何朝霞

[摘           要]  STEAM教育强调通过跨学科方式综合多学科的相关知识，培养学生的实践能力与解决问题能力，以信息处理软件系统课程设计课程为例，分析了课程教材编写的思路，包括STEAM课程项目的选择、知识体系构建和创设生活中的实际问题等方面，为其他课程教材编写提供一个新的思路。

[关    键   词]  STEAM教育;跨学科;教材编写;课程项目;知识体系

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0602（2020）40-0192-02

一、教材编写背景

STEAM最早起源于美國，五个字母分别代表科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）、数学（Mathematics）五门学科。[1]STEAM理念不仅仅是五门学科的简单组合，而且是通过跨学科方式综合多学科的相关知识，培养学生的实践能力与解决问题能力。[2]近年来，STEAM理念已成全球教育领域的热词，在我国高校，STEAM正处于探索和尝试的初期阶段。

信息处理软件系统课程设计作为电子信息类专业信号与系统系列课程的延伸和综合性的实践课程，课程内容必须以工程教育模式为指导，遵循一线工程师所具有的知识、素质和能力，考虑系列课程之间以及与相关专业课的融会贯通，教学内容应为综合性和设计性实验，选题应与工程实际和学科发展相结合，甚至是跨学科和跨专业课题。

显然，从信息处理软件系统课程设计课程内容的设计依据和要求来看，与STEAM教育理念基本吻合：学生在实践教学早期，必须要查找或学习相关学科知识（科学），接着需要设计实验环节、采集实验结果或数据（工程与技术），然后需要对实验结果或数据进行分析（数学），最终得出实验结果，验证假设或是发现新的规律（科学与艺术）。教学必须以教材为依据，要在信息处理软件系统课程设计教学中落实STEAM教育理念，因此编写融合STEAM教育理念的教材是重要的一步。

二、教材编写思路

（一）STEAM课程项目的选择

信息处理软件系统课程设计融入STEAM理念，旨在实现以工程为主导的实践课程自然地将科学、技术、数学和艺术进行整合，强调教学活动与现实生活的联系，注重解决生活中的实际问题，提高学生的学习兴趣和积极性。因此基于项目的学习和实践是该课程的一种比较合适的方式。[3]

在信息处理软件系统课程设计教材的编写过程中，最重要的就是对项目进行合理的选择。在设置项目时，要遵循源于真实生活或工程实际，有情境性、趣味性和艺术性，同时包含的知识要能够被学生掌握等几个原则，最大限度地激发学生的学习兴趣，进一步提高创造力和创新能力和学习效率。[4]项目的选择包括：（1）明确要解决的具体问题，能够针对数字信号处理、数字图像处理和数字语音处理相关课程进行选择;（2）明确具体要实现的目标，根据提出的问题能够提出具体的、可实现的项目实例;（3）选择的项目简单完整，易于上手，同时要包括所有学习的知识。

（二）STEAM课程知识体系构建

初步设想，将课程内容分为科学、技术、工程、艺术和数学五个方面，探讨五个方面在不同项目中的应用与相互联系，构建一套完整的实践教学课程体系。在编写教材时可以构建跨学科的知识体系，同时在设计实验项目时，所涉及的各学科知识必须符合学生的相关学科当前认识水平。下表给出了设计的部分信息处理项目的STEAM思想与内涵。

从上表可以看出，各个实验项目融合了多个学科的知识点。学生将已学的和需要学的科学知识作为实验项目的基础知识储备，借助工程与技术知识搭建软件设计平台、调试软件程序、采集实验图形及数据，采用数学方法处理和分析实验结果，运用语言艺术从视听效果的角度提炼观点，形成实验结论。

（三）创设生活中的实际问题

STEAM理念强调趣味性和情境性，所以在教材编写中设计生活中的真实问题，让学生融入一个真实和有趣的情境，不仅可以有效地激发学生的学习欲望，而且能够培养其创新地解决问题的能力。

