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SETAM教育理念在能源技术经济学课程中的应用

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  摘 要:在新时代背景下,STEAM教育理念是一种培育综合性、复合型人才的教育模式,已成为我国教育热点和新的研究领域。本文借鉴国内外经验,从STEAM教育产生的背景、应用现状出发,深入地分析和总结了高校课堂STEAM教育教学模式,并结合《能源技术经济学》课程的“节能量计算”内容,从真实情境、关键问题、设计方案、改进方案、实施方案、交流展示等六个方面提炼了STEAM课堂的教学流程,并进行较为详细的分析和概述。
  关键词:STEAM教育 课堂教学 节能量计算
  引言
  高等教育是人才培养的主战场,课堂教学是培养造就人才的重要途径。利用创新的理念和思路来革新课堂教学方式、提高大学生教育教学质量是高校教育工作者的使命和担当。STEAM教育是一种以实践教学为基础的跨学科教育理念和模式,集合了科学、技术、工程、数学、艺术等多学科的综合教育。2015年教育部在《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》中指出“探索STEAM教育新模式,培养学生创新意识”,这是我国首次在政府文件中提出开展STEAM教育。作为一种培养综合性、复合型人才的教育模式,STEAM教育理念,对于当前我国的经济社会发展与教育教学改革都具有重要的借鉴意义。
  一、STEAM教育理念及应用现状
  1.STEAM教育概述
  STEAM源于STEM教育,指的是与科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)学科相关的教育,由美国国家科学基金会在1986年的率先提出,旨在培养学生的科学精神、技术能力、工程意识和数学素养,是一种偏向工科思维的学习系统。STEAM教育最早是由美國弗吉尼亚理工大学学者格雷特·亚克门于2010年提出的,将艺术(Arts)融入STEM中,将有助于学生从更多的视角认识不同学科之间的联系,提高自身综合运用知识解决现实问题的能力。这里的艺术包含广泛的人文艺术科目,涵盖社会、语言、人文、美学等方面。STEAM教育的理念可以概括为:以数学知识为基础,通过工程和艺术的思维解读科学和技术,支持学生采用多学科整合的方式来认识世界,以协同创新的方式来改造世界,培养他们提出问题、解决问题的创新能力。
  2.STEAM教育的应用
  STEAM教育作为一种培育综合性、复合型人才的教育模式,已经在很多国家大力开展。如美国的北卡罗莱纳等学校成立了“国家数学、科学和技术特色联合体”,创建了美国的“STEAM教育联盟”,旨在为学生提供高质量的STEAM教育。英国方面,2014年STEAM教育获得了联合政府与工党及各党派支持,并拨款1400万英镑用于伯明翰城市大学STEAM研究中心建设,强调要培养学生解决问题的能力、创造力和分析能力。韩国教育部在2011年发布《促进综合性人才教育(STEAM)方案》政策,致力于构建多样型的人才培养平台,提升综合型人才的培养质量。当前,国外对于STEAM教育方面的研究已经在概念的界定、人才的培养模式、教育的变革方式、价值观念的体现、平台搭建等方面取得了一定的成绩。
  2.12年第二届STEM国际教育大会在北京师范大学举行,会议围绕跨学科研究、教学模式和教师发展等方面进行交流,该次会议的内容大多是运用国外开展STEM教育的经验和案例。2016年教育部公布了《教育信息化“十三五”规划》政策,明确提出“有条件的地区要积极探索信息技术在跨学科学习(STEAM教育)、创客教育等新的教育模式中的应用”。北京教育学院等单位举办了“2017中国STEM+创新教育大会”,围绕STEAM教育与创新教育、课程改革、跨学科的课程整合、创新人才的培养等方面开展。总体来说,我国当前的STEAM教育仍处于发展和尝试阶段,很多高校和学生都会尝试着与外界的社会资源进行交流合作。如北京大学国际基础教育研究室推广的STEAM教育,内容涵盖了3D打印、创新思维等多门课程,展现了STEAM教育面向未来的发展潜力。
