新工科背景下“化工應用軟件”課程STEM模式改革探索

張智嘉，王強，王國軍，馮莉莉，劉立佳，魏浩

（哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001）

教育是國之大計、黨之大計，全國教育大會提出“培養(yǎng)什么人，是教育的首要問題”，世界歷史也表明，每一個強國的崛起，本質上都要依靠教育。截至2022年5月31 日，我國共有全國高等學校計3 013 所，其中普通高等學校2 759所（含本科院校1 270所）。高校作為培養(yǎng)基礎研究人才的主力軍，更需要立足當前，著眼長遠，將培養(yǎng)基礎學科人才和“卓越工程師”作為使命，有針對性地把科學教育與工程教育基礎做扎實，提升學生科學素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和實踐動手能力，激發(fā)人才成長潛力，夯實人才成長基礎，源源不斷地為解決世界科技前沿難題和國家重大需求輸送高水平人才。

如何解決世界科技前沿難題和國家重大需求，涉及生物、物理、化學、材料、計算機等多學科交叉。除了基礎理論知識外，相關數(shù)據(jù)的收集、處理和分析的技能也極其重要，但理工類學科數(shù)據(jù)種類多且數(shù)據(jù)量大，綜合分析難度大，需要借助各種軟件輔助處理，因此，對于多學科不斷迭代更新的軟件的學習、掌握及應用及其重要。理論教學和實驗教學作為人才培養(yǎng)模式改革的重要環(huán)節(jié)，隨著時代的變遷不斷發(fā)生變革，已涌現(xiàn)出了OBE、CDIO、三位一體、三全育人等多種培養(yǎng)教育模式和理念。然而在理論課程和實驗課程的關聯(lián)教學中發(fā)現(xiàn)，目前仍缺少系統(tǒng)的相關科研數(shù)據(jù)的歸納和總結方面的軟件工具課程。雖然很多高校開設了“化工實驗規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理”“化工應用軟件”“常用軟件工具高級應用”等課程，但在實用性、先進性、與實際結合性等方面仍存在嚴重不足。另外，目前很多高等院校本科生課程的設置與人才培養(yǎng)目標脫節(jié)，教材內容跟不上行業(yè)發(fā)展，無法滿足社會對高層次人才的需求；課程仍以講授為主，實踐不足，雖然已經(jīng)開設了網(wǎng)絡課程，但力度不夠。

STEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）教育有助于本科生的科學探索能力、批判性思維、創(chuàng)新意識及獲取信息技術等工程類人才必備能力的培養(yǎng)，從而利用教育經(jīng)驗和資源，實現(xiàn)用跨文化、跨專業(yè)的方法解決世界難題和挑戰(zhàn)。STEM 教育最早出現(xiàn)在1986年的美國《本科的科學、數(shù)學和工程教育》報告中，隨后英國、加拿大、澳大利亞、日本、德國、芬蘭等國也開始重視STEM 教育[1-2]。美國為了繼續(xù)保持其在全球競爭中的領先地位，分別在2013 年5 月發(fā)布了《聯(lián)邦政府STEM 教育五年戰(zhàn)略規(guī)劃（2013-2018 年）》，在2018 年10 月發(fā)布了《制定成功路線：美國STEM 教育戰(zhàn)略》[3]。目前，美國正處在第二個STEM 教育發(fā)展規(guī)劃實施期間，在鼓勵學生積極開展STEM 領域跨學科學習的同時，推動計算思維成為美國未來勞動力的關鍵技能。加拿大在2017 年發(fā)布了“加拿大2067 計劃”，規(guī)劃加拿大50年的STEM教育行動計劃，實現(xiàn)學生在畢業(yè)后能夠從事不同的職業(yè)，有能力應對日益復雜和競爭激烈的世界變化[4]。我國在2016年發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出現(xiàn)階段我國要大力發(fā)展STEM教育[5]，中國教育科學研究院于2018 年5 月正式啟動了“中國STEM教育2029創(chuàng)新行動計劃”，旨在打造中國的STEM教育生態(tài)系統(tǒng)，培養(yǎng)一批國家發(fā)展亟需的創(chuàng)新人才[6]。

因此，本文以哈爾濱工程大學本科生課程“化工應用軟件”STEM改革為例，從課程建設的角度入手，調研Origin 軟件應用情況、開展課程改革探索及教學效果回訪等工作，探討了STEM教育在跨學科本科生課程的改革途徑，在新工科背景下，為我國本科生教育打破既有學科藩籬的限制，最大限度促進跨學科整合和資源共享，優(yōu)化與完善本科生培養(yǎng)模式提供借鑒和參考。

