[摘? ?要] STEM教育作為全球工程教育的新理念已成為學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。然而，如何實(shí)現(xiàn)STEM教育的本土化教學(xué)卻存在諸多的現(xiàn)實(shí)困惑。研究提出了一種基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式設(shè)計(jì)，即聚焦工程創(chuàng)新素養(yǎng)、工程人文素養(yǎng)、AI素養(yǎng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì);注重探究—實(shí)踐—交流的科學(xué)程序設(shè)計(jì);依據(jù)循證實(shí)踐的多維多層評(píng)價(jià)設(shè)計(jì);促進(jìn)產(chǎn)學(xué)融合、專業(yè)與通識(shí)融合的環(huán)境保障設(shè)計(jì)。該模式在AI通識(shí)課程進(jìn)行三輪教學(xué)實(shí)踐，研究表明，基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)投入度，提升學(xué)生的工程創(chuàng)新素養(yǎng)、工程人文素養(yǎng)、AI素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)滿意度，并促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研深度融合，可為高校一流本科教育教學(xué)改革和工程科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供參考和借鑒。

[關(guān)鍵詞] STEM; PBL; 人工智能; 通識(shí)課程

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 葉荔輝（1980—），女，福建安溪人。教授，博士研究生，主要從事高等教育管理研究。E-mail：66926401@qq.com。

一、引? ?言

《中國(guó)工程教育質(zhì)量報(bào)告》顯示，我國(guó)普通高校工科人數(shù)和規(guī)模已位居世界第一[1]。近年來，工程教育認(rèn)證、新工科計(jì)劃、卓越工程師計(jì)劃、人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃等一系列高等工程教育質(zhì)量提升計(jì)劃的有效實(shí)施，深刻推動(dòng)了人們對(duì)工程人才培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)內(nèi)涵和培養(yǎng)模式的再認(rèn)識(shí)。STEM教育作為一種影響全球工程教育的新理念，逐漸成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。然而，如何實(shí)現(xiàn)STEM教育在高等教育中的本土化設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)研究聚焦理論探討較多，實(shí)證研究較少，導(dǎo)致理論在指導(dǎo)實(shí)踐過程中存在諸多困惑和盲點(diǎn)。鑒于此，本研究基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式，以高校AI通識(shí)課程為例進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)，并對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行實(shí)證分析，以探索工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)新路徑。

二、STEM教育的核心理念

起源于美國(guó)的STEM教育，是一種以培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新素養(yǎng)為目標(biāo)，以學(xué)科整合為基本特征的理念運(yùn)動(dòng)。STEM教育培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門“元學(xué)科”以及相關(guān)交叉領(lǐng)域中運(yùn)用整合跨學(xué)科知識(shí)來解決現(xiàn)實(shí)世界問題的能力。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NFC）指出，本科STEM教育改革的核心理念在于“跨學(xué)科整合”“循證教學(xué)”“主動(dòng)學(xué)習(xí)”[2]。

第一，跨學(xué)科整合思維是STEM教育的重要前提。朱莉·湯普森·克萊因（Julie Thompson Klein）將STEM跨學(xué)科整合課程分為多學(xué)科、交叉學(xué)科、超學(xué)科三個(gè)層次。在實(shí)踐中，多學(xué)科課程表現(xiàn)為將不同學(xué)科進(jìn)行簡(jiǎn)單組合拼裝，學(xué)科融合度不高;交叉學(xué)科課程是將多門學(xué)科根據(jù)要解決問題目標(biāo)進(jìn)行知識(shí)選取整合和結(jié)構(gòu)化重構(gòu)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力;超學(xué)科課程則強(qiáng)調(diào)超越學(xué)科視角，在批判反思的基礎(chǔ)上構(gòu)建超學(xué)科文化，是STEM課程整合的終極目標(biāo)[3]?？梢?，交叉學(xué)科和超學(xué)科課程真正打破了學(xué)科壁壘和界限，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科整合為一個(gè)全新的學(xué)習(xí)體系。赫希巴奇（Herschbach）指出，最常用的STEM整合方式是打破學(xué)科之間的界限，通過活動(dòng)或項(xiàng)目形成連貫的、有組織的課程結(jié)構(gòu)，其中，如何在打破的學(xué)科之間取得平衡、建立新的課程結(jié)構(gòu)對(duì)一線教師和政策制定者提出了新的挑戰(zhàn)[4]。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)需要教師對(duì)學(xué)生解決一個(gè)項(xiàng)目問題所需要的跨學(xué)科知識(shí)進(jìn)行梳理和結(jié)構(gòu)化整合，注意每個(gè)階段學(xué)科間知識(shí)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)性連接，并保持各塊知識(shí)的均衡覆蓋和重疊交叉[5]，幫助學(xué)生創(chuàng)造性解決問題。

