尹立苹 王新亭
摘要：顺应社会经济发展趋势，培养创新型人才是高校教学改革的重要目标之一。分科教学的传统教学模式，体现出学科之间融合度不够，学生学习知识碎片化等问题，容易出现综合创新能力不强的状况。文章基于STEAM整合创新教育理念，在分析其内涵及教育启示的基础上，以工业设计专业为例，提出创新型人才培养的实践教学模式。教学实践表明，以项目、问题、情景等要素为基础的STEAM教育理念的实施过程中，组建跨专业学生团队，贴近实际产品研发流程，有利于在沉浸式的教育过程中培养学生宽广的知识视野与跨学科整合创新能力，教学成效显著提高。
关键词：STEAM教育理念；分科教学；创新型人才；实践教学模式
在以知识的创新与运用为基础的知识经济时代，全球化的进一步发展以及信息技术、互联网、大数据等在加剧竞争的同时，对创新提出更高的要求，跨学科融合、整合创新、协同创新日益成为各领域发展的必然要求。知识的快速更迭，也使创新过程中面临的问题复杂性加大，单一的学科知识难以胜任。因而，从社会可持续发展的角度来看，培养视野开阔、创新能力强的人才已经成为高等教育的基本要求。
受到传统“分科教学”模式的影响，高校普遍在教学上缺乏专业交叉与融合，造成部分学生“只见树木，不见森林”，表现为学生学到的知识不系统、思维方式单一、协作创新能力弱等问题。创新创业教育、卓越人才培养计划、创客教育，既是对分科教学弊病的反思，也反映了教育界对教学改革的热情与期待。针对传统教学模式的弊病，国内外教育学者及高校都积极开展教学研究。汤晓蒙、刘晖从教育方法论的角度论述了高等教育学科从“单一学科”向“跨学科”研究的转变趋势。邵云飞、曾勇、汪腊梅提出“复合培养实验班、建设协同创新中心、校企合作组队参加创业竞赛”的教学模式。朱曦阐述了“学生核心”导向的整合创新教学模式。另外，江南大学通过开设整合创新实验班，开展创新型人才培养。美国斯坦福大学创新设计学院也开设了跨专业创新项目。美国辛辛纳提大学设有跨专业合作学院，开展跨专业整合创新教育。
实践教学是落实“理论结合实践”原则不可或缺的教学环节，因此实践教学模式的探索一直是高校教学改革的重点内容。跨学科人才培养视野下，实践教学应摆脱学科专业壁垒，以问题的发现、知识的融合运用、整合创新能力的训练为目标进行开展。本文以STEAM教育理念（S-科学、T-技术、E-工程、A-艺术、M-数学）为理论依据，以天津科技大学工业设计专业为例，探讨创新型人才实践教学模式的改革方法与策略。
一、STEAM教育理念内涵及教育启示
STEAM教育理念源于美国，近年来备受我国教育界的重视，是以打破学科专业知识隔阂为手段，以科学融合为抓手，以实践教学为载体，培养学习者跨学科整合创新能力为目标的教育理念。
STEAM理念具有较为科学的体系，主要特征体现为：
（一）面向问题的跨学科知识融合
在STEAM教育中，强调以解决问题为目标，整合相关的科学、技术、工程或数学知识，以艺术性的创意去解决问题，而不是将重点放在某一学科或过分关注边界学科。这种具有系统性思维的教育理念，可以更加凸显知识之间的彼此关联，满足了创新实践对知识的体系性要求。
（二）基于项目的体验式学习
STEAM教育提倡依托开展与生活实际紧密相关的项目，使学生在解决问题的过程中，体会到抽象的知识与实际生活的联系。因此项目的问题设计尤为关键，必须置于一定的生活情景中，并且包含一定的结构化知识。情景性问题的解决过程中，学生对知识的理解更为深入，并且体会了知识的社会性与情景性，对知识的灵活迁移能力有所增加。
（三）追求健全的人格发展
