STEAM理念下材料化学专业教学创新实践体系改革与实践——以湖州师范学院为例

陈海锋 , 叶剑强 , 沈一洲 , 曹 枫 , 丁杨彬 , 徐敏虹 , 许虹怡

(1.湖州师范学院求真学院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州师范学院 工学院， 浙江 湖州 313000； 3.温州大学 化学与材料工程学院， 浙江 温州 325035； 4.南京航空航天大学 材料科学与技术学院， 江苏 南京 210016)

近年来，随着一大批高水平科研人员在企业、高校的入驻，我国新能源材料和环境材料领域的整体研究和生产力水平得到了较好的改善[1].高校在培养材料专业学生方面除了要培养学生具备材料合成、制备、表征等实际工作能力外，还需思考如何能够培养出具有创新思维、知识产权的法律法规意识、学术科研能力等材料学科核心素养的新时代“材料人”，使其具备发现问题、分析问题和解决问题的综合能力.

材料化学专业(无机非金属材料方向)是材料科学与现代化学等多门学科相互交叉、渗透发展形成的具有强大活力的专业，是运用材料化学的基本理论和方法，研究材料的制备、组成、结构、性质及应用的工程类专业[2-3].王永亚在《陶瓷工艺学》教学中做了有益尝试，将传统陶瓷文化与现代陶瓷工艺相结合，通过美轮美奂的陶瓷制品和丰富多彩的陶瓷故事，让学生们流连于中国陶瓷文化中，收获颇丰[4].但材料类专业课内容通常涉及无机化学、高等数学、物理化学、材料工程学等学科，课程中的概念定义和原理规律较多，加之概念抽象、乏味，学生普遍感觉知识面广且深，学习难度大.此外，材料类专业课程在具体的教学实践中也存在不少问题，主要体现在课程属性、课程体系特点、学科发展和人才培养需求等方面.

材料化学专业核心素养主要包括基本理论和知识、基本实验技能、知识产权法律法规意识、学术科研能力、创新意识和能力5个维度.STEAM理念下材料化学专业学科核心素养的课程内容应具有整合性和综合性.本研究基于STEAM理念对近些年湖州师范学院材料化学专业教学实践培养经验进行梳理，并重新审视材料化学类教学内容、教学方式(模式)的育人价值和培养目标.

1 STEAM理念下材料化学专业课程体系

STEAM是一种教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式.作为一种重实践跨学科的教育概念，STEAM最早来源于美国国家科学基金会提出的“SMET”，即科学(Science)、数学(Mathematics)、工程(Engineering)、技术(Technology)4门学科的缩写，后来改写为“STEM”[5-6].2015年我国教育部在《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(征求意见稿)》中提出，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式[7].2017年11月15日发布的《中国STEAM教育发展报告》认为，STEAM要以解决真实世界的问题为导向，以工程和技术为核心.近期加入Arts艺术，旨在鼓励学生在科学、技术、工程、数学及艺术领域发展和提高，培养学生的综合素养，从而提升其全球竞争力.此处的“艺术”既包含“美术素养”，又囊括“人文素养”.从STEM到STEAM，其教育理念的内涵得到了拓展和延伸，变得更加全面.STEAM理念下材料化学学科核心素养的构建和发展，并不是科学素养、技术素养、工程素养等学科素养在个体身心上的简单、孤立叠加，而是注重发展和培育个体在复杂的学习情境中综合利用所学知识进行问题解决或方案设计的能力，即个体综合迁移和应用知识解决复杂问题的能力[8].STEAM理念下的材料化学专业课程体系与培养目标如图1所示.

2 STEAM理念下创新材料化学专业教学育人实践

基于STEAM理念的材料类课程教学改革，需要对现有的教学内容进行调整，对概念性、基础性、提高性、综合性和前沿性的教学内容进行合理配合，既要有利于STEAM理念下跨学科素养(科学、技术、工程、艺术和数学)教学模式的开展，又要构建完善的知识体系，实现“宽口径、厚基础”的专业培养指导思想.本研究从STEAM教育理念出发，从微信辅助实验室教学实践、计算机辅助化工设计教学实践、材料微结构摄影实践、实验室专利创新实践及陶艺工作坊实践五方面，归纳湖州师范学院材料化学专业近年来在专业实践体系改革方面的经验.

