基于STEM 理念“小中大”融合式科學(xué)工程教育研究

摘 要 工程教育是培養(yǎng)國(guó)家后備科技人才的核心戰(zhàn)略支柱，已成為教育界密切關(guān)注的需求熱點(diǎn)。當(dāng)前國(guó)家已在高等教育階段以工程認(rèn)證的形式構(gòu)建工程類專業(yè)教育框架，但由于機(jī)械化應(yīng)試教育的短視性，僅在高等教育階段短期實(shí)現(xiàn)工程師的培育缺乏合理性。近年，STEM 教育理念在各國(guó)逐漸啟用發(fā)展，對(duì)我國(guó)變革傳統(tǒng)教育理念，實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合的工程通識(shí)教育具有積極的指導(dǎo)意義。基于STEM 教育理念，開辟適用于全階段學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)道路，實(shí)現(xiàn)“小中大”學(xué)段的一體化培育，可以為我國(guó)工程人才長(zhǎng)期戰(zhàn)略發(fā)展提供正向價(jià)值與啟示。

關(guān)鍵詞 工程通識(shí)教育;STEM 理念;“小中大”一體化;科學(xué)素養(yǎng);學(xué)科融合

隨著社會(huì)進(jìn)步，科技發(fā)展對(duì)綜合型創(chuàng)新型人才的需求度提升，同時(shí)，以ChatGPT 為代表的人工智能取代機(jī)械性社會(huì)工作已經(jīng)成為了時(shí)代趨勢(shì)，社會(huì)對(duì)于人的創(chuàng)造性要求不斷提高，工程技術(shù)人才的培養(yǎng)對(duì)于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的重要性日益凸顯。卓越工程人才掌握國(guó)家重要工程技術(shù)，是將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的戰(zhàn)略人才。2017年，教育部發(fā)布《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，這是我國(guó)高校工程專業(yè)認(rèn)證方面的自發(fā)性實(shí)踐探索，即在高等教育階段通過工程認(rèn)證的12條標(biāo)準(zhǔn)初步塑造學(xué)生的基本工程素養(yǎng)。然而，工程師的培養(yǎng)是長(zhǎng)期且穩(wěn)定的階段性過程，初始化工程能力的培養(yǎng)不能僅起步于高等教育階段，這12項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)必須在“小中大”（小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)）逐步貫徹。因此，工程能力的培養(yǎng)需要開辟一條適用于全階段學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培育道路。

2023年11月9日，于法國(guó)巴黎舉行的聯(lián)合國(guó)教科文組織第42屆大會(huì)通過了在中國(guó)上海設(shè)立教科文組織國(guó)際STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）教育研究所（UNESCO IISTEM）的決議。各國(guó)構(gòu)建STEM 教育合作平臺(tái)培養(yǎng)綜合性創(chuàng)新人才，通過數(shù)字教育平臺(tái)共享優(yōu)質(zhì)教育資源，開展以可持續(xù)發(fā)展為主題的綠色教育。STEM 是全新的教育理念，它系統(tǒng)化闡釋技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及科學(xué)四門學(xué)科之間的交互融合的思想，將藝術(shù)、寫作、閱讀以及社會(huì)研究等學(xué)科進(jìn)一步擴(kuò)展鏈接[1]。它應(yīng)國(guó)際教育的系統(tǒng)性變革需求而生，針對(duì)未來科學(xué)與工程教育，教育組織需要破除長(zhǎng)期性的學(xué)術(shù)板塊分割，促進(jìn)基于科學(xué)、技術(shù)、工程實(shí)踐、數(shù)學(xué)的跨學(xué)科融合。雖然STEM 教育的實(shí)用性與前瞻性在我國(guó)逐漸凸顯，但目前的STEM 教育仍滯留在探索階段。愛爾蘭是早期開發(fā)STEM 教育的國(guó)家之一，當(dāng)?shù)卣疄閷W(xué)者提供STEM 教育體驗(yàn)，統(tǒng)籌全學(xué)段的教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn) STEM 教育的連續(xù)性和可持續(xù)性[2]。區(qū)別于分科教育，STEM 教育是跨學(xué)段界限的統(tǒng)整式、連貫式的新科學(xué)教育模式。它引導(dǎo)學(xué)生思考生活現(xiàn)象，培養(yǎng)其綜合分析和解決問題的能力，注重學(xué)習(xí)者在實(shí)際應(yīng)用中的理解與遷移[3]，從而實(shí)現(xiàn)縱向上螺旋上升式的學(xué)科遞進(jìn)，橫向上環(huán)節(jié)交織式的學(xué)科融合。筆者貫徹STEM 教育理念，在“小中大”階段應(yīng)用縱向的螺旋遞進(jìn)式培養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)橫向的學(xué)科交互式融合，基于學(xué)生成長(zhǎng)規(guī)律，協(xié)同推進(jìn)“小中大”階段式工程能力的培養(yǎng)。表1為“小中大”階段培養(yǎng)意義：

