STEM理念下“三融通”教学模式——以“材料科学前沿”课程为例.pdf

2024 年 4 月第 45 卷第 2 期湘南学院学报Journal of Xiangnan UniversityApr.,2024Vol.45 No.289材料科学在当今世界发展过程中扮演着至关重要的角色。随着科技的飞速发展，各种新型材料不断涌现，为解决全球范围内的挑战提供了新的可能性。材料科学在推动科技进步、提升能源效率、促进医疗进步、保障粮食安全、推动环境保护等方面都具有不可替代的地位。“材料科学前沿”是一门探索材料科学理论的课程，主要内容有新型材料的设计与制备原理、材料性能与结构的关系、材料的物理与化学性质等；涉及材料科学领域的前沿技术和研究动态，例如纳米材料、生物材料、智能材料等。该课程的教学目标是，让学生学习、了解和掌握材料科学的基本理论和实践知识，同时开阔其视野，提高其创新能力和综合素质，为其未来的科研、教学和工程技术工作打下坚实的基础。“材料科学前沿”课程教学难处主要体现在三个方面。一是教学内容的前沿性：材料科学是一个发展迅速的领域，新的研究成果和理论不断涌现，因此需要教师不断更新教学内容，紧跟学科发展步伐，但课程课时量不足。二是理论与实践的结合：材料科学是一门实践性很强的学科，需要学生在学习理论的同时，通过实验、实践等方式掌握实际操作技能，提高学生学习兴趣，但实验设备、场地等教学资源难以满足需求。三是科研与教学的结合：材料科学前沿课程需要教师具备较高的科研能力和教学水平，同时需要将科研与教学相结合，使学生能够接触到最新的研究成果和理论，但定位为“专业认知”2 的课程目标与科研的层次相差较远。“材料科学前沿”课程改革先驱们采用分多学期授课、讲座替代传统课堂 1,3 等办法，运用了合作式教学 2-3、研究性教学 2、线上线下混合式教学 3、角色转换教学 4、双语教学 4、项目式教学 5、信息化教学 5、自主学习 6 等教学模式，并从教学内容、考核方式等方面进行了变革 1-6。这些教学改革取得了一定的成效，但未能解决该课程教学所面临的难处。一是这些教学改革实践的理论基础较薄弱，尽管严岩等 5 提出了新工科理念，但缺乏学科交叉融合的具体操作。二是这些改革的统筹性不足，未能形成从理论模型到实践操作的逻辑演绎。为此，笔者提出基于STEM（science，technology，engineering，mathematics）理念的“三融通”的教学模式，通过教学融通、学科融通、理实融通，拓展师生的国际视野，强化师生适应新时代需求的使命感，切实提高学生的动手能力，缩小理论与实践的距离，同时拉近大学教师与大学生之间的距离，提高学生参与教师科研项目的热情。STEM 理念下“三融通”教学模式以“材料科学前沿”课程为例阮敏，付超（湖北理工学院 材料科学与工程学院，湖北 黄石 435002）摘 要：教学融通、学科融通、理实融通的“三融通”教学模式用于“材料科学前沿”课程改革，有利于培养学生的专业情怀，激发学生的学习热情，对接工程教育专业认证，加快新工科内涵式发展。教学过程以成果为导向，着力培养学生的“问题”意识，帮助学生了解材料前沿，建立科研信心。教学结果表明：基于 STEM 理念的“三融通”教学模式的实施过程，可以彻底打破“教”“学”中的壁垒，进行全方位的融合贯通，教师的教学效果和学生的学习效果均得到显著改善，能很好地实现知识目标、技能目标和素质目标。关键词：材料科学前沿；三融通；STEM 理念；超疏水材料；抗覆冰；教学融通；学科融通；理实融通中图分类号：G642.3 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.1672-8173.2024.02.015收稿日期：2023-09-18基金项目：国家自然科学基金青年项目（51801058）；湖北理工学院教育教学研究项目重点项目（2021B01，2021B02）。作者简介：阮敏（1981），女，湖北咸宁人，教授，博士，研究方向为超疏水抗覆冰材料。90湘南学院学报2024 年 4 月（第 45 卷）第 2 期1 “三融通”教学模式的理论基础STEM 是一种教育理念 7，强调将科学、技术、工程和数学这四个学科的知识和技能融合在一起，以培养学生的创新思维和跨学科解决问题的能力。这个理念最早由美国提出，其目的是提高学生的科学素养和技术能力，以适应未来科技发展的需要。