基于STEM的高校专业实践教学改革探索＊

刘海成，刘茹佳

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2.浙江农林大学风景园林与建筑学院，浙江 杭州 311300）

当前，中国高等教育的规模已是世界之最，作为名副其实的高等教育大国而非高等教育强国，在现有高等教育体系下培养的学生特别是工科学生虽然理论知识水平扎实，但普遍存在创新能力不足以及实践能力不强的问题，这些均会制约国家的进步及发展战略的实施。高校作为当前中国人才培养的摇篮，需进一步深化创新创业教育改革、不断夯实学生创新创业的厚实基础、不断增强大学生创新创业能力，进而为国家实施创新驱动发展战略、促进经济提质增效提供支撑。此外，在实现经济社会高速、高质发展的同时，对水生态环境及水资源保护与利用的工作不可忽视，尤其是经济发达地区。

长三角区域涉及中国中东部地区、长江流域三省一市，即江苏省、浙江省、安徽省和上海市，该区域在中国经济发展版图中极具重要地位。长三角区域是中国重要的水环境涵养区域，水域面积在区域总面积中的占比高于国内其他区域。丰富的水资源支撑地区经济的高速发展，但同时出现了水环境污染、水质性缺水等工业社会发展进程中的弊端。解决水环境问题正是给排水专业技术人员的职责所在，水环境污染的治理及健康水环境的保持需要大量的给排水专业人才。基于长三角区域一体化发展对给排水科学与工程专业人才的需求，放眼国家发展的战略所需，亟需培养适应新形势的创新创业型专业人才。

《中国STEM教育白皮书》指出，STEM教育有助于持续发挥作用，已然成为世界各国教育改革的战略选择[1]。STEM教育是跨学科、跨学段的连贯课程群，培养学生运用所学知识创造性解决问题的能力是STEM教育的主要目标。此外，创新教育及高校思想政治教育在工科人才培养中的地位愈发重要。鉴于此，本文面向经济发展背景下高素质综合性人才的需求，结合长三角区域一体化发展的国家战略，以苏州科技大学给排水科学与工程专业建设与发展为例，采用STEM教育理念对其实践教学模式进行探索。

1 STEM实践教学模式构建

传统的实践教学模式下，学生依据教师布置的作业或任务，通过操作仪器设备或绘图软件，获取实验数据或设计图纸，并最终形成实验报告或设计成果。上述实践教学环节采用的模式不能很好地调动学生的主观能动性，亦不能引导学生主动运用所学的知识去解决工程实践中存在的问题。与传统实践教学模式不同，STEM教育模式更加注重实践教学的项目化管理，涵盖教学大纲中的各个知识点以及各知识所对应学科的内在联系。STEM教学模式属于设计型、综合型教育模式，其构成要素包括提出问题、分析问题、解决问题等内容[2]。基于STEM的实践教学目标不仅考察学生的相关知识掌握能力，还应培养学生理论联系实际、举一反三解决工程应用问题的素质。因此，高校教师在设置实践教学环节时需根据不同的专业特点进行灵活设置。

1.1 项目选题

STEM教育模式是培养具有创新素养人才的重要依托，教育模式的实施前提是要求学生应具备相应的理科基础如科学、技术、工程和数学等。STEM教育理念以真实的问题为学习导向，通过项目式学习培养学生的问题意识、创新精神和科学素养。因此，开展STEM教育需在实践教学环节的项目选题上遵循以下2个原则：①需以问题为导向，强调问题源于现实世界；②以工程为导向，项目选题可来源于实际工程问题，但内涵要求高于实际工程问题。

STEM模式下的项目选题应契合专业教育背景。深刻理解专业人才的培养目标及培养过程中的核心要求，有利于开展基于STEM的项目选题工作。

给排水科学与工程专业是中国国民经济建设中的主要工科专业之一，培养适应时代发展、符合社会需求、解决工程问题的高素质工程技术专业人才。专业培养目标着眼于人才的能力、知识、素质3个方面的综合素养，如图1所示。在工程认证的大形势下，其中能力的培养体现在复杂工程问题的分析及解决能力、专业知识的获取及应用能力、基于社会发展的创新创业能力。知识的培养体现在扎实的专业理论知识、丰富的人文社科交往能力、基于社会发展的广泛的自然科学知识。素质的培养主要体现在三观正确的家国情怀、内涵丰富的健康人格、积极向上的健康体魄。诚然，在人才培养过程中，素质、知识、能力3个方面的关系较为复杂，总体来说三者既彼此独立又相互依存。良好的素质离不开丰富的知识与突出的能力，知识的获取离不开谦逊的人格和一心向学的能力，而能力的展现恰是完美人格与丰富知识的有机结合。这些要求对于培养合格的给水排水专业人才并服务社会至关重要，也是人才价值的体现所在。

1.2 项目设计

通过项目设计开展专业实践教学是培养人才的有效手段。在完成项目选题之后进行教学项目设计，项目设计需要体现科学调查与工程实践，以凸显培养学生主观能动性的意识、提升学生工程科学素养。基于STEM的项目式教学设计，其教学内容安排上应避免简单的拼接，尤其是杜绝无创新元素或有悖于STEM理念的内容出现在项目设计之中。另需注意，STEM教育的特点是可依据项目问题预计结果的方向，所以项目设计时需保留不同的目标探究路径，并针对可能技术路径的各元件，保持其不可固定性或灵活设置性。再有，STEM教育强调以科学调查为基础，所以项目设计之初就应预想到项目的实施流程，即项目实施应遵从工程实践的基本流程，注重分析问题和解决问题的能力[3]。

