求高校在培養人才時注重學生對知識的深層理解和創新應用，提升學生的科學素質、技術素養和實踐能力。STEM教育的開展能夠提高學生發現問題和解決問題的能力，培養創新思維能力，以整體培養、學科融合的方式更全面地提升學生的綜合素質，從頂層設計角度促進學習過程、人才培養、教育策略等方面的進步，從而顯著提高國民素質。因此，STEM教育能對整個國家的國民素質提高起到一定的推動作用。

STEM教育強調跨學科之間的聯系與融合，即將不同學科內容有機整合，注重行動導向教學和專業情景融合，使學生在理解學科知識的基礎上，將這些知識充分轉化成現實工具并綜合運用，在面臨真實情景時不只是依靠單一學科知識來解決問題，而是將各學科知識有機統一、相輔相成，真正讓理論知識聯系到日常生活中，服務社會、改造社會。

一、STEM教育發展

“STEM”是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數學（mathematics）四個學科的英文縮寫［3］。STEM教育就是綜合利用這四個方面的知識，系統地，全面地對實際問題進行認識和解決，從而培養學生的創新思維、綜合素質和實踐能力。該理念按照整合水平劃分為四個方面：分學科教育、多學科教育、跨學科教育和超學科教育［4］。相比于傳統的分學科教育和多學科教育，跨學科教育和超學科教育能夠更好地體現各學科之間的交叉和融合程度，所以也被稱為整合式STEM教育。通過整合式STEM教育，一門STEM課程教學結果可在其他至少一門STEM課程中有意識地體現出來，加強各學科間的聯系，提高學生依靠學科知識解決實際問題的能力［2］。

早在20世紀90年代，美國就已經開始關注STEM教育。1986年，美國國家科學委員會發布了名為《本科的科學、數學和工程教育》的報告，首次提到STEM教育，被公認為是STEM教育研究的開端［5］。在幾十年時間里，美國在此方面推行了大量的改革，提出了定量分析法和質性研究法的有機結合，例如因子分析、結構方程模型、數理統計法和教育敘事研究、行動研究、田野研究等研究方法。在此之上，建立了STEM教育評價模型，美國學界對STEM教育概念的認識從科學、技術、工程和數學學科內容的簡單疊加逐漸發展為以培養STEM素養為指向的概念集合［6］。

2015年，我國教育部辦公廳發布的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》首次提到，探索STEAM教育等新教育模式，著力提升學生的創新意識和創新能力。2017年6月，中國教育科學研究院在成立史坦默國際科學教育研究中心的基礎上，召開第一屆中國STEM教育發展大會，并發表了《中國STEM教育白皮書》，充分肯定了STEM教育在中國未來的發展前景，體現出國家對創新型人才的緊迫訴求，明確STEM教育必須納入國家戰略發展政策［7］。2018年的中興事件表明，中國核心技術被“卡脖子”的局面仍然嚴峻，這些核心技術不單單只是投出資金和時間能夠解決的，還需要一代代人的不懈奮斗，故發展STEM教育，培養學生的工科思維、科研素質與創新精神意義重大［8］。近年來，我國以5E教學模式為基礎，即引入、探究、解釋、豐富、評價，通過基于問題和基于項目兩種教學方法進行教學方案設計，塑造超越教材的對整個學科領域的深入認識。在此基礎上，發展出“STEM+”教育，即“STEMS”引進“藝術（art）”元素，加入“社會（society）”元素，旨在拓展人文素養［9］。

二、基于STEM理念的整合式教學

（一）現階段教學中存在的問題

針對大學生的基礎理論課程，著重培養學生的理工科基本素養，然而傳統的“填鴨式”教學易使學生感到疲憊和枯燥，嚴重打擊學生的積極性。并且，不少學生反映遺忘現象明顯，不能有效地利用所學知識。現階段教學問題具體體現在以下幾個方面。

1.教學方法單調。對于剛進入大學的大一學生而言，大量的概念定理不免感到乏味，一味地追求記筆記、刷題、考試并不能將所學內容與專業有效聯系，而當今時代遇到問題時大多面臨著未知環境，如何把課堂上所學知識真正應用到實際領域成為矛盾解決的關鍵所在。

2.課程思政教育不足。任何科目都不能拋開思政教育，然而一些理工科教學對學生的思政教育僅僅停留在表層，未能將人生觀、價值觀培育融入學科教學中，培養學生更加高尚的職業操守和責任意識，這也是導致知識與實際關系不夠緊密的原因之一。

3.學科間的交叉程度有待提高。數學是支撐著許多學術領域建設的基礎性學科，如果不能聯合其他領域的知識，其意義終將脫離實際。21世紀對新一代的知識素養提出了更高的要求，靈活性與適應能力須在教學成果中更充分地體現，綜合利用各學科的長處才是現時代解決問題的“最優解”。

（二）教學目標設計

根據STEM教育的跨學科特點，以及現階段教學中教學方法較簡單、課程內容融入程度不高、分科教學局限創新思維和考核方式單一的問題，確立有針對性的教學目標。

1.優化課程結構內容。從簡單的一維時間軸向二維平面展開教學，在此過程中要求教師系統性地把握全課程知識框架和學科價值問題，形成完整的教學思路設計方案，并貫穿課程始終。增加趣味性，提高課堂活躍度，教師可從語言用詞、情緒表達和板書設計等方面著手，使學生在學習的同時不失探索的樂趣。拓寬教學廣度和深度，教學不應該僅僅局限于教材的方寸天地，更應該開闊學生的國際視野，結合現代科技前沿，講解其中所蘊含的學科知識，最后歸于課程內容，深入淺出，在無形中提高了教學效果。

