国家职业教育平台支持下的STEAM教育应用研究

【摘要】在教育数字化转型背景下，如何借助国家职业教育平台更好地促进STEAM教育应用是本研究关注的重点。本文对STEAM教育的关键环节进行解析，构建基于国家职业教育平台支撑下的STEAM教育应用模式，并从学习活动设计、教学过程、实施效果等方面，对STEAM教育应用模式进行实践探究，为一线高中教师提供相关参考。

【关键词】国家职业教育平台；STEAM教育；应用模式

【中图分类号】G420【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2023）21—0090—04

STEAM教育作为技术创新的驱动力，能够为创新型国家提供重要的智力支撑[1]。《中国教育现代化2035》提出要加大应用型、复合型、技术技能型人才培养的比重；不仅如此，党的二十大首次将“推进教育数字化”写入报告[2]。可以说，数字化转型背景下，教育迎来了创新发展的机遇。目前，普通高中STEAM教育多以项目学习等开放性学习方式开展[3]，需要丰富的学习资源支撑，但我国STEAM教育课程资源相对比较匮乏[4]，因此，如何有效获取和整合资源成为STEAM教育应用的关键。国家职业教育平台作为国家教育数字化转型的重要成果，教育工作者需要思考如何利用其规模化、开放化的数字资源，改善目前STEAM教育“关注科学与数学、不重视技术与工程学科”的现状[5]。在此，笔者从STEAM教育的关键环节、国家职业教育平台支撑STEAM教育开展的可行性、模式构建与案例教学实践等方面进行研究，探索和总结普通高中STEAM教育相关经验。

一、高中STAEM教育的关键环节

（一）STEAM教育需要丰富的学习资源支撑，注重学科联结

目前，很多STEAM教育资源可以有效激发高中生的学习兴趣，但没有形成科学、完善的STEAM课程资源支撑体系，导致学生在STEAM课程中出现情境体验不足、数字技术支持不够、自我学习效能减弱等问题。加之学生面临高考压力，没有大量时间进行深层次实践与探究，无法建立学科知识联结，难以培养学生解决问题的创新能力。可见，多学科知识与技能融合并通过解决问题，才能更好地创新学生思维，实现学科联结。在STEAM课程中，如果教学资源不足，还容易出现学生作品创新点不足、资源与学生的能力需求和认知发展不匹配、教师搜集资源和主题设计花费大量时间却效果不佳等问题。可见，充实的学科课程基础知识是开展STEAM教育的必要条件。我国目前的课程体系建立在严格分科的基础上，比较重视知识与技能习得，各类平台的分学科备课资源较多，部分跨学科资源由于学校软硬件基础、学情不同，往往很难得到有效运用。

（二）STEM需要综合性实验环境，强调问题解决

北京师范大学教授余胜泉等人认为，STEAM最核心的本质是跨学科，通过将科学、技术、工程、艺术和数学等学科相互关联，跨越学科界限，提高学生解决实际问题的能力[6]。STEAM教育强调学生利用跨学科思维解决现实问题，在课程实施中注重学生的观察、推理能力以及收集、整理、分析、解决问题的相关表现。STEAM项目需要学生自主合作探究超出知识储备的内容，从而发现和解决问题，而优质的STEAM课程资源可以帮助学生快速理解、多角度分析与思考项目，从而建构问题解决的知识体系。同时，还需要多学科融合的综合性实验环境，实验技术不局限于计算机科学与技术，还应包含机械结构、能源工程、动力工程、生物工程等方面内容。

（三）STEAM教育强调学科融合，突出主题情境

STEM教育是多学科知识与技术的融合，使学生在现有学科知识与能力的基础上，在问题解决的过程中学习新知识与技能。在通用技术、信息技术和综合实践课程中，涉及的STEAM主题及项目范围有限，一旦知识脱离问题情境，则难以支撑STEAM教育[7]。STEAM课程特征鲜明，对科任教师的知识储备、理论建构、动手能力和教学模式有一定的要求。普通高中专职从事STAEM教育的教师数量较少，一般由校内的物理、化学或者技术等学科教师兼任，跨学科教学的能力不强。