人才的培养应牢记其初心，即应是基于社会发展与需求的人才培养。对于高等学校教育，如果将高校比作工厂，学生既是原料也是产品，而社会即是市场，学生进入社会即是产品投放市场。毕业生进入社会后能否被社会所接受并真正融入社会发展进程甚或促进社会发展，是对人才培养的最为真实有效的检验手段。此外，项目设计也应充分考虑创新意识的培养。当前，社会的发展靠人才的竞争，而人才的区别不仅仅在于知识、能力、素质等方面的差别，创新意识、创新能力更是人才竞争中的关键要素。以往以知识传授为主的高等教育模式必须改变，创新创业意识教育必须贯彻到人才培养的全过程。

人才的培养不仅仅是对专业知识的掌握，更应该重视思想政治教育工作。思政教育是当前高等教育的热点。当今社会的发展进程中，用人单位对人才的需求已不是简单停留在对人的专业技术的需求，人才的社会责任感、主人公意识也是用人单位考核人才的关注点。作为高校教育的重要环节之一，专业实践环节也必须融入思政教育元素。为此，基于STEM教育模式的项目选题必须兼顾实践教学中的思政融入点，并挖掘合适的思政元素以贯彻到整个项目过程，在实践教学中提升学生的专业认同感、社会责任感、工程伦理观和职业道德观。

2 基于STEM理念的“给水排水管道工程”教学设计

以给排水科学与工程专业核心必修课“给水排水管道工程”课程设计为例，进行基于STEM理念的实践教学设计。

2.1 实践教学目标

“给水排水管道工程”课程设计主要是为了配合本科生“给水工程”“排水工程”和“给水排水管道系统”课程的教学内容，是很重要的实践环节。其主要目的是使学生熟悉并掌握给水和排水管网的设计程序，并使学生在教师辅导下，基本能达到独立设计给水和排水管网的能力，培养和提高学生计算能力、设计和绘图的实践水平。学生通过给水排水管道工程的理论学习，应具有压力管道、重力流管道布置以及水力计算、技术经济比较的能力。通过该课设，学生应完成城市给水管道、城市污水管道、城市雨水管道的规划方案确定、平面布置、纵断面设计等工作，并具有较好的水力计算能力和一般的施工方法确定的知识。

此外，通过课程设计的实施，还应达到以下2方面的目标：①创新教育方面。学生能够基于STEM理念，在给水排水管道系统的设计、维护等方面不拘于理论及常识，创新性地运用新工具、新思路开展方案设计、运行维护等工作。比如运用新技术开展给水排水管道检漏，以提升管网维护效率。②思政教育方面。基于STEM理念的教育模式，能够将给水排水管道系统与社会发展进程中的热点现象有机结合，真正意义上做到运用专业知识服务社会发展与国家建设大业，增强学生的家国情怀。例如强化给水管道水质保障能力，确保人民的饮水健康，切实做到以人为本的社会高质量发展。又如提升污水管道的抗渗能力，杜绝污水外渗导致对水环境的影响，切实服务于生态文明建设的需求。

2.2 实践教学设计思路

依据上述的实践教学目标，结合STEM的教育理念，实践教学环节的设计应从单学科知识的应用转为多学科知识的综合应用，并通过富有创新的方式方法来解决生活实际问题。为使学生获得积极的体验和丰富经验、养成主动探究工程问题的习惯并形成问题意识，实践类课程设计应以发展探究能力和创新精神为终极目标。实践类课程主题设计流程如图2所示。

由图2可知，实践类课程设计流程融入了STEM教育理念和教师的专业素养，整个实践课程以学生为中心，学生由被动转为主动，注重培养学生的思维创新、动手实践等综合能力。具体介绍如下：①实践教学主题以学校专业培养大纲为准，选题既要贴近生活，又要高于生活，同时也应具有挑战性。②活动目标主要体现行业转型升级所需的创新精神。③设计与制作环节，学生需调研分析教师所提出的主题问题，进而运用所学的知识来完成相关的任务。此过程中，教师作为指导者，督促并帮助学生学会使用多学科的知识点完成更高质量的作品。④测试与优化环节，学生将初步完成的作品进行试验分析与验证，针对不足的环节进行反馈完善；学生向教师展示作品，评价团队成员的表现以及自我的表现与反思。同时，教师对学生作品进行评价，进一步反思教学中的不足。⑤拓展应用是评价学生作品的实战方法，也是评价教师主题选取是否得当的途径。若该作品可通过学生竞赛或可孵化为创新创业训练项目，则可进一步提升学生下一层次的实践环节。另一方面，教师亦可通过主题项目的反思，为下一个实践环节主题选定提供参考。

3 结束语

相比传统的实践教学环节，STEM教育理念是一种较为先进的教学模式，其在欧美等国家已进行了多年的实践。中国的社会发展已进入高速高质量发展阶段，社会面临的问题及矛盾也愈发突出，如社会发展与人口红利之间的矛盾、技术更新与资源利用方面的矛盾、产业结构与经济发展方面的矛盾等等。粗放性的社会经济发展模式正在转向集约型，产业结构持续调整，以人为本、科技支撑、资源节约型社会发展模式已成常态。在此背景下，具有创新能力强、思政意识浓的技术技能型人才需求愈发凸显。基于STEM教育理念，改革人才培养模式、提升人才培养质量是对中国经济社会发展新态势的有利支撑，同时也会促进中国由高等教育大国向高等教育强国转变。为使中国应用型高等教育更好地适应社会发展需求，需要广大高校教师队伍在STEM实践教学理念的引导下，积极主动推进实践教学改革。