1 課程現(xiàn)狀

“化工應用軟件”是哈爾濱工程大學化學工程與工藝專業(yè)本科生選修課，旨在通過本課程的學習，能夠運用相關化學軟件及互聯(lián)網(wǎng)有效獲取及處理相關化學、材料信息，對復雜工程問題進行分析、計算與設計，并進行數(shù)據(jù)處理獲得準確結論，掌握常用相關軟件的使用方法，了解軟件功能，并通過軟件使學生進一步認識了解化工中的化學原理，增強其對化學信息處理的認識。本課程主要學習的軟件有Origin、Chemoffice、CAD 等，因此我們以其中最常用的數(shù)據(jù)處理軟件Origin 為例開展相關調研。

2 Origin軟件應用調研

Origin是由OriginLab公司開發(fā)的一個科學繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件，是理工科學生處理分析數(shù)據(jù)的常用軟件，也是“化工應用軟件”課程中主講的軟件之一。作者通過問卷星發(fā)放Origin軟件調研問卷，共收到73份有效問卷。如圖1 所示，73 份問卷中涵蓋本科生（28.77%）、碩士生（38.36%）、博士生（9.59%）、理工科教師（21.92%）等，涉及化工、材料、機械、力學等專業(yè)，在日常學習和工作中經(jīng)常使用Origin 軟件的人員占比82.19%，僅有5.48%的人從未用過。除了Origin 軟件外，被調查者最常用的處理數(shù)據(jù)軟件為Excel、SPSS等。

使用者運用Origin 軟件主要是繪制圖表（89.04%）和處理數(shù)據(jù)（87.67%），其次是為了畢業(yè)論文（68.49%），最后是完成作業(yè)（圖2a）。由此可知，Origin軟件是理工科學生和老師常用的繪制圖表和處理數(shù)據(jù)的工具軟件。從圖2b中可知，Origin軟件最常被使用的功能是繪制二維圖（87.67%），比如線圖、柱狀圖、餅圖等，其次是用于數(shù)據(jù)擬合（60.27%）和數(shù)據(jù)統(tǒng)計（54.79%），最后是繪制3D 圖和讀取圖片數(shù)據(jù)。同時，作者在與部分學生和老師的交流中發(fā)現(xiàn)，相對于其他數(shù)據(jù)處理軟件，其選擇使用Origin 軟件繪圖和處理數(shù)據(jù)主要是因為該軟件功能多、操作簡單、繪制的數(shù)據(jù)圖能滿足高水平文章的發(fā)表要求等。

基于對Origin軟件的需求，如果在學生的培養(yǎng)方案中增加Origin軟件學習的課程，32.88%的人一定會去參加“Origin如何使用”的課程，57.53%的人可能會參加該課程，并希望在課程中能夠學到數(shù)據(jù)擬合和繪制三維圖等功能。對于上課方式的期望如圖3 所示，83.6%的人希望線上授課，其中46.6%的人希望是視頻課程，能夠隨時隨地學習和回放。

圖3 學習Origin軟件方式調研餅狀圖

3 課程改革探索

基于前期對課程教授的Origin軟件需求調研，我們深入剖析了“化工應用軟件”的課程體系和任務。作為以培養(yǎng)學生掌握科研輔助工具的技能類課程，不能延用以老師講授為主的教學方法，更應注重學生的實踐能力培養(yǎng)。因此，我們將課程設計為四大組成部分，如圖4所示——基礎知識、實驗技能、信息互動和多方交流。

圖4 課程改革思路

在基礎知識方面，為了打破學科壁壘，針對多學科數(shù)據(jù)處理分析需求問題，設立了涉及多學科方向的數(shù)據(jù)處理軟件章節(jié)，開展了化工-材料-生物-海洋等相關多學科基礎理論的篩選研究，并結合實際需求，設計四大模塊，即數(shù)據(jù)的收集方法、常用數(shù)據(jù)處理軟件分類、化工相關軟件的簡介、Origin 軟件在數(shù)據(jù)處理的應用，將涉及的多個學科融入到相應的章節(jié)內容中，結合最新前沿動態(tài)，增加課程的豐富性和系統(tǒng)性，以達到學生對全方位知識點的掌握。例如，在講解Origin 軟件的過程中，基于當年最新版本的Origin 軟件及其新功能對教案進行更新完善，同時利用課間休息或者課后時間與學生溝通，充分了解學生感興趣的科研方向或正在參與的科創(chuàng)項目或畢業(yè)設計。在講解軟件功能的過程中，適當增加相關方向的內容，以該方向最新發(fā)表的高水平文章的圖表數(shù)據(jù)為例，教授學生處理相關數(shù)據(jù)。例如做金屬材料方向的學生用的比較多的是如何解析XRD 數(shù)據(jù)，高分子材料方向的學生用的比較多的解析波譜數(shù)據(jù)，在課上就會重點講解XRD 和波譜數(shù)據(jù)的處理和繪圖，使學生更直觀地感受工具軟件的強大功能。育人之本，在于立德鑄魂。以我們正在做的科研真問題為教學案例，結合學?！叭Ｒ缓恕碧厣瑢佬枨蠛臀覈?、我校的科研創(chuàng)新成果融入課堂，增強學生為祖國奉獻的精神和“四個自信”，培養(yǎng)學生求真務實的科學精神，提高其學術素養(yǎng)。

