郭 琪，趙可云

(曲阜師范大學傳媒學院，山東日照276826)

0 引言

培養(yǎng)創(chuàng)新人才和提升學生工程素養(yǎng)，需要從注重學生知識的掌握到關注學生能力提高的轉(zhuǎn)變，需要變革當前教學模式，開展跨學科教學以滿足社會發(fā)展對未來創(chuàng)新人才的需求。STEM課程具有跨學科性和整合性的特點，創(chuàng)新STEM課程教學模式是培養(yǎng)學生跨學科思維、多角度思考問題和提升學生STEM素養(yǎng)的有效途徑，因此，針對STEM課程，提出了基于CDIO理念的STEM課程教學模式。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 STEM課程概述

STEM是整合科學、技術、工程、數(shù)學的多學科知識交叉融合，具有整合性、實踐性和開放性的特點,旨在提升學生跨學科知識整合的能力、創(chuàng)新能力和實踐能力。STEM課程是在探究、設計和創(chuàng)造的學習過程中培養(yǎng)學生的問題解決能力、復合思維以及創(chuàng)新思維[1]，為學生創(chuàng)造開放的學習環(huán)境。Anne Jolly提出STEM課程的六大特征，即基于真實的問題情境，以工程設計過程為導向，將學生的動手探索與開放式探究相融合，學生參與到團隊工作中，應用學生所學習的科學、技術、工程和數(shù)學知識，允許存在多個正確答案并將失敗再試作為學習的必要部分[2]。中小學多以校本課程的形式開展STEM課程，雖然STEM課程尚未形成獨立的學科體系，但STEM課程打破學科之間的界線，實現(xiàn)學科知識融合的作用不容忽視。

1.2 CDIO概述

CDIO是構思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)、運作(Operate)四個英文單詞的縮寫,其中構思是根據(jù)學生掌握的相關專業(yè)知識,確定研究方向；設計是以產(chǎn)品設計與規(guī)劃為核心,通過調(diào)研分析確定解決某一問題的方案；實現(xiàn)是以產(chǎn)品制造為核心,通過優(yōu)化迭代進行產(chǎn)品完善；運作是學生了解產(chǎn)品應用的各個環(huán)節(jié),并提供市場服務。是從現(xiàn)實需求出發(fā)，進行產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品運行，讓學生通過動手實踐學習工程。CDIO通過系統(tǒng)的產(chǎn)品設計培養(yǎng)學生專業(yè)技術知識、個人能力、團隊工作和交流能力等，培養(yǎng)在企業(yè)和社會環(huán)境下對產(chǎn)品系統(tǒng)進行構思、設計、實施、運行的能力等綜合素質(zhì)[3]。從系統(tǒng)宏觀的角度看，CDIO是以工程設計的導向，從需求分析到產(chǎn)品運行過程中強調(diào)通過實踐培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)以及過程性能力養(yǎng)成。實踐證明，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課程相結合，打開創(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，鍛煉學生的動手實踐能力、提高學生的工程思維。

CDIO相關研究主要在工程領域研究和教育教學改革，把工程理念和STEM教育相結合滿足了社會對學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的訴求。工程教育要求學生把所學到的內(nèi)容應用到教育實踐中，加強學生對理論知識更深入的理解。CDIO是“做中學”和“基于項目的教育和學習”的概括和融合[4]。在STEM教育中融合工程理念，將工程設計流程作為課程開展的基礎，把工程實踐作為激發(fā)學生在科學、技術、工程和數(shù)學方面的學習動力。CDIO以工程項目開展為主線，引導學生通過工程實踐提高學生的綜合能力，這與STEM教育開展的項目式教學理念相一致。同時，CDIO更加強調(diào)時間管理、合理安排、統(tǒng)籌規(guī)劃等方面，這對學生綜合能力的培養(yǎng)具有借鑒意義。

2 基于CDIO理念的STEM課程教學模式設計遵循的理念

從工程的視角構建STEM課程教學模式，STEM課程教學模式將工程理念整合到STEM課程中，通過實施STEM課程能使學生在學習技術的同時習得工程思維。重視STEM課程的系統(tǒng)性、規(guī)范性、整體性，通過科學地教學設計和實施STEM課程來培養(yǎng)學生的工程思維，使學生協(xié)調(diào)各方面因素，創(chuàng)造性地解決實際問題，將頭腦中繪制的“藍圖”轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。

