呂利昌 齊劍鵬 林梅穎 李凡希

［摘 ? ? ? ? ? 要］ ?STEAM教育引入我國以來，部分高校結(jié)合國內(nèi)實際進行了一定的理論探索，但STEAM教育實踐一直處于零星自發(fā)狀態(tài)。以深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院STEAM創(chuàng)新學(xué)習(xí)實驗室“雙高”建設(shè)項目為例，在分析現(xiàn)有實驗室存在的不足基礎(chǔ)上，開展基于STEAM教育理念的智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)實踐，以期為我國培養(yǎng)具備綜合職業(yè)素養(yǎng)的高層次技術(shù)技能型人才提供支持。

［關(guān) ? ?鍵 ? 詞］ ?STEAM；跨學(xué)科；創(chuàng)新學(xué)習(xí)；實驗室

［中圖分類號］ ?G717 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］ ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ［文章編號］ ?2096-0603（2023）18-0113-04

STEAM教育是一種基于科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的廣義跨學(xué)科融合教育理念。STEAM 教育發(fā)源于美國，經(jīng)歷了STS—STEM—STEAM 幾個發(fā)展階段[1]。由于我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展及由其產(chǎn)生的對科技創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型人才需求的變化，STEAM教育理念及方法在近幾年引入我國，并在中小學(xué)及幼兒園教育中得到較快發(fā)展。但由于引入時間尚短，在我國高校中STEAM教育仍以理論探索為主，真正實踐探索較為零散，尤其缺乏校級層面的系統(tǒng)性教學(xué)實踐。

教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出：“要依托信息技術(shù)營造信息化教學(xué)環(huán)境，促進教學(xué)理念、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容改革，推進信息技術(shù)在日常教學(xué)中的深入、廣泛應(yīng)用，適應(yīng)信息時代對培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需求。有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣，促進學(xué)生的全面發(fā)展，發(fā)揮信息化面向未來培養(yǎng)高素質(zhì)人才的支撐引領(lǐng)作用[2]?！?/p>

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院作為我國首批“雙高”高職院校，率先開始了系統(tǒng)性的STEAM教育實踐探索，已于2020～2022建設(shè)了三間STEAM創(chuàng)新學(xué)習(xí)實驗室（以下簡稱STEAM實驗室），并陸續(xù)投入使用。本文根據(jù)三年來的建設(shè)與實際運行情況，總結(jié)探討基于STEAM創(chuàng)新學(xué)習(xí)教育理念的實驗室環(huán)境建設(shè)優(yōu)化方案，并通過具體的STEAM實驗室實踐教學(xué)應(yīng)用與教學(xué)效果分析，為我國培養(yǎng)具備綜合職業(yè)素養(yǎng)的高層次技術(shù)型和技能型人才[3]提供技術(shù)支持。

一、現(xiàn)有實驗室存在的不足

（一）學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容較為單一

現(xiàn)有實驗室一般為某一學(xué)科或某一類專業(yè)的教學(xué)服務(wù)，從實驗室硬件設(shè)備和軟件裝備上看，現(xiàn)有實驗室可提供的教學(xué)設(shè)備具有單一性，很大程度上限制了教師的跨學(xué)科多樣化教學(xué)，從而易造成學(xué)生學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容單一。沒有較為先進的教育信息技術(shù)和教育裝備作為支撐，難以開展科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等的跨多學(xué)科融合教學(xué)活動，拓展學(xué)生跨學(xué)科知識和開闊眼界，凝練跨學(xué)科高階思維。

