STEM教育理念下應(yīng)用型本科院校機械電子工程專業(yè)教學(xué)的設(shè)計與實踐

摘" 要：培養(yǎng)學(xué)生實際應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力，是STEM教育理念的思想核心。在教學(xué)改革中，如何兼顧職業(yè)性和創(chuàng)新性則是一個難題。機械設(shè)計項目作為STEM教育中的一種實踐教學(xué)方式，學(xué)生能夠在實踐中提升自身的實踐能力與創(chuàng)新能力。通過這種教育方式，可以實現(xiàn)讓學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)的效果。文章首先介紹了將STEM教育理念引入應(yīng)用型本科高校中的機械電子工程專業(yè)課程中的意義及課程特點，提出對機械電子工程相關(guān)課程的整體改革思路和實踐，最后以機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程為例，結(jié)合具體的課程內(nèi)容制訂課程設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：STEM教育；課程改革；課程項目設(shè)計

中圖分類號：G434" "文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）05-0109-04

基金項目：黑龍江省教育廳教改課題“民辦高校STEM教學(xué)理念下的工科教學(xué)改革研究”（課題編號：SJGY20210759）。

作者簡介：苗青（1977—），男，學(xué)士，黑龍江工商學(xué)院信息與機電工程學(xué)院副教授，研究方向為應(yīng)用力學(xué)；鄒玲玲（1984—），女，碩士，黑龍江工商學(xué)院信息與機電工程學(xué)院副教授，研究方向為計算機軟件與應(yīng)用；張麗英（1982—），女，碩士，黑龍江工商學(xué)院信息與機電工程學(xué)院講師，研究方向為電力系統(tǒng)分析。

隨著我國提出“中國制造2025計劃”，制造業(yè)要向智能化、數(shù)字化、綜合化方向發(fā)展的目標，機械電子工程這一在機械制造、計算機科學(xué)與技術(shù)、電子工程等學(xué)科基礎(chǔ)上建立起來的跨學(xué)科專業(yè)，也要順應(yīng)制造業(yè)的發(fā)展趨勢，培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展所需的復(fù)合型人才。依靠傳統(tǒng)教學(xué)方式很難實現(xiàn)培養(yǎng)復(fù)合型人才的目標。將STEM教育模式引入機械電子工程的教學(xué)改革，轉(zhuǎn)變教師主導(dǎo)課堂的、理論灌輸?shù)慕虒W(xué)方式，正是實現(xiàn)這一目標的可行性方案。

一、STEM教育的意義及課程特點

（一）STEM教育的意義

STEM教育是一種注重實踐、跨學(xué)科的教育理念，是一種教育哲學(xué)。它將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四個領(lǐng)域的知識融合在一起，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、問題解決能力和團隊合作以及探索能力［1］。STEM教育模式下的教育目標包含了科學(xué)素質(zhì)、數(shù)學(xué)素質(zhì)、技術(shù)素質(zhì)和工程素質(zhì)等方面。對于從事機械電子制造與維護的高校學(xué)生而言，STEM教育的目標就是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的基本能力，促進學(xué)生對科學(xué)技術(shù)、數(shù)學(xué)如何在工程中的合理應(yīng)用產(chǎn)生更深層次的理解。STEM教育具有以下意義：

1. 提高學(xué)生工程素養(yǎng)

工程素養(yǎng)是解決工程實際工程問題的能力，主要內(nèi)涵包括扎實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)、豐富的工程實踐經(jīng)驗、分析工程需求與解決工程問題的能力。通過STEM教育模式對現(xiàn)有教學(xué)方式改革后，學(xué)生將在大量的實踐項目中，學(xué)習(xí)完成項目所需的科學(xué)與技術(shù)知識，通過數(shù)學(xué)知識計算工程中需要達到的技術(shù)指標。在STEM教育理念中，學(xué)生除了需要學(xué)習(xí)進行設(shè)計和制造產(chǎn)品所必需的科學(xué)知識外，還需要掌握技術(shù)以及分析數(shù)據(jù)的技能。這些知識和技能既是滿足學(xué)生學(xué)業(yè)考核要求的保障，也是通過工程項目培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的基礎(chǔ)，更是他們成為一名合格工程師所必需的素質(zhì)。