第二，循證教學(xué)的評(píng)估實(shí)踐是STEM教育的重要保障。教育作為一種專業(yè)實(shí)踐，應(yīng)該基于證據(jù)（Evidence-based）或者至少從證據(jù)中獲取信息（Evidence-informed），并將之應(yīng)用于學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)以及教育政策制定[6]。美國(guó)本科STEM教育質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)制定委員會(huì)認(rèn)為，學(xué)生STEM能力的養(yǎng)成必須依靠循證的STEM教育實(shí)踐（即循證教育實(shí)踐，EBEP）[7]。因而，國(guó)家本科STEM教育評(píng)估包含了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的教學(xué)活動(dòng)監(jiān)測(cè)、對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和環(huán)境的教學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面。微觀層面的STEM課程設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者余勝泉認(rèn)為，要注重STEM課堂問題或項(xiàng)目中所包含的學(xué)科知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，要關(guān)注學(xué)生在解決問題和完成任務(wù)過程中的認(rèn)知活動(dòng)，要強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)習(xí)過程中一切證據(jù)的收集和利用，從而促進(jìn)教學(xué)的評(píng)估診斷和學(xué)生核心素養(yǎng)的提升[6]。這里包含三層循證：一是教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)要基于“項(xiàng)目問題”的證據(jù);二是教學(xué)方法選取要有利于學(xué)生探究推理的循證;三是教學(xué)評(píng)價(jià)方式要體現(xiàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)全過程的發(fā)展性評(píng)價(jià)。

第三，主動(dòng)學(xué)習(xí)的有利環(huán)境是STEM教育的重要驅(qū)動(dòng)。基于“跨學(xué)科整合”“循證教學(xué)”特點(diǎn)的STEM課程，體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”和“以實(shí)踐為中心”的理念，是以建構(gòu)主義和認(rèn)知科學(xué)為理論依據(jù)的教學(xué)實(shí)踐[8]，從而創(chuàng)造了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的有利環(huán)境。斯滕伯格（R. J. Sternberg）強(qiáng)調(diào)，個(gè)體的主動(dòng)性在建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵作用[9]，維果斯基（Vygotsgy）強(qiáng)調(diào)了認(rèn)知過程中學(xué)習(xí)者所處社會(huì)文化歷史背景的作用，提出了“最新發(fā)展區(qū)”理論[10]。STEM教育一方面為學(xué)習(xí)者提供了有利于激發(fā)認(rèn)知好奇的現(xiàn)實(shí)情境;另一方面幫助學(xué)習(xí)者提供了為解決問題而積極建構(gòu)跨學(xué)科知識(shí)的路徑方法，注重科學(xué)探究、工程實(shí)踐、交流強(qiáng)化的教學(xué)流程為學(xué)生探究、發(fā)現(xiàn)、協(xié)作提供了科學(xué)程序和群體動(dòng)力，強(qiáng)化了個(gè)體主動(dòng)找到自己的“最新發(fā)展區(qū)”的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，從而獲得學(xué)習(xí)的意義，促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的轉(zhuǎn)化提升。

總之，跨學(xué)科整合思維、循證教學(xué)的評(píng)估實(shí)踐、基于建構(gòu)主義和認(rèn)知科學(xué)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是STEM教育理念的核心。而如何將這三項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn)通過教學(xué)活動(dòng)的功能性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)等高階能力的提升轉(zhuǎn)化，其教學(xué)模式的選擇尤為重要。

三、基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式

教學(xué)模式不同于教學(xué)方法和策略，是達(dá)成不同教學(xué)目標(biāo)或?qū)W習(xí)結(jié)果的學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)[11]。一個(gè)完整的教學(xué)模式由教學(xué)目標(biāo)、達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的程序、學(xué)習(xí)反應(yīng)產(chǎn)生的原理、學(xué)習(xí)發(fā)生的社會(huì)支持系統(tǒng)等部分組成[12]。教學(xué)模式應(yīng)突出基于更多證據(jù)的教學(xué)、與課程目標(biāo)結(jié)合以及應(yīng)用信息技術(shù)等特征[11]。PBL（Project based Learning）是一種以學(xué)生為主體的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，解決的是如何學(xué)的問題，由1918年克伯屈（William Hurd Cobbler）提出的“設(shè)計(jì)教學(xué)法”演變而來，它倡導(dǎo)學(xué)生基于現(xiàn)實(shí)世界的探究活動(dòng)尋找有意義的切入點(diǎn)，以小組方式進(jìn)行較長(zhǎng)周期的開放性探究活動(dòng)，完成一系列設(shè)計(jì)、計(jì)劃、問題解決、決策、作品創(chuàng)建、成果交流等活動(dòng)，最終達(dá)到知識(shí)建構(gòu)和能力提升的一種教學(xué)模式[13]。內(nèi)容、活動(dòng)、情境和結(jié)果構(gòu)成了PBL教學(xué)的四大要素[14]。PBL教學(xué)模式關(guān)注真實(shí)世界問題，蘊(yùn)含了斯滕伯格（R. J. Sternberg）的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、杜威（John Dewy）的實(shí)用主義教育理論和布魯納（Jerome Seymour Bruner）的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論教育思想，從學(xué)習(xí)本質(zhì)和理論基礎(chǔ)來看，PBL承接了STEM教育的特點(diǎn)，成為培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科素養(yǎng)最為重要的一種學(xué)習(xí)模式[15]，對(duì)提高學(xué)生SETM學(xué)科自主學(xué)習(xí)的自我效能感、創(chuàng)造力和適應(yīng)性有顯著效果[16]。