（二）教學(xué)模式創(chuàng)新性不足

現(xiàn)有實驗室教學(xué)模式大多為傳統(tǒng)的“以教師為中心，學(xué)生圍著教師轉(zhuǎn)”的講授式教學(xué)，即教師在課堂上講授理論知識，學(xué)生被動學(xué)習(xí)理論知識。由于教學(xué)設(shè)備的局限性，沒有新一代信息技術(shù)、以學(xué)生為中心的跨學(xué)科智慧教育環(huán)境作為支撐，教學(xué)課堂缺乏創(chuàng)新性，教師難以開展跨學(xué)科融合的課堂形式變革和課程設(shè)計變革，無法做到以學(xué)生為中心，把頗具可行性的STEAM教育理念引入教育系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會思考，做到理論聯(lián)系實際，在思維上尋求創(chuàng)新的跨學(xué)科融合教學(xué)[4]，自由實現(xiàn)分組式、項目式、探究式等STEAM創(chuàng)新性教學(xué)，真正提高學(xué)生應(yīng)用跨學(xué)科知識解決問題的能力。

（三）學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不強

現(xiàn)有實驗室大多教學(xué)形式單一、教學(xué)課堂乏味，學(xué)生基本處于“被動灌輸”的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從主觀意識上并不認為自己是學(xué)習(xí)的主動者，流水線地照搬教師講解的理論知識和實驗步驟，以完成實驗和得到實驗結(jié)果為目標，對知識的理解停留在表層，缺乏主動探索精神及深度思考能力，無法真正培養(yǎng)具備解決實際問題與實踐深度結(jié)合能力的高技能人才。

（四）學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏協(xié)作性

現(xiàn)有實驗室固定的課桌椅、傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)備及教學(xué)方式，學(xué)生大多只需要按預(yù)設(shè)步驟獨自完成實驗，較難以團隊合作、分組合作等協(xié)作性形式進行項目學(xué)習(xí)，更談不上不同學(xué)科、專業(yè)背景學(xué)生之間的協(xié)作探究。學(xué)習(xí)過程中缺少協(xié)作溝通、協(xié)作實踐等環(huán)節(jié)，不利于鍛煉學(xué)生的協(xié)作能力及培養(yǎng)具備團隊協(xié)作精神的人才。

二、STEAM創(chuàng)新學(xué)習(xí)實驗室教學(xué)環(huán)境建設(shè)

STEAM實驗室的運行需要軟硬件設(shè)備的支撐和運行監(jiān)督，進而滿足教師相關(guān)課程教學(xué)實踐與教學(xué)科研的需求[5]。STEAM實驗室的建設(shè)目標是基于學(xué)生核心素養(yǎng)提升，滿足STEAM跨學(xué)科教學(xué)實踐的內(nèi)在訴求[6]，結(jié)合AI、5G、物聯(lián)網(wǎng)、4K、大數(shù)據(jù)及云計算等新一代信息技術(shù)、以學(xué)生為中心的跨學(xué)科智慧教育環(huán)境?；谏鲜鼋ㄔO(shè)目標及實驗室建設(shè)基本要求，STEAM實驗室教學(xué)環(huán)境建設(shè)的整體架構(gòu)如圖1所示。

STEAM實驗室整體架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、物聯(lián)感知層和教學(xué)應(yīng)用層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層是STEAM實驗室的物理基礎(chǔ)，主要包括教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施和STEAM教學(xué)設(shè)備；物聯(lián)感知層是STEAM實驗室的數(shù)據(jù)獲取關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括實驗室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和5G/4K直播+線上教學(xué)系統(tǒng)；教學(xué)應(yīng)用層作為人機教學(xué)接口，主要由STEAM實驗室集中管控系統(tǒng)構(gòu)成。各主要部分詳述如下。

（一）教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施

教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施是基于講授式教學(xué)、項目化教學(xué)、分組式教學(xué)等多種教學(xué)模式綜合考慮設(shè)計的具有STEAM智能化、多樣化的教學(xué)實驗環(huán)境。教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施主要包括六邊形活動課桌椅、1+6分組式教學(xué)一體機、智慧學(xué)習(xí)終端、語音擴聲系統(tǒng)和智慧移動式講臺。其中，六邊形活動課桌椅包括6套六邊形可自由組合活動課桌和配套學(xué)生椅；1+6分組式教學(xué)一體機包括1套雙86寸教師教學(xué)一體機和6臺65寸分組學(xué)習(xí)一體機，教師可根據(jù)教學(xué)場景選擇模式進行分組教學(xué)；智慧學(xué)習(xí)終端由iPAD、Surface和筆記本電腦按一定比例組成；語音擴聲系統(tǒng)包括拾音麥克風(fēng)、播放設(shè)備、功放及音箱；智慧移動式講臺采用定制式，以方便移動與直播教學(xué)。已建成的STEAM實驗室實物圖如圖2所示。