2.1 以工程設計為主線

陳國松認為工程是以預想的目標為依據(jù)，在特定的空間、時間、情境及資源條件的約束下，運用相關的科學、技術、人文等多學科知識和手段，依據(jù)工程設計流程有目的、有組織地設計和制造某一器物的實踐活動[5]。工程是從客戶需求出發(fā)，在有限條件下綜合運用多學科知識，進行造物的實踐，而工程設計包括分析問題、設計解決問題方案以及用建模方法和分析工具對解決方案優(yōu)化。與其它課程相比，STEM課程的學習是一個動態(tài)性、創(chuàng)造性和反復性的過程，工程設計重點強調(diào)學生順利完成某一活動的過程，側(cè)重于培養(yǎng)學生解決實際問題的過程與方法，促進學生的“做中學”。

2.2 以知識跨學科性為核心

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

2.3 以優(yōu)化迭代為方式

迭代是重復和不斷反饋過程的活動，其目的最終是盡可能達到預期目標或結果，如圖1所示。其中每一次對過程的循環(huán)稱之為“迭代”，而且每一次迭代得到的結果作為下一次迭代的初始值。迭代是STEM課程教學環(huán)節(jié)的重要組成部分，在STEM課程的迭代過程中，基于已有的經(jīng)驗或理論設計出初級模型，模型經(jīng)過作品展示、討論交流、評價反饋、修改完善環(huán)節(jié)，然后將完善后的模型實際運用到真實的情境中，從而檢驗新模型，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題和缺陷，并根據(jù)存在的問題引導下一輪的優(yōu)化迭代，從而創(chuàng)造出符合標準的項目設計。

圖1 迭代流程

2.4 以多元評價為指標

基于CDIO理念的STEM課程教學模式是一個涵蓋了工程教育理念、動手操作、作品制作、團隊協(xié)作、職責分工等因素在內(nèi)的系統(tǒng)綜合實踐模式，STEM課程教學模式的實施是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要考慮師生的配合、學校提供所需的硬件設備和從構思到實施評估系統(tǒng)的規(guī)范。相比傳統(tǒng)的學科課程，STEM課程更加關注學生在學習過程中的表現(xiàn)，所以STEM課程采取形成性評價和終結性評價相結合并賦權，根據(jù)學生各方面表現(xiàn)全面綜合評價學生學習情況。同時，評價量規(guī)是對STEM課程中綜合知識的系統(tǒng)梳理，制定的評價量規(guī)指標需與STEM課程的學習目標相一致，依據(jù)學生達到的相關能力標準進行劃分，幫助學生自我診斷，針對不同的STEM項目，采用師生共同制定評價量規(guī)的方法，以滿足不同項目的實際需求。

3 基于CDIO理念的STEM課程教學模式實施流程

根據(jù)上述設計理念提出本研究的教學模式，本研究是在建構主義理論的指導下，基于CDIO的工程理念、“做中學”以及美國的項目引路(PLTW)構建了基于CDIO理念的STEM課程教學模式(如圖2所示)。該教學模式分為基礎知識學習階段、真實問題情境、項目設計規(guī)劃、執(zhí)行項目設計、項目評價反饋、撰寫項目報告六部分。該模式是以培養(yǎng)學生的工程思維、創(chuàng)新能力、多元跨學科思維為目標，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)師生角色，凸顯以學生為中心的課堂教學，通過動手實踐和團隊協(xié)作解決問題，從而提高學生的綜合能力，為深入研究STEM課程教學模式提供借鑒。

圖2 基于CDIO理念的STEM課程教學模式

3.1 基礎知識學習階段

基礎知識學習階段主要使學生掌握STEM課程所需的基礎知識，包括工程設計的原理、工程流程、建模方法、基本工具使用等相關內(nèi)容。工程設計方面的知識是幫助學生從宏觀上把握STEM項目的設計流程和實施步驟，確保STEM項目實施過程的規(guī)范。學生了解項目的問題情境和背景知識，掌握項目學習所涉及工具的使用方法，這是保證STEM項目順利進行的前提條件。