2.1 微信辅助实验室教学实践

步入21世纪以来，随着信息通讯技术(如微信、微博、QQ等)的高速发展及其在教育领域的深入普及，高校理工科领域的教师正面临改革传统教学模式的巨大挑战.本课题组基于微信软件构建了“材料化学专业”公众平台，将微信应用在材料化学专业教学中，初步实现了移动互联网环境中移动学习与(实验)教学的结合[9].以“草酸根合铁酸钾的合成”实验教学为例，专业课教师在课前将草酸根合铁酸钾的合成技术路线发布于微信公众号客户端(图2)，学生根据微信公众号上的内容进行预习，并依据具体操作流程进行制备和合成；实验结束后在线交流、讨论，教师就学生在实验过程中存在的疑问进行在线答疑.基于微信支持的实验教学模式不仅实现了实验结果和数据的可视化，还实现了师生、生生之间的互动由课堂内向课堂外延伸.此外，微信辅助实验教学还突出了师生、生生之间互动形式的多样化,增强了学生对实验结果的直观体验,增进了学生对实验(操作)知识的理解[10].

2.2 计算机辅助化工设计教学实践

改变传统单一的通过PPT讲解来分析材料结构的不足，以信息通讯技术素养为立足点，突出空间结构观念的构建.培养学生利用计算机解决实际问题的能力已成为材料科学专业的重点育人目标.有针对性地采用数据处理、仿真技术、数学模型、数据库等技术，通过建立过程机理模型，实现材料科学中相关过程的数据分析、模型预测、优化设计等[11-12].计算机辅助教学是针对信息通讯技术素养的课程教学改革,利用各种专业空间软件技术(图3)帮助学生认识各种(晶体)结构，以及通过CAE软件模拟各类化工工艺，帮助学生达成对核心概念“相图”的深度学习.此外，湖州师范学院工学院每年还积极组织学生参加化工设计竞赛.化工设计竞赛的一个主要内容即借助计算机来模拟化工生产流程，具体对物流数据、工艺流程、物料平衡、消耗量等参数进行模拟和设置.从课堂上对晶体结构的绘制到企业化工生产流程的模拟，借助计算机辅助化工设计的实践教学，有效实现了将所学知识与生产实际进行关联.2017-2019年学生共获得化工设计竞赛国家级二等奖6项、参赛奖11项，以及省级(含赛区)二等奖8项.

2.3 材料微结构摄影实践

基于STEAM理念的材料课程在教学内容上除了应重视知识的输入外，更应关注个体能力的输出.专业教师在教学过程中精心设置教学问题，鼓励学生对材料的微观结构知识与宏观性能之间的关系进行思考，对材料加工过程进行质疑，逐渐培养学生的思维习惯，激发学生的创造力和创新思维.鼓励学生在大二期间参与实验室项目，在大三期间参与材料微结构摄影大赛，使学生将所学专业知识与生活实际进行迁移和关联.如借助扫描隧道显微镜(SEM)观察纳米材料，了解这些材料的微纳米结构与大自然各类现象的相似性(植物、动物和自然景色等)，引导学生发现和感悟科学的美，从而激发和释放学生的学习兴趣和创造潜能[13-14].图4(a)作品的课题内容为稀土元素Ce对不同形貌的ZnO进行掺杂，探讨其对水体中不同类型有机染料的光催化降解性能，通过掺铈的方法提高对光能的利用率；图4(b)作品是在图4(a)作品基础上的创造与想象，该作品获得了第四届全国大学生微结构摄影大赛二等奖.

2.4 实验室专利创新实践

材料化学作为一门工科类专业，要求学生具备广博的工程基础知识、较好的工程思维、良好的实际动手能力和工程创新意识.因此学生除了需要掌握本学科的基本理论和知识，以及材料制备或合成、材料加工、材料结构与性能测定等实验技能外，还必须具备专利设计能力.培育材料类专业学生的专利设计能力是适应“大众创业、万众创新”大背景的有效出路和路径.专利设计在创新型人才培养中的积极意义不言而喻，目前工科类学生专利设计能力培养实践体系的研究也已受到很多高等院校的关注和重视[15-16].基于上述考虑及实践经验，湖州师范学院工学院于2016年首次开设了选修课《专利与项目申报指导》，其目的旨在培养学生的创新意识和创新能力，锻炼学生的审美能力和空间想象能力.2017-2020年，湖州师范学院材料化学专业每年约有10件学生设计的专利得到授权，一定程度上反映了实验室专利创新实践在育人方面的价值和积极影响.

