STEAM 教育理念在高校課堂的引入與實(shí)踐

李秀燕, 葉興梅, 陳賜海

（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建漳州363000）

STEAM 源于 STEM[1]，是一種融合五大學(xué)科門類：科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)(Mathematics)知識(shí)的跨學(xué)科教育模式.在該教育模式中，學(xué)生通過運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)或技能去解決具體問題，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取、工具使用和過程創(chuàng)新三者的有機(jī)統(tǒng)一［1］.21 世紀(jì)是教育信息化時(shí)代，隨著社會(huì)由工業(yè)化逐漸向信息化過渡，不可避免出現(xiàn)了理工、社科、人文、藝術(shù)等不同學(xué)科之間的交叉與融合， 這也將驅(qū)使STEAM 教育模式逐漸成為未來教育的一大熱點(diǎn).STEAM 教育強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通，要落實(shí)STEAM 的教育理念，應(yīng)著眼于探索教什么、怎么教、融合什么、怎么融合等問題.教育部高教司吳巖司長(zhǎng)［2］在第11 屆中國(guó)大學(xué)教學(xué)論壇報(bào)告中指出：課程是人才培養(yǎng)的核心要素，學(xué)生從大學(xué)里最直接、最核心、最顯效的受益是課程，課程是體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為中心”理念的“最后一公里”.在當(dāng)前全方位進(jìn)行STEAM 教育教學(xué)改革的熱潮中，若能選擇合適的專業(yè)課程，作為實(shí)施STEAM 教育的有效課程載體，使之能在具體的專業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐過程中滲透STEAM 教育理念，有效融合STEAM 教育模式，將有助于發(fā)揮STEAM 教育的實(shí)際教學(xué)效能，從而實(shí)現(xiàn)“培育‘創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型’人才”的教育目標(biāo).而《數(shù)學(xué)物理方法》是物理學(xué)專業(yè)繼高等數(shù)學(xué)之后又一門重要的數(shù)學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要用于解決科學(xué)、工程與技術(shù)領(lǐng)域中的相關(guān)問題.在全國(guó)高等教育“雙一流”建設(shè)、打造“金課”和全方位進(jìn)行STEAM 教育教學(xué)改革潮流下，本文以《數(shù)學(xué)物理方法》作為融合STEAM 教育的課程載體，通過選擇合適的教學(xué)案例，闡述如何在該課程授課過程中， 有針對(duì)性地嘗試和延展STEAM 教育理念， 以期加強(qiáng)不同學(xué)科之間的有益融合，體現(xiàn)STEAM 教育的具體教學(xué)功效，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.

1 STEAM 教育模式的內(nèi)涵

STEM 是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母組合而成.該教育于20 世紀(jì)90 年代，由美國(guó)科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的專家共同提出的一種教育模式.2006 年，Yakman[3]及其團(tuán)隊(duì)首次提出了STEAM 綜合性教育模式，它在STEM教育的基礎(chǔ)上增加了“藝術(shù)（Art）”部分，從而將該教育模式擴(kuò)展到人文藝術(shù)科目.STEAM 教育模式中，科學(xué)（Science）幫助人類正確認(rèn)識(shí)世界的規(guī)律，工程（Engineer）與技術(shù)（Technology）為人類提供改造世界的方法，藝術(shù)（Art）幫助人類以美好的形式呈現(xiàn)世界，數(shù)學(xué)（Math）則為綜合應(yīng)用科學(xué)、工程、藝術(shù)和技術(shù)提供思維方法和分析工具.

2 在《數(shù)學(xué)物理方法》課堂教學(xué)中引入STEAM 教育理念的可行性分析

STEAM 教育以發(fā)現(xiàn)問題、解決問題為導(dǎo)向，開展連接各個(gè)學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng).而數(shù)學(xué)物理方法則從解決物理、工程實(shí)際出發(fā)，提出并解決問題.課程的主要任務(wù)是使學(xué)生學(xué)會(huì)如何用數(shù)學(xué)的定解問題描述實(shí)際的物理或工程問題，并掌握求定解問題的多種方法，如分離變數(shù)法、傅里葉級(jí)數(shù)法、冪級(jí)數(shù)解法等.通常涉及三個(gè)主要的步驟：綜合運(yùn)用物理知識(shí)和數(shù)學(xué)工具導(dǎo)出定解問題；使用數(shù)學(xué)手段求解定解問題；方程解的物理意義分析.換而言之， 該課程可以以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)， 從工程和藝術(shù)的角度解讀科學(xué)與技術(shù)， 這與STEAM 教育理念不謀而合.