通过对情景性项目中问题的探求，学生通过协作，从多角度考虑问题，拓宽了视野，促进了批判性思考、决策能力，激发了自主学习兴趣，并锻炼了沟通能力与灵活性、适应性。这种以健全人格发展为教育主旨的理念，较好地反映了教育的本质。
因此，教育工作者应当立足当前的社会背景，客观认识学生获取知识途径的多元化，适时改变教学模式。借鉴STEAM理念中的项目探究式学习、以实践为取向通过情景体验获取知识等优点做好不同领域的创新型人才培养教育工作。
二、基于STEAM的创新型人才实践教学模式架构
工业设计专业作为以创新为核心的交叉性专业，具备整合创新的先天优势。从设计定义可以看出，设计旨在引导创新、促进商业成功并以提高生活品质为目的，是一种将策略性解决问题的过程应用于产品、系统、服务及体验的设计活动。作为多学科交叉的专业，将创新、商业、技术、创意与用户研究紧密结合在一起，具有重要的跨学科整合创新功能。并且设计专业与其他专业进行跨学科合作，可以实现优势互补。因此，选取工业设计专业进行基于STEAM理念的创新型人才实践教学研究具有较好的代表性。
以跨学科视角开展创新实践教学，需要以开放的态度整合校内外资源，务实可行的做法是以企业需求或真实项目为基础，设置创新设计项目内容。以天津科技大学机械工程学院的教学需求为研究对象，建立了跨学科的设计类专业实践教学模式（如图1）。以工业设计专业为纽带，整合理工与人文社科的相关学科，构成学科知识群组。在其中组建跨学科的教师团队，与企业研发部门协同确定适合学生完成的项目内容。通过校园网平台公布后，招募多专业的跨学科交叉创新学生团队，分工定责后，共同开展课题的创新设计实践训练。
校内教学平台作为项目流程执行、学习资源等支撑，校内与企业实验室提供硬件与测试环境。可依托教学平台与实验室开放共享机制，整合资源构建基于情景的项目开发环境，提供实践过程所需的创新要素与硬件支撑条件。项目定题的核心内容是进行产品的定义，也就是将所要达到的目标进行具体的规范，包括需求或待解决的问题、产品规格、技术观测指标等。
学生在校内教师指导下通过各种途径进行设计调研、按照设计方法与程序进行创意构思与方案设计，进一步在技术验证基础上，制作产品原型（可以是虚拟的样机或原型机），再进行技术验证与仿真。最后通过学生、教师、企业技术人员的多方评估，确定项目研究是否解决了设计问题。如果没有通过，则进行反馈，进一步进行研究；通过，则进行项目完成的总结报告，进行成绩评判。
为顺利展开跨学科合作，项目的开展可以以专业拓展类课程的形式，纳入到校内开放课程中，各专业的学生完成后，都可以认定实践学分。
三、教学实践探索案例
以下为以工业设计专业为核心展开的跨学科整合创新设计的教学实践案例阐述。该项目是机电装备创新设计课内作业之一，是天津科技大学机械工程学院工业设计系与天津明德福自动化技术有限公司联合开展的智能物料小车的整合创新设计。
项目是要为某化工类企业生产线上的运输粉类物料的自动配送小车进行智能化改造。要求从功能结构、产品形象、强弱电控制等角度进行重点改良设计。依据项目开展的需求，成立工业设计、机械电子工程、计算机技术、自动化等专业教师共同组建的跨学科教师指导团队，制定教学计划后，通过教学平台限额招募工业设计、机械设计及制造、自动化、计算机等专业的学生组建3个创新设计小组。
本项目历时3个实践教学周，涵盖设计调研、创意构思与方案设计、设计原型或数字样机制作及设计评估等环节。
（一）设计调研
