卓越工程师创新力提升的STEAM路径——基于地方本科高校H的实践

沈 雁， 林 银， 杨津婧

(湖州师范学院 工学院， 浙江 湖州 313000)

我国拥有世界上规模最大的工程教育，但在培养具有持久竞争力的高层次、应用型、复合型工科人才的教育水平方面与发达国家还存在一定差距。2010年国家启动高等学校《卓越工程师教育培养计划》，旨在着力提升学生的工程素养，培养学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力[1]。2018年9月《教育部 工业和信息化部 中国工程院关于加快建设发展新工科，实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，强调卓越工程师创新型人才“不仅要具备解决问题的实践能力、过硬的创新本领，还应具有较高的人文素养、良好的团队精神、较强的环境适应能力、广阔的国际视野”[2]。2015年教育部《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见(征求意见稿)》提出“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学习者具有较强的信息意识与创新意识”[3]。这标志着STEAM教育正式进入我国教育领域。2019年《教育信息化和网络安全工作要点》进一步要求“加快推进智慧教育创新发展，探索跨学科学习(STEAM教育)模式应用”[4]。可见，包含科学、技术、工程等多学科的STEAM教育，已成为有别于国内传统的全新教育方式。其在培养学生创新思维、跨学科问题解决能力、团队合作等方面发挥了积极作用，对促进地方本科高校卓越工程师人才培养也将大有裨益。

一、STEAM教育的起源与发展

(一)STEAM教育的起源

STEAM教育由20世纪80年代美国STEM教育发展演变而来。它是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)和数学(Mathematics)五门学科教育的简称。二战后，美苏双方在各领域尤其是科技和军事领域展开比拼。前苏联分别于1957年和1961年率先发射了世界上第一颗人造卫星，并成功将世界上第一位宇航员送入太空。美国的这一短暂失利引发了美国政府对本国教育的深刻反思。当时的美国政府意识到国家安全与高科技人才培养息息相关，并认为学校教育投入不足、课程设置不系统、数学和科学教育不受重视等，是造成军事和科技落后的根本原因。为此，1986年美国国家科学委员会(National Science Board， NSB)出台了《本科的科学、数学和工程教育》(Undergraduate Science、Mathematics and Engineering Education)，首次将大学科学、数学和工程教育进行有机融合，加快对高等教育领域综合性科技人才的培育，从而拉开了STEAM教育的序幕。

此后，美国政府及学术界推出一系列政策。如：1996年美国国家科学基金会(NSF)发布《塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的本科教育》；2005 年美国国家科学院、国家工程院、医学科学院和国家研究委员会联合推出《驾驭风暴：美国动员起来为更加辉煌的未来》，该报告成为21世纪美国科技教育发展的战略性报告；2007年美国国会通过《国家竞争力法》要求创造机遇，显著提升美国科技教育领域优势地位，并在同年，美国国家科学委员会再次发布《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》；2009年奥巴马政府提出的《竞争卓越计划》，强调美国将优先发展 STEM；2014年奥巴马启动《STEM国家人才培育计划》，包括《STEM创新网络计划》(STEM Innovation Networks program)、《STEM焦点学校计划》(STEM-focused school)等[5]。通过上述计划的实施，美国政府不断加大STEM教育的推进力度，逐步实现由高等教育向中小学教育、幼儿教育的全面延伸。

(二)STEAM教育的发展

STEAM教育主要经历了以下三个发展阶段：

第一阶段：STS教育，即科学(Science)、技术(Technology)与社会(Society)英文首字母的缩写。STS教育源于20世纪60年代，其关注科学、技术与社会的关系[6]。它使美国科学技术为社会服务的实践成果日益丰硕，技术功能与价值被充分挖掘，促进了人才培养与社会进步。

第二阶段：STEM教育，即科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)英文首字母的缩写。20世纪80年代，科学、技术与工程的联系越来越密切，大众化生产的批量产品已不能满足美国人民的个性化需要和日益增长的物质需求，急需技术型与创新型的理工科人才。因此，多学科融合的STEM教育在教育系统的地位日益明确，逐步走向规范化、专业化和科学化的发展道路。