基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式，即采用PBL的學(xué)習(xí)方法，充分利用STEM教育“跨學(xué)科整合”“循證教學(xué)”“主動(dòng)學(xué)習(xí)”的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)技能，開展科學(xué)探究、工程實(shí)踐、交流強(qiáng)化等學(xué)習(xí)活動(dòng)，進(jìn)而發(fā)展STEM素養(yǎng)、創(chuàng)新素養(yǎng)和人文素養(yǎng)等核心素養(yǎng)。它立足項(xiàng)目設(shè)計(jì)，通過跨學(xué)科知識(shí)的融合建構(gòu)，引領(lǐng)學(xué)生探索問題求證方法，歸納答案創(chuàng)新認(rèn)知，提升高階思維能力。同時(shí)，基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式，既是一個(gè)囊括了內(nèi)容與目標(biāo)、過程與方法的系統(tǒng)教學(xué)體系，又是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、發(fā)展的、可驗(yàn)證的完整教學(xué)過程?？鐚W(xué)科探究和課堂內(nèi)外聯(lián)動(dòng)實(shí)踐展示出教學(xué)動(dòng)態(tài)發(fā)展的無限可能;師生教學(xué)的緊密互動(dòng)和不斷深入的問題探究演繹出教學(xué)協(xié)同創(chuàng)新的和諧發(fā)展;全過程學(xué)習(xí)成果的可視化和學(xué)生創(chuàng)新能力的可測(cè)性又揭示了循證教學(xué)的有效性。

從教學(xué)模式特征看，基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式具有探究性、實(shí)踐性、協(xié)同性、綜合性和循證性五大特征。探究性體現(xiàn)在問題解決過程中應(yīng)用科學(xué)原理與方法進(jìn)行探究;實(shí)踐性體現(xiàn)在教學(xué)與學(xué)習(xí)過程是一種跨學(xué)科的解決真實(shí)問題的實(shí)踐活動(dòng);協(xié)同性體現(xiàn)在教學(xué)過程是師生之間的協(xié)同、學(xué)習(xí)過程是生生之間的協(xié)作;綜合性體現(xiàn)在教學(xué)與學(xué)習(xí)過程是科學(xué)、工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用;循證性體現(xiàn)在整個(gè)過程以及評(píng)價(jià)方式是基于證據(jù)導(dǎo)向的科學(xué)設(shè)計(jì)。穆斯塔法（Mustafa）等對(duì)STEM整合課程研究的元分析表明，PBL是當(dāng)前STEM整合課程開展數(shù)量最多的學(xué)習(xí)模式[17]。

四、基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)理念

基于STEM教育理念的PBL教學(xué)設(shè)計(jì)是一種以促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和能力提升為宗旨，強(qiáng)調(diào)學(xué)生“創(chuàng)新學(xué)”和教師“創(chuàng)新教”的教學(xué)模式?！皠?chuàng)新學(xué)”是通過情境學(xué)習(xí)、問題學(xué)習(xí)與探究學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生在“增加課程投入”后實(shí)現(xiàn)高階思維能力的提升;“創(chuàng)新教”則是通過跨學(xué)科課程重構(gòu)、產(chǎn)學(xué)融合、多維循證評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)教師為“激發(fā)學(xué)習(xí)參與”而進(jìn)行的教學(xué)行為改革，最終達(dá)成培養(yǎng)具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的工程科技人才的目標(biāo)。而“創(chuàng)新學(xué)”與“創(chuàng)新教”的有效實(shí)施依賴教與學(xué)課程生態(tài)的有效整合。