1 小學(xué)階段：塑造科學(xué)興趣認(rèn)知，啟蒙工程思想意識(shí)

小學(xué)是工程能力培養(yǎng)的初級(jí)階段，其培養(yǎng)核心在于思想啟蒙。近年來由于科學(xué)教育發(fā)展遲緩，初級(jí)階段的學(xué)生缺乏必要的科學(xué)素養(yǎng)，思維能力薄弱，尚未構(gòu)建知識(shí)體系。且相較于高等教育，初級(jí)與中級(jí)階段的教育工作者缺乏培養(yǎng)學(xué)生工程能力的意識(shí)?；谖覈?guó)初級(jí)階段教育現(xiàn)狀，將STEM 教育理念應(yīng)用于小學(xué)階段教育對(duì)我國(guó)人才培養(yǎng)戰(zhàn)略含有難以預(yù)估的積極意義。小學(xué)階段的培養(yǎng)體系可精細(xì)劃分為興趣培養(yǎng)模塊、認(rèn)知塑造模塊和課程銜接模塊。

1.1 興趣培養(yǎng)

隨著時(shí)代發(fā)展，全社會(huì)教育需求性也呈現(xiàn)持續(xù)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而傳統(tǒng)教育注重單科知識(shí)的機(jī)械傳授和技能培訓(xùn)，學(xué)科關(guān)聯(lián)性薄弱。STEM 教育注重在真實(shí)情景下，使學(xué)生自主運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和技能解決實(shí)際生活問題，具有較強(qiáng)的學(xué)科關(guān)聯(lián)性。相較于輸入式學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)教育，輸出式學(xué)習(xí)的STEM 教育更能發(fā)揮學(xué)生主體作用，主動(dòng)應(yīng)用理論知識(shí)積極解決問題，而不是被動(dòng)地接受知識(shí)。學(xué)生要樹立“生活即是學(xué)習(xí)”的思想，從個(gè)人對(duì)生活現(xiàn)象的主動(dòng)思考，到小組之間的溝通與協(xié)作正是學(xué)生主動(dòng)探究實(shí)際生活問題的過程，也是科學(xué)興趣培養(yǎng)的教育過程，這同時(shí)對(duì)應(yīng)工程教育中“溝通”能力的培養(yǎng)。

1.2 認(rèn)知塑造

小學(xué)階段普遍的輸入式學(xué)習(xí)導(dǎo)致學(xué)生積極性不足，學(xué)習(xí)效率降低，缺乏理性思考的能力，知識(shí)體系構(gòu)建緩慢。因此，小學(xué)階段的認(rèn)知塑造離不開具體事物的支撐。通過模擬真實(shí)情景，聯(lián)系實(shí)際生活，幫助學(xué)生知識(shí)內(nèi)化，聯(lián)系抽象知識(shí)與具體問題，直觀感受解決問題所需求的知識(shí)技能，加深學(xué)生與現(xiàn)實(shí)生活之間的聯(lián)系，促進(jìn)知識(shí)體系的構(gòu)建，通過“學(xué)以致用”的方式發(fā)展先進(jìn)思維能力，從而深化認(rèn)知塑造過程。

1.3 課程銜接

小學(xué)階段學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)欠缺，生硬抽象的原理概念容易導(dǎo)致初級(jí)階段學(xué)生出現(xiàn)知識(shí)斷層現(xiàn)象。同樣，基于雙減政策，功利化、填鴨式的教育模式并不適用于初級(jí)階段科學(xué)素養(yǎng)的提升?；赟TEM 教育理念，可以通過生活科學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行課程的銜接，如表2所示。例如“摸不到的魚”：由圖1所示，通過觀察水中物體曲折現(xiàn)象，了解光的折射規(guī)律，銜接中學(xué)物理等物質(zhì)學(xué)科，為中學(xué)階段借助基礎(chǔ)物理儀器進(jìn)行原理研究鋪墊。