第三阶段：STEAM教育。随着STEM教育的深入开展，学者们发现人文艺术不仅能够增加STEM教育的趣味性，还有利于培养全面发展的未来社会合格公民。2011年，美国学者Georgette Yakman 首次将代表人文艺术学科的A(Arts)融入STEM教育中，形成了STEAM教育理念[7]。

二、STEAM教育的内涵与特点

(一)STEAM教育的基本内涵

美国弗吉尼亚理工大学学者乔吉特·亚克曼(Georgette Yakman)是STEAM教育理论的奠基人。他认为STEAM教育是运用项目协作和实践方式解决现实问题的新型教学模式，其目标是培养具有创新能力、问题解决能力的高素质综合型人才[8]。他构建了STEAM教育理论框架。该框架模型将多学科、多课程结合起来，形成五层金字塔形状，较好地诠释了STEAM教育的内涵。其中，第一层是具体课程水平，主要是科学、技术、工程、艺术和数学等学科的相关课程[9]，并涉及各个领域的详细研究；第二层是具体学科水平，注重科学、技术、工程、数学、艺术等学科的学习及融会贯通；第三层是多学科水平，将艺术渗透到科学、技术、工程、数学学科中，旨在培养学生学习与现实生活相联系的认知能力；第四层是综合水平，体现 STEAM 多学科综合能力和水平，注重培养学生融合 STEAM 各学科知识，以及发现问题、分析问题、解决问题的能力[10]；第五层是教育的终极目标。学习者能终身保持对核心素养与技能的积累，并把这一能力运用到现实生活中以解决真实问题。各层级之间并不是简单的叠加关系，而是将各学科以适宜的方式整合成以综合目标为导向的全新教育形态。

(二)STEAM教育的特点

STEAM与传统教育相比，具有以下特点。

其一，注重教学与现实世界的联系。STEAM教学是基于现实问题(problem-based learning)或项目(project-based learning)，引导学生通过实践探索去寻求解决方案的一种教学活动[11]。正因为教学内容与实际问题息息相关，更要求知识体系的设置要充分凸显应用性、创新性和综合性等特点。

其二，运用工程设计流程(engineering design process，EDP)制订问题解决方案[12]。EDP 提供的路径选择是灵活多变的，因此在使用 EDP 制定解决方案的过程中，学生可以尝试运用不同的学科知识和方法解决现实问题或进行项目研发。

其三，倡导“做中学”的学习模式。STEAM 教学以学生为主体，鼓励学生开展协作学习，注重学生在学习过程中的探究经历与动手体验的收获。

其四，强调协作性。真实任务的解决离不开与他人的合作。因此，STEAM教育强调学生在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识建构。

可见，STEAM教育注重跨学科、多元化、交互式的学习模式，其所倡导的将学科知识综合运用，创新性地解决现实问题等观点，会极大地促进对工程领域高级应用型人才的培养。为此，美国政府已将STEAM教育纳入本国幼儿园到12年级阶段的教育改革战略，以期发挥其积极作用。

三、地方本科高校卓越工程师培养现状

地方本科高校作为我国高等教育的主体，在“卓越工程师教育培养计划”实施中扮演着重要角色。地方本科高校H是开展“卓越工程师教育培养计划”的试点单位，其在卓越工程师创新力培养与提升方面有着深入的思考且具有长期的实践经验。所以，地方本科高校H能够真实地反映我国当前地方本科高校在卓越工程师培养中的基本情况，其经验和做法具有一定的典型性和代表性。

(一)卓越工程师创新能力培养的实践探索

作为一所地方本科师范类院校，地方本科高校H在明确目标定位的同时，结合地方经济社会发展需求，始终坚持校地共育的人才培养理念，逐渐摸索出一条符合学校发展的卓越工程师人才培养之路。

1.深化人才培养模式改革

为破解地方师范院校办工科面临的资源短缺、经验匮乏、重理论轻实践等问题，学校各类工科专业根据自身特色，以省级特色专业建设、省级一流学科建设和工程专业认证为契机，深入开展校地共育人才培养模式改革。