2. 著重體現(xiàn)高校的“高等性”

應(yīng)用型高校的教育目的是培養(yǎng)大批的應(yīng)用型人才，這正是高校的“職業(yè)性”。但高校還要體現(xiàn)出與職業(yè)學(xué)院培養(yǎng)的職業(yè)性人才的不同點，高校學(xué)生除掌握職業(yè)技能外，還需要有深厚的科學(xué)素養(yǎng)、豐富的工程經(jīng)驗、扎實的數(shù)學(xué)功底等要素，具有自主學(xué)習(xí)的能力，以及終身學(xué)習(xí)的意愿，這是高校的“高等性”。應(yīng)用型本科高校當前的教學(xué)活動很難同時滿足這兩個教學(xué)目標，過于強調(diào)理論則偏向?qū)W術(shù)型高校，過于強調(diào)動手能力而弱化理論知識則會偏向職業(yè)學(xué)院。STEM教育模式改變傳統(tǒng)的將科學(xué)、技術(shù)與工程割裂開的教學(xué)模式，改之以在完成工程實踐的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)知識。這樣的教學(xué)模式能在很好地滿足應(yīng)用型本科高校“職業(yè)性”的同時，又保證學(xué)校的“高等性”［2］。

（二）經(jīng)STEM教育模式改革后的課程特點

1. 以項目驅(qū)動教學(xué)活動的進行

STEM教學(xué)理念的特點是在工程實踐中完成科學(xué)理論的學(xué)習(xí)，運用數(shù)學(xué)技能求解恰當?shù)墓こ虆?shù)，通過技術(shù)手段完成工程設(shè)計，得到最后的作品。這個特點符合以完成項目作為教學(xué)目標，學(xué)生作為教學(xué)活動的主體，在教學(xué)活動中教師只是起到引導(dǎo)學(xué)生的作用。學(xué)生根據(jù)項目的具體情況，設(shè)計完成項目的技術(shù)路徑，并解決項目中的工程問題。一個恰當?shù)墓こ淘O(shè)計項目能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、戰(zhàn)勝困難的勝負心，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅收獲知識，還能收獲完成一個個階段目標的成就感。

2. 強調(diào)團隊合作

STEM教學(xué)理念下，學(xué)生要以小組協(xié)作的方式進行學(xué)習(xí)。小組協(xié)作很好地契合了項目驅(qū)動的教學(xué)方式，首先每個工程實踐都能用不同科學(xué)原理來實現(xiàn)，甚至同一種科學(xué)原理也可以從不同應(yīng)用方向來解決同一個工程實踐中的問題。這就需要通過多人討論、比較等方式，篩選出更好的方案。

其次，無論何種教學(xué)活動，最終目標都是讓學(xué)生學(xué)習(xí)到知識。根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔理論，學(xué)生把學(xué)習(xí)過的理論教授給別人過程中可以記住90%的內(nèi)容，因此，學(xué)生要給其他同學(xué)講明白自己的理論［3］。

3. 以學(xué)生為教學(xué)活動主體

STEM教育中，教學(xué)活動是以學(xué)生的學(xué)習(xí)目標、學(xué)習(xí)內(nèi)容、如何能學(xué)得更好、該在什么樣的環(huán)境下學(xué)習(xí)這些為條件而展開的，改變了過去以教師為主、以講授為主、學(xué)生一味盲從的教學(xué)模式。以學(xué)生為教學(xué)活動主體的教學(xué)模式有助于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。

二、核心課程整合優(yōu)化的整體思路

核心課程是在滿足教育部對機械電子工程專業(yè)基本要求的基礎(chǔ)上，符合本校人才培養(yǎng)大綱的本專業(yè)所有學(xué)生都必須掌握的學(xué)習(xí)內(nèi)容，是整個課程的核心。本著理論與實踐并舉，以應(yīng)用、機械為主，電子為用，機械與電子相結(jié)合，對核心課程做出按課程類型的優(yōu)化調(diào)整，建立包括機械設(shè)計制造類、機電一體化類、控制與計算科學(xué)類的課程體系，結(jié)合教學(xué)方法和學(xué)習(xí)評價體系改革，運用數(shù)字化教學(xué)技術(shù)，逐步提高教學(xué)水平，充分滿足學(xué)生對學(xué)習(xí)趣味性和個體充分發(fā)展的需求。

