基于STEM理念的整合式教学探索

［摘 要］ 随着现代化科技的发展，高等教育须注重对学生创新思维和科学素质的培养，其中STEM教育理念以其独特的活力展现出潜在的价值。通过总结STEM教育的发展历程，分析当前教育教学存在的问题，结合STEM教学的特点进行整合性的教学目标设计，具体体现在课程结构内容、教学方式方法、课程思政培养和成绩评估体系方面，并以本科经典必修课程中“二阶线性微分方程”为例，探讨如何将STEM理念融入课堂，以实现提高教学效果，增强学生解决实际问题的能力、个人素质全面发展的整体目标，为我国综合型人才培养提供参考价值。

［关键词］ 教学设计；STEM教学理念；整合式教学

［基金项目］ 2020年度湖南省教育科学“十三五”规划课题青年资助专项“基于教学一致性的在线课程教学设计模式与方法研究”（XJK20QGD004）

［作者简介］ 李际超（1990—），男，山东潍坊人，博士，国防科技大学系统工程学院副教授，主要从事复杂系统与复杂网络、国防采办与体系工程管理研究；于海跃（1991—），男，河北唐山人，博士，国防科技大学系统工程学院讲师，主要从事系统可靠性分析研究；孙建彬（1989—），男，黑龙江鸡西人，博士，国防科技大学系统工程学院副教授，主要从事不确定决策分析、装备试验评估研究。

引言

随着社会新理论新技术的进步与发展，高等教育不断推陈出新。现如今，教育不仅要求培养学生的理论基础和专业基础能力，更要培育学生的创新能力、思辨能力、主动获取知识的能力等高阶思维品质［1］。同时，传统的接受式教育已经不能良好地契合学生的学习需求及自主探索需求，单一的黑板课堂授课和笔记抄写无法充分激发学生的学习热情，严重消磨了学生的学习积极性。因此，高等教育正在积极探索更适应现代化教育的教学模式与方法，如项目式教学、案例教学、混合式教学、整合式教学等，以此提高教学的学习效果及学生的综合素质。

许多全球化问题如气候变化、资源管理、农业生产等，都须要用一种国际通用的方式来解决，而这种解决方式有赖于科技的进一步发展［2］。这就要求高校在培养人才时注重学生对知识的深层理解和创新应用，提升学生的科学素质、技术素养和实践能力。STEM教育的开展能够提高学生发现问题和解决问题的能力，培养创新思维能力，以整体培养、学科融合的方式更全面地提升学生的综合素质，从顶层设计角度促进学习过程、人才培养、教育策略等方面的进步，从而显著提高国民素质。因此，STEM教育能对整个国家的国民素质提高起到一定的推动作用。

STEM教育强调跨学科之间的联系与融合，即将不同学科内容有机整合，注重行动导向教学和专业情景融合，使学生在理解学科知识的基础上，将这些知识充分转化成现实工具并综合运用，在面临真实情景时不只是依靠单一学科知识来解决问题，而是将各学科知识有机统一、相辅相成，真正让理论知识联系到日常生活中，服务社会、改造社会。

一、STEM教育发展

“STEM”是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）和数学（mathematics）四个学科的英文缩写［3］。STEM教育就是综合利用这四个方面的知识，系统地，全面地对实际问题进行认识和解决，从而培养学生的创新思维、综合素质和实践能力。该理念按照整合水平划分为四个方面：分学科教育、多学科教育、跨学科教育和超学科教育［4］。相比于传统的分学科教育和多学科教育，跨学科教育和超学科教育能够更好地体现各学科之间的交叉和融合程度，所以也被称为整合式STEM教育。通过整合式STEM教育，一门STEM课程教学结果可在其他至少一门STEM课程中有意识地体现出来，加强各学科间的联系，提高学生依靠学科知识解决实际问题的能力［2］。