（二）設(shè)計(jì)路徑

本研究以AI通識(shí)課程“人工智能創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)”為例，進(jìn)一步闡述基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式的設(shè)計(jì)路徑。教學(xué)模式是一個(gè)環(huán)境系統(tǒng)，它包括教學(xué)原理、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程乃至教學(xué)組織共同構(gòu)成的系統(tǒng)操作樣式[18]。如圖1所示，基于STEM的AI通識(shí)課程PBL教學(xué)模式是以跨學(xué)科整合、循證教學(xué)和主動(dòng)學(xué)習(xí)為教學(xué)設(shè)計(jì)主線;以培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新素養(yǎng)、工程人文素養(yǎng)和AI素養(yǎng)的工程創(chuàng)新人才為教學(xué)目標(biāo);以學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)AI創(chuàng)新項(xiàng)目所開展的工程研究實(shí)踐為教學(xué)內(nèi)容;以課程鋪墊、科學(xué)探究、工程實(shí)踐、交流強(qiáng)化四環(huán)節(jié)為教學(xué)過程;以多主體參與、多形式共存、教學(xué)相長(zhǎng)的多維循證體系為教學(xué)評(píng)價(jià);以促進(jìn)產(chǎn)學(xué)融合、專業(yè)與通識(shí)融合的環(huán)境為教學(xué)保障的模式。

圖1? ?基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式設(shè)計(jì)路徑

1. 聚焦三大素養(yǎng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)

基于STEM教育理念的PBL教學(xué)著重培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新素養(yǎng)、工程人文素養(yǎng)和AI素養(yǎng)，通過清晰界定課程目標(biāo)避免課程的形聚神散。其中，工程創(chuàng)新素養(yǎng)聚焦分析、評(píng)估、創(chuàng)造等高階思維能力的培養(yǎng)，突出工程通用素養(yǎng)向工程創(chuàng)新素養(yǎng)轉(zhuǎn)化;工程人文素養(yǎng)注重培育“領(lǐng)悟善、體驗(yàn)自由、超越和批判性思維”的心智，提高學(xué)生學(xué)業(yè)適應(yīng)性;AI素養(yǎng)包括“正確理解AI科學(xué)倫理觀、提升AI技術(shù)理解力、增強(qiáng)AI落地場(chǎng)景觀察力”三方面能力，幫助學(xué)生探索未來職業(yè)的可能性。

2. 注重探究—實(shí)踐—交流的科學(xué)程序設(shè)計(jì)

基于STEM教育理念的PBL教學(xué)以項(xiàng)目作為課程教學(xué)的載體，以設(shè)計(jì)作為課程教學(xué)的過程，以跨學(xué)科知識(shí)、技能的創(chuàng)造性應(yīng)用作為課程教學(xué)的宗旨。以AI通識(shí)課程“人工智能創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)”為例，教學(xué)內(nèi)容涵蓋人工智能、產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等統(tǒng)一的知識(shí)版塊及不同項(xiàng)目涉及的交叉學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域。教學(xué)程序設(shè)計(jì)包含課程鋪墊、科學(xué)探究、工程實(shí)踐和交流強(qiáng)化四個(gè)步驟：課程鋪墊主要做好課程目標(biāo)、教學(xué)方法、項(xiàng)目組隊(duì)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍;科學(xué)探究是通過產(chǎn)業(yè)調(diào)研和實(shí)地走訪完成識(shí)別問題、協(xié)作探究和方案制定三個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié);工程實(shí)踐包含設(shè)計(jì)建造和測(cè)試改進(jìn)兩個(gè)實(shí)踐流程;交流強(qiáng)化以學(xué)生創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目路演、跨專業(yè)跨界師資團(tuán)隊(duì)教學(xué)指導(dǎo)的方式，幫助學(xué)生結(jié)構(gòu)化反思學(xué)習(xí)。以上四個(gè)步驟根植于真實(shí)世界，創(chuàng)設(shè)了探究學(xué)習(xí)、問題學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)的有利環(huán)境，有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的心理動(dòng)能。