（一）機械制造與機械運動類課程

在引入工程項目時，充分考慮“工程力學(xué)”“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”“機械制造基礎(chǔ)”這四門專業(yè)課的相互聯(lián)系與課程主要內(nèi)容的區(qū)別，項目盡可能涵蓋這四門專業(yè)課的所有重要知識點。項目從機械設(shè)計出發(fā)，運用工程力學(xué)知識分析工件的剛度與強度，選擇機械制造技術(shù)完成機械設(shè)備的制造，使學(xué)生對所學(xué)的每門課程及課程的重點內(nèi)容有清晰、直觀的定位與理解［4］。

（二）機電一體化及運動控制類課程

這一大類課程包含“機電一體化設(shè)計”“數(shù)控原理與維修”“機電傳動控制”“液壓與氣動技術(shù)”等主要課程，設(shè)計“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”項目，將“數(shù)控原理與維修”課程中設(shè)備使用方面的內(nèi)容與“機電傳動控制”課程中控制器內(nèi)容有機結(jié)合于超控運動器件的液壓部分驅(qū)動器件運動。盡最大可能把實驗課內(nèi)容融入項目，增強學(xué)生綜合運用專業(yè)知識的能力。

（三）應(yīng)用計算機技術(shù)類課程

為了培養(yǎng)滿足“中國制造2025計劃”所需要的技術(shù)人才，專業(yè)的課程設(shè)置應(yīng)增加計算機技術(shù)類課程在核心課程中的比重。在原有的“C語言”“單片機原理與接口”的基礎(chǔ)上增加AutoCAD、MATLAB等課程，讓學(xué)生具有更強的機械設(shè)計、制圖、仿真能力［5］。

（四）強化實踐教學(xué)

機械電子工程是一個跨學(xué)科的工科專業(yè)，知識繁復(fù)、難度較大，實踐教學(xué)不僅有利于學(xué)生更好地掌握紛繁復(fù)雜的公式、理論與技術(shù)，還可以培養(yǎng)學(xué)生對工程設(shè)計的理解與動手能力，體現(xiàn)出實踐教學(xué)的相對優(yōu)越性。在實踐課程中以學(xué)生為主，教師為輔的教學(xué)方式為主，將課題分析、方案確定、實驗驗證的全過程結(jié)合起來，邊設(shè)計、邊實驗、邊修改，密切動腦與動手之間的關(guān)系［2］。

三、STEM教育模式在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用

與機械相關(guān)的所有工科專業(yè)都會開設(shè)機械設(shè)計基礎(chǔ)這門課程。課程的特點是知識點多、理論知識抽象深奧、結(jié)構(gòu)圖與總裝圖多、需要良好的制圖功底、公式繁雜，是一門面向應(yīng)用的學(xué)科。結(jié)合STEM教育理念下的課程特點，對難度大、抽象、知識點多的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程應(yīng)改變教學(xué)方法，以項目驅(qū)動式教學(xué)進行，項目整合相互關(guān)聯(lián)的多門學(xué)科，既滿足了該課程的教學(xué)目標，又讓學(xué)生理解了機械設(shè)計基礎(chǔ)與其他專業(yè)課的聯(lián)系及應(yīng)用。

（一）以機械設(shè)計基礎(chǔ)為主體的工程項目

根據(jù)STEM教育模式下課程特點，用“項目驅(qū)動”改革教師講授式的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程。將項目按設(shè)計思路進行分階段設(shè)計（子項目），將課程重要知識點與工程組件設(shè)計充分融合，使學(xué)生在完成項目的同時，學(xué)習(xí)專業(yè)課知識，從而在做中學(xué)，學(xué)中做。通過學(xué)生動手實踐過程，增強對知識和技能的理解。本課程所選機械設(shè)計項目如表1所示。