根据项目中产品的定义，分析问题涉及的功能技术要素，分组进行设计调研，前往企业及市场进行产品调研、技术调研及竞品调研与分析（如图2）。以工业设计学生为主进行用户研究和产品市场调研，明确设计目标，由机械电子工程与自动化专业学生制定物料小车及技术路线。
各小组在竞品（竞争产品）分析及调研分析报告的基础上，由专业教师指导各小组，综合运用头脑风暴法、形态表分析法、TRIZ等多种创新方法开展问题的解构与创意设计，将可能的设计方案以草图的形式记录下来（如图3）。在此过程中，不同专业的学生发挥本专业优势，各小组（都由不同专业学生构成）对于产品的机械结构、智能控制、供电方式、硬件选型、产品外观、功能定位等提出自己的方案。
各小组在评审选出最后的设计方案后，进行深入的设计。根据专业的优势进行分工，各专业分别进行产品外观结构设计、机械结构设计（含硬件选型）、强电供电方式、智能控制、材料与工艺等工作，教师与企业工程师团队进行技术指导与整体把控。
（二）产品原型制作
因为本产品体量较大、硬件选型（电机、减速器、卸料阀等）价格较贵，直接制作实体原型，投入较大。因此采用三维软件进行建模与产品虚拟样机的设计制作（如图3）。
（三）技术验证与仿真
在进行供电技术方案设计、机械结构设计后，对控制部分进行基于lab view软件的运动控制仿真，测试产品的运行功能。各设计小组在此阶段规定采用相同的仿真测试平台，便于横向对比。在进行测试与仿真之后，各小组进行完善方案，完成设计效果图，并完成产品的初步工程设计。
（四）项目结题答辩
项目完成后，由专业教师及企业专家技术人员组成的评审团对各设计成果进行评审答辩。对各小组的创新设计成果从创新性、技术与工艺可行性、市场前景等方面进行综合评价。
答辩结束后，企业依据部分方案进行进一步的工程开发，并进行样机制作。部分学生的创新设计，获得了显著的成果，申报国家实用新型专利1项，参加天津市工业设计大赛获得一等奖1项。
四、结语
培养创新型人才是社会发展的必然，设计教育需要打破常规，研判经济社会的发展趋势，进行教学改革，培养具有国际视野、跨学科整合能力的复合型创新人才。
改变实践教学模式和考核方式，从跨学科的视角开展整合创新设计实践，能够提高教学的有效性，改变传统模式下，学生被动听课，知识容易碎片化的现象，也顺应了社会对人才素质的需求。
通过合理的项目设计，将问题、应用情景、探究体验、协作沟通等要素与结构化知识要求整合起来，学生的知识习得是沉浸式的、体验式的，更加深刻并且更有兴趣。项目背景鲜明，也使学生对知识的实际应用价值有更清晰的认识，学习积极性大为提高，为适应社会岗位，增强就业竞争力奠定了基础。将创新设计成果，进行专利申请或项目孵化，与创新创业教育进一步结合，可更好地激发学生的创新与创业热情。
同时，我们也需要看到基于STEAM理念进行创新人才实践教学面临的挑战，学校整体的教学政策对专业教师积极性（教师开展跨学科教学的能力提升与学习）的影响、校企合作的资源状况、传统模式教学思维的惯性、学生积极性的调动等诸多因素，都影响到该模式的顺利实施。因此，有必要结合校情（如大类招生）进一步开展深入的研究。
参考文献：
[1]汤晓蒙，刘晖.从“多学科”研究走向“跨学科”研究[J].教育研究，2014，12.
[2]邵云飞，曾勇，汪腊梅.高校协同创新视角下的复合创新型人才培养模式探索[J].电子科技大学学报，2017，19（1）.
[3]朱曦.培养有战略思维的整合创新设计人才[J].装饰，2016，9.
[4]张祥泉，过山.多学科整合创新设计实践教学模式探索[J].设计艺术研究，2016，6（1）.