3. 依據(jù)循證實(shí)踐的多維多層評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式，其循證實(shí)踐的特性決定了實(shí)施多主體參與、多形式共存、教學(xué)相長(zhǎng)的多維評(píng)價(jià)體系。學(xué)生的學(xué)習(xí)成果有設(shè)計(jì)方案、實(shí)物裝置、視頻展示、軟件系統(tǒng)和研制報(bào)告以及路演匯報(bào)和回答問題情況，這些證據(jù)反映了項(xiàng)目實(shí)踐全過程，能夠有效監(jiān)測(cè)教與學(xué)的實(shí)際效果。多主體參與指專家評(píng)價(jià)、同行評(píng)價(jià)和個(gè)體評(píng)價(jià)并行（專家包括行業(yè)專家、教務(wù)部門人員與教師團(tuán)隊(duì)組成，同行指同班和同組同學(xué)，個(gè)體評(píng)價(jià)指學(xué)生自我評(píng)價(jià)）;多方式共存指形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)并舉（項(xiàng)目研究推進(jìn)階段性匯報(bào)是形成性評(píng)價(jià)的依據(jù)，項(xiàng)目成果的質(zhì)量、推廣成效都是終結(jié)性評(píng)價(jià)的內(nèi)容）;教學(xué)相長(zhǎng)指向師生共同發(fā)展的評(píng)價(jià)體系構(gòu)建，通過建立對(duì)學(xué)生能力和課程滿意度的評(píng)估體系，為教師了解課程成效、改進(jìn)目標(biāo)提供資料，促進(jìn)師生共同成長(zhǎng)。

4. 促進(jìn)產(chǎn)學(xué)融合、專業(yè)與通識(shí)融合的環(huán)境保障設(shè)計(jì)

基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式立足人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和教育管理的實(shí)際需求，建立起教育與產(chǎn)業(yè)的對(duì)話機(jī)制：一方面，通過與行業(yè)協(xié)會(huì)企業(yè)等共同構(gòu)建STEM教學(xué)實(shí)訓(xùn)基地、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)平臺(tái)、開發(fā)課程項(xiàng)目池等形式使前沿的產(chǎn)業(yè)成果成為寶貴的教學(xué)資源，增加學(xué)生的工程實(shí)踐與技術(shù)體驗(yàn)機(jī)會(huì)，提高學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力;另一方面，結(jié)合“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”等競(jìng)賽，通過校園內(nèi)部資源與社會(huì)資源的創(chuàng)新整合，邀請(qǐng)行業(yè)投融資專家對(duì)課程成果進(jìn)行創(chuàng)業(yè)落地、投資孵化，實(shí)現(xiàn)學(xué)校與社會(huì)協(xié)同育人，幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)世界與工作世界的同頻共振，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)融合、專業(yè)與通識(shí)融合的教學(xué)生態(tài)，為STEM教育的本土化實(shí)踐提供環(huán)境保障。

根據(jù)已有文獻(xiàn)及上述論證，本研究提出假設(shè)，基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式：（1）能夠顯著激發(fā)學(xué)生的課程投入;（2）能夠有效提升學(xué)生三大素養(yǎng);（3）可以顯著改善課程滿意度。

五、基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式改革實(shí)踐

為驗(yàn)證基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式的有效性，本研究以華僑大學(xué)通識(shí)選修課程“人工智能創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)”為例，于2018年7—8月，2019年9—12月，2020年9—12月開展三輪教學(xué)實(shí)踐工作。共有15個(gè)專業(yè)的298名本校學(xué)生和10971名校外人士通過慕課選修了該課程。課程第一期采用線下方式授課，第二、三期改為“線上（慕課）+線下”混合教學(xué)模式，課程共32學(xué)時(shí)，將跨學(xué)科知識(shí)整合到MOOC教學(xué)中，線下教學(xué)則引導(dǎo)、輔助學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行真實(shí)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐。任課教師團(tuán)隊(duì)共4人，涉及多個(gè)學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域，具有豐富的PBL模式教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，課程還邀請(qǐng)多名行業(yè)企業(yè)專家和研究生助教參與教學(xué)工作。

（一）課程實(shí)施過程

“人工智能創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)”課程以指導(dǎo)學(xué)生完成一個(gè)AI創(chuàng)新項(xiàng)目所需要的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)跨學(xué)科知識(shí)的結(jié)構(gòu)化重組為基礎(chǔ)，教學(xué)內(nèi)容涵蓋人工智能、產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等統(tǒng)一的知識(shí)版塊及不同項(xiàng)目涉及的交叉學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域。教學(xué)程序包含課程鋪墊、科學(xué)探究、工程實(shí)踐和交流強(qiáng)化四個(gè)步驟，通識(shí)課程的實(shí)施時(shí)間通常延續(xù)至第三學(xué)期，保證學(xué)生有充足的時(shí)間參與課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過程。

在課程鋪墊環(huán)節(jié)中，慕課線上授課2學(xué)時(shí)，講解人才培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)方法要求及相關(guān)教學(xué)資源;線下時(shí)間完成團(tuán)隊(duì)組建、素質(zhì)拓展，共計(jì)4學(xué)時(shí)，采用性格測(cè)試、產(chǎn)品經(jīng)理自薦等方法快速組建團(tuán)隊(duì)，開展戶外素質(zhì)拓展以增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)凝聚力，使學(xué)生主動(dòng)適應(yīng)和配合教學(xué)模式改革。