2.改進教學方式方法。采用線上+線下相結合的教學模式，利用雨課堂、騰訊會議及學堂在線等應用程序，結合課程和數字化培養要求，智能化、網絡化改進授課方式和聽課方式，減少課程學習中不必要的贅余。同時，提供個性化學習方案，通過小組集中學習研討，充分提高個人的課堂參與度和貢獻度，實現“問題—研究—結論—探索”的學習過程閉環。

3.體現課程思政理念。教育應在傳授知識的基礎上，培養學生的世界觀、人生觀和價值觀。注重學生人生追求的引導，將個人命運與國家未來視野相結合，跳出個人視野局限，樹立民族自豪感和民族自信心，激發愛國主義情懷與使命感，使學生的理想信念成為學習的根本動力。建立綜合成績評價體系，綜合平時成績+考核成績，多方面地綜合評價學生的學科素養。

（三）教學案例分析

本節基于STEM教學理念，以學生為主體，探索了整合式教學的新教學設計。以《常微分方程》章節中的“二階線性微分方程”教學為例，先帶領學生認識生活中常見的二階微分方程例子，如冰塊在水中的上下浮動、串聯電路和物體強迫振動等現象，引入二階線性微分方程的概念，即

根據概念聯合物理知識，可以結合彈簧振子的簡諧運動進行動力學方程分析。設振子的質量為m，系統彈性系數為k，在某時刻振子偏離平衡位置距離為r，由胡克定律，振子所受回復力F的大小為k·r，若振子受到大小和速度大小成反比，方向和速度方向相反的阻尼力F=cv（c＞0）。由牛頓第二定律得

即二階常系數齊次線性方程

若振子受到水平方向的外力：F=Hsin pt，得二階常系數非齊次線性方程：

上述各方程可歸為" " " " " " " " " " " " " " " " 。由此引入二階常系數線性微分方程的一般形式，并拓展到n階形式。根據特征方程：r2+2br+a2=0，按照特征根的不同分為三種情況，如表1所示。最后，結合對方程的分析，得出通解的形式。

以上案例體現的STEM教學體現如表2所示。

（四）教學總結評價

“二階線性微分方程”作為一堂常規的教學課，在講課過程中基本按照教學設計展開，教學實施較為順利，達到了預期效果。教學過程有以下幾個優點：一是實現了新課導入時經典案例的引用，通過彈簧的振子運動分析來激發學生的學習興趣，培養學生的工程思維意識。二是理論內容與實際情景相結合，將阻尼振動與方程形式相關聯，使抽象的理論知識通俗易懂，便于理解。同時，本堂課有一定的不足，如課程前后內容銜接不夠緊密，易使學科整體思維框架不能有效表現，影響后續教學。因此，須要在接下來的課程中強調知識點的相關性，以便總結。

結語

經過對教學實踐的探討，本課程的教學理念產生了良好的成效，并能夠應用在其他專業教學過程中。從學生反饋的學習成效看，STEM整合式教學理念能較好地促進學生對課程內容的吸收，培養學生的學習興趣，提高其學習能力和解決實際問題的技能，同時提升學生的科學技術素養及創新實踐能力。另外，課程思政育人促使學生全面發展和提升個人價值，為高等教育質量提升做出了貢獻。

參考文獻

［1］周光禮，武建鑫.什么是世界一流學科［J］.中國高教研究，2016（1）：65-73.

［2］托德R.凱利，J.杰夫·諾里斯，管光海，等.STEM整合教育的概念框架［J］.課程教學研究，2018（7）：4-10.

［3］STEM教育教師教學能力標準：T/KCH 006-2020［S］.知行科創（杭州）教育科技有限責任公司、杭州市科技合作促進會、中國杭州低碳科技館、上海奇摩洲創物聯網科技有限公司，2020.

［4］袁智強.交叉融合的STEM教育：背景、內涵與展望［J］.教育研究與評論（中學教育教學），2019（3）：32-37.

［5］杜文彬，劉登琿.美國整合式STEM教育的發展歷程與實施策略：與Carla Johnson教授的對話［J］.全球教育展望，2019（10）：3-12.

［6］趙書琪，于洪波.美國STEM教育研究30年：歷程、特點與啟示［J］.現代教育技術，2019（1）：5-10.

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［8］李芒，易長秋.STEM教育的困境與審思［J］.中國遠程教育，2022（9）：27-33.

［9］王彪.我國STEM教育的發展歷程、特點與展望［J］.電腦知識與技術，2022，18（8）：159-163.

Exploration of Integrated Teaching Based on STEM Philosophy

LI Ji-chao， YU Hai-yue， SUN Jian-bin， XIA Jing-yao

（College of Systems Engineering， National University of Defense Technology， Changsha，

Hunan 410073， China）

Abstract： With the development of modern technology， higher education should also focus on cultivating students’ innovative thinking and scientific literacy， among which the STEM educational philosophy exhibits potential value with its unique vitality. This article summarizes the development process of STEM education， and analyzes the existing problems in current education and teaching. Based on the teaching characteristics of STEM， the integrated teaching goal is designed， which is specifically reflected in the course structure and content， teaching methods， curriculum ideology and politics training， and performance evaluation system. Taking the “second-order linear differential equation” in the classic compulsory course of undergraduate courses as an example， it explores how to integrate STEM philosophy into the classroom， and achieve the overall goal of improving teaching effectiveness， enhancing students’ ability to solve practical problems， and comprehensively developing students’ personal qualities， providing reference value for the cultivation of comprehensive talents in China.

Key words： teaching design; STEM teaching philosophy; integrated teaching