STEAM教育理念下提升学生创新能力的新工科课程整合与创新探究

纪 霞 熊秋峨

（南通大学信息科学技术学院，江苏 南通 226007）

1 引言

工程教育专业认证下的新工科人才培养要求强化学生的创新能力，培养具有人文素养、职业道德、社会责任、有创新意识、创新实践能力的交叉复合型专业人才[1]。随着新工科建设的不断深入，课程教学改革成为地方高校发展的重要问题，而课程体系是否科学合理直接影响专业培养目标及毕业要求达成。跨学科融合顺应新宏观环境的客观需要，是推进新工科建设与发展的最有效途径，而STEAM教育以跨学科为基本特征、以创意培养为教育初衷，提倡社会责任感、人性化培养，基于STEAM理念的新工科建设，围绕地方高校创新人才培养需求，对人才培养方案、课程设置、教学内容等进行整合，是形成科学合理的新工科创新人才培养课程体系的最有效途径[2]。随着STEAM教育在国内的广泛发展，我国高校课堂教学改革对STEAM教育也有了应用，但因研究的时间较短，所以涉及的内容很浅显，教学内容停留在设计层面，依然处于探索、思考、改革的进程中。本课题结合STEAM教育的跨学科、项目式、创新意识培养、基于项目的问题驱动学习等理念，探索地方性高校新工科课程体系的建设路径。

2 新工科人才培养目标及毕业要求

以我校计算机科学与技术专业人才培养方案为例，根据工程认证标准，我校重新修订了计算机科学与技术专业2021版培养方案，培养目标为本专业培养坚持中国特色社会主义道路，拥护中国共产党领导，德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，培养具有良好的社会责任感、职业道德、科学人文素养和创新精神，掌握扎实的自然科学和计算机专业知识，具备计算思维和工程实践能力，能主动适应社会发展和技术进步需要，成为从事复杂计算机应用系统研究、设计、开发和管理等工作的高级工程技术人才，并主动服务于长三角经济一体化建设。毕业生要在品德、知识、能力和素质等方面应达到毕业要求12个指标点。

2.1 传统授课模式的主要问题

课堂教学以教师授课为主，学生普遍参与度较低，以操作系统课程为例，课程讲述的内容主要是理论和方法，知识点抽象繁杂，学生缺少工程设计思想，以教师讲授为主课堂教学模式，学生学习主动性不强，学习热情不高，学习效果不理想，在课程设计和毕业设计环节表现尤为突出，学生对基本理论概念理解不够，掌握不清晰，缺乏理论知识与具体应用的结合，缺少工程设计能力，工程素养较差。

2.2 问题驱动式的项目式教学模式

通过项目式教学模式的探索和改革，引导学生自主分析问题，获得解决问题的方法，通过设计教学分析案例，利用视频及各种影像资料，模拟设计过程，可以激发和调动学生的好奇心和学习兴趣，将学生的主动参与和教师的引导相结合，使学生获得工程设计思维、分析解决问题能力。

3 STEAM教育理念的本质与内涵

STEAM教育发源于美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的简称，后来又增加了艺术（Arts），是STEM教育的发展与完善。STEAM教育理念旨在以数学、技术、工程、艺术为基础，使学生掌握科学与技术知识。STEAM教育是以真实情境为基础，以跨学科整合培养创新人才的一种教育模式，是一种偏工科思维的学习系统，它以实际问题为导向，培养学生STEAM素养。与传统的教学模式相比较，STEAM教育有明显的实用性，而新工科提出的多学科交叉融合的创新工程人才培养模式，也与STEAM教育理念以培养工程思维为出发点，以项目为基础、多学科融合的教育模式不谋而合。STEAM创新人才培养模式教学实践是面向未来的发展趋势。

