STEM教育在CUPT中的体现及创新能力培养模式初探

毕瑛洁，白 赫，段瑞梦，许 静

(天津师范大学 a.物理与材料科学学院；b.教师教育学院，天津 300387)

培养创新型高素质人才是高校教育的目标，也是落实科学技术生产力的转化和实现科技强国的重要保障. 创新人才的创新能力及创新意识建立在一定的综合素质及能力基础上，经过科学训练才能具备.STEM教育是建立在真实情境中的以团队协作的方式进行学习的一种教育理念，结合中国大学物理学术竞赛的平台，将STEM教育与创新能力培养模式整合，建立培养具有综合实践能力的创新人才培养模式.

1 STEM教育内涵的发展

20世纪90年代，美国国家科学基金会最先提出STEM，它是科学、技术、工程和数学(Science，technology，engineering，mathematics)首字母的缩写，在当时被理解为4门独立、分离的学科[1]. 随着STEM运动的推进，教育者发现STEM本质是一种教育方法，因此在STEM后增加 “教育”二字，认为这种教育应贯穿学生的整个学习阶段[2]. 2013年Vasquez等人率先提出将STEM教育与学校教育相整合，并将整合的水平划分为学科、多学科、交叉学科和跨学科4个层次，同时描述了4个层次所对应的特征. 整合性主要体现在学科知识间的联结，这种联结是持续的、动态的和以学习者为中心的[3]. 显然STEM教育也并非4门学科的简单组合，而是以联系真实世界为基础、任务学习为导向、团队合作为方式、贯通学科核心概念的严谨的系统化学习方式[4]. 2015年美国第一部《STEM教育法》(STEM Education Act of 2015)正式落地[5]，并对STEM教育的概念做了明确说明，指出STEM教育改革对创新能力培养的重要性. 2017年美国继续以提高STEM教育质量为目标，并设定了2022年新增100万STEM毕业生的目标，鼓励更多的学生参与STEM教育，以满足对具有STEM素养及创新能力人才的需求[6].

2 基于项目学习的STEM教育模式

项目学习(Project based learning)是以学生为中心的教学方式，将先进的教育理论应用于教学实践，以团队合作的方式，在系列任务的指引下，使用必要的学习资源解决实际问题，从而获得知识与技能，该教学方式对创新能力的培养具有积极的作用[7]. 在项目学习过程中，以项目为驱动，要求学生跨学科进行思维整合，将分散的学科问题集中并且融合，以便应对实际挑战和解决复杂问题，是将现实世界的问题和实践相融合的学习过程[8].

基于项目学习的STEM教育模式具有多样性，其中针对工程取向的STEM教学模式最受学者关注，例如逆向设计模式、知情设计模式、协同设计模式等[9]. 2014年美国国际技术与工程教育学会提出的6E设计型学习模式(Learning by DeSINTM model)与STEM教育的契合度最高，其6个阶段分别为[10]：

1)参与(Engage)：在项目学习背景下，教师通过提问、讲授等互动方式引导学生将已有知识和经验与项目内容建立连接，根据学生的反馈调整教学目标，设计符合教育发展规律的任务学习过程；学生通过了解项目内容回顾相关概念，确认研究内容，建立合作学习小组.

2)探索(Explore)：在此阶段，教师作为项目学习的推进者，为学生提供学习材料并指导探索活动. 学生根据研究内容查阅相关资料，建立各学科之间的联系，整理概括出研究的主要内容，通过讨论、头脑风暴等方式提出合理的研究假设，制定研究计划.

3)解释(Explain)：根据组内提出的研究计划，以分组汇报的形式阐述所需研究的问题、研究假设、研究方法以及研究技术路线，说明研究的可行性. 在汇报的过程中，教师提出合理的建议，引导学生发散思维，促使学生将所学概念与更广泛、真实的情境相连.

4)工程(Engineer)：根据研究方案设计并且完成预实验，将预实验的结果与研究假设比较，进一步完善实验方案. 教师提供必要的测试以及制作装备的使用方法及注意事项，介绍设计的概念，引导学生优化实验结构，并且对制作过程进行质量监控. 这一阶段重点让学生了解工程设计的一般步骤，能够根据实验方案提出合理的实验设计方案.

5)深化(Enrich)：经组内合作完成实验测量后对数据进行分析，建立实验与理论之间的联系，能够根据客观实验条件分析实验误差，并对理论公式加以修正，得到各参量之间的相互影响关系，总结得出相关结论，说明理论与实践间的联系，拓展知识层面. 在这一阶段，学生通过实践的方式，将不同学科间的知识进行整合，体验学科融合的过程，并能根据客观事实提出合理分析，建立各实验变量间的联系.