3.2 真實問題構思

工程情境要保持真實性、復雜性和挑戰(zhàn)性。CDIO為學生提供一種學習經(jīng)驗和情境，使學生根據(jù)所學知識和已有經(jīng)驗開展與STEM課程相關的項目學習，實現(xiàn)各學科間的整合性。STEM課程可以借助虛擬現(xiàn)實技術為學生打造仿真的問題解決情境[6]，依托虛擬現(xiàn)實技術的STEM項目學習能夠彌補二維空間無法實現(xiàn)的情景體驗學習，激發(fā)學生學習興趣?，F(xiàn)階段關注度比較高的是人工智能技術，將智能機器人應用于STEM教育活動中，將會促進學生STEM學習中能力的提高。

3.3 項目設計規(guī)劃

項目設計是對項目的整體規(guī)劃和宏觀把控，需要落實到具體的細節(jié)。在制定解決方案時，根據(jù)評價標準和項目目標，進行項目的詳細規(guī)劃包括小組分工、時間安排、搜集相關資料等，形成項目規(guī)劃設計的可行性方案。STEM項目實踐活動中造物需參照一定的評判標準和技術參數(shù)，方案設計充分考慮學校所提供的可供使用的材料、成本、項目時間進度等因素以及需要滿足的技術參數(shù)，從而確定最佳可行方案。其次，細化項目設計方案的整體規(guī)劃設計和項目設計各組成部分的詳細參數(shù)。最后，測試和評估設計模型，建立模型的評估檔案并記錄測試結果。此外，STEM項目有明確的時間限制，小組成員要在規(guī)定時間內(nèi)完成項目，這也是工程設計所要達到的基本要求。

3.4 執(zhí)行項目設計

趙中建教授認為STEM課堂的典型特點是在包含多學科的復雜情境中強調(diào)學生的設計能力與問題解決能力，學生通過小組合作解決教師提供的真實問題，在學生小組協(xié)作中共同完成項目。通過使用技術搜索、數(shù)據(jù)分析，并設計、測試和改進一個解決方案，然后與其同伴交流研究成果。根據(jù)項目設計形成的合理方案進行數(shù)學建模，借助計算機進行數(shù)據(jù)分析處理，并對測試結果評估。在執(zhí)行項目的過程中，學生按照工程設計流程實施項目實踐，并進行迭代設計完善方案，最后習得工程設計流程。教師要密切關注、組織和指導小組活動，關注項目進展情況，可利用互聯(lián)網(wǎng)技術，加強師生之間的線上線下交流。

3.5 項目評價反饋

STEM課程提倡整合各學科的知識、技能，強調(diào)實踐探究與工程設計相結合?；贑DIO理念的STEM課程教學模式的，把課堂轉(zhuǎn)變?yōu)樽髌氛?，讓學生分享他們的學習成果。學生的能力是在不斷實踐的過程中形成，STEM項目學習的形成性評價是幫助學生獲得應用知識的方法，因此，STEM課程注重學生形成性評價。STEM課程教學評價聚焦在課堂教學過程中，學生通過自評、互評和師評逐步形成相應的能力，學生學習過程中的形成的相關能力則以記錄、報告等形式進行考核。

3.6 撰寫項目報告

撰寫項目報告是對整個項目反思的過程，也是對項目客觀評價的過程。撰寫項目報告時，要堅持實事求是的原則，既要全面總結項目實施的效果，又要客觀反映存在的問題、項目完成情況、取得哪些主要成效；在開展項目的過程中，采取了哪些做法和措施；項目完成后自己的經(jīng)驗和體會，思考每一環(huán)節(jié)存在的問題以及值得借鑒的地方，下一步工作的打算和建議。

4 結語

構建的STEM課程教學模式融合了科學、技術、工程、數(shù)學等學科知識，依托VR技術、人工智能等先進技術，以工程設計為主線綜合運用各學科相關知識解決現(xiàn)實問題。該教學模式運用工程設計的理念，以迭代優(yōu)化為關鍵點，培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)。在STEM課程中，教師根據(jù)真實的問題情景構思，結合理論知識進行項目實踐解決問題，教學過程中促進學生對工程設計的理解，進而培養(yǎng)學生的工程素養(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。