3.1 STEAM课程整合的特征

STEAM教育与传统的分科教学不同，它的基本特征就是进行跨学科整合，它将相关的课程进行有机交叉融合，相互协调作用，通过在众多的不同学科之间建立新的桥梁，将孤立的、分散的跨学科知识通过项目式学习形式进行交叉融合，形成完整的知识体系，并将其应用于实际的问题解决之中，使学生能够从完整、系统的视角去认识世界，认识社会。

3.2 以问题为导向的项目式学习

以问题为导向的项目式学习是一种新的教学方法，使用创新的方法和方案，通过学生的自主调研、探究，解决复杂问题。项目式学习是STEAM教学中连接各个学科的纽带，基于项目的STEAM课程旨在以动手操作的方式让学生发现、分析、设计、合作、创造并解决问题，培养其批判思维和问题解决能力[3]。

课程要建立基于项目的以问题为导向的学习方式。一般的工程问题都包含其他技术、科学和数学方面的问题，可以分为单一主题课程整合与创新、单元组合主题课程整合与创新、多学科课程整合与创新、完全跨学科课程的整合与创新。所使用的项目应该满足两点要求：一是要有实景，项目来源可以是教师自己的科研项目，也可以是企业前沿的项目或案例，也可以增设多课程实验，每一个项目都是真实的实景，都需要跨学科知识才能解决；另一个是大型。大型项目并不是某个小项目比例的放大，而是在解决大型项目时会衍生出无数新的问题，只有知识的融合贯通才能解决问题。因此，符合实景与大型两个特点的项目或问题一般都会涉及到工程的问题。以工程为核心的综合实践，正是新工科创新人才培养目标实现所需要的，如大数据下的私人订制旅游规划、人工智能、人脸识别考勤系统、智能医疗家庭管理等项目。在算法与程序设计部分典型的教学案例如微信运动步数排行，通过实例仿真实验、任务描述，将算法学习整个过程贯穿其中，建立模型，使用基本排序算法、快速排序及归并排序三种方法，进行不同数据规模下算法效率的比较分析。

4 基于STEAM理念的地方高校课程体系的整合

STEAM理念课程整合涉及教学理念、教学方式、学习评价等多个维度，是一种全新的教学观念及思考方式，可以在课程设计、实验实践课程、选修课、毕业设计中进行整合。也要加强校企合作，深度产教融合，通过走访企业开展校企合作，获取企业一线前沿的实际项目或案例，选取内容通过STEAM理念开展项目式学习。

我校修订后的计算机科学与技术专业课程体系考虑了计算机技术的发展，安排了相关计算机前沿的选修课程，同时设置了三个可供学生自由选择的特色课程选修模块，提供了2个综合实践类课程设计，增设了3门专业、学科交叉的课程，提供了多门研究型、创新创业课程和线上线下混合课程。

4.1 课程整合的要素

（1）在课程目标方面，要强调以工程教育为核心，支撑毕业要求为目标，加强学生学科知识间的联系，提高学生的创新意识、创新能力；（2）在课程内容方面，以解决复杂工程问题为基础，整合具有内在逻辑的多学科内容，各学科之间相互配合，围绕某一中心课题的方式组织教学，实现从以教师讲授为主的填鸭式教学模式，转变为以学生为主，不再是教师讲、学生听，而是学生真实地参与到问题的解决中去，通过教师参与指导的翻转课堂教学模式；（3）在课程价值方面，理解工程设计需要考虑多种方案，通过问题引导，学生组成方案小组，收集材料、制定方案，相互讨论，团队协作，不断尝试，最后展示成果，引发了学生的学习兴趣和参与意识，学会用工程与设计的思维和方法解决复杂工程问题，培养学生的工程素养、实践能力，提升学生的团队协作能力、动手能力、创新能力。

