高校STEAM创新学习实验室建设实践

［摘           要］  STEAM教育引入我国以来，部分高校结合国内实际进行了一定的理论探索，但STEAM教育实践一直处于零星自发状态。以深圳职业技术学院STEAM创新学习实验室“双高”建设项目为例，在分析现有实验室存在的不足基础上，开展基于STEAM教育理念的智慧教学环境建设实践，以期为我国培养具备综合职业素养的高层次技术技能型人才提供支持。

［关    键   词］  STEAM；跨学科；创新学习；实验室

［中图分类号］  G717                   ［文献标志码］  A                 ［文章编号］  2096-0603（2023）18-0113-04

STEAM教育是一种基于科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）的广义跨学科融合教育理念。STEAM 教育发源于美国，经历了STS—STEM—STEAM 几个发展阶段[1]。由于我国经济社会的快速发展及由其产生的对科技创新型、应用型、复合型人才需求的变化，STEAM教育理念及方法在近几年引入我国，并在中小学及幼儿园教育中得到较快发展。但由于引入时间尚短，在我国高校中STEAM教育仍以理论探索为主，真正实践探索较为零散，尤其缺乏校级层面的系统性教学实践。

教育部《教育信息化“十三五”规划》指出：“要依托信息技术营造信息化教学环境，促进教学理念、教学模式和教学内容改革，推进信息技术在日常教学中的深入、广泛应用，适应信息时代对培养高素质人才的需求。有条件的地区要积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用[2]。”

深圳职业技术学院作为我国首批“双高”高职院校，率先开始了系统性的STEAM教育实践探索，已于2020～2022建设了三间STEAM创新学习实验室（以下简称STEAM实验室），并陆续投入使用。本文根据三年来的建设与实际运行情况，总结探讨基于STEAM创新学习教育理念的实验室环境建设优化方案，并通过具体的STEAM实验室实践教学应用与教学效果分析，为我国培养具备综合职业素养的高层次技术型和技能型人才[3]提供技术支持。

一、现有实验室存在的不足

（一）学科学习内容较为单一

现有实验室一般为某一学科或某一类专业的教学服务，从实验室硬件设备和软件装备上看，现有实验室可提供的教学设备具有单一性，很大程度上限制了教师的跨学科多样化教学，从而易造成学生学科学习内容单一。没有较为先进的教育信息技术和教育装备作为支撑，难以开展科学、技术、工程、艺术、数学等的跨多学科融合教学活动，拓展学生跨学科知识和开阔眼界，凝练跨学科高阶思维。

（二）教学模式创新性不足

现有实验室教学模式大多为传统的“以教师为中心，学生围着教师转”的讲授式教学，即教师在课堂上讲授理论知识，学生被动学习理论知识。由于教学设备的局限性，没有新一代信息技术、以学生为中心的跨学科智慧教育环境作为支撑，教学课堂缺乏创新性，教师难以开展跨学科融合的课堂形式变革和课程设计变革，无法做到以学生为中心，把颇具可行性的STEAM教育理念引入教育系统，引导学生学会思考，做到理论联系实际，在思维上寻求创新的跨学科融合教学[4]，自由实现分组式、项目式、探究式等STEAM创新性教学，真正提高学生应用跨学科知识解决问题的能力。

（三）学生学习主动性不强

现有实验室大多教学形式单一、教学课堂乏味，学生基本处于“被动灌输”的学习状态，从主观意识上并不认为自己是学习的主动者，流水线地照搬教师讲解的理论知识和实验步骤，以完成实验和得到实验结果为目标，对知识的理解停留在表层，缺乏主动探索精神及深度思考能力，无法真正培养具备解决实际问题与实践深度结合能力的高技能人才。

（四）学生学习缺乏协作性

现有实验室固定的课桌椅、传统的教学设备及教学方式，学生大多只需要按预设步骤独自完成实验，较难以团队合作、分组合作等协作性形式进行项目学习，更谈不上不同学科、专业背景学生之间的协作探究。学习过程中缺少协作沟通、协作实践等环节，不利于锻炼学生的协作能力及培养具备团队协作精神的人才。

二、STEAM创新学习实验室教学环境建设

STEAM实验室的运行需要软硬件设备的支撑和运行监督，进而满足教师相关课程教学实践与教学科研的需求[5]。STEAM实验室的建设目标是基于学生核心素养提升，满足STEAM跨学科教学实践的内在诉求[6]，结合AI、5G、物联网、4K、大数据及云计算等新一代信息技术、以学生为中心的跨学科智慧教育环境。基于上述建设目标及实验室建设基本要求，STEAM实验室教学环境建设的整体架构如图1所示。

STEAM实验室整体架构包括基础设施层、物联感知层和教学应用层。其中，基础设施层是STEAM实验室的物理基础，主要包括教学基础设施和STEAM教学设备；物联感知层是STEAM实验室的数据获取关键环节，主要包括实验室物联网系统和5G/4K直播+线上教学系统；教学应用层作为人机教学接口，主要由STEAM实验室集中管控系统构成。各主要部分详述如下。

（一）教学基础设施

教学基础设施是基于讲授式教学、项目化教学、分组式教学等多种教学模式综合考虑设计的具有STEAM智能化、多样化的教学实验环境。教学基础设施主要包括六边形活动课桌椅、1+6分组式教学一体机、智慧学习终端、语音扩声系统和智慧移动式讲台。其中，六边形活动课桌椅包括6套六边形可自由组合活动课桌和配套学生椅；1+6分组式教学一体机包括1套双86寸教师教学一体机和6台65寸分组学习一体机，教师可根据教学场景选择模式进行分组教学；智慧学习终端由iPAD、Surface和笔记本电脑按一定比例组成；语音扩声系统包括拾音麦克风、播放设备、功放及音箱；智慧移动式讲台采用定制式，以方便移动与直播教学。已建成的STEAM实验室实物图如图2所示。