  三、高校课堂STEAM教育模式
  任何一种教学模式都是在特定的教学理论指导下建立起来,具有相对稳定的教学活动框架和程序。本文采用STEAM教育理念,结合高等学校课堂教学的现状,从以下四个方面提出高校课堂STEAM教学模式的特征。
  1.打破学科界限
  STEAM教育模式核心思想是将不同学科的知识内容可以交叉融汇。在《能源技术经济学》课程中,可以将科学、技术、工程、数学、艺术以及经济等学科的内容整合在一个节能技术改造案例中,体现出课堂教学的真实性、趣味性。高等学校的课堂教学若要打破不同学科之间的界限,首先要在课堂教学的设计上运用多学科融合的模式,选择合适的内容,从纵向或横向的维度上来增强科学、技术、工程、数学、艺术相互之间的学科联系;其次,可以通过具体案例或项目的学习,将现实生活或生产中的现象与相关学科关联起来,融会贯通,由此进行探索、研究,将跨学科的教育理念充分体现出来。
  2.强调团队协作
  STEAM教育要求必须重视学生之间的团队协作意识与合作能力的培养。课堂上,教师一般都会指导学生组建若干小组,让他们相互配合、启发,共同完成每个小组的预订任务。高等学校的STEAM课堂可以是一个互动性的学习环境,从教师与学生以及学生之间的互动中,一起去寻找学习的乐趣和意义。此外,学生在团队合作的环境中也能够找到自己准确的位置,认同自己扮演的角色,了解自己所处的状态,符合国家提出的培养学生核心素养的教育理念。
  3.注重实践能力
  STEAM教育在具体的实施过程中,应重点关注学生实践能力的培养,尤其是在真实学习环境中动手操作的能力。一方面,要为学生营造出一种情景化的学习体验环境,需要任课教师在课堂设计时需要考虑到怎样才能营造能够让学生获得学习体验、掌握课程知识、发挥想象力和创造力的学习氛围,既包括硬环境,也包括软环境。另一方面,尽量提供条件让学生亲自参与到所学知识的实践应用中,如现场考察等。这个实践应用可以是具体的生产或生活场景,也可以是老师为学生设计的情景化教学环境。   4.增添艺术气息
  由于音乐、舞蹈、美术等艺术形式对于培养学生的审美意识、陶冶学生的情操、培养学生的个性等领域都体现出其他学科无法替代的作用,因此,在高等学校的STEAM课程中,其知识范围不仅涵盖了科学、工程等技术方面的内容,还应增加有关学科的历史、人文等知识,使得学生不仅仅是单纯地进行知识的学习,更重要的是教会学生从艺术的角度去理解并掌握知识。
  四、能源技术经济学课堂教学流程
  国家标准《用能单位节能量计算方法》已于2019年4月1日起实施,本文以“节能量计算”教学内容为例开展STEAM课堂教学的案例分析。
  1.学习主题
  开展技改项目节能量计算分析。涉及的主要内容如下:
  科学:热力学第一定律、物质守恒定律,各类能源发热量的科学选择等。
  技术:技改所用技术,节能量计算方法,借助计算机网络查阅相关资料等。
  工程:改造项目建设工艺、生产过程,主要耗能环节能耗及产品数据采集,节能量计算流程设计等。
  艺术:技术改造项目能源消耗和产品生产统计的边界划分,统计、计算表格的设计、制作等。
  数学:技术改造项目能耗和产品数量的统计、能耗标准量的计算、节能量的计算、有关变量的归一化处理等。
  2.学习目标
  当前生态文明建设和节能减排意识已深入人心,但在校生缺少具体、实际的接触和实践。为了培养学生的动手能力、思维能力。课例学习目标包括:
  (1)知识传授
  讲解节能量计算方法、项目边界认定、划分,节能量计算分析等。
  (2)实践锻炼
  在理解节能量计算内容的基础上,通过小组分工、交流、合作,锻炼学生搜集计算资料、分析计算过程、设计计算方案的能力。