STEM 教育理念强调多学科、跨领域知识的学习与应用，注重实践性和探究性的学习方式，培养学生的创新思维和批判性思考能力。同时，它也注重培养学生的团队协作和领导能力，以适应未来科技发展的需要。在 STEM 教育中，学生需要学习如何将科学与实际生活联系起来，如何将科学技术应用于解决实际问题中。同时，学生还需要学习如何理解和尊重不同文化背景的人们，以及如何与他们合作解决问题。这种教育理念注重培养学生的创新思维和批判性思考能力，以及在团队中合作和领导能力。“材料科学前沿”是一门涉及多个学科领域的综合性课程，适合采用 STEM 的教学理念进行课程设计和实践，有利于培养学生的创新思维和实践能力。在 STEM 教育理念下，笔者在“材料科学前沿”课程教学过程中构建了“三融通”教学模式，即教学融通、学科融通和理实融通。教学融通，是指“以教促学，以学助教，教学相长”，强调教与学的互动，通过教师的引导和学生的参与，促进学生对知识的理解和掌握；课程教学运用问题导向学习（problem-based learning，PBL）和探究式学习等方法，引导学生主动探究和解决问题。学科融通，是指“你中有我，我中有你，交叉互融”，强调多学科交叉融合，通过不同学科领域的交叉渗透，拓宽学生的知识面和思维方式；课程教学引入跨学科的内容和方法，引导学生从多角度思考和解决问题。理实融通，是指“理论扎实，实验为长，经世致用”，强调理论和实践的结合，通过实验强化理论学习，同时用理论指导并解决实验或实际问题；课程教学设置综合性实验和设计性实验，特别是设计了在课堂上可演示可操作的小实验，让学生在实际操作中加深对理论知识的理解和应用。这种“三融通”的教学实践模式，可以促进学生的全面发展，提高他们在未来职业生涯中的竞争力。“三融通”教学实践过程包含“课程内容重构”“教学方法创新”“教学环境创设”“教学评价改革”“教学成效推广”五个方面（图 1）。2 “三融通”教学模式的解构2.1 课程内容重构“材料科学前沿”是湖北理工学院材料科学与工程学院（以下简称材料学院）为材料类专业新生设置的一门专业选修课 2，共有 16 学时。在 STEM 理念下，改革着力于“三融通”教学模式的实施，课程内容被调整为8个特色方向的课题：超疏水材料在抗覆冰领域的应用、工业固废制备轻质保温材料的资源化技术、自然的精巧之力高分子自组装的研究与进展、炼钢智能制造技术、固体废弃物综合利用及环境治理、透明陶瓷的制备与应用、气凝胶材料的微纳之美、锂离子电池材料。接下来，笔者以“超疏水材料在抗覆冰领域的应用”为例详细阐述课程内容的重构。教学内容的新颖性、趣味性、科学性是教学过程中吸引学生的关键因素。超疏水材料在抗覆冰领域的应用的教学从2008年我国南部冰灾造成1000亿元直接经济损失的事件出发，引出科研工作的“四个面向”8，提出利用超疏水材料解决抗覆冰问题的研究。课程内容从国家重大需求出发，从科学研究的角度进行重构，归纳出需要研究的科学内容，包含文献调研、制备及表征、仪器研发，以及利用量子化学理论计算及分子动力学模拟对抗覆冰机理的研究。这样的课程内容设计有利于培养学生的逻辑思维能力。“材料科学前沿”其他方向也遵循科研工作开展的实际需求进行内容的重构，让内容更生动具体。2.2 教学方法创新为了让学生理解“三融通”教学，除了常规的讲授法、讨论法，本课程教学实践采用了 PBL、探究式学习和案例分析等多元化的教学方法，引导学生主动参与和思考。例如抗覆冰仪器的设计：设置几个教学图 1 “三融通”教学模式91阮敏，付超：STEM 理念下“三融通”教学模式以“材料科学前沿”课程为例小组，进行小组互动、师生互动，着重培养学生的“问题”意识；团队协作完成课堂实验，讨论教师提出的问题，并进行总结汇报，实现小组探究性分析讨论并解决问题的能力培养。同时，利用在线课程和虚拟实验室等信息化手段，提高教学效果和学生的学习体验。另外，在以成果为导向的教育（outcome based education,OBE）理念指导下，成果展示法可在很大程度上激发学生的学习热情。我们通过上墙展示近五年材料学院本科生在超疏水抗覆冰等“材料科学前沿”课程相关领域中主持或参与的科研项目、发表的SCI论文、申报的发明专利和获奖情况，增强学生的科研信心，体现理实融通，同时也丰富了师生的教学评价标准。2.3 教学环境创设合适的教学环境创设有利于将学生的注意力聚焦到课堂，培养学生的学习兴趣。在课堂中，我们设置学生实验铝基超疏水材料表面的制备。