2.5 陶艺工作坊实践

材料科学专业是一门整合科学、技术、工程、艺术和数学的特色型工科专业，其中工程思维和数学思维的培养几乎占据了专业课程的大部分内容.但材料专业课程不仅重视对学生上述核心素养的培育，整合科学、技术和艺术跨学科素养的培养也是材料化学专业学科育人的重要目标.通过名人典故(Adolf Fick、Henry Darcy、Georg Simon Ohmr等)让学生体会科学家在对固体扩散的微观机制探索过程中作出的巨大贡献；借助经典文学段落创新课程教学情境，引发学生对科学和人文的思考.此外，湖州师范学院工学院(系)为学生在大三第一学期专门开设了陶瓷工艺学课程，该课程以陶瓷的组成、制备和加工为主线，从陶瓷专业的角度去认知、欣赏、理解中国陶瓷文化，这样既可以加深学生的专业认知，又能丰富学生的历史文化知识，也符合教育部有关提升学生人文素养的要求[4].陶瓷工艺学课程的设立不仅极大地丰富了教学内容和教学方法，还提升了学生的人文素养，能够有效缩小课堂教学与实际生产的距离.学生设计的部分优秀作品见图5.

3 教学实践成果

2007年湖州师范学院开设材料化学专业，2014年该专业入选浙江省新兴特色专业建设；支撑专业建设的“材料学”二级学科先后入选校级重点学科和校级优势特色学科，2016年入选浙江省一流学科(工程材料学方向).湖州师范学院一直投入重点教学资源用于该专业，相关专职教师长期尽职于专业课程，积累了较多的教学资源，并在公众微信号进行展示[9].

湖州师范学院材料化学专业依托湖州市新材料行业技术中心等科研平台形成了两种人才培养模式.①科研反哺教学的人才培养模式：通过学生全员参与科研项目研究的形式，主动将科研成果反哺专业教学，有效培养学生实践动手能力，启迪学生的研究思想.2019年该专业学生的考研平均录取率为23.3%左右，学生承担校级以上科研项目50余项，在省级以上刊物发表论文40余篇，授权专利40余件.②构建校地共育的人才培养模式：聚焦湖州新材料与新能源千亿产业，与天能、超威、升华、金州等上市公司紧密合作协同育人，带动学生高质量就业，2017-2019年该专业学生就业率超过98%.

4 结论与启示

近年来，为主动应对新一轮科技革命与产业变革，“新工科”建设已成为当下国家落实“中国制造2025”的重要战略目标.然而，与美国等西方发达国家在“新工科”学科建设、专业认证体系、人才培养体系方面具备的成熟经验不同的是，我国的“新工科”建设正处于起步阶段.因此，如何培养“新工科”教育人才，加强“新工科”教育研究，推动“新工科”教育学科建设，用理论成果引领我国“新工科”建设已成为当下高等学校寻求“新工科”转型和发展的关键突破口.“新工科”的出现虽然在一定程度上突破了学科与专业之间的边界，但要统整和内化学科与专业之间的边界却需要科学的理念予以催化和支撑.STEAM在这一点上表现出了较强的适应力.STEAM教育脱胎于STEM教育,其主要特征是:突出跨学科方法, 强调创意培养, 重视社会责任感及人性化培养[8].材料化学专业是材料科学与现代化学相结合的工程专业，材料科学与化学都是以实验为基础的科学，对学生的实践动手能力要求高.STEAM理念下材料化学专业学科核心素养发展的材料课程教学拟解决的主要关键问题是以材料核心概念教学为基础，以材料与社会发展为背景，重视个体环境意识的培育(开发环境材料与新能源材料)，关注个体综合能力发展，最终旨向跨学科素养的生成.