在科學(xué)探究環(huán)節(jié)中，慕課3學(xué)時(shí)，線下調(diào)研實(shí)踐5學(xué)時(shí)，課后實(shí)踐包括學(xué)生進(jìn)行行業(yè)走訪、產(chǎn)品調(diào)研、小組討論完成作業(yè)，約20學(xué)時(shí)。本環(huán)節(jié)分為三部分：一是識(shí)別問題，教師采用案例法慕課講授世界AI技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史、產(chǎn)業(yè)研究學(xué)習(xí)，線下組織學(xué)生體驗(yàn)AI產(chǎn)品，拋出問題以引發(fā)學(xué)生思考;二是協(xié)作探究，教師線下組織學(xué)生走訪AI企業(yè)，了解AI項(xiàng)目及工程研發(fā)過程，讓學(xué)生在真實(shí)情景中探究自身學(xué)科與AI技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的未來方案，撰寫《人工智能產(chǎn)品體驗(yàn)報(bào)告》，同時(shí)結(jié)合行業(yè)協(xié)會(huì)企業(yè)提供的項(xiàng)目池資源情況確定感興趣的選題;三是方案制定，教師講解工程項(xiàng)目開發(fā)流程，設(shè)定評(píng)測(cè)表指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)在協(xié)作探究的基礎(chǔ)上完成產(chǎn)品的概念化研發(fā)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行團(tuán)隊(duì)調(diào)研分享匯報(bào)。此環(huán)節(jié)教師要保證對(duì)每個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行至少1～2次的溝通輔導(dǎo)。

在工程實(shí)踐環(huán)節(jié)中，慕課4學(xué)時(shí)，線下設(shè)計(jì)實(shí)踐課8學(xué)時(shí)，課后產(chǎn)品視頻制作輔導(dǎo)2學(xué)時(shí)，教師項(xiàng)目輔導(dǎo)8學(xué)時(shí)，學(xué)生需要投入30學(xué)時(shí)以上課前課后學(xué)習(xí)。這一環(huán)節(jié)包括：（1）設(shè)計(jì)建造，首先由負(fù)責(zé)軟件開發(fā)的教師講解AI算法，指導(dǎo)小組討論開發(fā)、匯報(bào)算法流程圖，并做技術(shù)路線匯報(bào);其次由負(fù)責(zé)產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)的教師講解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，指導(dǎo)小組集成AI產(chǎn)品，并編制評(píng)測(cè)表對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)標(biāo)評(píng)價(jià)，以完善方案。這部分包括了數(shù)學(xué)模型的分析建構(gòu)以及AI產(chǎn)品嵌入集成的工程實(shí)踐過程。（2）測(cè)試改進(jìn)，由負(fù)責(zé)工業(yè)設(shè)計(jì)的教師講授AI產(chǎn)品功能和工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，助教團(tuán)隊(duì)課后輔導(dǎo)產(chǎn)品展示的視頻制作技術(shù)，小組開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試優(yōu)化，并以產(chǎn)品原型交互設(shè)計(jì)匯報(bào)來完成階段性總結(jié)。

在交流強(qiáng)化環(huán)節(jié)中，慕課2學(xué)時(shí)，線下匯報(bào)2學(xué)時(shí)，課后AI產(chǎn)品創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化調(diào)研及實(shí)踐約10學(xué)時(shí)。這一環(huán)節(jié)，學(xué)生慕課學(xué)習(xí)教師講授的項(xiàng)目路演、產(chǎn)品創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化的相關(guān)知識(shí)，了解本項(xiàng)目進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展的政策、資金、競(jìng)賽等資源并開展產(chǎn)品創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化實(shí)踐，最后進(jìn)行項(xiàng)目路演，接受由AI行業(yè)協(xié)會(huì)、AI投融資的專家或企業(yè)高管、教師組成的專家評(píng)審團(tuán)的點(diǎn)評(píng)指導(dǎo)。根據(jù)建議改進(jìn)項(xiàng)目，在團(tuán)隊(duì)內(nèi)分享學(xué)習(xí)收獲與反思。課程結(jié)束后，優(yōu)秀項(xiàng)目選入“僑僑人工智能學(xué)生創(chuàng)新工作室”繼續(xù)培育孵化，結(jié)合學(xué)校資金扶持、競(jìng)賽參與、科創(chuàng)保研、科創(chuàng)榮譽(yù)等激勵(lì)保障機(jī)制，促進(jìn)教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化提升。