该实验装置简单，我们使用一个盛有硫酸铜溶液的烧杯，一根铜线连接一个铝片（实验前先观察水滴在铝表面的聚集状态）和一个铜片，将金属片浸入溶液，2 分钟后，观察实验现象；最后用低表面能修饰剂修饰，并观察修饰前后铝表面的水滴聚集状态。实验后，教学要求分小组讨论铝片、刻蚀未修饰铝片、刻蚀修饰铝片表面水滴的聚集状态的异同点，总结归纳粗糙度和修饰剂协同效应在超疏水材料制备中的重要作用。另外，仪器设计（如图 2 所示）过程是教学环境创设的一个典范，也是加深学科融通的重要环节。仪器设计涉及信号转换、结构设计、参数界面化、材料制备表征等领域，需要将电气专业、机电专业、计算机专业、材料专业等相关知识融会贯通才能完成。学生通过教师讲解和师生讨论，认识到现在的学科交叉、团队协作在工作中必不可少，让学生深刻领会理实融通。实验的设计、实施、分析、总结，以及研究成果全流程的展示，让学生认识到实验的重要性。图 2 抗覆冰仪器总设计图2.4 教学评价改革根据 OBE 理念，教学评价要重视产出及形成性评价过程。学生的慕课预习完成度、课堂表现（参与实验的次数，上课专注度、发言次数、团队讨论积极性等）、作业质量，以及学习报告中的文献调研和学习心得，再加上学生及教师对本课程目标达成度的自我评价，这些要素构成了“材料科学前沿”课程的最终教学评价，也是课程目标指标点的重要组成部分，体现了学生的学习过程和教师的教学成效。2.5 教学成效推广“材料科学前沿”课程是学生走进实验室开始科学研究的媒介，材料学院从 2018 年开始开设这门课程，在此之前学生并未了解教师的学科方向和研究特长，未能参与教师的项目实施过程，而开设这门课程后，学生和教师相互了解，通过双向选择，学生第二学期开始进入实验室，了解实验设备、原材料及制备表征方法，第三学期开始做实验，组队申请项目，第五学期开始撰写科研实践论文。目前，本课题小组已培养40 余名本科生，学生已主持完成国家级、省级及校级教研项目 7 项，参与发表 SCI 学术论文 3 篇，申请发明专利 3 项，实用新型专利 1 项。通过实验室的历练，学生动手能力和科研实践能力大幅提升。“三融通”教学模式具有很好的推广价值，值得贯穿于所有高校课程的教与学中，它不仅能扩展学生的专业视野，从多个维度夯实专业基础，激发教与学的热情，更能促使学科的内涵式发展，增加师生、师师、92湘南学院学报2024 年 4 月（第 45 卷）第 2 期生生间的课堂内、外互动，提高师生的动手实践能力和解决问题的能力，促进学科高效、良性发展，从而达到师生共赢的局面。在这一教学模式的引领下，范式教学引发了教师们的深度思考和研究，也让学生收获颇多。3 结语当前，学科交叉融合是大势所趋。“三融通”教学模式在不同课程或不同专业同类课程中复制性很强，顺应学科发展的大趋势，采取与以往不同的课堂讲授方式，旨在教学理念、方式、内容等方面做一个全新的尝试，目的只有一个：用融通的科学方法实现教学相长。在求学和研学的道路上，师生需要另辟蹊径，更需要彼此合作。“三融通”教学模式通过课程内容重构、教学方法创新、教学环境创设、教学评价改革和教学成效及推广价值几个方面的改革，在“材料科学前沿”课程中显示较好的教学效果。对标教育部关于一流本科课程建设的实施意见的推荐条件 9，该教学模式的改进之处体现在以下几个方面：一是“材料科学前沿”课程的教学实践运用了 STEM 教学理念，符合“新工科”建设要求；二是课程内容抓住了材料科学的核心问题和未来发展方向，体现了课程内容的与时俱进；三是课程教学采用了虚拟仿真+实际操作实验相结合的方法，教学设计科学合理；四是课程目标注重基础知识与实践能力和科研素质的结合，符合地方本科高校的办学定位和人才培养目标；五是教学过程充分体现了“以生为本”的理念，突出了学生的中心地位；六是教学实践采用了多元化的考核评价，强化了过程管理。总之，基于 STEM 教育理念的“三融通”教学实践是一种旨在培养具有创新思维和跨学科解决问题能力的人才的新型教育模式，强调了科学、技术、工程和数学教育的融合，并注重培养学生的创新思维能力、批判性思考能力和团队协作能力；极大地激发了学生的学习热情，提升了教师的教育教学能力，真正意义上实现了学科内涵式发展和人才高质量培养目标。参考文献 1 常启兵,汪永清,曾涛,等.以专业认知为先导提升大学生学习主动性:材料科学前沿 系列讲座 J.教育教学论坛,2017(15):72-73.2 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