2 中學(xué)階段：推進(jìn)理論具象融合，精進(jìn)實(shí)踐能力培養(yǎng)

隨著國(guó)家對(duì)STEM 教育的重視與引進(jìn)，STEM 教育主題文獻(xiàn)數(shù)量逐步上升，對(duì)其中文獻(xiàn)第一作者所屬研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)，源自高校、教研部門、中學(xué)的文獻(xiàn)比例分別為29.33%、4.55%、67.12%[4]。這表明中級(jí)階段教育逐漸占據(jù) STEM 教育的主體地位，同時(shí)在工程能力培養(yǎng)流程中起著承上啟下的砥柱作用。

中學(xué)階段工程能力的培養(yǎng)，其核心是提升學(xué)生自主融合知識(shí)技能與實(shí)際工程問題的能力。在此階段要以實(shí)現(xiàn) STEM 教育的連續(xù)性和可持續(xù)發(fā)展性為本，符合學(xué)生成長(zhǎng)的規(guī)律，避免斷層式、分離式的STEM 教育。經(jīng)過小學(xué)階段的啟發(fā)式培養(yǎng)，中學(xué)生已經(jīng)具備信息搜集、數(shù)據(jù)分析、自主學(xué)習(xí)的特質(zhì)，具有解決簡(jiǎn)單工程問題的能力。因此，不同于重在啟蒙教育的小學(xué)階段，中學(xué)階段的人才培養(yǎng)要更加具象化、綜合化、體系化。

2.1 聯(lián)系工程實(shí)際問題，優(yōu)化多元課程體系

中學(xué)階段的STEM 教育是初級(jí)階段STEM教育體系的發(fā)展和延伸，其目的是培養(yǎng)中學(xué)生的科技創(chuàng)新思維，提升其對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，為大學(xué)階段的STEM 教育指引方向，為工程師的培育奠定基礎(chǔ)。

中學(xué)階段STEM 課程體系的建立需要聯(lián)系小學(xué)啟蒙階段，設(shè)計(jì)課程教材時(shí)要充分考慮到學(xué)習(xí)階段之間的關(guān)聯(lián)度，同時(shí)根據(jù)時(shí)代發(fā)展更新教材中的工程案例，讓學(xué)生深刻理解課堂的知識(shí)源于時(shí)代生活。因此教育工作者要建設(shè)更加多元化的課程體系，而教學(xué)書籍作為其課程體系的具體表現(xiàn)形式之一，是理論教學(xué)的核心載體，因此如何設(shè)置“工程師化”的教材內(nèi)容是一個(gè)值得關(guān)注的問題。表3列舉了部分中學(xué)物理課程與科學(xué)領(lǐng)域的銜接。

2.2 完善工程能力標(biāo)準(zhǔn)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用水平

通過系統(tǒng)研究中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證通用12條標(biāo)準(zhǔn)，工程師要能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析數(shù)據(jù)、并通過信息綜合處理得到合理有效的結(jié)論。STEM 教育理念希望全階段的學(xué)生發(fā)掘理解力與創(chuàng)造力，在面對(duì)生活中的具體問題時(shí)，通過實(shí)踐去得到答案，因此，學(xué)生能力的提升比獲取知識(shí)本身更加重要。而僅在大學(xué)階段起步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)素質(zhì)的提升，中學(xué)階段只重視理論思維能力和知識(shí)運(yùn)用能力的培養(yǎng)，難免會(huì)出現(xiàn)科學(xué)教育與工程教育上的階段性斷層。教育工作者要在中學(xué)階段初步組建實(shí)驗(yàn)體系，將STEM 教育理念與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，以此全面搭建高質(zhì)量教育銜接框架。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)板塊仍屬于科學(xué)教育的范疇，其與STEM 教育之間的交集點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維與實(shí)際動(dòng)手解決科學(xué)問題的能力。針對(duì)工程問題的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是將二者緊密結(jié)合的最優(yōu)方式。必須以實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為根本立足點(diǎn)，通過實(shí)踐的形式，將教育內(nèi)容與STEM 教育理念結(jié)合。相比于讓學(xué)生直接吸收公式、定理等基礎(chǔ)知識(shí)，在遇到涉及到物理、化學(xué)等學(xué)科規(guī)律的實(shí)際工程問題時(shí)，教育工作者應(yīng)更注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。例如物理學(xué)科擁有復(fù)雜的知識(shí)結(jié)構(gòu)和龐大的知識(shí)體系，要實(shí)現(xiàn)STEM 理念在中學(xué)物理中的應(yīng)用，需要以實(shí)際工程問題為起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)學(xué)運(yùn)算并對(duì)物理問題進(jìn)行解析，從而建立學(xué)科思想的高質(zhì)量聯(lián)系[4]。區(qū)別于小學(xué)階段以激發(fā)好奇心與創(chuàng)造力為根本目標(biāo)的啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，中學(xué)階段的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)置也需要完善，但卻并不如大學(xué)階段深入，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)體系初步嚴(yán)格化的階段。在激發(fā)學(xué)生求知欲望的同時(shí)，對(duì)數(shù)學(xué)，信息等基礎(chǔ)工具學(xué)科類的應(yīng)用也將更加熟練。中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)主要分為兩種，前者是偏重于測(cè)量與證明性質(zhì)的驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，如力學(xué)中驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律與機(jī)械能守恒定律，電學(xué)中改裝歐姆表并測(cè)量電阻，光學(xué)中小孔成像的觀測(cè)與折射率的測(cè)量等。第二種是偏重應(yīng)用性質(zhì)的設(shè)計(jì)性進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，利用所學(xué)物理知識(shí)制作簡(jiǎn)易氣壓計(jì)和密度計(jì)，水火箭的制作，孔明燈的制作等[4]。STEM 研究工作者AnneJolly將美國(guó)青少年的工程設(shè)計(jì)問題具體劃分為8個(gè)步驟[5]：定義問題、背景研究、想象、計(jì)劃、創(chuàng)造、測(cè)試與評(píng)估、重新設(shè)計(jì)、交流，如圖2所示。