早在20世纪90年代，美国就已经开始关注STEM教育。1986年，美国国家科学委员会发布了名为《本科的科学、数学和工程教育》的报告，首次提到STEM教育，被公认为是STEM教育研究的开端［5］。在几十年时间里，美国在此方面推行了大量的改革，提出了定量分析法和质性研究法的有机结合，例如因子分析、结构方程模型、数理统计法和教育叙事研究、行动研究、田野研究等研究方法。在此之上，建立了STEM教育评价模型，美国学界对STEM教育概念的认识从科学、技术、工程和数学学科内容的简单叠加逐渐发展为以培养STEM素养为指向的概念集合［6］。

2015年，我国教育部办公厅发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》首次提到，探索STEAM教育等新教育模式，着力提升学生的创新意识和创新能力。2017年6月，中国教育科学研究院在成立史坦默国际科学教育研究中心的基础上，召开第一届中国STEM教育发展大会，并发表了《中国STEM教育白皮书》，充分肯定了STEM教育在中国未来的发展前景，体现出国家对创新型人才的紧迫诉求，明确STEM教育必须纳入国家战略发展政策［7］。2018年的中兴事件表明，中国核心技术被“卡脖子”的局面仍然严峻，这些核心技术不单单只是投出资金和时间能够解决的，还需要一代代人的不懈奋斗，故发展STEM教育，培养学生的工科思维、科研素质与创新精神意义重大［8］。近年来，我国以5E教学模式为基础，即引入、探究、解释、丰富、评价，通过基于问题和基于项目两种教学方法进行教学方案设计，塑造超越教材的对整个学科领域的深入认识。在此基础上，发展出“STEM+”教育，即“STEMS”引进“艺术（art）”元素，加入“社会（society）”元素，旨在拓展人文素养［9］。

二、基于STEM理念的整合式教学

（一）现阶段教学中存在的问题

针对大学生的基础理论课程，着重培养学生的理工科基本素养，然而传统的“填鸭式”教学易使学生感到疲惫和枯燥，严重打击学生的积极性。并且，不少学生反映遗忘现象明显，不能有效地利用所学知识。现阶段教学问题具体体现在以下几个方面。

1.教学方法单调。对于刚进入大学的大一学生而言，大量的概念定理不免感到乏味，一味地追求记笔记、刷题、考试并不能将所学内容与专业有效联系，而当今时代遇到问题时大多面临着未知环境，如何把课堂上所学知识真正应用到实际领域成为矛盾解决的关键所在。

2.课程思政教育不足。任何科目都不能抛开思政教育，然而一些理工科教学对学生的思政教育仅仅停留在表层，未能将人生观、价值观培育融入学科教学中，培养学生更加高尚的职业操守和责任意识，这也是导致知识与实际关系不够紧密的原因之一。

3.学科间的交叉程度有待提高。数学是支撑着许多学术领域建设的基础性学科，如果不能联合其他领域的知识，其意义终将脱离实际。21世纪对新一代的知识素养提出了更高的要求，灵活性与适应能力须在教学成果中更充分地体现，综合利用各学科的长处才是现时代解决问题的“最优解”。

（二）教学目标设计

根据STEM教育的跨学科特点，以及现阶段教学中教学方法较简单、课程内容融入程度不高、分科教学局限创新思维和考核方式单一的问题，确立有针对性的教学目标。

1.优化课程结构内容。从简单的一维时间轴向二维平面展开教学，在此过程中要求教师系统性地把握全课程知识框架和学科价值问题，形成完整的教学思路设计方案，并贯穿课程始终。增加趣味性，提高课堂活跃度，教师可从语言用词、情绪表达和板书设计等方面着手，使学生在学习的同时不失探索的乐趣。拓宽教学广度和深度，教学不应该仅仅局限于教材的方寸天地，更应该开阔学生的国际视野，结合现代科技前沿，讲解其中所蕴含的学科知识，最后归于课程内容，深入浅出，在无形中提高了教学效果。

