余远昱　王久江　魏丽君　秦雨萍　徐晶

摘  要： “新工科”建设对高校的工科专业人才培养模式提出了更高的要求。文章介绍了在物联网工程的专业课程中，使用结合项目学习法的STEAM教育理论的研究与实践。通过在课程中构建STEAM学科与知识点，对前导课程之间的关联进行知识整合，以及建立基于项目的自主学习的教学方法和以完成项目任务为核心的评价体系等措施，提高学生的综合素质和创新能力。

关键词： STEAM教育理论; 项目学习法; “新工科”; 物联网工程

中图分类号：G642          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2022）03-114-03

Abstract： The construction of "New Engineering" puts forward higher requirements for the training mode of engineering talents in colleges and universities. This article introduces the research and practice of using STEAM education theory combined with project-based learning method in teaching of the Internet of Things engineering professional courses. By constructing the STEAM disciplines and knowledge points in the courses， integrating the knowledge of the related between preceding courses， as well as establishing the project-based autonomous learning teaching method， and the evaluation system focusing on completing project task， students' comprehensive quality and innovation ability are improved.

Key words： STEAM education theory; project-based learning; "New Engineering"; Internet of Things engineering

0 引言

为了适应当今世界信息化发展与产业升级，推动高校工程教育的改革创新，2017年2月教育部发布了“新工科”建设规划[1]。“新工科”突出了实用、学科交叉与综合的特点，特别注重人工智能、电子信息、自动化控制、大数据等新兴技术与传统工业的紧密结合，面向新兴产业和新经济的需求，培养具备较强工程实践能力和创新能力的卓越工程人才[2-4]。因此，我国高等院校的工科教育正面临着一场深刻的变革，不仅需要对现有工科专业培养方案改革，也要与时俱进地增设符合未来技术和产业发展需求的新专业。按照“新工科”建设目标，许多高校已开展工科专业的教学改革。本文介绍了我校（内江师范学院）在物联网工程专业课程教学中引入结合项目学习法的STEAM教育理论进行教学改革的研究与实践成果。

1 概念介绍

1.1 项目学习法（PBL）

项目学习法（Project-Based Learning， PBL）是在建构主义理论指导下的以学习者为中心的一种教学模式[5]。与传统学习方法不同，PBL教学模式强调以学生自主学习为主，而不是以教師讲授为主。在教学过程中设计了贴近真实性的任务，在复杂问题的场景里设置学习任务。由学习者通过主动学习及团队成员间的相互协作来解决问题，学习隐藏在问题背后的科学知识，提高自主学习意识和解决问题的能力[6]。PBL通过项目分组来鼓励学生的学习积极能动性，培养学生自学能力、组织管理能力、工程实践能力与创新能力。二十世纪九十年代，国内的高等院校开始引入PBL到专业课程的教学中。

1.2 STEAM教育理论

1986年，在美国国家科学委员会发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告中提出了一种由科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Arts）和数学（Mathematics）多学科融合的综合教育概念，也就是STEAM 教育。其目的是促进学科的融合，培养学生的综合素质[7]。STEAM教育以创新的成果为导向，重视学生在学习过程中对科学、技术、工程、艺术和数学等学科知识进行融合和创新的能力培养。近年来，国内越来越多的学者开始探究STEAM教育的本土化发展，涌现出纷繁多样的教育实践形式，本土研究也呈现出逐渐繁荣的态势。2016年6月，中国教育部颁布了《教育信息化“十三五”规划》，明确提出要进一步加强信息技术在跨学科学习（STEAM教育）中的应用，从国家的政策的层面上推进STEAM 教育理论本土化建设与发展。

