郭 琪，趙可云

(曲阜師范大學(xué)傳媒學(xué)院，山東日照276826)

0 引言

培養(yǎng)創(chuàng)新人才和提升學(xué)生工程素養(yǎng)，需要從注重學(xué)生知識(shí)的掌握到關(guān)注學(xué)生能力提高的轉(zhuǎn)變，需要變革當(dāng)前教學(xué)模式，開(kāi)展跨學(xué)科教學(xué)以滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)未來(lái)創(chuàng)新人才的需求。STEM課程具有跨學(xué)科性和整合性的特點(diǎn)，創(chuàng)新STEM課程教學(xué)模式是培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維、多角度思考問(wèn)題和提升學(xué)生STEM素養(yǎng)的有效途徑，因此，針對(duì)STEM課程，提出了基于CDIO理念的STEM課程教學(xué)模式。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 STEM課程概述

STEM是整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的多學(xué)科知識(shí)交叉融合，具有整合性、實(shí)踐性和開(kāi)放性的特點(diǎn),旨在提升學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)整合的能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。STEM課程是在探究、設(shè)計(jì)和創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力、復(fù)合思維以及創(chuàng)新思維[1]，為學(xué)生創(chuàng)造開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境。Anne Jolly提出STEM課程的六大特征，即基于真實(shí)的問(wèn)題情境，以工程設(shè)計(jì)過(guò)程為導(dǎo)向，將學(xué)生的動(dòng)手探索與開(kāi)放式探究相融合，學(xué)生參與到團(tuán)隊(duì)工作中，應(yīng)用學(xué)生所學(xué)習(xí)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)，允許存在多個(gè)正確答案并將失敗再試作為學(xué)習(xí)的必要部分[2]。中小學(xué)多以校本課程的形式開(kāi)展STEM課程，雖然STEM課程尚未形成獨(dú)立的學(xué)科體系，但STEM課程打破學(xué)科之間的界線，實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)融合的作用不容忽視。

1.2 CDIO概述

CDIO是構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)、運(yùn)作(Operate)四個(gè)英文單詞的縮寫(xiě),其中構(gòu)思是根據(jù)學(xué)生掌握的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí),確定研究方向；設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)與規(guī)劃為核心,通過(guò)調(diào)研分析確定解決某一問(wèn)題的方案；實(shí)現(xiàn)是以產(chǎn)品制造為核心,通過(guò)優(yōu)化迭代進(jìn)行產(chǎn)品完善；運(yùn)作是學(xué)生了解產(chǎn)品應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié),并提供市場(chǎng)服務(wù)。是從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品運(yùn)行，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐學(xué)習(xí)工程。CDIO通過(guò)系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)工作和交流能力等，培養(yǎng)在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行的能力等綜合素質(zhì)[3]。從系統(tǒng)宏觀的角度看，CDIO是以工程設(shè)計(jì)的導(dǎo)向，從需求分析到產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)以及過(guò)程性能力養(yǎng)成。實(shí)踐證明，CDIO工程教育模式是培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才的有效途徑，將其與STEM課程相結(jié)合，打開(kāi)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新方向，將人才培養(yǎng)聚焦到工程能力的范疇，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、提高學(xué)生的工程思維。

CDIO相關(guān)研究主要在工程領(lǐng)域研究和教育教學(xué)改革，把工程理念和STEM教育相結(jié)合滿足了社會(huì)對(duì)學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的訴求。工程教育要求學(xué)生把所學(xué)到的內(nèi)容應(yīng)用到教育實(shí)踐中，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)更深入的理解。CDIO是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的概括和融合[4]。在STEM教育中融合工程理念，將工程設(shè)計(jì)流程作為課程開(kāi)展的基礎(chǔ)，把工程實(shí)踐作為激發(fā)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)方面的學(xué)習(xí)動(dòng)力。CDIO以工程項(xiàng)目開(kāi)展為主線，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)工程實(shí)踐提高學(xué)生的綜合能力，這與STEM教育開(kāi)展的項(xiàng)目式教學(xué)理念相一致。同時(shí)，CDIO更加強(qiáng)調(diào)時(shí)間管理、合理安排、統(tǒng)籌規(guī)劃等方面，這對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)具有借鑒意義。