2.改进教学方式方法。采用线上+线下相结合的教学模式，利用雨课堂、腾讯会议及学堂在线等应用程序，结合课程和数字化培养要求，智能化、网络化改进授课方式和听课方式，减少课程学习中不必要的赘余。同时，提供个性化学习方案，通过小组集中学习研讨，充分提高个人的课堂参与度和贡献度，实现“问题—研究—结论—探索”的学习过程闭环。

3.体现课程思政理念。教育应在传授知识的基础上，培养学生的世界观、人生观和价值观。注重学生人生追求的引导，将个人命运与国家未来视野相结合，跳出个人视野局限，树立民族自豪感和民族自信心，激发爱国主义情怀与使命感，使学生的理想信念成为学习的根本动力。建立综合成绩评价体系，综合平时成绩+考核成绩，多方面地综合评价学生的学科素养。

（三）教学案例分析

本节基于STEM教学理念，以学生为主体，探索了整合式教学的新教学设计。以《常微分方程》章节中的“二阶线性微分方程”教学为例，先带领学生认识生活中常见的二阶微分方程例子，如冰块在水中的上下浮动、串联电路和物体强迫振动等现象，引入二阶线性微分方程的概念，即

根据概念联合物理知识，可以结合弹簧振子的简谐运动进行动力学方程分析。设振子的质量为m，系统弹性系数为k，在某时刻振子偏离平衡位置距离为r，由胡克定律，振子所受回复力F的大小为k·r，若振子受到大小和速度大小成反比，方向和速度方向相反的阻尼力F=cv（c＞0）。由牛顿第二定律得

即二阶常系数齐次线性方程

若振子受到水平方向的外力：F=Hsin pt，得二阶常系数非齐次线性方程：

上述各方程可归为                                。由此引入二阶常系数线性微分方程的一般形式，并拓展到n阶形式。根据特征方程：r2+2br+a2=0，按照特征根的不同分为三种情况，如表1所示。最后，结合对方程的分析，得出通解的形式。

以上案例体现的STEM教学体现如表2所示。

（四）教学总结评价

“二阶线性微分方程”作为一堂常规的教学课，在讲课过程中基本按照教学设计展开，教学实施较为顺利，达到了预期效果。教学过程有以下几个优点：一是实现了新课导入时经典案例的引用，通过弹簧的振子运动分析来激发学生的学习兴趣，培养学生的工程思维意识。二是理论内容与实际情景相结合，将阻尼振动与方程形式相关联，使抽象的理论知识通俗易懂，便于理解。同时，本堂课有一定的不足，如课程前后内容衔接不够紧密，易使学科整体思维框架不能有效表现，影响后续教学。因此，须要在接下来的课程中强调知识点的相关性，以便总结。

结语

经过对教学实践的探讨，本课程的教学理念产生了良好的成效，并能够应用在其他专业教学过程中。从学生反馈的学习成效看，STEM整合式教学理念能较好地促进学生对课程内容的吸收，培养学生的学习兴趣，提高其学习能力和解决实际问题的技能，同时提升学生的科学技术素养及创新实践能力。另外，课程思政育人促使学生全面发展和提升个人价值，为高等教育质量提升做出了贡献。

参考文献

［1］周光礼，武建鑫.什么是世界一流学科［J］.中国高教研究，2016（1）：65-73.

［2］托德R.凯利，J.杰夫·诺里斯，管光海，等.STEM整合教育的概念框架［J］.课程教学研究，2018（7）：4-10.

［3］STEM教育教师教学能力标准：T/KCH 006-2020［S］.知行科创（杭州）教育科技有限责任公司、杭州市科技合作促进会、中国杭州低碳科技馆、上海奇摩洲创物联网科技有限公司，2020.

［4］袁智强.交叉融合的STEM教育：背景、内涵与展望［J］.教育研究与评论（中学教育教学），2019（3）：32-37.

［5］杜文彬，刘登珲.美国整合式STEM教育的发展历程与实施策略：与Carla Johnson教授的对话［J］.全球教育展望，2019（10）：3-12.