STEAM 教育理念在高校课堂的引入与实践

李秀燕, 叶兴梅, 陈赐海

（闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州363000）

STEAM 源于 STEM[1]，是一种融合五大学科门类：科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学(Mathematics)知识的跨学科教育模式.在该教育模式中，学生通过运用多学科的知识或技能去解决具体问题，从而实现知识获取、工具使用和过程创新三者的有机统一［1］.21 世纪是教育信息化时代，随着社会由工业化逐渐向信息化过渡，不可避免出现了理工、社科、人文、艺术等不同学科之间的交叉与融合， 这也将驱使STEAM 教育模式逐渐成为未来教育的一大热点.STEAM 教育强调多学科知识的融会贯通，要落实STEAM 的教育理念，应着眼于探索教什么、怎么教、融合什么、怎么融合等问题.教育部高教司吴岩司长［2］在第11 届中国大学教学论坛报告中指出：课程是人才培养的核心要素，学生从大学里最直接、最核心、最显效的受益是课程，课程是体现“以学生发展为中心”理念的“最后一公里”.在当前全方位进行STEAM 教育教学改革的热潮中，若能选择合适的专业课程，作为实施STEAM 教育的有效课程载体，使之能在具体的专业课程教学实践过程中渗透STEAM 教育理念，有效融合STEAM 教育模式，将有助于发挥STEAM 教育的实际教学效能，从而实现“培育‘创新型、复合型、应用型’人才”的教育目标.而《数学物理方法》是物理学专业继高等数学之后又一门重要的数学专业基础课程，主要用于解决科学、工程与技术领域中的相关问题.在全国高等教育“双一流”建设、打造“金课”和全方位进行STEAM 教育教学改革潮流下，本文以《数学物理方法》作为融合STEAM 教育的课程载体，通过选择合适的教学案例，阐述如何在该课程授课过程中， 有针对性地尝试和延展STEAM 教育理念， 以期加强不同学科之间的有益融合，体现STEAM 教育的具体教学功效，提高课堂的教学质量，促进学生的全面发展.

1 STEAM 教育模式的内涵

STEM 是由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母组合而成.该教育于20 世纪90 年代，由美国科学基金委员会联合科学、技术、工程和数学领域的专家共同提出的一种教育模式.2006 年，Yakman[3]及其团队首次提出了STEAM 综合性教育模式，它在STEM教育的基础上增加了“艺术（Art）”部分，从而将该教育模式扩展到人文艺术科目.STEAM 教育模式中，科学（Science）帮助人类正确认识世界的规律，工程（Engineer）与技术（Technology）为人类提供改造世界的方法，艺术（Art）帮助人类以美好的形式呈现世界，数学（Math）则为综合应用科学、工程、艺术和技术提供思维方法和分析工具.

2 在《数学物理方法》课堂教学中引入STEAM 教育理念的可行性分析

STEAM 教育以发现问题、解决问题为导向，开展连接各个学科的教学实践活动.而数学物理方法则从解决物理、工程实际出发，提出并解决问题.课程的主要任务是使学生学会如何用数学的定解问题描述实际的物理或工程问题，并掌握求定解问题的多种方法，如分离变数法、傅里叶级数法、幂级数解法等.通常涉及三个主要的步骤：综合运用物理知识和数学工具导出定解问题；使用数学手段求解定解问题；方程解的物理意义分析.换而言之， 该课程可以以数学为基础， 从工程和艺术的角度解读科学与技术， 这与STEAM 教育理念不谋而合.

以问题为驱动的教学模式是STEAM 教育最主要的模式，该教育强调不同学科之间的知识联系，引导学生运用跨学科的思维方式进行学习和解决具体的实际问题，旨在促进学生的全面发展[4].而《数学物理方法》既是数学课程，同时又是物理课程.课程关注培养学生是否具备应用“数学语言”表述“物理问题”的能力、注重培养学生能否将数学思维应用于分析物理、工程等领域上的问题.它的短期目标是帮助学生掌握必要的数学知识和工具，为后续专业课奠定必要的数学基础，长远的目标是丰富学生的数学思想，训练学生的数学思维使之具备熟练应用数学工具处理具体问题的能力.可见，《数学物理方法》 课程的性质和教学目标与STEAM 的教育理念有着异曲同工之妙.将实施STEAM 教育理念落实到该课程教学实践的导向有一定的可行性和前瞻性，可使课堂授课从单纯的传授知识回归到以人为本、综合育人的轨道上来，践行“以学生发展为中心”的理念.

3 引入STEAM 教育理念的课堂教学案例分析

下面以《数学物理方法》弦振动问题中“一维波动方程”这一教学设计为例，阐述在《数学物理方法》课堂教学中如何通过层层设问，融合并实现STEAM 教育教学理念.具体的教学设计流程如图1 所示.