團(tuán)隊(duì)匯報(bào)分享共4次，分別是項(xiàng)目選題匯報(bào)、產(chǎn)品算法和技術(shù)路線匯報(bào)、產(chǎn)品原型和交互設(shè)計(jì)匯報(bào)（三項(xiàng)皆為過程性評(píng)價(jià)，占比40%，日常出勤占比10%）以及AI產(chǎn)品創(chuàng)新孵化項(xiàng)目路演（終結(jié)性評(píng)價(jià)占比50%）。評(píng)價(jià)主體包括了專家、同行和個(gè)體三類。課程結(jié)束后，選課學(xué)生參與了課程滿意度與能力發(fā)展自評(píng)以及學(xué)習(xí)小結(jié)深度訪談。

（二）教學(xué)驗(yàn)證設(shè)計(jì)

1. 研究設(shè)計(jì)

為了更好地了解基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式的實(shí)施成效，本研究設(shè)計(jì)了應(yīng)用效果評(píng)估問卷。問卷分為三個(gè)部分：除了基本信息外，第一部分是學(xué)習(xí)投入（課后投入時(shí)間與深度學(xué)習(xí)）評(píng)估;第二部分是能力發(fā)展（三大素養(yǎng)）評(píng)估;第三部分是滿意度（學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)實(shí)施滿意度）評(píng)估。除了第一部分的學(xué)習(xí)投入評(píng)估中的“項(xiàng)目參與”選題外，問卷其他部分題目采用 Likert心理反應(yīng)量表，根據(jù)問題情況進(jìn)行5～7級(jí)賦分。

初稿問卷首先隨機(jī)邀請(qǐng)了52名選課學(xué)生進(jìn)行問卷前期測(cè)試，并選擇10名學(xué)生進(jìn)行測(cè)試訪談，對(duì)問卷的表述進(jìn)行修正優(yōu)化。其次進(jìn)行Alpha信度系數(shù)法檢驗(yàn)，60個(gè)條目克隆巴赫系數(shù)為0.987，各個(gè)分維度的Alpha信度系數(shù)也均超過0.93，說明問卷可靠性高，內(nèi)部一致性高。同時(shí)，因子分析法檢驗(yàn)顯示，各個(gè)分維度KMO值均>0.7，Bartlett球體檢驗(yàn)均在0.01水平。分維度因子載荷均>0.6，方差累積貢獻(xiàn)率均>70%，問卷具有良好的效度，能夠較好地反映課程效果的全貌。

2. 數(shù)據(jù)采集與分析

2021年12月，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過問卷星對(duì)近三輪參與選課的298名本校學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，共有來自9個(gè)學(xué)院和12個(gè)專業(yè)的260名學(xué)生提交了問卷，占選課人數(shù)的87%。其中，男生192人（占74%），女生68人（占26%）。除了調(diào)查問卷外，課程還通過授課學(xué)生的課程小結(jié)及深度訪談15名學(xué)生，以此全面了解本課程實(shí)施的效果。研究假設(shè)驗(yàn)證如下：

（1）學(xué)生學(xué)習(xí)投入度顯著增加。本研究從課后學(xué)習(xí)投入時(shí)間和深度學(xué)習(xí)兩個(gè)方面驗(yàn)證學(xué)生課程參與的效率。全體學(xué)生都在課后參與了小組探究學(xué)習(xí)，有81.5%的學(xué)生參與了4～6次以上課后小組討論，其中，17%參與了高達(dá)9次以上的課后自發(fā)小組討論學(xué)習(xí)，如圖2所示。算法設(shè)計(jì)階段和產(chǎn)品成型設(shè)計(jì)階段，也就是科學(xué)探究和工程實(shí)踐兩個(gè)環(huán)節(jié)，是討論用時(shí)最多的階段，如圖3所示。68%的學(xué)生表示，課程結(jié)束后繼續(xù)完善孵化項(xiàng)目以及參加科創(chuàng)競(jìng)賽、科研課題或社會(huì)實(shí)踐等活動(dòng)，如圖4所示。

“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”“自主學(xué)習(xí)”是基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式的主要特征，反映學(xué)生學(xué)習(xí)的深入程度。研究結(jié)果顯示，90.7%的學(xué)生認(rèn)為，課程中自己“進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)，將AI與自身專業(yè)相結(jié)合來解決問題”的頻數(shù)以及88%的學(xué)生認(rèn)為，課程中“比較判斷、分析評(píng)估方案解決問題”“不拘泥現(xiàn)成做法，獨(dú)立思考創(chuàng)新解決問題”“反思吸取經(jīng)驗(yàn)”的頻數(shù)達(dá)“稍多”“經(jīng)常”甚至“十分經(jīng)?！?90.7%的學(xué)生認(rèn)為，課程中自己較多、經(jīng)常“帶著問題目標(biāo)自主探究學(xué)習(xí)”;90%的學(xué)生經(jīng)?！胺e極參與小組討論”“分享學(xué)習(xí)技能”“主動(dòng)向老師請(qǐng)教”。“這種教學(xué)法很棒，老師為我們提供一個(gè)平臺(tái)和方向，所有的都讓我們自己去探索，毫無疑問，這樣的一種學(xué)習(xí)方式讓人記憶深刻，同時(shí)也讓人成長(zhǎng)很快”（ZK，男）?？梢?，該教學(xué)模式有效增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)投入，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)。