二、国家职业教育平台支持下的STEAM教育应用模式设计

在STEAM教育应用方面，有研究者提出STEAM——工作坊学习应用模式[8]、基于统整实践的STEAM学习模式[9]等，尽管研究者构建的立足点不同，但都体现出STEAM教育注重多元融合创新的特点，要求学习者主动学习，关注素养和能力发展。本研究根据STEAM教育的内涵特质和价值取向，基于项目式学习和体验式学习理论，以“做中学”为建构途径，提出国家职业教育平台支撑下的STEAM教育应用模式，该应用模式以协同教学、主题教学为整合方式，以国家职业教育平台的所有课程资源为支撑，注重教师的主导作用和学生的主体作用，从“教”与“学”相辅相成的角度，完成实践探究、数据分析、方案设计、工程建模、制作开发等跨学科项目。

三、国家职业教育平台支持下的STEAM教育教学案例设计与实施效果

本研究以国家职业教育平台为支撑，开发“逆风小车”“智能辅助机器人”“未来校园”这三个STEAM课程主题校本课程，旨在通过平台资源学习与体验环节，提升学生的科学素养；通过资料搜集、数据分析、编写程序及调试机器人等，提升学生的技术素养；通过构思设计、迭代优化等操作，锻炼学生的工程设计与制作技能；通过设计构思、建模设计、模型制作等，培养学生对艺术与美的感知能力；通过收集数据、整理数据、模拟与计算等操作，提升学生的数学与技术应用能力。笔者在某省级示范性高中进行了一学期共计20个课时的实践研究，实验对象为35名高一学生，项目的实施由1名物理教师与1名技术教师组成，学生根据主题自主组成学习小组。逆风小车项目对应的STEAM知识有影响小车行驶的因素（S）、机械结构设计能力（T）、传动与齿轮（E）、稳定结构（A）、阻力和摩擦力计算（M）。课程目标为探究逆风小车的原理；动手制作质量轻、速度快的逆风小车；增强问题意识和设计思维能力；以小组探究的方式，培养学生的协作意识和问题解决能力。所用到的国家职业教育平台资源有《空气动力学基础与飞行原理》《结构力学》《结构设计原理》《力学与结构》等。智能辅助机器人项目对应的STEAM知识有传感器原理及使用（S），材料加工、建模等（T），电机、摩擦力、避障（E），机器人整体设计（A），传动比、笛卡尔坐标系应用、PID比例等（M）。课程目标为，了解常见智能机器人的控制原理、构造系统等相关知识；掌握机器人模型制作；对智能小车编程，实现如巡线、避障等功能；利用机器人辅助解决实际生活中的问题。所用到的国家职业教育平台资源有《电机控制和转速测量（智能小车设计与制作）》《电子组装工艺》《高等数学》《Python程序设计》等。未来校园项目对应的STEAM知识有开源硬件的原理和使用（S），材料选择与使用（T）模型的设计、制作、实现（E），排版和制作海报（A），利用调查软件进行功能调查（M）。课程目标，为通过调查分析，了解未来校园的功能；按照设计图完成功能模块方案撰写、绘制设计图；掌握开源硬件的电子模块并实现相关功能；培养利用开源硬件搭建校园设计原型的能力。所用到的国家职业教育平台资源有《AutoCAD绘制建筑施工图》《环境生态学》《艺术设计》《算法与数据结构》《环境工程技术》等。

（一）教学活动开展（以未来校园为例）

1.创设情境，明确问题。教师可以引导学生通过观看视频《人工智能带给我们的改变》，激发学习兴趣，增强情境体验。在这个过程中，教师可以提出任务要求，增强学生的规范意识；通过提问，引导学生从不同应用群体和场景角度思考：人工智能、技术的发展会给校园生活带来怎样的改变？学生结合实际生活体验，通过小组讨论和查阅国家职业教育平台的课程资源，进行资料分析与设计思考。

2.任务分解，调查研究。在此阶段，教师围绕相关创新进阶活动，进一步明确任务需求。在教师的指导下，学生平均分成3至4人小组，各小组利用教师提供的课程资源，围绕各组选定的主题，针对研究背景、研究目标、要解决的问题，结合研究思路和研究方法，罗列关键点。在这个过程中，教师可以为学生提供必要的引导，如小组在设计“自动测温”这一功能时，教师可以引导学生考虑如何将控制板、传感器、电源等开源硬件进行组合，实现自动测温功能，可以提供模型设计原图，让学生修改，实现对模打印等。