2 基于CDIO理念的STEM課程教學(xué)模式設(shè)計(jì)遵循的理念

從工程的視角構(gòu)建STEM課程教學(xué)模式，STEM課程教學(xué)模式將工程理念整合到STEM課程中，通過(guò)實(shí)施STEM課程能使學(xué)生在學(xué)習(xí)技術(shù)的同時(shí)習(xí)得工程思維。重視STEM課程的系統(tǒng)性、規(guī)范性、整體性，通過(guò)科學(xué)地教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施STEM課程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，使學(xué)生協(xié)調(diào)各方面因素，創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題，將頭腦中繪制的“藍(lán)圖”轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。

2.1 以工程設(shè)計(jì)為主線

陳國(guó)松認(rèn)為工程是以預(yù)想的目標(biāo)為依據(jù)，在特定的空間、時(shí)間、情境及資源條件的約束下，運(yùn)用相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、人文等多學(xué)科知識(shí)和手段，依據(jù)工程設(shè)計(jì)流程有目的、有組織地設(shè)計(jì)和制造某一器物的實(shí)踐活動(dòng)[5]。工程是從客戶(hù)需求出發(fā)，在有限條件下綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，進(jìn)行造物的實(shí)踐，而工程設(shè)計(jì)包括分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決問(wèn)題方案以及用建模方法和分析工具對(duì)解決方案優(yōu)化。與其它課程相比，STEM課程的學(xué)習(xí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)性、創(chuàng)造性和反復(fù)性的過(guò)程，工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生順利完成某一活動(dòng)的過(guò)程，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程與方法，促進(jìn)學(xué)生的“做中學(xué)”。

2.2 以知識(shí)跨學(xué)科性為核心

傳統(tǒng)的分科教學(xué)打破了原有知識(shí)之間的聯(lián)系，不同學(xué)科的孤立存在使學(xué)生無(wú)法從多角度理解某一問(wèn)題，不利于學(xué)生發(fā)散思維的形成，使學(xué)生缺乏多角度思考問(wèn)題的意識(shí)。STEM課程最主要的特征是跨學(xué)科性，STEM課程通過(guò)建立科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科之間的聯(lián)系為學(xué)生提供一個(gè)綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的真實(shí)情景，學(xué)生能夠把各學(xué)科知識(shí)變成相互聯(lián)系的整體，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、解決問(wèn)題和合作的能力。

2.3 以?xún)?yōu)化迭代為方式

迭代是重復(fù)和不斷反饋過(guò)程的活動(dòng)，其目的最終是盡可能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)或結(jié)果，如圖1所示。其中每一次對(duì)過(guò)程的循環(huán)稱(chēng)之為“迭代”，而且每一次迭代得到的結(jié)果作為下一次迭代的初始值。迭代是STEM課程教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，在STEM課程的迭代過(guò)程中，基于已有的經(jīng)驗(yàn)或理論設(shè)計(jì)出初級(jí)模型，模型經(jīng)過(guò)作品展示、討論交流、評(píng)價(jià)反饋、修改完善環(huán)節(jié)，然后將完善后的模型實(shí)際運(yùn)用到真實(shí)的情境中，從而檢驗(yàn)新模型，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題和缺陷，并根據(jù)存在的問(wèn)題引導(dǎo)下一輪的優(yōu)化迭代，從而創(chuàng)造出符合標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

圖1 迭代流程

2.4 以多元評(píng)價(jià)為指標(biāo)