（二）項目實施步驟

1. 分組后的學(xué)生按組構(gòu)成團隊

每4—5個學(xué)生為一組，以上學(xué)期成績和動手能力為主要的分組依據(jù)均勻分組。每個子項目設(shè)計完成后，各小組選出一個展示的作品，并分析哪個設(shè)計更合理，目的是培養(yǎng)學(xué)生團隊合作能力［6］。

2. 以學(xué)生為主體完成設(shè)計

教師先介紹每個子項目設(shè)計的可行性技術(shù)路線及所必需的科學(xué)知識，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉教材和相關(guān)機械設(shè)計手冊部分、國家標準等資源，介紹設(shè)計準則，然后下達設(shè)計任務(wù)。學(xué)生利用各種資源，以小組為單位，邊學(xué)邊做完成子項目設(shè)計任務(wù)，并得出達到設(shè)計要求所必需的技術(shù)數(shù)據(jù)。設(shè)計過程中，教師只起到解答學(xué)生疑問和引導(dǎo)學(xué)習(xí)的作用，目的是鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題以及提升自主學(xué)習(xí)的能力［7］。

3. 對重點內(nèi)容、重點參數(shù)的確定開展研討

教師通過疑問和設(shè)問的方式，對設(shè)計中重要參數(shù)的選擇依據(jù)、選擇方法、選定參數(shù)會給設(shè)計帶來的好處或者危害提出問題。針對學(xué)生的回答結(jié)果，教師要及時進行點評，并給出形成性評價。其目的是加深學(xué)生對知識的理解、拓寬分析問題的視野、增強設(shè)計的責任感和敬畏心、提升學(xué)生的工程素質(zhì)［8］。

4. 成果展示

項目設(shè)計完成后，各小組從以下方面進行設(shè)計展示：設(shè)計的整體思路、各子項目的選型依據(jù)、參數(shù)的選定依據(jù)、機械整體的剛度與強度、整體設(shè)計指標的達成情況等。各小組認真聽取其他小組的成果展示后，給出自己的設(shè)計與其他組項目的對比，并給出對比結(jié)果報告。還要給出除自己小組以外的其他小組設(shè)計的得分排序。通過結(jié)果展示學(xué)生可以相互印證拓寬設(shè)計思路，并對機械產(chǎn)品優(yōu)劣形成自己的判斷［9］。

四、結(jié)語

總之，STEM教育理念在機械電子工程專業(yè)課程中的應(yīng)用，需要引入恰當?shù)脑O(shè)計項目，使專業(yè)教育兼具“職業(yè)性”與“高等性”，讓學(xué)生在完成項目設(shè)計的過程中潛移默化地提高自身的科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)素養(yǎng)［3］。通過一系列的項目實踐，學(xué)生不僅對專業(yè)知識的理解更加深入，同時也鍛煉了他們的批判性思維、團隊合作和溝通協(xié)調(diào)能力。這種沉浸式的學(xué)習(xí)方式能夠使學(xué)生在完成項目的過程中潛移默化地提高STEM素養(yǎng)，進一步強化對機械電子設(shè)備或機電一體化系統(tǒng)運作原理和方式的認知。STEM教育理念在機械電子工程專業(yè)課程中的應(yīng)用，有助于培養(yǎng)出既具備深厚理論基礎(chǔ)，又具備高度實踐能力的專業(yè)人才。通過引入恰當?shù)脑O(shè)計項目，專業(yè)教育能夠更好地滿足社會對復(fù)合型人才的需求，為學(xué)生的未來職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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［6］ 李春玲，肖遠軍. 推進美國STEM教育改革的政府行動：緣由、目標與措施［J］. 全球教育展望，2018，47（07）：48-56.

［7］ 徐奕菊. 我國高校STEM教育研究狀況及發(fā)展趨勢綜述［J］. 文教資料，2018（16）：117-118+182.

［8］ 段瑤瑤. STEM教育理念融于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)路徑探析［J］. 科教導(dǎo)刊：中旬刊，2018（05）：73-75.

［9］ 楊玉琴，倪娟. 工程設(shè)計：STEM課程整合的有效途徑［J］. 上海教育科研，2017（10）：45-49.

（責任編輯：淳潔）