一是积极引入地方企业资源，共建工科特色专业，实现校企在实验平台、实训基地、师资队伍、科研项目等方面的深度合作，培养行业所需的高级应用型优质人才。

二是对接地方产业，优化知识结构，强化工科实践能力培养，重建知行合一的课程体系。

三是吸纳社会资金，为工科专业设立专项基金，改善人才培养所需的软硬件配套设施，支持工科师生的专业发展需求。

四是将思政、人文、通识教育有机结合，实现知识传授、能力培养与价值引领的有机统一。如机械设计制造及自动化专业，将马克思主义基本原理、思想道德修养与法律基础等思政课程，中国名胜与国学文化、创业项目投资分析、新青年之养成等人文课程，以及营养与健康、大学生现场应急救护实用技能、有氧运动与健身运动选择等通识课程纳入课程模块。旨在提升学生的人文素养，发挥课程思政的育人作用，健全专业课程体系(见表1)。

表1 机械设计制造和自动化专业部分课程模块

2.重视教学队伍建设

一是加强对青年教师的培养。重视青年教师的入职培训、青年教师助讲培养计划，以及青年教师培养助推计划，鼓励青年教师读博进修、出国访学，增强教学功底，拓宽视野，提升教学技能。

二是加强教学交流与研讨。将主题讲座、教学名师讲坛常态化、系列化，丰富教研活动内容，注重研究性学习的质量和成效，助力青年教师在国家级、省级、校级精品在线课程建设和各类教学奖项上实现突破，并将教学成果引入实践。

三是加强与企业的联动。鼓励骨干教师进企业，产业英才进课堂，实施暑期百名专家下企业(基层)、青年教师赴乡镇企业挂职锻炼等计划，打造知行合一的教学团队。

3.培养学生科研思维与能力

一是注重学习研究，狠抓学生科研。学校师范底蕴特有的优良学风，能够激发学生从入校开始就不断发掘自身的学习兴趣，专注专业学习。同时，学校积极引导学生申报国家级大学生创新创业训练计划、浙江省新苗人才计划，以及各类校级创新创业科研立项等大学生科技项目，参与教师的在研科研项目,并为学生配备专业指导老师。持续培养大学生创新思维，提升综合运用知识的能力和团队协作能力。

二是注重学科竞赛，鼓励创业实践。学校十分重视大学生的学科竞赛，已形成“一生一竞赛”“一专业一竞赛”的格局和“以赛促学、赛学结合”的良好氛围。其中，工科类专业竞赛品类多，层次丰富，覆盖面广，学生可结合专业优势和自身特点，选择参加多项感兴趣的比赛。学校着力激发在校大学生的创业意识，提升学生创业技能，鼓励学生积极参加浙江省“挑战杯”大学生创业计划竞赛和浙江省大学生职业生涯规划大赛(创业组)。对在各类创新创业比赛中表现优异且有一定发展前景的项目,学校择优推荐其入驻大学生创业孵化园，并为其提供免费创业办公场地、低息小额贷款、风险投资金招募等配套服务，还为其聘请成功企业家担任创业导师，旨在有效提升入驻项目的孵化率，帮助学生将创新创业理念落地生根。截至2020年3月，目前在孵企业数50多家，项目经营前景呈现良好趋势。

4.拓展教学和实训平台

学校着力汇聚卓越工程师人才培养所需的内外部资源，全面提升各类平台对教学、科研、实训、实践等方面的支撑力度。

一是促进学科平台对教学的支撑与反哺。根据人才培养需求，将国家地方联合共建工程实验室、省级重点实验室(工程实验室)、省级一流学科、省级创新团队，以及地市级重点学科、扶持学科等各类学科平台资源向本科学生开放，实现学科平台与教学平台共建共享，带动学科建设成果融入卓越工程师创新型人才培养环节。

二是强化教学实践基地育人功能。遴选一批与工程师培养专业相匹配的行业、企业教学实践基地，合理利用企业已有的各类创新研发平台、高层次人才等优势资源，实现基地实践教学与高校人才培养环节相衔接，充分发挥基地在教学、科研、实习、实践、就业等方面的功能和作用。