（2）學(xué)生能力顯著提升。表1反映了學(xué)生課程前后對(duì)自身三大素養(yǎng)部分指標(biāo)的評(píng)估狀況。工程創(chuàng)新素養(yǎng)方面，學(xué)生認(rèn)為，“進(jìn)步不錯(cuò)”和“進(jìn)步很大”的能力有：“創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力”“問題分析與解決能力”（均為87%以上）、“跨學(xué)科應(yīng)用能力”“技術(shù)與使用工具能力”（均為83%以上）、“產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)能力”（78.8%以上）。工程人文素養(yǎng)方面，學(xué)生認(rèn)為，“進(jìn)步不錯(cuò)”和“進(jìn)步很大”的能力有：“社會(huì)責(zé)任感”“自我反思能力”（87%以上）、“調(diào)查與研究能力”“項(xiàng)目管理與溝通合作能力”“自主學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)能力”（83%以上）。來自土木學(xué)院的學(xué)生XMH描述了自己在跨學(xué)科能力和項(xiàng)目溝通管理能力方面的進(jìn)步：“AI工程創(chuàng)新項(xiàng)目管理是我之前從未涉足的領(lǐng)域，我發(fā)現(xiàn)這門課程的價(jià)值比想象中的更高，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)比單純的書本學(xué)習(xí)效率更高。”AI素養(yǎng)方面，96%的學(xué)生認(rèn)為，課程“增加了自己對(duì)專業(yè)和AI現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的了解”，93.8%的學(xué)生“對(duì)AI項(xiàng)目感到有趣”。超過94%的學(xué)生認(rèn)為，“更了解科技創(chuàng)新的實(shí)踐意義”，超過95%的學(xué)生認(rèn)為，“課程使自己今后在面對(duì)學(xué)業(yè)困難時(shí)不會(huì)輕易放棄”。

（3）學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)、教學(xué)滿意度高。如圖5所示，學(xué)生對(duì)基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式的實(shí)施情況（教學(xué)情況、教師支持、小組合作、企業(yè)參訪、團(tuán)建拓展、學(xué)習(xí)環(huán)境）滿意度高達(dá)95%以上?！罢n程提供給我們一個(gè)迅速成長(zhǎng)的過程。我們學(xué)習(xí)AI項(xiàng)目以及其開發(fā)制作，最為難得的是這門課確確實(shí)實(shí)地讓我們?cè)跇O短的時(shí)間內(nèi)親自見證產(chǎn)品在自己手上的成長(zhǎng)。雖然它并不是一個(gè)十分成熟的項(xiàng)目，但是它成長(zhǎng)的每一步都由我們成員一起親手打造和打磨。所以說，盡管它不是一個(gè)優(yōu)秀的作品，但是它是一個(gè)滿分的體驗(yàn)”（LLY，男） 。“通過這次課程，我收獲了一批志同道合的朋友。行走在校園里我們都是一樣的平凡，但是遇見彼此卻讓我們發(fā)現(xiàn)自己也可以有所創(chuàng)新、有所創(chuàng)造。對(duì)于課程的體驗(yàn)，整體來說回憶十分美好，但過程又是十分匆忙，終日處在討論—修改—討論的循環(huán)里”（XQM，女）。

六、結(jié)? ?語

本研究提出了一種基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式設(shè)計(jì)，即聚焦工程創(chuàng)新素養(yǎng)、工程人文素養(yǎng)、AI素養(yǎng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì);注重探究—實(shí)踐—交流的科學(xué)程序設(shè)計(jì);依據(jù)循證實(shí)踐的多維多層評(píng)價(jià)設(shè)計(jì);促進(jìn)產(chǎn)學(xué)融合、專業(yè)與通識(shí)融合的環(huán)境保障設(shè)計(jì)。課程教學(xué)實(shí)踐表明，基于STEM教育理念的PBL教學(xué)模式在AI通識(shí)課程中的應(yīng)用具有可行性和有效性，且該教學(xué)模式有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)投入度，有助于提升學(xué)生的工程創(chuàng)新能力、工程人文素養(yǎng)和AI素養(yǎng)以及增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)滿意度，并促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研深度融合，可為高校一流本科教育教學(xué)改革和工程科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供參考和借鑒。

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