6)评价(Evaluate)：对项目学习的评价分为2个维度：

a.对学生查阅资料、总结研究内容以及汇报研究成果的过程性评价，重点考察团队协作能力、资料收集整合能力、项目汇报表达能力等几方面内容，对最终项目完成情况进行点评，提出可以继续改进或创新的方案；

b.针对项目实验设计，主要对实验装置简便性、测量方式的合理性以及实验数据处理的科学性进行评价[11].

可以看出，6E学习模式是科学探究思维与工程设计的整合，强调学习任务的真实性，体现学生的主体地位. 基于STEM理念的项目学习模式旨在让学生在客观环境中以现实问题为导向，通过自主学习、自主探究、自主评价的方式，运用跨学科的知识应对挑战性任务，达到培养创新能力和创新意识的目的.

3 STEM教育与创新能力培养模式的整合：依托中国大学生物理学术竞赛

3.1 中国大学生物理学术竞赛的特点

中国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate Physicists’ Tournament, CUPT )于2007年首次举办，竞赛模式借鉴了国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists’ Tournament， IYPT). IYPT与国际物理奥林匹克竞赛、国际青年学生科学论文竞赛并称三大顶级国际中学生物理竞赛[12]. CUPT是面对全国高校本科生展开的团队学术赛事，比赛以团队协作的形式研究物理问题，在辩论的过程中交流研究成果，旨在通过实际物理现象发掘物理本质，提高运用所学知识解决问题的能力，培养学生团队合作精神和创新开放思维. 随着赛事不断推广，2017年于哈尔滨举办的第8届CUPT参与学校高达100余所，可见赛事参与面广，影响深远. 纵观历届赛事题目，可体现出如下特征：

1)源于生活. 传统物理竞赛选题通常将实际问题进行人为加工、分解、简化与抽象，使之成为纯化的抽象问题[13]. 而CUPT竞赛题目大部分源于生活且贴近生产实际，对题目的描述也是从客观现象出发，用最简单的语言说明需要研究的问题. 例如第8届CUPT第15题Boiled egg(煮鸡蛋). 该题目要求使用无损测量的方法，设计1种或多种实验方案，检测鸡蛋的成熟程度. 题目以日常生活中经常会遇到的问题为背景，将传统的定性分析提升为定量研究，对检测的方法及方案提出了具体的要求. 可实现无损检测的方案有多种，如三线摆法、密度差分法、激光检测法和超声波法等. 利用激光的高穿透性，照射鸡蛋表面，通过拍摄不同成熟度鸡蛋的照片，使用Matlab软件分析鸡蛋外形区域图片灰度值，将蛋白质成熟曲线与灰度值建立联系，实现区分鸡蛋的成熟度. 这类与生活实际相关的题目首先结合生活经验提出研究假设，再根据所学知识进行实际验证，如三线摆法就是在大学物理基础实验中测量转动惯量的实验，通过对仪器的改造和理论修正，可以实现题目要求的无损测量，从而体现出理论与实际的联系.

2)立足研究. 自主实验设计是培养学生创新能力的重要途径之一，通过搭建实验平台，组装实验仪器，根据研究假设进行实验测量，并根据实验测量结果建立理论与假设之间的联系，提出符合客观实验条件的理论修正，最后得出实验结论. 例如第8届CUPT第17题Vacuum bazooka(真空火箭筒)，该题目要求使用家用吸尘器和PVC管，自主设计“火箭筒”，并研究发射物的运动规律及设法提高出口速度. 研究开始阶段，学生需根据题目要求进行预实验，在实验过程中检验研究假设，根据定性或半定量分析结果进一步完善实验装置，以实现精确的定量测量.

反复改进实验方案以及实验装置的过程不仅能充分调动学生钻研物理规律的兴趣，更为重要的是培养学生的创新能力与严谨的科学态度. 《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》也明确指出，素质教育是教育改革发展的战略主题，坚持重点培养具有创新能力的高素质人才[14].

3)开放创新. CUPT的开放与创新性主要体现在以下3方面：

首先，竞赛以汇报的形式进行学术交流，所研究的每个项目均没有“标准”答案，在交流汇报的环节中，反方需通过认真分析正方汇报内容，并且在短时间内梳理研究假设、研究内容、实验方法以及结论，结合自身知识并且团队协作，提出合理的质疑或者猜想，而对传统竞赛中答案的唯一性不做讨论，这种竞赛形式本身就具有一定的开放与创新性；

其次，虽然CUPT竞赛题目可以按照声、光、力、热、电等传统学科知识进行分类，但针对某一题的研究所需的理论知识范围广，并无明显知识领域甚至学科界限；

最后，较传统的本科教学模式而言，参与CUPT的学习是学生在导师指导下，自主完成研究的创新培养模式. 从现象到物理模型的提炼，再从预实验到定量实验分析，最后呈现研究结论以及汇报，全部由团队成员协作完成，这对培养学生团队合作精神、交流沟通能力、正确采集与分析数据的方法以及开放性思维等具有非常重要的推动作用.