（二）STEAM教學(xué)設(shè)備

STEAM教學(xué)設(shè)備是基于STEAM教學(xué)的跨學(xué)科性、創(chuàng)新性、實踐性特點，結(jié)合開源性編程、人工智能、虛實結(jié)合等技術(shù)為STEAM創(chuàng)新性教學(xué)提供裝備。STEAM教學(xué)設(shè)備主要包括創(chuàng)意開源機器人、智能倉儲系統(tǒng)、數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)、商湯人工智能系統(tǒng)、訊飛語音翻譯轉(zhuǎn)寫系統(tǒng)、在線課程資源包等。其中，創(chuàng)意開源機器人支持人形等各類智能模型的創(chuàng)意設(shè)計，為學(xué)生參加STEAM機器人競賽和創(chuàng)客競賽活動提供軟硬件支撐，通過比賽驗證所學(xué)知識；智能倉儲系統(tǒng)為STEAM實驗室的所有教學(xué)實踐活動、教學(xué)資源和庫存材料提供及時、準確的信息自動化管理；數(shù)字孿生仿真技術(shù)與VR仿真技術(shù)融合，建立數(shù)字孿生式的虛擬場景，通過虛實同步或異步兩種方式打造教學(xué)實踐仿真環(huán)節(jié)；商湯人工智能系統(tǒng)、訊飛語音翻譯轉(zhuǎn)寫系統(tǒng)及在線課程資源包等，為STEAM課堂教學(xué)提供優(yōu)越的跨學(xué)科融合教學(xué)條件。

（三）實驗室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

實驗室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議以及相關(guān)設(shè)備在線運行，對教學(xué)區(qū)域內(nèi)的可物聯(lián)設(shè)備進行場景化控制。實驗室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括實驗室內(nèi)的多種環(huán)境參數(shù)實時檢測、各類基礎(chǔ)設(shè)施（門禁、燈光、空調(diào)、窗簾、監(jiān)控攝像頭等）和教學(xué)設(shè)備（投影儀、智慧黑板、互動大屏、自動錄播系統(tǒng)等）進行集中一體化智能管理和控制，以實現(xiàn)實驗室基礎(chǔ)設(shè)施及教學(xué)設(shè)備使用狀態(tài)的全方位掌控。其中，自動錄播系統(tǒng)內(nèi)含錄播智能跟蹤系統(tǒng)，通過高清攝像機內(nèi)嵌智能跟蹤算法和智能圖像識別算法實現(xiàn)跟蹤定位控制功能，根據(jù)預(yù)設(shè)的跟蹤與錄播主機進行跟蹤對接，實現(xiàn)課堂教師、學(xué)生行為的全自動跟蹤功能，為課堂錄制和課堂直播提供教學(xué)便捷。

（四）5G/4K直播+線上教學(xué)系統(tǒng)

5G/4K直播+線上教學(xué)系統(tǒng)是基于運行在設(shè)備端和云端的AI算法能力，通過在直播設(shè)備內(nèi)置傳感器進行物聯(lián)無感傳輸，實現(xiàn)5G高速傳輸4K高清顯示的線上直播互動教學(xué)。5G/4K直播+線上教學(xué)系統(tǒng)主要包括5G教學(xué)設(shè)備、4K超高清攝錄設(shè)備、線上視頻直播平臺等。5G教學(xué)設(shè)備主要有5G教學(xué)終端、5G-CPE和5G基站，用于實現(xiàn)移動攝像視頻的無約束傳輸及直播信號到移動學(xué)習(xí)終端的無感傳輸。4K超高清攝錄設(shè)備主要由4K超高清攝像機、4K視頻切換臺、4K視頻存儲設(shè)備、4K視頻直播推流設(shè)備等組成，實現(xiàn)課堂教學(xué)聲音及視頻信號的采集傳輸。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的實際需要可靈活進行校企課堂遠程交互教育，通過線上視頻直播平臺把現(xiàn)場教學(xué)同步直播到校企實踐基地或把企業(yè)生產(chǎn)實踐過程同步直播到課堂，學(xué)校教師與企業(yè)工程師聯(lián)手進行答疑解惑，真正做到集課堂理論教學(xué)與生產(chǎn)實踐于一體。