根據(jù)工程能力認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，筆者設(shè)計(jì)了“小中大”一體化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的一般流程，如圖3所示。

3 大學(xué)階段：聚焦前沿科技核心，嵌入工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)

目前，工程認(rèn)證體系在高等教育階段已相對(duì)完善，但尚有發(fā)展空間。而STEM 教育下的大學(xué)生已經(jīng)掌握基礎(chǔ)工程知識(shí)，但難以將前沿科技應(yīng)用與理論知識(shí)結(jié)合以解決復(fù)雜的實(shí)際工程問題。相較于小學(xué)階段與中學(xué)階段，大學(xué)階段的教育普遍出現(xiàn)教師課堂泛讀書本，學(xué)生接收信息有限或未接收信息的問題。而這些問題往往源于教學(xué)內(nèi)容晦澀難懂、學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性變低，教師教學(xué)材料冗雜過舊。其后果便是大學(xué)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄蠋熛笳餍越虒W(xué)，學(xué)生突擊型復(fù)習(xí)”的無用功模式。在這種長(zhǎng)期無用功模式的負(fù)面影響下，大學(xué)階段的培養(yǎng)將難以達(dá)到培養(yǎng)工程師的標(biāo)準(zhǔn)。因此在高等教育階段需要實(shí)現(xiàn)工程能力培養(yǎng)的通識(shí)化、數(shù)智化、高效化。

3.1 深化課堂教學(xué)，涵蓋時(shí)代創(chuàng)新

知識(shí)的性質(zhì)之一便是時(shí)間迭代性。無論是從地心說到日心說的跨越，還是比薩斜塔的實(shí)驗(yàn)，都反映出理論知識(shí)的更替。隨著時(shí)代的發(fā)展，眾多學(xué)科的理論與內(nèi)涵也在不斷更迭。因此在教學(xué)活動(dòng)中，教育工作者要應(yīng)用STEM 教育理念，融合時(shí)代前沿工程問題，并將其融入課程之中，以此確保知識(shí)“新鮮度”。在具體課堂教學(xué)時(shí)，教師可結(jié)合近年與授課內(nèi)容相關(guān)的高質(zhì)量期刊文獻(xiàn)，甚至將近年來的科研獎(jiǎng)項(xiàng)獲得者與其貢獻(xiàn)融入到測(cè)驗(yàn)與作業(yè)之中[6]，讓學(xué)生們感受到，那些定理與公式并不是枯燥乏味的，而是和世界與時(shí)代息息相關(guān)的，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性。另一方面，面對(duì)較為抽象的專業(yè)理論，例如激光的產(chǎn)生過程，可以以動(dòng)態(tài)模型的形式促進(jìn)學(xué)生的理解，激發(fā)科研熱情。