3.2 基于6E的创新能力培养模式案例

以第8届全国大学物理学术竞赛第17题Vacuum bazooka为例，说明6E模式在培养大学生创新能力中的具体应用.

1) STEM项目主题：真空火箭炮的设计与定量研究.

2)学习对象：本科1～3年级学生.

3)学习时间：30学时.

4)项目介绍：该项目为第8届CUPT竞赛题目之一，要求使用家庭用吸尘器达到发射物速度最大化，并根据理论和实验给出发射物运动规律. 掌握高速摄像技术，学会使用Tractor软件分析实验视频并提取数据，能够使用Matlab进行数据分析. 会使用3D建模软件绘图并使用3D打印技术制作实验配件. 通过查阅文献，了解真空技术及真空发射炮在弹道学中的应用.

5)情境设置及挑战内容：请使用家用吸尘器和PVC管，设计并制作真空发射器，研究发射物的最大出口速度，并说明影响发射物极限速度的影响因素，推导出发射物的运动规律.

6)STEM学科知识：

a.科学包括伯努利方程、牛顿第二定律、空气动力学、热学等；

b.技术包括3D打印技术、真空技术、光电转化技术等；

c.工程包括3D绘图、CAD制图及组装配件；

d.数学包括使用Matlab和Origin软件拟合数据,求解一阶、二阶微分方程.

STEM理念创新能力培养课程教学计划如表1所示.

表1 STEM理念创新能力培养课程教学计划

4 结束语

STEM教育的整合性是课程改革的发展趋势，也是教学模式创新的必然选择. 2016年教育部在《教育信息化“十三五”规划》中明确指出：有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、“跨学科学习(STEM教育)”、“创客教育”等新的教育模式中应用. STEM教育学习的真实情境性以及实践探究性是培养大学生创新能力的一种新途径，而CUPT恰好能够作为STEM教育的项目学习资源，建立基于STEM理念的创新能力培养模式也体现新时代对大学生综合创新素养的新要求.

参考文献：

[1] NRC. Learning science in informal environments: people, places,and pursuits [M]. Washington: National Academies Press, 2009：67-69.

[2] Breiner J M, Harkness S S, Johnson C C, et al. What is STEM？A discussion about conceptions of STEM in education and partnerships [J]. School Science and Mathematics， 2012,112(1):3-11.

[3] 谢丽,李春密. 整合性STEM教育理念下的课程改革初探[J]. 课程·教材·教法,2017,37(6):63-68.

[4] Ong F, Mclean J. Innovate: a blueprint for science, technology, engineering, and mathematics in California public education [R]. California: California Dedicated to Education Foundation, 2014.

[5] 李慧,王全喜,张民选. 美国STEM教育的探析及启示[J]. 上海师范大学学报(哲学社会科学版),2016,45(5):144-152.

[6] Handelsman J, Smith M. STEM for all [EB/OL]. www.whitehouse.gov/blog/2016/02/11/stem-all,2016.

[7] 高艳. 项目学习在大学英语教学中的应用研究[J]. 外语界,2010(6):42-48.

[8] 余胜泉,胡翔. STEM教育理念与跨学科整合模式[J]. 开放教育研究,2015,21(4):13-22.

[9] 范斯淳,游光绍. 科技教育融入STEM课程的核心价值与实践[J]. 教育科学研究期刊，2016,61(2):153-183.

[10] Barry N B. The ITEEA 6E learning by DeSINTM model [J]. Technology and Engineering Teacher,2014(3):14-19.

[11] 王焕霞. 发展性学生评价:内涵、范式与参照标准[J]. 山东师范大学学报(人文社会科学版),2017,62(1):105-110.

[12] 李川勇,王慧田,宋峰,等. 中国大学生物理学术竞赛及其对培养学生综合能力的作用[J]. 大学物理,2012,31(5):1-4.

[13] 刘家福,张昌芳. 大学生物理竞赛及其试题特色[J]. 物理与工程,2008,18(4):65-69.

[14] 吴岩,王晓燕,王新凤,等. 探索京津冀区域高等教育发展新模式——学习《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》的思考[J]. 中国高教研究,2010(8):1-7.