基于CDIO理念的STEM課程教學(xué)模式是一個(gè)涵蓋了工程教育理念、動(dòng)手操作、作品制作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、職責(zé)分工等因素在內(nèi)的系統(tǒng)綜合實(shí)踐模式，STEM課程教學(xué)模式的實(shí)施是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要考慮師生的配合、學(xué)校提供所需的硬件設(shè)備和從構(gòu)思到實(shí)施評(píng)估系統(tǒng)的規(guī)范。相比傳統(tǒng)的學(xué)科課程，STEM課程更加關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)，所以STEM課程采取形成性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合并賦權(quán)，根據(jù)學(xué)生各方面表現(xiàn)全面綜合評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)情況。同時(shí)，評(píng)價(jià)量規(guī)是對(duì)STEM課程中綜合知識(shí)的系統(tǒng)梳理，制定的評(píng)價(jià)量規(guī)指標(biāo)需與STEM課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)相一致，依據(jù)學(xué)生達(dá)到的相關(guān)能力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，幫助學(xué)生自我診斷，針對(duì)不同的STEM項(xiàng)目，采用師生共同制定評(píng)價(jià)量規(guī)的方法，以滿足不同項(xiàng)目的實(shí)際需求。

3 基于CDIO理念的STEM課程教學(xué)模式實(shí)施流程

根據(jù)上述設(shè)計(jì)理念提出本研究的教學(xué)模式，本研究是在建構(gòu)主義理論的指導(dǎo)下，基于CDIO的工程理念、“做中學(xué)”以及美國(guó)的項(xiàng)目引路(PLTW)構(gòu)建了基于CDIO理念的STEM課程教學(xué)模式(如圖2所示)。該教學(xué)模式分為基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)階段、真實(shí)問(wèn)題情境、項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃、執(zhí)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目評(píng)價(jià)反饋、撰寫(xiě)項(xiàng)目報(bào)告六部分。該模式是以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、創(chuàng)新能力、多元跨學(xué)科思維為目標(biāo)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)師生角色，凸顯以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問(wèn)題，從而提高學(xué)生的綜合能力，為深入研究STEM課程教學(xué)模式提供借鑒。

圖2 基于CDIO理念的STEM課程教學(xué)模式

3.1 基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)階段

基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)階段主要使學(xué)生掌握STEM課程所需的基礎(chǔ)知識(shí)，包括工程設(shè)計(jì)的原理、工程流程、建模方法、基本工具使用等相關(guān)內(nèi)容。工程設(shè)計(jì)方面的知識(shí)是幫助學(xué)生從宏觀上把握STEM項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程和實(shí)施步驟，確保STEM項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的規(guī)范。學(xué)生了解項(xiàng)目的問(wèn)題情境和背景知識(shí)，掌握項(xiàng)目學(xué)習(xí)所涉及工具的使用方法，這是保證STEM項(xiàng)目順利進(jìn)行的前提條件。

3.2 真實(shí)問(wèn)題構(gòu)思

工程情境要保持真實(shí)性、復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。CDIO為學(xué)生提供一種學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和情境，使學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)和已有經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展與STEM課程相關(guān)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科間的整合性。STEM課程可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生打造仿真的問(wèn)題解決情境[6]，依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)能夠彌補(bǔ)二維空間無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情景體驗(yàn)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣?，F(xiàn)階段關(guān)注度比較高的是人工智能技術(shù)，將智能機(jī)器人應(yīng)用于STEM教育活動(dòng)中，將會(huì)促進(jìn)學(xué)生STEM學(xué)習(xí)中能力的提高。

3.3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃

項(xiàng)目設(shè)計(jì)是對(duì)項(xiàng)目的整體規(guī)劃和宏觀把控，需要落實(shí)到具體的細(xì)節(jié)。在制定解決方案時(shí)，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目目標(biāo)，進(jìn)行項(xiàng)目的詳細(xì)規(guī)劃包括小組分工、時(shí)間安排、搜集相關(guān)資料等，形成項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)的可行性方案。STEM項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)中造物需參照一定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)參數(shù)，方案設(shè)計(jì)充分考慮學(xué)校所提供的可供使用的材料、成本、項(xiàng)目時(shí)間進(jìn)度等因素以及需要滿足的技術(shù)參數(shù)，從而確定最佳可行方案。其次，細(xì)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)各組成部分的詳細(xì)參數(shù)。最后，測(cè)試和評(píng)估設(shè)計(jì)模型，建立模型的評(píng)估檔案并記錄測(cè)試結(jié)果。此外，STEM項(xiàng)目有明確的時(shí)間限制，小組成員要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成項(xiàng)目，這也是工程設(shè)計(jì)所要達(dá)到的基本要求。