（五）STEAM實驗室集中管控系統(tǒng)

STEAM實驗室集中管控系統(tǒng)是基于流媒體、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)對教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)備和各類教學(xué)資源進行集中管控和對接調(diào)用。教師利用集控系統(tǒng)將“深職院iStudy智慧教學(xué)平臺”“第三方線上教學(xué)平臺”“教務(wù)課表系統(tǒng)”及“一卡通門禁系統(tǒng)”等集成到STEAM實驗室集中管控系統(tǒng)中，集中調(diào)用各教學(xué)系統(tǒng)或教學(xué)資源及實驗室環(huán)境設(shè)備開展課堂教學(xué)活動，實現(xiàn)師生對各類教學(xué)資源的高效使用。集中管控系統(tǒng)通過打通教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施和教學(xué)過程數(shù)據(jù)，為上層的教學(xué)資源及智慧教學(xué)應(yīng)用提供開放接口和支撐，并支持第三方線上教學(xué)平臺進行教學(xué)，以此實現(xiàn)STEAM教學(xué)集約化管理。

三、STEAM實驗室的實踐教學(xué)應(yīng)用與教學(xué)效果分析

（一）STEAM實驗室實踐教學(xué)應(yīng)用

下面以桌面微工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)項目為例，介紹STEAM實驗室應(yīng)用。該教學(xué)項目是基于可編程、可創(chuàng)新等特性，利用STEAM實驗室現(xiàn)有的智能倉儲系統(tǒng)、AGV機器人、E.DO機器人等硬件設(shè)備、配件材料，結(jié)合人工智能、數(shù)字孿生、虛實一體化、AI大數(shù)據(jù)收集與分析等技術(shù)進行模擬真實工廠產(chǎn)品生產(chǎn)流程。桌面微工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

桌面微工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)主要由桌面微工廠和數(shù)字孿生模塊兩大部分組成。桌面微工廠主要包括智能倉儲系統(tǒng)、AGV機器人、E.DO機器人、激光與雕刻系統(tǒng)、示教與編程系統(tǒng)等；數(shù)字孿生模塊主要包括虛擬設(shè)計1∶1建模、數(shù)字線程邏輯與編程、虛實間的信息交互接口與控制仿真等虛擬仿真模塊。桌面微工廠是整個系統(tǒng)的物理實現(xiàn)部分，數(shù)字孿生模塊則是基于智能控制技術(shù)與VR仿真技術(shù)融合建立的數(shù)字孿生式虛擬場景。兩者可獨立運行，也可以同步運行。通常學(xué)生可在數(shù)字孿生模塊中設(shè)計、模擬、修改實驗仿真過程，然后再進行同步運行檢驗及修正完善，成熟后桌面微工廠則可實現(xiàn)脫機獨立運行。

本STEAM實驗室中的桌面微工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)以項目化分組協(xié)作的形式，結(jié)合“學(xué)生為主+教師為輔”的教學(xué)模式，利用“5G、AI、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、VR”等先進技術(shù)，實現(xiàn)機器人技術(shù)、激光加工、計算機算法編程、藝術(shù)設(shè)計等跨多學(xué)科專業(yè)的STEAM融合教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)精神的同時，提高學(xué)生解決復(fù)雜實際問題的能力與創(chuàng)新能力。