三是集聚力量拓展平台。联合当地企业共建省级协同创新中心和校企联合实验室；依靠地方政府的政策和资金支持，建设当地最大的创新创业中心、校工程训练中心和精工实习基地；申报大学生众创空间，开展SYB创业培训等，为卓越工程师创新型人才培养搭建平台。

5.加强内部教学质量保障体系建设

高校H构建全员参与、全程监控、全面改进、循环闭合的教学质量保障体系，形成了教学管理、课堂教学、教学效果保障、学生创新能力及评价反馈等子系统，着力贯通人才培养过程中的培养目标、培养模式、过程监控、培养结果等环节，保障了人才培养质量的稳步提升,并在以下方面取得了较好成效。

一是加强质量标准建设。质量标准是教学质量保障体系建设的重要基础。为此，学校依据人才培养目标和毕业要求，在日常教学过程中建立了一套包括课程体系、能力指标、师资队伍、教学活动、支持条件等的质量标准，同时打造校内实验教学平台、校外实践教学基地、学科科研平台相结合的“产学研”协同机制，并在长期的教学实践中加以补充和完善。

二是加强日常教学管理。根据工科专业教学指导委员会、企业、著名高校专家等的咨询意见，结合成熟工科高校的调研经验，规范教学管理流程，健全并细化教学管理制度，制定和完善卓越工程师人才培养方案，使教学大纲、授课计划和教案完整规范、标准统一，课程考核方式严谨，充分体现了工科专业学生的综合素质要求。

三是坚持闭环监控管理。根据在校学生、任课教师和管理人员的反馈意见形成内部监控闭环，根据毕业生、用人单位和行业部门的反馈意见形成外部监控闭环，注重质量信息反馈与利用，促进教学质量不断提升。

(二)地方本科高校卓越工程师创新能力培养面临的主要问题

自2010年教育部决定实施《卓越工程师培养教育计划》以来，地方本科高校积极响应，结合自身实际，探索卓越工程师创新型人才培养模式，为我国走向工程教育强国作出了积极贡献，但培养过程中存在的问题亟待解决。

1.教学观念有待转变

《卓越工程师培养计划》的实施，要求“从根本上改变原来重理论、轻实践的观念，从政策上引导高校分类发展”[13]。但一些地方本科高校在卓越工程师人才培养过程中，对人才培养要求的认识还不够到位，理解还不够深入。因此，在教育教学中依然存在以第一课堂讲授为主，理论与实践两张皮现象仍时有发生；个别教师因科研任务重而对课堂教学精力投入不足，或课堂讲授内容的前沿性和拓展性不够；部分学生存在被动接受知识的现象，专业知识与其他学科知识融会贯通程度较低，缺乏积极主动的思考和研究，科研能力和创新思维较薄弱；学校整体创新创业氛围还需加强。可见，教学观念的转变需要动员全体师生积极行动，统一思想，凝聚共识，从政策引导、体制机制和舆论宣传等方面加快推进，着力形成与卓越工程师人才培养相契合的教育理念，并尝试将观念转变落实到提升创新力人才培养的具体环节。

2.校企合作有待深化

高校与企业共建的实践基地，使校企双方在科研项目、技术升级、产品研发、师资交流、学生见习实习等方面的合作更加紧密，但也存在一些问题。

一是优质实践教育教学基地资源短缺。符合高校人才培养要求的校外教育教学资源有限，无法满足学生大批量集中实践的需求，使得一部分学生的实习岗位与所学专业不对口，进而直接影响学生的实践成效。

二是校企双方诉求存在差异。企业更关注由技术和产品升级带来的经济效益，而高校更趋向校企联合申报科研项目的数量和层次，以及实践环节的人才培养质量。如果高校科研成果对企业生产实际的转化率不高，贡献度不够，那么这种校企合作是无法获得内涵提升的。

三是实践教学质量参差不齐。这既受到客观条件制约，如企业教师指导能力的个体化差异、学生实习岗位的规范化管理制度不健全、企业负责实践教学和考核的管理人员缺乏等，又受到主观因素的影响，如企业指导教师对相关专业培养方案要求不够熟悉、部分企业缺乏参与高校人才培养的使命担当和责任意识，从而消极地应对大学生实习实践任务，或将实习学生作为劳动力，或安排到无技术含量的岗位，这些都直接或间接地影响了工科学生实践能力的培养质量。