4.2 对教师的要求

（1）需要教师具备较强的组织能力、协调能力、责任心，通过项目式教学方式，教师指导学生在教学过程中提升自身的综合能力；（2）项目式教学方法除要求教师具有学科基础理论知识要求外，教师还要具有一定的工程实践能力，授课教师应具备较高的工程素养和综合能力，能主动结合自己的科研项目，积极使用微课、慕课，能够精心设计并实施项目式学习任务，能为大学生申报创新创业训练项目提供支持；（3）教师要善于激发学生的创造能力和团队协作精神，经常对项目式教学活动进行反思及持续改进，针对项目式教学活动中出现的问题及时进行改进，创建优秀教学内容，并能对教学效果进行科学合理的评价，从而为项目式教学模式的改革与探索提供理论依据和实践经验[9]。

4.3 教学流程设计

所有教学模式都是在一定教学理论指导下实现的，STEAM教育理念在当今“互联网+”的大环境下，立足创新人才培养的目标，新工科的专业课程要融合经济学、管理学、教育学、计算机科学与技术、人工智能等多学科，组织不同学院之间的教师进行交流，协同进行课程建设，从而提高学科融合的质量和效果，达到真正提高人才培养质量的目的。不同学科知识可以融合到一个实验项目中，既有课程的真实性，又能体现趣味性使学生获得乐趣。在课程设计环节，可以从横向和纵向两个维度考虑，进行相关课程融合和广域课程融合。精心营造情景化的教学环境，良好的课堂氛围能够有效提高学生学习的主动性和积极性，设计多元化的教学情境，教师要打破传固定化、流程化的思维模式，从如何组织教学、引导学生兴趣入手，营造情景化的教学环境，依据教学内容，设计教学环节，好的情景可以很好地展现知识所处的背景，为学生提供一个想象空间。教师从学生已有的知识经验出发，结合实际工程问题，设计项目式教学方案。在整个学习过程中，以学生为主导、教师指导为辅的方式，将学生分成几个研究小组，学生在小组中相互交流、讨论、探讨，使用各种检索工具进行材料收集，制定问题解决方案，进行设计，写成总结报告，进行成果展示。详细教学流程设计如下：

首先，教师积极制作微课、慕课等数字化资源，指导学生应用数字化资源进行课前预习，教师精心营造情景化的教学环境，提供创新设计情境资源，结合自己的科研课题或企业前沿工程项目给出需要完成的项目，在这个环节，学生进行材料收集，教师提出知识的重点难点，指导学生如何掌握项目，学生进行知识点衔接，培养学生的探索实践能力；接着，课堂内，教师进行案例分析，讲解知识点，由教师提供“支架”，通过项目式驱动引导学生在课堂教学过程中发现问题、思考问题，学生从不同视角探寻思路，教师针对学生提出的问题进行答疑解惑，提供同步引导，学生借助教师的帮助自主探索，此环节培养学生思考问题与解决问题的能力；然后，教师指导学生小组成员之间开展专题讨论，分工协作，完善各小组的设计任务书及可行性分析，并确定设计方案，通过小组协作的方式解决问题，教师同步引导答疑解惑，合作学习促进学生创造性思维的发展，激发学生参与热情，在问题解决过程中产生创意，并培养学生沟通与协作能力；最后，学生在教师的引导下对设计方案提炼升华，通过教学反思，优化教学方案，课程结束后，学生分享自己的成果，进行成果展示，报告要语言精练、逻辑清晰、设计计算分析过程要严谨准确，并相互交流心得和经验，总结不足，经过全过程的项目驱动式的学习，学生的创新能力将会得到很大的提高。

5 结语

综上所述，STEAM教育是在真实问题的情境中，以学科整合的方式培养学生多方面综合素养的一种教育模式，STEAM教育拓宽了学生获取知识的渠道，它更加重视学习的过程，是一种重实践的超学科教学理念，意在培养学生具备各学科的基础知识能力和综合运用能力，以支撑未来科技的长远发展，并为解决传统工科专业课堂教学存在的教学效果不佳、教学模式僵化以及解决复杂工程问题能力不足等问题起到非常重要的作用。深入学习STEAM教学理念，不断改革教学方法，将理论与实践相结合，并以创新、协调、绿色、开放、共享为发展理念，加快新工科建设步伐。