在實驗技能方面，根據(jù)本課程的知識點和學?，F(xiàn)有的硬件設備，利用課后時間，開設了材料紅外光譜、力學性能等實踐環(huán)節(jié)。通過課后預約的方式，鼓勵學生在課下進入實驗室，增加學生與實驗室研究生的互動交流。本科生通過觀摩、觀看視頻、樣品展示、實際操作等多種形式，加深對課程理論知識的理解，提高實驗技能和動手能力，練就扎實的科研基本功，培養(yǎng)學術興趣和專長，為未來挑戰(zhàn)難題、探索未知、創(chuàng)造新知、成為“卓越工程師”，為國家科技進步和社會發(fā)展提供所需的專業(yè)能力和實踐本領。

在信息互動方面，為了最大限度實現(xiàn)信息知識的自由流動，開展了本科生之間的學術互動式交流模式教學研究，在教學大綱中明確加強研討課的開設，包括教師擬定專題和學生結合課程特色，以課件、動畫、視頻、學術論文、學位論文等多種形式，開展學生間提問與討論，并以網(wǎng)站、網(wǎng)盤、公共郵箱等形式，實現(xiàn)知識的共享和廣泛傳播。

在多方交流方面，開展了STEM模式線下-線上、課堂-實驗室綜合學術交流教學研究，為交叉學科本科生培養(yǎng)提供有力的外部框架，借助課程網(wǎng)絡化技術，突出網(wǎng)絡課堂移動性，實現(xiàn)線上線下相結合，傳統(tǒng)教學與網(wǎng)絡教學相結合?；谥腔蹣?、雨課堂、騰訊會議、釘釘?shù)燃n件與資源、考勤、討論的一體式平臺輔助教學系統(tǒng)，使學生能隨時隨地利用手機、電腦進行查看、學習、討論和反饋意見；并且，增加調查問卷功能，形成多渠道的信息反饋系統(tǒng)，及時掌握學生的意見與想法，并及時有效地反饋到教師的教學中。

4 教學效果

在2021-2022學年第一學期的課程結束后，我們對學生評價和授課效果進行了跟蹤和回訪，學生對于課程所學知識和技能表示滿意，該課程的學生評教由良（2019年）提高到優(yōu)（2021年，評教91分）。同時，對于學生在接下來的畢業(yè)設計中運用該課程所學技能效果進行了跟蹤訪問，上過該課程的學生在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)中，能夠很好地利用該課程講授的Origin、Chemoffice、CAD等軟件繪制反應方程式和處理分析實驗數(shù)據(jù)，為本科畢業(yè)設計提供了很好的支撐作用，受到了相關指導教師的高度認可。

該課程雖然是本科生課程，但從2018年至今，該課程一直在不斷改進，比如Origin 軟件每年都在更新，且不斷增加新的功能，因此在該課程的授課內容中，我們也在不斷地增加Origin 軟件在本課程中的課時和新的授課內容。通過實踐課程部分的增加，搭建了本科生和研究生的交流平臺，也吸引了很多碩士生來聽課，甚至包括部分博士生和新進教師。目前，STEM 本科生課程改革仍處于試點階段，如何最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢并取得良好的教學效果仍需不斷探索。

5 結論

本科生課程作為培養(yǎng)本科生人才的載體，是一個綜合性的工作。在新工科背景下，理論與實踐相結合，培養(yǎng)有知識、有能力、有技術的綜合性人才，需要本科生課程與時俱進。STEM 模式下本科生課程可以基于課程網(wǎng)絡化的不斷發(fā)展，綜合課程教學、科研訓練、名師講座、學術交流，充分利用網(wǎng)絡資源和學?？蒲衅脚_，最大限度實現(xiàn)信息的自由流動、信息和知識的高效流通、資源的優(yōu)化配置及跨學科共享。我國雙一流學科的建設、新工科的設立明確提出了對復合式、創(chuàng)新型高層次人才的需求，因此，針對復雜問題的解決，整合不同學科，從而全面分析問題，才能產(chǎn)生解決難題的新知識、新方法、新技能，意味著跨學科課程的構建必要且亟需。