3.师资队伍建设有待加强

建设一支高水平工科专业师资队伍是卓越工程师创新能力培养的重要方面。目前地方本科高校师资队伍中既有工程技术学历背景，又有丰富工程实践经验的专任教师数量相对较少，部分工科教师虽然学历较高，但缺乏工程项目建设经验。而行业、企业中的高级职称指导教师虽然具有较丰富的操作经验，但工程理论基础相对薄弱，对相关工程现象的深层原理和前沿理论发展动态缺乏了解。因此，如何为校内专任教师搭建更广阔的实践锻炼平台，鼓励教师深入企业，培育专任教师的工程实战经验；如何选聘行业和企业的优质教师，拓展实践导师的理论视野，有效弥补校内外师资各自存在的先天不足等，都成为地方本科高校师资队伍建设中亟待解决的问题。

四、地方本科高校卓越工程师创新力提升的STEAM路径

(一)树立新工科人才培养理念

其一，《卓越工程师教育培养计划》是在我国主动应对世界新一轮科技革命和产业变革，深化工程教育改革的时代背景下提出的战略举措。在加快新工科人才培养，打造世界工程创新中心和人才高地的过程中，地方本科高校要创新人才培养理念，要结合学校实际，引入适合理工科人才培养的STEAM教育模式并将其本土化，用理念创新引领专业发展，驱动人才培养各个要素发挥作用。

其二，要深化人才培养模式改革，从课程建设、教学教法、教材建设、实习实践等维度，形成与新工科人才培养相适应的目标体系。

其三，要构建人才培养的支持体系，研究制约地方本科高校工科人才培养的瓶颈，从舆论宣传、教育教学、师资队伍、资源优化、制度保障等方面因地制宜地实施各项改革举措，形成支持人才培养的合力，构建适合本校工科发展的良好生态。

(二)建立多学科融合的课程体系

其一，在课程体系建设上持续完善工科课程模块化设置。根据专业人才培养需求，从素质拓展、基础技能、专业技能、专业综合能力、综合实习和创新实践等角度，完善专业课程模块化设置；将文化艺术、工程技术、数学等各学科知识予以交叉、整合和拓展，并利用在线资源平台打造专业模块课程群，培养学生对知识的综合理解和运用能力。

其二，加强课程教学与现实需求的联系。一方面，要将理论教学与现实问题相结合，将生产实践和现实生活中的具体问题链接到知识点，并引入课堂教学；另一方面，要对接行业企业需求，根据与专业相关行业企业的用人标准和技能要求，规划、调整课程设置与教学内容，使人才培养更具有导向性和针对性。此外，要全面突出工程实践能力培养，实现工程实践四年全程不间断，构建素养能力并重、理论实践相融合的课程体系。

其三，倡导教材教法创新。在教材选用上，可选择性地引入国外成熟的STEAM专业教材；或在借鉴美国相关STEAM教材的基础上，鼓励教师编写具有校本特色的工科专业教材；或将STEAM学科元素嵌入现有的教材内容，推动STEAM课程改革。在教学方法和手段上，要结合当地实际情况，遵循教育规律，不照搬西方模式，在已有课程的基础上，灵活把握教学目标，设计具有创新特色的学习形式[14]。可采用“项目化”课程教学模式，选取所在专业综合性比赛，将学生和指导教师划分为若干支训练队伍，围绕竞赛所需技能，将课程教学活动与竞赛训练相结合，以分组竞赛的形式考查学生的任务完成情况，从而提高授课学生的参与度和积极性。教赛结合的授课模式可使学生沉浸于跨学科知识学习和团队合作的竞赛模拟情境中，不仅能提升课堂教学的针对性和实用性，还能为学科竞赛的团队选拔奠定基础。