1.3 PBL与STEAM教育理论的结合

PBL以学生自主学习为中心，是一种以解决实际问题为目标的教学方式，涵盖了面对挑战性问题如何开展研究、如何实践探索、如何成果进行评价与改进等核心要素。在学习中，PBL要求学生有能力进行跨学科的思维整合，通过项目分组学习，将分散的多个学科问题融合，解决复杂的问题。而STEAM教育方法则是基于跨学科体验、探究、实践教学，强调整合的教学方式，包括了学科知识整合取向，生活经验整合取向，学习者中心整合取向这三个方面核心内容。通过PBL教学，有利于实现这三方面的整合，因此在STEAM教育理论的研究与实践中，引入PBL方法是十分有益的[8]。

2 结合PBL的STEAM課程教学研究实践

2.1 课程简介

结合我校物联网工程专业办学现状，选择“工业物联网设计”课程作为试点，开展结合项目学习法的STEAM教育理论课程教学改革研究与实践。“工业物联网设计”是面向大三学生开设的选修课程，主要讲授基于工业物联网芯片实现物联网控制系统的设计与应用。课程由校方和企业合作共建，企业提供基于ARM Cortex-M3内核的工业物联网控制芯片开发板，开发板上配备了CAN、RS232、RS485、I2C、SPI、ADC和DAC接口，通过接口连接不同外部设备，能够实现特定的物联网控制系统。

“工业物联网设计”课程包括芯片功能介绍，接口电路设计，传感器、外设应用，驱动程序设计，系统调试等内容。经过本课程学习，学生能够根据特定场景需求，设计并实现物联网控制系统。

2.2 实施框架

基于项目学习法的STEAM教育以跨学科的任务为驱动，图1是“工业物联网设计”课程教学改革研究的实施框架。强调了五个学科的交叉融合，并以项目学习法的成果为导向，培养学生理性思维，提升创新和问题解决能力。

2.3 STEAM教学方案

“工业物联网设计”是对高年级学生开设的综合设计课程，内容涉及物联网工程专业的多门前导课程。结合STEAM教学理论所涉及的五个学科，将知识点与对应的前导课程的关系进行分类，如表1所示。

通过建立学科、知识点与前导课程的关联，使得学生在“工业物联网设计”课程学习中也巩固了之前所学的课程知识。五个学科的教学任务概述如下。

科学：指导学生理解物联网控制系统中选用传感器的科学原理，如光电效应、压电效应、化学效应等。引导学生在系统设计中使用科学方法选用传感器，激发学生对科学学习的兴趣。

技术：指导学生使用高级程序设计语言（C语言）编写物联网芯片控制传感器和外部设备的底层驱动程序，能够将所学的程序设计技术应用到实际方案中。

工程：指导学生根据项目要求，能够进行基于物联网芯片的嵌入式系统硬件电路设计、连线与系统调试，培养学生的工程思维和工程开发能力。

艺术：提高学生的审美能力，要求学生在实现控制系统功能的前提下，能够从美观、实用的角度出发，以图纸的形式演示主板、传感器和外部设备的外壳，激发学生艺术创作的灵感。

数学：指导学生使用数学、算法分析等方法优化物联网控制系统的执行效率。培养学生在工程项目开发中自觉运用数学逻辑思维的习惯。

STEAM教学理论要求在跨学科思维的基础上开展对科学素养、技术能力、工程开发能力、艺术修养和数学思维能力的培养。课程教学的任务是学生能够设计出面向工业应用的物联网控制系统。结合课程培养目标，在教学中更强调学科的交叉综合，促进科学、技术、工程、艺术和数学等学科的相互融合，培养具有较强创新能力的跨界工程人才。

2.4 项目学习法教学实施

PBL是一种以学习者为主的教学方法，赋予学生自主学习和教育的责任，培养其主动学习和解决问题的能力。一般是通过学生分组来激发其主动学习的积极性，提高学生的自学能力。“工业物联网设计”课程中，在实验教学中采取以下方案实施PBL教学法。