初步设想沿着提出问题—分析问题—解决问题—改进问题的主线编写教材，[5]下面以“图像信号的分析与处理”实验项目为例，详细分析课程设计的具体环节。

1.提出问题

图像信号在我们生活中应用广泛，获取的渠道也比较多。这个实验项目的问题提出方式可以有多种，初步设想以下几个问题：如果我们在阴天采集的一个图像想变亮如何实现？如果我们在运动时采集的一幅图像想变清晰如何实现？生活小区总的车牌识别系统是如何实现的？工作单位的指纹考勤是如何设计的？学生也可以以这些问题为基础，提出自己在生活中想解决的一些图像处理方面问题，教师衡量学生提出问题的难易程度，根据学生当前的知识水平确定一个适合的问题。由于提出的问题都是符合学生的主观解决意愿，可以大大地提高学生学习的兴趣，为后期的分析问题和解决问题打下良好的基础。

2.分析问题

分析问题旨在培养学生的科学素养，提高工程和技术水平，它能够帮助学生走进科学，理解科学，最终能够运用科学。图像信号的分析与处理项目需要用到的主要科学知识有信号的显示、信号的采样、信号的离散傅里叶变换、信号的滤波处理等信号处理的知识点，学生认识到这些知识点的基本原理以及在项目中起到的作用，同时选择合适的技术与方法，是后期更好完成项目解决问题的基础，最终实现利用他们的创造力对图像信号的分析与处理项目进行合理改进的效果。在信息处理软件系统课程设计的教学课程中，向学生讲述分析问题的思路不仅是为了让他们理解信号处理的基本原理，更能够拓宽学生的视野，提高学生对科学的兴趣。

3.解决问题

解决问题阶段需要学生根据前期的分析问题的思路动手设计和构建软件平台、调试程序、采集实验图像的显示效果，记录实验结果，再运用数学知识处理和分析实验结果，从而验证实验的理论知识或者获取新知识。设计图像处理与分析软件平台可以选择不同的语言，例如选择C、VC、MATLAB、python等，也可以选择实现多种不同的功能等。只有考虑周详、充分准备才能够完成软件平台的设计与构建。平台构建完成后还要对各种处理功能进行检查以確保其能够正常运行。整个实践教学过程由教师引导，帮助学生在完成项目的过程中感受工程建立的过程，培养学生的工程素养。

4.改进问题

改进问题阶段需要学生依托实验结论，思考及提出改进问题的方法，使实验成果能够有效地促进改善生活实际问题。学生在图像信号的分析与处理系统构建完成后，可以在原有模式的基础上对软件平台进行艺术创作，将他们对于美学界面和软件各功能的理解，将自己的想法注入软件平台的设计中去。因为软件的设计不具有唯一性，实现某一功能可以通过多种方法，这一特点给学生提供了很大的发挥空间，能帮助学生更好地完成创作。

在软件平台进行设计时，要综合考虑各个功能中不同参数带来的影响，对于不同的图像利用不同的参数所产生的视觉效果也是千差万别，在整个实践教学中，通过对功能函数的选择、参数的选择锻炼学生的数学思维，让学生通过数学来解决实际问题，然后根据实际效果改进问题，使学生体会到数学的重要性和乐趣。学生通过动手设计软件来培养良好的逻辑思维能力和严谨的工作态度。

三、结语

在信息处理软件系统课程设计教材中构建跨学科的知识体系和实验项目，创设生活中的实际问题，有助于充分调动学生的学习积极性，有效地引导学生运用多学科知识解决实际问题，培养他们的分析能力、计算能力与创新能力。同时信息处理软件系统课程设计教材编写中融入STEAM理念，为其他课程的教学改革开辟了新的思路和局面。

参考文献：

[1]李刚，吕立杰.从STEM教育走向STEAM教育：艺术（Arts）的角色分析[J].中国电化教育，2018（9）：31-39，47.

[2]宋巍.STEAM教育理念在高等职业教育课程设计中的应用[J].电大理工，2019（9）：35-37.

[3]摆玉龙，孙洪阳，贾金元.STEAM教育理念下的电子科学项目教学研究[J].教育文化论坛，2018（5）：68-73.

[4]骆丽璇.融合STEAM教育理念的信息技术教材编写探索[J].教育信息技术，2019（4）：30-32.

[5]沈森.分析基于steam教育理念的职校计算机课程建设[J].电脑知识与技术，2019（21）：154-155.

编辑 张 俐