（二）STEAM教学设备

STEAM教学设备是基于STEAM教学的跨学科性、创新性、实践性特点，结合开源性编程、人工智能、虚实结合等技术为STEAM创新性教学提供装备。STEAM教学设备主要包括创意开源机器人、智能仓储系统、数字孪生仿真系统、商汤人工智能系统、讯飞语音翻译转写系统、在线课程资源包等。其中，创意开源机器人支持人形等各类智能模型的创意设计，为学生参加STEAM机器人竞赛和创客竞赛活动提供软硬件支撑，通过比赛验证所学知识；智能仓储系统为STEAM实验室的所有教学实践活动、教学资源和库存材料提供及时、准确的信息自动化管理；数字孪生仿真技术与VR仿真技术融合，建立数字孪生式的虚拟场景，通过虚实同步或异步两种方式打造教学实践仿真环节；商汤人工智能系统、讯飞语音翻译转写系统及在线课程资源包等，为STEAM课堂教学提供优越的跨学科融合教学条件。

（三）实验室物联网系统

实验室物联网系统是基于物联网、大数据等技术，利用物联网通信协议以及相关设备在线运行，对教学区域内的可物联设备进行场景化控制。实验室物联网系统主要包括实验室内的多种环境参数实时检测、各类基础设施（门禁、灯光、空调、窗帘、监控摄像头等）和教学设备（投影仪、智慧黑板、互动大屏、自动录播系统等）进行集中一体化智能管理和控制，以实现实验室基础设施及教学设备使用状态的全方位掌控。其中，自动录播系统内含录播智能跟踪系统，通过高清摄像机内嵌智能跟踪算法和智能图像识别算法实现跟踪定位控制功能，根据预设的跟踪与录播主机进行跟踪对接，实现课堂教师、学生行为的全自动跟踪功能，为课堂录制和课堂直播提供教学便捷。

（四）5G/4K直播+线上教学系统

5G/4K直播+线上教学系统是基于运行在设备端和云端的AI算法能力，通过在直播设备内置传感器进行物联无感传输，实现5G高速传输4K高清显示的线上直播互动教学。5G/4K直播+线上教学系统主要包括5G教学设备、4K超高清摄录设备、线上视频直播平台等。5G教学设备主要有5G教学终端、5G-CPE和5G基站，用于实现移动摄像视频的无约束传输及直播信号到移动学习终端的无感传输。4K超高清摄录设备主要由4K超高清摄像机、4K视频切换台、4K视频存储设备、4K视频直播推流设备等组成，实现课堂教学声音及视频信号的采集传输。根据教学内容和教学方法的实际需要可灵活进行校企课堂远程交互教育，通过线上视频直播平台把现场教学同步直播到校企实践基地或把企业生产实践过程同步直播到课堂，学校教师与企业工程师联手进行答疑解惑，真正做到集课堂理论教学与生产实践于一体。

（五）STEAM实验室集中管控系统

STEAM实验室集中管控系统是基于流媒体、大数据等技术，实现对教学基础设备和各类教学资源进行集中管控和对接调用。教师利用集控系统将“深职院iStudy智慧教学平台”“第三方线上教学平台”“教务课表系统”及“一卡通门禁系统”等集成到STEAM实验室集中管控系统中，集中调用各教学系统或教学资源及实验室环境设备开展课堂教学活动，实现师生对各类教学资源的高效使用。集中管控系统通过打通教学基础设施和教学过程数据，为上层的教学资源及智慧教学应用提供开放接口和支撑，并支持第三方线上教学平台进行教学，以此实现STEAM教学集约化管理。

三、STEAM实验室的实践教学应用与教学效果分析

（一）STEAM实验室实践教学应用

下面以桌面微工厂数字孪生系统项目为例，介绍STEAM实验室应用。该教学项目是基于可编程、可创新等特性，利用STEAM实验室现有的智能仓储系统、AGV机器人、E.DO机器人等硬件设备、配件材料，结合人工智能、数字孪生、虚实一体化、AI大数据收集与分析等技术进行模拟真实工厂产品生产流程。桌面微工厂数字孪生系统工作原理如图3所示。

桌面微工厂数字孪生系统主要由桌面微工厂和数字孪生模块两大部分组成。桌面微工厂主要包括智能仓储系统、AGV机器人、E.DO机器人、激光与雕刻系统、示教与编程系统等；数字孪生模块主要包括虚拟设计1∶1建模、数字线程逻辑与编程、虚实间的信息交互接口与控制仿真等虚拟仿真模块。桌面微工厂是整个系统的物理实现部分，数字孪生模块则是基于智能控制技术与VR仿真技术融合建立的数字孪生式虚拟场景。两者可独立运行，也可以同步运行。通常学生可在数字孪生模块中设计、模拟、修改实验仿真过程，然后再进行同步运行检验及修正完善，成熟后桌面微工厂则可实现脱机独立运行。

本STEAM实验室中的桌面微工厂数字孪生系统以项目化分组协作的形式，结合“学生为主+教师为辅”的教学模式，利用“5G、AI、数字孪生、物联网、VR”等先进技术，实现机器人技术、激光加工、计算机算法编程、艺术设计等跨多学科专业的STEAM融合教学理念，培养学生自主学习精神的同时，提高学生解决复杂实际问题的能力与创新能力。

（二）STEAM实验室教学效果分析

1.采用多学科融合教学方式，有利于提高学生解决复杂问题的能力