3.2 統(tǒng)整實(shí)驗(yàn)技能，開展項(xiàng)目研究

中學(xué)階段已經(jīng)進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)步驟體系的初步完善，而大學(xué)階段需要統(tǒng)整更精密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕A(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作步驟去應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，這是科學(xué)素養(yǎng)的提升應(yīng)用，更是工程能力的培養(yǎng)需求。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)方面，筆者以具體的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為實(shí)例，以此表現(xiàn)工程師培養(yǎng)在三個(gè)階段循序漸進(jìn)的過程。運(yùn)用“小中大”一體化實(shí)驗(yàn)步驟，在小學(xué)階段從生活現(xiàn)象出發(fā)，進(jìn)行簡(jiǎn)單科學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，初步塑造工程意識(shí);中學(xué)階段以小學(xué)階段實(shí)踐活動(dòng)為基礎(chǔ)進(jìn)階，初步設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)方法，樹立嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度，為大學(xué)階段的課題項(xiàng)目式培養(yǎng)打下基礎(chǔ);大學(xué)階段是中學(xué)階段實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步深入，由表及里，層層遞進(jìn)，在現(xiàn)象與結(jié)果中進(jìn)行精密理論的研究、實(shí)際工程的應(yīng)用。如圖4 三棱鏡“小中大”科學(xué)工程進(jìn)階過程;圖5以小孔成像現(xiàn)象的觀察作為實(shí)例，展示在STEM 理念下小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)遞進(jìn)式培養(yǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕静襟E。圖6為大學(xué)階段弗朗禾費(fèi)圓孔衍射觀察圖。在基于STEM 教育理念的小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)學(xué)習(xí)融合的過程中，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作與溝通能力會(huì)得到提升，科學(xué)與價(jià)值觀念也會(huì)基本建立，逐步達(dá)到工程師的標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，大學(xué)階段學(xué)生培養(yǎng)不應(yīng)只停滯于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘鼞?yīng)傾向于項(xiàng)目式工程設(shè)計(jì)，這也是接觸復(fù)雜工程問題的直接途徑。

項(xiàng)目式工程設(shè)計(jì)是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的形式，是以學(xué)生為中心的實(shí)踐性教學(xué)模式，是知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力，形成批判性思維。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)通常與專業(yè)課程理論相結(jié)合，是STEM 多學(xué)科疊加融合的體現(xiàn)。如光學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生普遍了解光的傳播特性，具有光學(xué)器件、工程光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)的離散型知識(shí)框架，但缺乏系統(tǒng)的拓?fù)湫驼J(rèn)知結(jié)構(gòu)。在STEM 理念下，大學(xué)光學(xué)的項(xiàng)目式設(shè)計(jì)將理論知識(shí)用于實(shí)際工程問題，實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件等學(xué)科的融合，凸顯“教、學(xué)、做”一體化進(jìn)程。筆者將項(xiàng)目式工程設(shè)計(jì)理念概括為“三性”，即專業(yè)生產(chǎn)性、工程實(shí)踐性、創(chuàng)新開放性。

專業(yè)生產(chǎn)性：結(jié)合理論課程，提取符合實(shí)際工程生產(chǎn)的內(nèi)容，使課程學(xué)習(xí)內(nèi)容和環(huán)境與實(shí)際工作對(duì)應(yīng)。

工程實(shí)踐性：以設(shè)計(jì)、仿真、制作、調(diào)試為基本流程，融合實(shí)習(xí)性質(zhì)的學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生依據(jù)先進(jìn)的工作流程，完整地完成一個(gè)實(shí)際工程產(chǎn)品的開發(fā)與制作。

創(chuàng)新開放性：讓知識(shí)走出課本，發(fā)揮學(xué)生“向?qū)W性”，自主開發(fā)新的工程項(xiàng)目。

項(xiàng)目正式設(shè)計(jì)前，需要教師在課程中以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，布置工程設(shè)計(jì)任務(wù)，提供設(shè)計(jì)材料。學(xué)生針對(duì)課題進(jìn)行需求分析與方案制定，運(yùn)用仿真軟件初步設(shè)計(jì)調(diào)試，體現(xiàn)專業(yè)生產(chǎn)性。

在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生講解項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路和仿真效果，并通過自主實(shí)物制作去解決實(shí)際工程問題，取得階段性成果后開展小組討論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，體現(xiàn)工程實(shí)踐性。