  (3)能力提升
  通过对改造项目节能量计算任务的整体安排设计,培养学生对科学、技术、工程、数学、艺术等方面的整合能力。
  3.课程分析
  STEAM课堂教学模式的共同要素主要包括真实情境、关键问题、设计方案、改进方案、实施方案、产品交流展示等方面。
  (1)真实情境
  主要表现为教师对该课例教学背景的理解,体现出教师关注该主题实践环节这一特征。从教室能源消耗设备(如节能灯等)更新改造入手,进而引导至企业技术改造项目(如电机更换、工艺技术改进等)中去,情境对于学生来说应真实,这样才能够提起学生对于该课题的计算和设计兴趣。
  (2)关键问题
  该课例要求学生解决的关键问题是计算某一技术项目改造前后的节能量,整个教学都是围绕“如何开展技改项目节能量的计算”这个关键性问题展开。关键性的问题应具驱动的功能且富有挑战性,才能够激发学生进行创造性的设计。例如,在计算项目节能量的同时,考虑其经济性,可能在一定程度上能够激发学生的学习兴趣。
  (3)设计方案
  比较理想的情况是先让学生在所属团队内进行头脑风暴,提出面临的问题,讨论设计思路,共同规划设计方案。例如,想要解决这个问题,学生首先要考虑的是项目消耗的多个能源种类如何统一,节能量计算步骤如何分工、安排进度等,这个环节是导出学生原有知识、形成创新想法并确保想法得以实施的过程。
  (4)改进方案
  每个小组初步设计的方案都需要进行不断检查、反复讨论改进。在本课例中,该环节的教学方式是先请每个小组通过手机、电脑等进一步查阅有关资料,完善各自小组的计算思路(如煤炭如何折算标准煤等);其次,还可以通过团队研讨、交流,发现存在问题,提出更恰当、更便捷的思路进行修改论证,完善初步设计方案。
  (5)实施方案
  学生根据改进后的方案实施,对设计的节能量计算步骤进行逐一展开,运用统筹学方法,将有关步骤协同进行。但是由于的方案没有对如数据的统计,人员的分工,进度的安排等活动进行设计,可能会造成有些学生无法真正参与到实施中来,这就需要教师的指导和督促。
  (6)交流展示
  形成的最终成果即各个小组最终计算的节能量,体现出本课例所要求形成最终结论的特征。在该环节中,教师要求各小组以PPT的形式展示交流,在一定程度上限制了学生的创造性的自我表现。
  综上可知,开展“技术改造项目节能量计算分析”为主题的STEAM课程采用的是“基于工程项目”的学习模式,不仅具备了项目学习的特征,也具备了工程设计的部分特点。
  4.课程总结
  课例中学生对于项目节能量计算的设计方案比较完善,且每一环节都要求有明确的任务目标,让学生经历“亲自参与-动手操作-方案设计-反复论证-改进完善”的过程。看似简单的节能量计算分析,其中还包含了项目边界划分、相关资料收集、数据统计处理等一系列实际问题,能够使学生在完成任务的过程中,意识到真实问题的复杂性,并且能够通过活动初步体会工程、设计的思想在解决实际问题中的重要价值。
  五、思考与展望
  STEAM教育具有知识覆盖面广、能力锻炼多样、情感体验丰富的特点,是一种培养学生创新精神、实践能力的教学方法,也是一种重要的创新人才培养模式,已经成为世界范围内教育所关注的重点领域。课堂教学是高等学校人才培养的主阵地,也是培育综合型人才最直接的方式,其教学质量的高低直接关乎人才培养好坏。因此,将STEAM教育的新理念和新思路引入到更多的高校课堂教学中,是打造“金课”杜绝“水课”的有效方式,有助于进一步提升课堂教学质量,以培养出具有创新能力和综合素养的复合型人才,推动我国的教育教学服务的高质量发展。
  参考文献
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  作者简介
  王洪才(1982—),男,安徽临泉人,中南大学能源科学与工程学院讲师,博士。
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