应用型高校实验室STEM 实践教学模式研究

李泽良 左 工

0 引言

大学在实践教学过程中，一般是通过实验课开展。学生在课堂学习理论知识，然后到实验室做实验，通常实验项目是验证型实验。而培养新时期应用型大学生的要求是学生具备自主设计实验项目，多学科联动创新，实验项目向设计型、综合型实验发展。STEM 实践教学模式是近年来欧美等发达国家提倡的新型实践教学模式，通过发挥学生主体创新能力，将理论与实践紧密结合，书本与实物紧密结合，自主设计实验方案，学生通过实验，可以培养多学科联动能力从而达到STEM 教学效果。

1 STEM 实践教学模式

1.1 STEM 实践教学模式构建

在基于STEM 的学习理论指导下，注重实验项目所包含的各种知识点，以及各种知识点背后各种学科知识的内在联系。实践教学不能仅仅是操作一下仪器，按几个按钮，得出数据，完成实验报告就算完成教学任务，STEM 教学模式不仅强调学生要解决问题而且强调完成任务过程中的认知活动。高校实验课大多是验证型实验，STEM 教学模式是设计型综合型实验。从提出问题，到找到问题，再到设计方案解决问题，最终完成实验项目，在这个过程中一整套STEM 教学模式得以充分发挥。

大学实验室可以根据STEM 实践教育在不同学科的应用，在设计实验项目时应根据专业特点灵活设置。STEM 实践教学模式对教师授课提出以下几个要求：我们为什么要让学生取得这样的学习成果？如何有效的帮助学生取得这些学习的成果？我们如何知道达到了教学要求的成果？带着以上几个问题教师在完成一个实践教学任务后及时总结经验，要明白成果不仅是学生所了解的书本知识，还应包括理论联系实践的能力，举一反三的能力，甚至可能涉及人生观价值观等因素。教学成果应兼具生活技能，注重实用性，否则容易变成片面的知识。STEM 实践教学尤其强调连续性，因把学生在大学学习的整个阶段作为实施STEM 实践教学整体，每一学期的阶段性成果及时总结，将阶段成果积累成最终成果。

2 STEM 教学模式实施建议

第一，实践教学一定要让学生成为主体，老师起到辅助作用。教师在设计STEM 实践教学时，不仅需要考虑多学科联动发展，弥补一门课程单一的知识点，更重要的是需注重多学科知识的内在逻辑。第二，发展学生的关键能力与核心素养，根据每个学生个体化差异，支持教师基于效果表现进行评价。实践教学不像理论课程有着明确考试分数，教师全程参与，全程互动，及时对STEM 教学效果做出评价。STEM 强调每个人都参与其中，强调人人精熟内容。所有的学生都能在学习上获得成功，虽然说失败是成功之母，但是成功的学习更会促进学习[1]。由于STEM 教学是多元化弹性的个性化学习模式，每个学生都是以精熟学习内容为目标，这样更可以通过学习完成自我挑战，实现实践教学效果最大化。第三，充分发挥新媒体、人工智能等新一代信息技术的作用。大学老师需要根据STEM 实践教学特点和学生的实际需求开展成果导向的STEM 教育环境。成果导向教育是衡量学生能够做什么，而不是学生知道什么，前者是传统教育无法做到的[2]。在工程应用中硬件环境建设和软件环境环境搭建方面融入新媒体、人工智能等技术，创设情境式智慧型的教学环境。STEM 实践教学强调的是知识的整合，而不是知识的割裂，是以成果导向决定学习目标而不是以教学进度决定学习目标。是合作学习，团队建设而不是竞争学习。

3 STEM 教学模式实践案例

3.1 STEM 教学实践模式流程

首先，营造STEM 教育环境，以证据导向驱动。高校实验室可以根据各自专业的特点、利用已有的软硬件条件和各个学科教育大纲的要求创造不同类型的STEM 教育空间，配置相应的软硬件设施，用于在学生学习过程中收集各种形式的证据，打造证据驱动的STEM 教育环境[3]。将新媒体技术融入STEM 实践教学环境中，通过关键节点追踪和大数据分析等各种手段收集教学效果全过程数据，做到全员参与，全员思考，全员动手，全员达到目标效果，为实现证据导向的STEM 教育实践和创新评估方式提供技术保障与环境支持。其次，基于实践教学要求的设计要明确教师的教学效果。实验室根据STEM 教育环境的软硬件条件，收集学生参与实验的有效度，对学生的学习效果进行评价。除此之外，STEM 可以通过网络视频辅助教学。STEM 实践教学的线上教学绝非等同于理论课，它可由各种智能终端、移动互联网技术组成。网络与课堂线上线下齐头并进都是促进学习的好方法，二者有机结合能够更好地为学习服务。最后，根据STEM 实践教学效果，教师对学生参与度，正确率，以及实验报告完成对STEM 实践教学效果评价。

3.2 基于大数据的STEM 测评系统的教学案例

我们以土木专业工程力学实践教学案例—“矩形截面梁纯弯曲实验”为例。本节课面向工科学生，在理论课堂上我们学习了纯弯梁的剪力和弯矩算法以及正应力的分布规律，在实践教学中，我们要求学生自己贴应变片，利用惠斯通电桥原理验证正应力分布规律。仅仅是添加了一个贴应变片的过程，不仅考查学生对正应力分布规律的掌握情况，还包括对学生的知识联动能力等的评估[4]。应变片的贴法，桥路的连接体现出多种知识的串联，不仅注重知识的内在逻辑，而且对解决同类问题产生经验帮助的效果。布置一下实验方案，帮助学生了解相关知识点与问题，然后引出实验的目的以及操作步骤。具体的方法是：第一步.介绍本次实验课相关的知识点，在了解该原理的基础上，带领学生分析矩形截面梁的受力；第二步、学生分组沿矩形截面梁横截面贴应变片；第三步，连接桥路，测试过程中让学生掌握惠斯通电桥知识点，加深对桥路的理解；第四步，理论值与实测值比较，找出误差；最后，在教师的引导下，分析误差产生的原因和如何减少误差。

4 小结

STEM 实践教学是一种先进的教学理念，在欧美等一些国家已经有了多年的理论实践，并且形成了一套完整的理论体系和实施模式，为了使我国应用型高等教育更好地适应社会发展需求，需要我们在STEM 实践教学理念的引导下，积极推进教学改革。