3.4 執(zhí)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)

趙中建教授認(rèn)為STEM課堂的典型特點(diǎn)是在包含多學(xué)科的復(fù)雜情境中強(qiáng)調(diào)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力與問(wèn)題解決能力，學(xué)生通過(guò)小組合作解決教師提供的真實(shí)問(wèn)題，在學(xué)生小組協(xié)作中共同完成項(xiàng)目。通過(guò)使用技術(shù)搜索、數(shù)據(jù)分析，并設(shè)計(jì)、測(cè)試和改進(jìn)一個(gè)解決方案，然后與其同伴交流研究成果。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)形成的合理方案進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并對(duì)測(cè)試結(jié)果評(píng)估。在執(zhí)行項(xiàng)目的過(guò)程中，學(xué)生按照工程設(shè)計(jì)流程實(shí)施項(xiàng)目實(shí)踐，并進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)完善方案，最后習(xí)得工程設(shè)計(jì)流程。教師要密切關(guān)注、組織和指導(dǎo)小組活動(dòng)，關(guān)注項(xiàng)目進(jìn)展情況，可利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)師生之間的線上線下交流。

3.5 項(xiàng)目評(píng)價(jià)反饋

STEM課程提倡整合各學(xué)科的知識(shí)、技能，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐探究與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合?；贑DIO理念的STEM課程教學(xué)模式的，把課堂轉(zhuǎn)變?yōu)樽髌氛?，讓學(xué)生分享他們的學(xué)習(xí)成果。學(xué)生的能力是在不斷實(shí)踐的過(guò)程中形成，STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的形成性評(píng)價(jià)是幫助學(xué)生獲得應(yīng)用知識(shí)的方法，因此，STEM課程注重學(xué)生形成性評(píng)價(jià)。STEM課程教學(xué)評(píng)價(jià)聚焦在課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)自評(píng)、互評(píng)和師評(píng)逐步形成相應(yīng)的能力，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的形成的相關(guān)能力則以記錄、報(bào)告等形式進(jìn)行考核。

3.6 撰寫(xiě)項(xiàng)目報(bào)告

撰寫(xiě)項(xiàng)目報(bào)告是對(duì)整個(gè)項(xiàng)目反思的過(guò)程，也是對(duì)項(xiàng)目客觀評(píng)價(jià)的過(guò)程。撰寫(xiě)項(xiàng)目報(bào)告時(shí)，要堅(jiān)持實(shí)事求是的原則，既要全面總結(jié)項(xiàng)目實(shí)施的效果，又要客觀反映存在的問(wèn)題、項(xiàng)目完成情況、取得哪些主要成效；在開(kāi)展項(xiàng)目的過(guò)程中，采取了哪些做法和措施；項(xiàng)目完成后自己的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，思考每一環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題以及值得借鑒的地方，下一步工作的打算和建議。

4 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建的STEM課程教學(xué)模式融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，依托VR技術(shù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，以工程設(shè)計(jì)為主線綜合運(yùn)用各學(xué)科相關(guān)知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。該教學(xué)模式運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的理念，以迭代優(yōu)化為關(guān)鍵點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。在STEM課程中，教師根據(jù)真實(shí)的問(wèn)題情景構(gòu)思，結(jié)合理論知識(shí)進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐解決問(wèn)題，教學(xué)過(guò)程中促進(jìn)學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的理解，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。人工智能教育所要求的工程素養(yǎng)與STEM教育中學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)具有相似之處，因此，人工智能與STEM教育相融合將成為新的研究方向。