（二）STEAM實驗室教學(xué)效果分析

1.采用多學(xué)科融合教學(xué)方式，有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力

STEAM實驗室配備“用人工智能到學(xué)人工智能”等先進的教學(xué)裝備，采用多學(xué)科融合教學(xué)方式，讓學(xué)生對計算機編程、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、藝術(shù)加工等跨學(xué)科知識應(yīng)用有較為全面的了解與體驗。多學(xué)科教學(xué)，可以拓寬學(xué)生的知識面，鍛煉學(xué)生整合串聯(lián)跨學(xué)科知識點的能力，使學(xué)生在遇到復(fù)雜問題時從多方面思考、采用多學(xué)科知識去解決，達到實踐應(yīng)用目的。

2.采用探究式教學(xué)方式，有利于提高學(xué)生的高階思維能力

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)大多只做實驗基礎(chǔ)部分，且很多環(huán)節(jié)受物理條件和應(yīng)用的限制無法在課堂上進行深入探究學(xué)習(xí)，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。STEAM實驗室為探究式教學(xué)提供軟硬件資源條件，融合先進信息技術(shù)、先進制造技術(shù)等操作類和藝術(shù)、設(shè)計等人文社科類課程進行課堂探究式學(xué)習(xí)，教師通過問題、任務(wù)等多種形式來創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生進入目標知識點的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生深度思考，提高學(xué)生的高階思維能力。

3.促進“以學(xué)生為中心”教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性

通過教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容的改革，從傳統(tǒng)的講授式教學(xué)到“以學(xué)生為中心”的創(chuàng)新教學(xué)，擺脫枯燥無味的聽講課堂，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主導(dǎo)課堂，極大地提升了學(xué)生的主觀能動性，由“我聽”變?yōu)椤拔宜脊饰易觥?。人工智能、大?shù)據(jù)、虛實一體化等新技術(shù)的加入，極大地吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，通過“學(xué)生自主預(yù)習(xí)+教師講解理論+學(xué)生主動實踐+教師適時指導(dǎo)”方式進行教學(xué)，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

4.采用項目化教學(xué)方式，有利于鍛煉學(xué)生的協(xié)作能力及培養(yǎng)團隊協(xié)作精神

項目化教學(xué)通過分組或團隊合作的形式進行課堂學(xué)習(xí)，“弄清概念，定義問題，頭腦風(fēng)暴，構(gòu)建和假設(shè)，學(xué)習(xí)目標和概括總結(jié)”環(huán)環(huán)緊扣，如何獲取知識，如何計劃項目以及控制項目的實施，這些都建立在學(xué)生互相溝通和合作的基礎(chǔ)上才得以實現(xiàn)，學(xué)生在收獲知識之余還鍛煉了自身的協(xié)作能力以及養(yǎng)成了團隊協(xié)作精神。

四、結(jié)束語

本文以培養(yǎng)適應(yīng)我國新發(fā)展階段需要的具備全面科學(xué)素質(zhì)的創(chuàng)新型技術(shù)技能型人才為出發(fā)點，對基于STEAM理念創(chuàng)新學(xué)習(xí)實驗室的教學(xué)環(huán)境建設(shè)、教學(xué)應(yīng)用及教學(xué)效果進行了初步探索。STEAM實驗室的建設(shè)為師生提供了基于STEAM理念配備的教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施、STEAM教學(xué)設(shè)備、實驗室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、5G/4K直播+線上教學(xué)系統(tǒng)和STEAM實驗室集中管控系統(tǒng)的全新環(huán)境，結(jié)合以項目式、分組式等創(chuàng)新教學(xué)方式，以及以學(xué)生為中心的自主式、探究式學(xué)習(xí)方式，打破了傳統(tǒng)教學(xué)方式，為師生提供了靈活化、虛實結(jié)合化的教學(xué)實驗環(huán)境，經(jīng)過初步教學(xué)實踐，取得了良好的教學(xué)效果。但是，STEAM教育與我國高等教育的深度融合是一個漫長而復(fù)雜的過程，無論是STEAM+高等教育理論還是教學(xué)實踐都需要廣大教育工作者付出巨大的努力進行深入探索。

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◎編輯 馬燕萍