以問題為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式是STEAM 教育最主要的模式，該教育強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科之間的知識(shí)聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科的思維方式進(jìn)行學(xué)習(xí)和解決具體的實(shí)際問題，旨在促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展[4].而《數(shù)學(xué)物理方法》既是數(shù)學(xué)課程，同時(shí)又是物理課程.課程關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生是否具備應(yīng)用“數(shù)學(xué)語言”表述“物理問題”的能力、注重培養(yǎng)學(xué)生能否將數(shù)學(xué)思維應(yīng)用于分析物理、工程等領(lǐng)域上的問題.它的短期目標(biāo)是幫助學(xué)生掌握必要的數(shù)學(xué)知識(shí)和工具，為后續(xù)專業(yè)課奠定必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是豐富學(xué)生的數(shù)學(xué)思想，訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)學(xué)思維使之具備熟練應(yīng)用數(shù)學(xué)工具處理具體問題的能力.可見，《數(shù)學(xué)物理方法》 課程的性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)與STEAM 的教育理念有著異曲同工之妙.將實(shí)施STEAM 教育理念落實(shí)到該課程教學(xué)實(shí)踐的導(dǎo)向有一定的可行性和前瞻性，可使課堂授課從單純的傳授知識(shí)回歸到以人為本、綜合育人的軌道上來，踐行“以學(xué)生發(fā)展為中心”的理念.

3 引入STEAM 教育理念的課堂教學(xué)案例分析

下面以《數(shù)學(xué)物理方法》弦振動(dòng)問題中“一維波動(dòng)方程”這一教學(xué)設(shè)計(jì)為例，闡述在《數(shù)學(xué)物理方法》課堂教學(xué)中如何通過層層設(shè)問，融合并實(shí)現(xiàn)STEAM 教育教學(xué)理念.具體的教學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖1 所示.

圖1 “一維波動(dòng)方程”課例教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 The flow chart of the teaching design case for “one dimensional wave equation”

首先，是新課引入.要促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的形成，必須使學(xué)生的左右腦溝通更加流暢，巧妙的新課引入可在不知不覺中引發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心，增強(qiáng)理解力和想像力，對(duì)大腦產(chǎn)生有效刺激，從而促進(jìn)人腦潛意識(shí)創(chuàng)造靈感的迸發(fā).在本次教學(xué)中，以宋代蘇軾的《琴詩》：“若言琴上有琴聲，放在匣中何不鳴？ 若言聲在指頭上，何不于君指上聽？”[5]作為新課引入.給學(xué)生設(shè)問一：“這首詩蘊(yùn)含什么哲理？”借用作者在詩中的兩個(gè)提問，引導(dǎo)學(xué)生思考“如何發(fā)出琴聲”這一命題的主客觀條件.通過探討讓學(xué)生體會(huì)到《琴詩》的蘊(yùn)意：?jiǎn)慰壳?，或單靠手指頭都無法演奏出一首優(yōu)美的樂曲，曲目是否悅耳更依賴于演奏者豐富情感的表達(dá)和嫻熟技術(shù)的應(yīng)用.通過對(duì)一首名詩引發(fā)的哲學(xué)問題的探討作為新課引入，立意新穎，既可陶冶學(xué)生的人文情操，也有助于激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲.其次，就引入的話題展開設(shè)問二：樂器[6-7]的發(fā)展進(jìn)程是什么？（這通常是在課前提前布置，讓學(xué)生查找相關(guān)的資料.）經(jīng)討論后歸納關(guān)于樂器發(fā)展的三種說法：1)德國(guó)樂器學(xué)家C.薩克斯認(rèn)為：先是以搖響器為代表的噪聲器；再是鼓、撥弦、號(hào)角；最后是木琴、橫笛等樂器.2)英國(guó)學(xué)者T.F.R.烏博薩姆卻認(rèn)為是按照鼓類--笛管類--撥奏樂器類這樣的順序發(fā)展.3)奧地利音樂理論家R.瓦拉謝克則認(rèn)為笛管樂器為先，進(jìn)而形成歌唱和鼓類樂器.為了層層遞進(jìn)引入研究問題的需要，再設(shè)問三：樂器如何分類？ （這通常也是在課前提前布置，讓學(xué)生查找相關(guān)的資料.）經(jīng)討論后如表1[8]所示歸納展示.

表1 樂器的分類法Tab.1 Classification of musical instruments

通過樂器發(fā)展史和樂器分類的討論，學(xué)生已對(duì)樂器的種類以及不同樂器的發(fā)聲原理有一定的感性認(rèn)識(shí).

在切入波動(dòng)方程的求解這一具體授課內(nèi)容之前，采用層層的設(shè)問的方式插入琴詩、樂器等方面的內(nèi)容，能實(shí)現(xiàn)在日常教學(xué)中無形地滲透STEAM 理念中的藝術(shù)（Art）教育的目的，有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，提高理工科學(xué)生的人文素養(yǎng).接著同樣設(shè)問，問一：定解問題由幾部分組成？ 問二：泛定方程分為幾類？ 問三：定解條件包涵哪些條件？問四：哪些樂器的振動(dòng)可以用“一維波動(dòng)方程”來描述？最后歸納：吉他等弦樂器可以用一維弦的橫振動(dòng)模型來表示， 而笛子等管樂器可以用一維桿的縱振動(dòng)模型來描述.這樣就自然地將一維波動(dòng)方程與實(shí)際的樂器問題相關(guān)聯(lián).從而將與數(shù)學(xué)（Mathematics）相關(guān)的問題關(guān)聯(lián)到具體的科學(xué)（Science）和技術(shù)（Technology）問題中.