3.设计制作，迭代改进。在此阶段，教师可以给学生提供开源硬件和3D打印机、3D建模软件、思维导图软件等，引导学生将想法快速呈现出来，鼓励学生大胆创新、自由探索。学生按照设计模型，通过建模，完成任务攻关、硬件装配、程序调试、诊断测试等，通过对比任务要求，不断试错、迭代改进。如有小组设计“自动垃圾桶”，项目完成后，还要对垃圾桶的自动开关、位置感测、语音提醒、容量提示等进行测试，不断改进，设计最优产品。在这个过程中，教师有针对性地给予指引，实时观察学生的操作，要求学生记录工程笔记，用于评测学生的创新思维水平。

4.展示作品，交流评价。作品完成后，集中演示，验证应用效果，倾听反馈与建议。学生需要准备好演示文稿，介绍项目的设计方案、创新点、国家职业平台资源使用情况等。而教师从STEAM设计视角出发，针对各小组的作品设计，提出改进建议，进行点评。之后，学生回顾项目活动的过程与感受，完成项目报告及评价量表。

5.迁移应用，总结提升。此次项目活动要求学生掌握智能设计的原理，促使学生科学思维、技术思维发展，在分析问题、收集资料、方案设计和问题解决的同时，重新整合知识，通过迁移运用，体现STEAM教育价值。

（二）应用效果分析

1.实践效果分析。此次STEAM课程由2名教师协同教学，根据课程主题，轮流主讲。课后经过了解，两位教师均认为项目学习是STEAM课程教学的好形式，可以激发学生的学习兴趣。主讲“智能辅助机器人”主题的教师表示，项目难度较大，但学生完成得较好。借助国家职业教育平台实训中心的VR课程，学生可以身临其境体会。有小组完成了利用手势遥控机器人机械臂抓取物体的任务，学生的信息获取、动手操作能力都得到了锻炼。主讲“未来校园”主题的教师认为，项目贴近学生实际，涉及结构设计、材料选择、生态建设、智能设计等学科知识，学生通过学习教师提供的课程资源，实现了预设的学习目标。可见，课程学习中，尽管学生的水平有差距，有的学生从来没有接触过Arduino，但是学习能力很强，从最基础的功能入手，按照任务单，通过自主探究、小组合作等方式，很快能掌握基础知识；而有的学生有一定的知识基础，可选择的主题相对更复杂，实践效果也较好。两名教师均表示，各小组的方案水平和作品超出预期。

2.学生调查结果分析。通过现场访谈、问卷调查，采集学生基础数据、过程数据和项目工程笔记，从跨学科思维、资源应用、技能掌握、问题解决能力和团队合作等维度了解情况。调查结果表明，学生的跨学科思维有所提升，运用多学科知识解决问题的意识有所增强；学生对国家职业教育平台的资源有了更深入的了解和运用，有95%的学生完成了学习任务；围绕“是否愿意继续参与STEAM课程学习”的问题，92%的学生希望继续参与，并非常认可小组合作学习方式；围绕“学习过程中印象最深的环节”这一问题，大部分学生表示是动手动脑解决问题的过程。可见，通过STEAM教学实践活动，学生掌握了知识与技能，解决实际问题的能力与创新能力均有所提升。此外，通过师生交流和课堂观察可知，学生对借助国家职业教育平台资源参与STEAM项目表现出较高的兴趣。在项目实施过程中，学生经历了用计算机建模、用3D打印机打印模型、编程、测试等过程。

基于国家职业教育平台开展STEAM教育，贴合当前我国STEAM教育的现状，为教师融合多学科知识，开发与整合STEAM课程提供资源支持，有利于学生全面发展。未来，研究团队将重点围绕国家职业教育平台的技术与工程课程，拓展学科实践范围，扩宽STEAM教学共同体，积极探索适合我国STEAM教育实施的有效方式。

参考文献

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[2]中共中央、国务院，中国教育现代化2035[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/201902/t20190223_ 370857.html，2019-12-27.

[3]高云峰，师保国.跨学科创新视角下创客教育与STEAM教育的融合[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017（04）：47-53.

[4]范文翔，张一春.STEAM教育：发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术，2018（03）：99-105.

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[8]李王伟，徐晓东.作为一种学习方式存在的STEAM教育：路径何为[J].电化教育研究，2018（09）：28-36.

[9]袁磊，郑开玲，张志.STEAM教育：问题与思考[J].开放教育研究，2020（03）：51-57.

（本文系2021年度甘肃省“十四五”教育科学规划STEM教改实验专项资助课题“基于学习共同体的STEM教育校本教研机制研究——以西北师大附中为例”的研究成果，项目立项号：GS[2021]GH？ BZX101）

编辑：彭雪亮