(三)培养具备跨学科教学能力的师资队伍

美国STEAM教育认证和培训已趋成熟，主要面向教育工作者(学校管理者、课外项目辅导员和图书管理协助员等)、社会人员(博物馆馆长、家长、家庭教师等)和项目人员三类群体，以虚拟与现实结合的方式提供培训认证[15]。目前国内针对STEAM师资的专业培训和认证还有待完善。因此，地方高校更应立足实际，主动作为，多措并举，以促进教师跨学科教学能力的提升。

其一，加强STEAM教学技能培训。在做好科学、技术、工程、艺术和数学等单独学科课程教学技能培训的基础上，借鉴美国教育工作者的STEAM培训经验，促进教师理解STEAM教育理念，提升高校教师多学科教学指导水平。如提升从单一学科领域到多学科领域融合的相关课程教学能力、理论联系实际的指导能力、STEAM教学活动设计能力、教学反思能力、引导学生创新思维和问题解决能力等。培养和建设一支具备较强STEAM教学技能的工科领域师资队伍。

其二，组建多学科交叉教学团队。根据人才培养方案和课程模块，组建涵盖STEAM相关学科、行业企业、社会机构等专业指导教师在内的教学团队，开展团队教学和指导，有效弥补个体教学在能力水平、知识体系和实践经验等方面的不足。选派教师到国外进修，提升STEAM双语教学技能。

其三，开展跨学科教学研讨和实践观摩。从美国的STEAM教学实践可以发现，STEAM教育活动设计主要分为准备阶段、实施阶段、改进阶段和反思阶段。准备阶段由学生独立完成，是在分析、选择、设计等基础上挑选所需材料和相应技术工具的阶段。实施阶段要求学生通过不断探索、实验及动手实践，综合运用科学、技术、工程、艺术和数学等知识来解决当前生活和社会所面临的问题。改进阶段要求学生提出改善活动的建议，从而培养学生的批判性思维和创新能力。反思阶段要求学生反思学习活动过程，实现巩固知识、优化认知结构和拓展新知识的目的[16]。对上述教学环节的组织实施，需要教师能够利用各种教学资源和信息技术手段，熟悉生产生活实际，具备学科融合教学指导等方面的技能。因此，除提供专业化培训外，地方本科高校还应为教师搭建教学研究和交流的平台，开展长期、持续、高质量且有针对性的教学研讨活动，促进教学资源和技术手段共享；推广共性教学案例的成功经验，探讨个性化教学问题的解决方案；组织教学团队成员观摩优质公开课，深入体验企业的实际生产过程或赴企业挂职锻炼，促进教学团队在课堂教学和生产实践中的经验积累。

(四)增强学生对现实问题的捕捉和解决能力

卓越工程师人才培养不仅要夯实学生的理论基础，更要培养学生的创新思维和动手能力，以及能解决现实问题的能力。

其一，地方本科高校要倡导研究性学习。以研究的视角和态度开展学习，是学生能力提升的基础和前提。教师要充分调动学生的主观能动性，激发其创新思维和求知欲，帮助学生夯实专业基础知识。培养学生理论联系实际的能力，能利用专业实习实践机会发掘生产生活中具有研究价值的现实问题，积极开展思考和探讨。

其二，形成以赛促学的良性循环。通过参加国家、省、市各级工科类大学生学科竞赛，以及国家级创新创业训练计划项目和省新苗人才计划项目等大学生科研立项，或根据课堂问题讨论、实习实践课题搜集，帮助学生组建本专业或跨专业研究团队，培养团队意识和协作能力，充分激发团队成员学习的自主意识、积极性，鼓励团队成员运用多学科知识，提出解决现实问题的可行性方案。学生通过参加学科竞赛，不仅积累了比赛经验，而且能够发现自身和团队在知识、能力、方法、合作等方面的不足，从而更好地促进专业学习。

其三，拓展全程化实践的资源平台。地方本科高校办学资源相对有限，因此，需要持续优化内部办学资源，使资源配置更符合新工科专业建设的发展方向和教学要求；主动拓展外部资源渠道，建立政府、高校、社会、企业间的紧密合作模式，充分利用各类科研创新实验平台、创业孵化中心、实习实训基地，构建工科实践教学所需的平台支持体系，实现工科专业全程化实践的培养目标。