評(píng)價(jià)階段，突出學(xué)生成果講解展示，教師運(yùn)用OBE評(píng)價(jià)理念，以“設(shè)計(jì)報(bào)告（50%）+創(chuàng)新開放意識(shí)（30%）+實(shí)物講解展示（20%）”的標(biāo)準(zhǔn)，采用形成性評(píng)價(jià)和創(chuàng)新性評(píng)價(jià)相結(jié)合方式考核，體現(xiàn)創(chuàng)新開放性。如圖7為基于鏡面反射的激光拾音技術(shù)工程設(shè)計(jì)原理圖。

筆者認(rèn)為，項(xiàng)目式工程設(shè)計(jì)是工程教育的階段性總結(jié)，同時(shí)形成科學(xué)教育的閉環(huán)。而STEM教育理念本質(zhì)上是對(duì)科學(xué)教育的實(shí)踐性研究，要以科學(xué)教育完善工程教育，以工程教育為導(dǎo)向促進(jìn)科學(xué)教育，或者說，科學(xué)教育是工程教育的原理性環(huán)節(jié)，工程教育是科學(xué)教育的實(shí)用性環(huán)節(jié)。

作為工程教育的結(jié)點(diǎn)，項(xiàng)目式工程設(shè)計(jì)中，學(xué)習(xí)者自由構(gòu)建生活情境、自發(fā)思考實(shí)際問題、自驅(qū)探索解決方法、自主運(yùn)用所學(xué)科學(xué)知識(shí)，真正聯(lián)系理論與實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用。國(guó)家倡導(dǎo)的科學(xué)教育具有啟發(fā)性與融合性，項(xiàng)目式工程設(shè)計(jì)是對(duì)多學(xué)科的最終型綜合性應(yīng)用。真正的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是在工程教育與科學(xué)教育之間構(gòu)建內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)習(xí)，工程教育的實(shí)質(zhì)是工程能力的培養(yǎng)，而科學(xué)教育的意義是科學(xué)素養(yǎng)的提升，植根于生活的科學(xué)性教學(xué)（如中學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)、小學(xué)科學(xué)課程）必然形成工程能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)聚焦實(shí)際問題，綜匯學(xué)科領(lǐng)域，以創(chuàng)造新事物、新作品的方式，高效完善科學(xué)教育中多學(xué)科橋梁的筑建，豐富科學(xué)教育的內(nèi)涵，是對(duì)工程能力的考核，更是對(duì)科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用、科學(xué)素養(yǎng)的檢驗(yàn)。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，教育工作者進(jìn)一步培養(yǎng)并檢驗(yàn)學(xué)生的工程素養(yǎng)，總結(jié)完善工程教育，解決書籍資料與生活情景割裂的問題，使學(xué)生在設(shè)計(jì)應(yīng)用中統(tǒng)整科學(xué)工程體系，自主開拓知識(shí)廣度，發(fā)掘知識(shí)深度，對(duì)自身構(gòu)建的科學(xué)理論產(chǎn)生更深層次的理解與總結(jié)，最終發(fā)展科技核心素養(yǎng)，促進(jìn)科學(xué)教育，形成閉環(huán)。

4 結(jié)語

無論是理論教育還是實(shí)際應(yīng)用，工程教育培養(yǎng)過程在“小中大”三個(gè)階段是緊密相連的。工程教育的宗旨是培養(yǎng)工程技術(shù)人才，而工程人才培養(yǎng)的核心是實(shí)際工程思維培養(yǎng)，工程人才的思維方式是“問以致學(xué)、學(xué)以致用、用以致問”的閉環(huán)方式。工程師的培養(yǎng)絕不僅起步于高等教育，教育工作者應(yīng)變革以應(yīng)試為取向的教育機(jī)制，同時(shí)運(yùn)用STEM 教育理念進(jìn)行“小中大”階段的縱向系統(tǒng)式工程能力培養(yǎng)（小學(xué)階段重在思想啟蒙，中學(xué)階段重在塑造提升，大學(xué)階段重在研究應(yīng)用），依據(jù)各學(xué)段學(xué)生特性實(shí)現(xiàn)不同程度的橫向融合式科技素養(yǎng)提升。在顯性能力，如工程知識(shí)、問題分析能力的培養(yǎng)過程中，職業(yè)規(guī)范等隱性能力也會(huì)逐漸顯現(xiàn)。對(duì)于工程師，終身學(xué)習(xí)是一種習(xí)慣，必須將工程基本能力素養(yǎng)與STEM 科學(xué)教育理念交織貫徹始終，以此推動(dòng)我國(guó)全階段科學(xué)工程教育事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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