繼續(xù)設(shè)問：弦樂器的發(fā)聲方式的實(shí)質(zhì)是什么？ 從而將之前相對(duì)寬泛的樂器問題，具體化到某一確定的物理模型（弦樂器）當(dāng)中，為求解一維波動(dòng)方程作良好過渡.此時(shí)，可選擇一個(gè)具體的弦樂器如“吉他”作為教具，通過現(xiàn)場(chǎng)的感受，讓學(xué)生明白：弦樂器的發(fā)聲方式是依靠機(jī)械力量使張緊的弦線振動(dòng)發(fā)聲.接著以圖片的形式為學(xué)生展示不同的弦樂器，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注不同類型的琴演奏方式上（發(fā)聲發(fā)式）的差別，目的在于讓學(xué)生明白：弦樂器按發(fā)聲方式還可分為撥弦樂器（如吉他和琵琶）、拉弦樂器（如提琴類和胡琴類）和擊弦樂器（揚(yáng)琴類）.再將設(shè)問進(jìn)一步具體化：弦樂器不同的發(fā)聲發(fā)式，它們的定解條件有何不同？ 這個(gè)設(shè)問是將物理與技術(shù)問題回歸到具體的數(shù)學(xué)問題的核心所在.通過講解與討論， 讓學(xué)生明白不同的發(fā)聲方式與弦振動(dòng)的初始條件密切關(guān)聯(lián).結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的演示與視頻的播放讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)：對(duì)“撥弦樂器”而言，弦通常具有某種初始位移分布，而沒有初始速度；而對(duì)于“擊弦樂器”而言則是具有某種初始的速度，而沒有初始位移.在此基礎(chǔ)上，分別選取與“撥弦樂器”和“擊弦樂器”相對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn)[9]的兩個(gè)習(xí)題作為切入點(diǎn)，切入本節(jié)課的例題講解.此時(shí)，通過前面的層層鋪墊，學(xué)生已對(duì)這一原本抽象難懂的物理模型有了清晰明了的感性認(rèn)識(shí)，大大加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解與應(yīng)用能力.在具體習(xí)題的講解過程中，除了讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何用數(shù)學(xué)語言準(zhǔn)確地表述相應(yīng)的定解問題之外，還讓他們學(xué)會(huì)如何利用分離變量法或付里葉級(jí)數(shù)法詳細(xì)求解具體的物理過程.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)與授課過程， 可將STEAM 教育中的科學(xué) （Science）、 技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）無形地整合到具體的教學(xué)案例之中.

上述教學(xué)案例以一首詩引入新課，圍繞STEAM 的五個(gè)維度，設(shè)計(jì)一系列與樂器相關(guān)的問題，層層遞進(jìn)展開了“一維波動(dòng)方程的求解”的教學(xué)探究活動(dòng).在教學(xué)過程中通過融合STEAM 元素，促進(jìn)受教育者的人文素養(yǎng)得以提升、科學(xué)精神得以錘煉、知識(shí)得以貫通，技能得以精進(jìn)，以期達(dá)到促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的教育目標(biāo).

在數(shù)學(xué)物理方法的課堂授課中，還有許多類似的案例，都可用于滲透STEAM 教育理念.當(dāng)然，要融合與滲透STEAM 教育理念，要求在選擇具體的教學(xué)案例時(shí)應(yīng)盡量關(guān)注那些來源于物理、工程，以及生產(chǎn)、生活實(shí)際的問題；設(shè)問的問題要盡可能與全方位實(shí)施STEAM 教育的內(nèi)容相對(duì)應(yīng)；問題之間要有一定的梯度和關(guān)聯(lián).總之，設(shè)計(jì)的理念是通過完成相應(yīng)的案例教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科的交叉、融合與滲透，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.

4 結(jié)論

總之，STEAM 教育強(qiáng)調(diào)多門學(xué)科的交叉融合， 在當(dāng)前全方位進(jìn)行STEAM 教育教學(xué)改革和打造 “金課”的大潮中，探尋在高校課堂中引入STEAM 教育理念的途徑與方法，對(duì)提高課堂教學(xué)質(zhì)量，培育創(chuàng)新型、復(fù)合型和應(yīng)用型人才，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展將起極大促進(jìn)作用.開展STEAM 教育的關(guān)鍵在于如何在高校課堂的具體教學(xué)實(shí)踐中，通過巧妙的教學(xué)設(shè)計(jì)，將不同學(xué)科教育進(jìn)行有機(jī)融合，從而培養(yǎng)出全面發(fā)展的人才.廣大教育工作者還要繼續(xù)努力探索STEAM 跨學(xué)科教育創(chuàng)新模式， 改變學(xué)校教育生態(tài)， 培植STEAM 跨學(xué)科創(chuàng)新教育文化與群體，使STEAM 教育真正成為推動(dòng)本科教育變革、培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新型人才的重要?jiǎng)恿?