图1 “一维波动方程”课例教学设计流程图Fig.1 The flow chart of the teaching design case for “one dimensional wave equation”

首先，是新课引入.要促进学生创新思维的形成，必须使学生的左右脑沟通更加流畅，巧妙的新课引入可在不知不觉中引发学生的求知欲和好奇心，增强理解力和想像力，对大脑产生有效刺激，从而促进人脑潜意识创造灵感的迸发.在本次教学中，以宋代苏轼的《琴诗》：“若言琴上有琴声，放在匣中何不鸣？ 若言声在指头上，何不于君指上听？”[5]作为新课引入.给学生设问一：“这首诗蕴含什么哲理？”借用作者在诗中的两个提问，引导学生思考“如何发出琴声”这一命题的主客观条件.通过探讨让学生体会到《琴诗》的蕴意：单靠琴，或单靠手指头都无法演奏出一首优美的乐曲，曲目是否悦耳更依赖于演奏者丰富情感的表达和娴熟技术的应用.通过对一首名诗引发的哲学问题的探讨作为新课引入，立意新颖，既可陶冶学生的人文情操，也有助于激发学生的好奇心和求知欲.其次，就引入的话题展开设问二：乐器[6-7]的发展进程是什么？（这通常是在课前提前布置，让学生查找相关的资料.）经讨论后归纳关于乐器发展的三种说法：1)德国乐器学家C.萨克斯认为：先是以摇响器为代表的噪声器；再是鼓、拨弦、号角；最后是木琴、横笛等乐器.2)英国学者T.F.R.乌博萨姆却认为是按照鼓类--笛管类--拨奏乐器类这样的顺序发展.3)奥地利音乐理论家R.瓦拉谢克则认为笛管乐器为先，进而形成歌唱和鼓类乐器.为了层层递进引入研究问题的需要，再设问三：乐器如何分类？ （这通常也是在课前提前布置，让学生查找相关的资料.）经讨论后如表1[8]所示归纳展示.

表1 乐器的分类法Tab.1 Classification of musical instruments

通过乐器发展史和乐器分类的讨论，学生已对乐器的种类以及不同乐器的发声原理有一定的感性认识.

在切入波动方程的求解这一具体授课内容之前，采用层层的设问的方式插入琴诗、乐器等方面的内容，能实现在日常教学中无形地渗透STEAM 理念中的艺术（Art）教育的目的，有助于拓宽学生的知识面，提高理工科学生的人文素养.接着同样设问，问一：定解问题由几部分组成？ 问二：泛定方程分为几类？ 问三：定解条件包涵哪些条件？问四：哪些乐器的振动可以用“一维波动方程”来描述？最后归纳：吉他等弦乐器可以用一维弦的横振动模型来表示， 而笛子等管乐器可以用一维杆的纵振动模型来描述.这样就自然地将一维波动方程与实际的乐器问题相关联.从而将与数学（Mathematics）相关的问题关联到具体的科学（Science）和技术（Technology）问题中.

继续设问：弦乐器的发声方式的实质是什么？ 从而将之前相对宽泛的乐器问题，具体化到某一确定的物理模型（弦乐器）当中，为求解一维波动方程作良好过渡.此时，可选择一个具体的弦乐器如“吉他”作为教具，通过现场的感受，让学生明白：弦乐器的发声方式是依靠机械力量使张紧的弦线振动发声.接着以图片的形式为学生展示不同的弦乐器，引导学生关注不同类型的琴演奏方式上（发声发式）的差别，目的在于让学生明白：弦乐器按发声方式还可分为拨弦乐器（如吉他和琵琶）、拉弦乐器（如提琴类和胡琴类）和击弦乐器（扬琴类）.再将设问进一步具体化：弦乐器不同的发声发式，它们的定解条件有何不同？ 这个设问是将物理与技术问题回归到具体的数学问题的核心所在.通过讲解与讨论， 让学生明白不同的发声方式与弦振动的初始条件密切关联.结合现场的演示与视频的播放让学生发现：对“拨弦乐器”而言，弦通常具有某种初始位移分布，而没有初始速度；而对于“击弦乐器”而言则是具有某种初始的速度，而没有初始位移.在此基础上，分别选取与“拨弦乐器”和“击弦乐器”相对应的文献[9]的两个习题作为切入点，切入本节课的例题讲解.此时，通过前面的层层铺垫，学生已对这一原本抽象难懂的物理模型有了清晰明了的感性认识，大大加强了学生对相应知识点的理解与应用能力.在具体习题的讲解过程中，除了让学生学会如何用数学语言准确地表述相应的定解问题之外，还让他们学会如何利用分离变量法或付里叶级数法详细求解具体的物理过程.这样的教学设计与授课过程， 可将STEAM 教育中的科学 （Science）、 技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）无形地整合到具体的教学案例之中.

上述教学案例以一首诗引入新课，围绕STEAM 的五个维度，设计一系列与乐器相关的问题，层层递进展开了“一维波动方程的求解”的教学探究活动.在教学过程中通过融合STEAM 元素，促进受教育者的人文素养得以提升、科学精神得以锤炼、知识得以贯通，技能得以精进，以期达到促进学生全面发展的教育目标.

在数学物理方法的课堂授课中，还有许多类似的案例，都可用于渗透STEAM 教育理念.当然，要融合与渗透STEAM 教育理念，要求在选择具体的教学案例时应尽量关注那些来源于物理、工程，以及生产、生活实际的问题；设问的问题要尽可能与全方位实施STEAM 教育的内容相对应；问题之间要有一定的梯度和关联.总之，设计的理念是通过完成相应的案例教学，实现学科的交叉、融合与渗透，促进学生的全面发展.

4 结论

总之，STEAM 教育强调多门学科的交叉融合， 在当前全方位进行STEAM 教育教学改革和打造 “金课”的大潮中，探寻在高校课堂中引入STEAM 教育理念的途径与方法，对提高课堂教学质量，培育创新型、复合型和应用型人才，促进学生的全面发展将起极大促进作用.开展STEAM 教育的关键在于如何在高校课堂的具体教学实践中，通过巧妙的教学设计，将不同学科教育进行有机融合，从而培养出全面发展的人才.广大教育工作者还要继续努力探索STEAM 跨学科教育创新模式， 改变学校教育生态， 培植STEAM 跨学科创新教育文化与群体，使STEAM 教育真正成为推动本科教育变革、培养具有国际竞争力的创新型人才的重要动力.