⑴ 建立以解决问题为目的的自主学习模式

学生是实验教学的主体，不再以单纯完成教师布置的实验任务为目的。学生根据教师提出的项目指标，发挥主观能动性，主动提出问题、对问题做分析并给出问题的解决方案。实验教学部分按照循序渐进的原则分为“基础实验”、“进阶实验”和“创新实验”三个专题。“基础实验”是在芯片验证的实验基础上，大幅度增加与企业的工程项目开发所需的操作内容，使学生掌握芯片的开发平台搭建、SDK编译、下载调试、硬件验证分析等方面的知识和技能。“进阶实验”则从典型物联网控制的工程项目中提取出部分任务作为题目，学生通过硬件电路设计和高级程序语言编程解决工程问题。“创新实验”的目标是提高学生独立解决实际工程问题的能力，培养学生独立进行物联网控制系统的软、硬件开发能力。“创新实验”可由学生自主选择、或在教师指导下拟定题目。

实验教学的组织安排，不墨守成规，而是给予学生一定的选择空间。学生可以结合自己的兴趣特长，以项目团队形式共同完成实验。

⑵ 建立以完成项目任务为核心的评价体系

“工业物联网设计”课程教学目标是使得学生具备解决物联网工程问题的能力。实验由学生项目分组完成，并鼓励学生自主选择“创新实验”的题目。因此不能以传统的笔试方法评价考核学生。课程考核方法改为提交设计报告;做PPT并上台讲解演示;回答教师的提问。

与之相适应，制订了一套公平的课程考核评价体系，在考虑不同项目的实现难度和创新的前提下，对学生的个人学习能力进行评价。课程考核评价因素主要包括项目难度、创新性、项目完成度、团队任务分工、任务解决能力、PPT讲解、回答问题、报告规范性等多方面。以完成项目任务为核心的考核方式有利于引导学生自主学习和独立思考，培养学生分析问题、解决问题的能力。

2.5 教学效果评价

本学年对18级物联网工程专业学生开设的 “工业物联网设计”课程进行教学改革。在面对实际工程问题时，学生能够从科学原理、技术可行性、工程复杂性、算法优化等角度进行分析，也能够考虑到真实场景下产品的美观与实用性并对设计方案加以完善。学生认识到在专业课程学习中主动实现多学科相互融合的重要性。

在实验项目分组教学中，学生能够积极进行组内或组间相互讨论，团队合作意识较强。大部分学生能够根据课程的评价体系，完成课程的学习。学生遇到类似的工程问题不会发憷，学生分析问题、解决问题的能力得到了明显地提升。

3 结束语

“新工科”建设给我国高等院校现有工科专业的人才培养模式带来了新的挑战，在工科课程教学中引入结合项目学习法的STEAM教育理论，不仅能够提升学生的综合素质，也有利于培养符合“新工科”要求的复合型创新人才。本文介绍了在物联网工程专业的“工业物联网设计”课程教学改革方面的研究和实践经验，可为我校物联网工程、智能科学与技术等专业相关课程的STEAM教育改革提供借鉴。

参考文献（References）：

[1] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017（2）：26-35

[2] 林健.新工科建设：强势打造“卓越计划”升级版[J].高等工程教育研究，2017（3）：13-20

[3] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017，3（1）：1-6

[4] 赵继，谢寅波.新工科建设与工程教育创新[J].高等工程教育研究，2017（5）：19-23，47

[5] 刘景福，钟志贤.基于项目的学习（PBL）模式研究[J].外国教育研究，2002（11）：18-22

[6] 沈建新，王海燕.PBL：一种新型的教学模式[J]. 复旦教育论坛，2001，22（2）：36-38

[7] 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（3）：99-105

[8] 崔鸿，朱家华，张秀红.基于项目的STEAM学习探析：核心素养的视角[J].华东师范大学学报：教育科学版，2017（4）

[9] 李盟，轧超，陈建辉，等.创新驱动战略背景下新工科人才培养质量评价体系研究[J].当代教育实践与教学研究，2018（4）

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