張智嘉，王強(qiáng)，王國(guó)軍，馮莉莉，劉立佳，魏浩

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

教育是國(guó)之大計(jì)、黨之大計(jì)，全國(guó)教育大會(huì)提出“培養(yǎng)什么人，是教育的首要問(wèn)題”，世界歷史也表明，每一個(gè)強(qiáng)國(guó)的崛起，本質(zhì)上都要依靠教育。截至2022年5月31 日，我國(guó)共有全國(guó)高等學(xué)校計(jì)3 013 所，其中普通高等學(xué)校2 759所（含本科院校1 270所）。高校作為培養(yǎng)基礎(chǔ)研究人才的主力軍，更需要立足當(dāng)前，著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，將培養(yǎng)基礎(chǔ)學(xué)科人才和“卓越工程師”作為使命，有針對(duì)性地把科學(xué)教育與工程教育基礎(chǔ)做扎實(shí)，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力，激發(fā)人才成長(zhǎng)潛力，夯實(shí)人才成長(zhǎng)基礎(chǔ)，源源不斷地為解決世界科技前沿難題和國(guó)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(guó)家重大需求，涉及生物、物理、化學(xué)、材料、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交叉。除了基礎(chǔ)理論知識(shí)外，相關(guān)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(xué)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(duì)于多學(xué)科不斷迭代更新的軟件的學(xué)習(xí)、掌握及應(yīng)用及其重要。理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為人才培養(yǎng)模式改革的重要環(huán)節(jié)，隨著時(shí)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(shí)驗(yàn)課程的關(guān)聯(lián)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，目前仍缺少系統(tǒng)的相關(guān)科研數(shù)據(jù)的歸納和總結(jié)方面的軟件工具課程。雖然很多高校開(kāi)設(shè)了“化工實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理”“化工應(yīng)用軟件”“常用軟件工具高級(jí)應(yīng)用”等課程，但在實(shí)用性、先進(jìn)性、與實(shí)際結(jié)合性等方面仍存在嚴(yán)重不足。另外，目前很多高等院校本科生課程的設(shè)置與人才培養(yǎng)目標(biāo)脫節(jié)，教材內(nèi)容跟不上行業(yè)發(fā)展，無(wú)法滿足社會(huì)對(duì)高層次人才的需求；課程仍以講授為主，實(shí)踐不足，雖然已經(jīng)開(kāi)設(shè)了網(wǎng)絡(luò)課程，但力度不夠。

STEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）教育有助于本科生的科學(xué)探索能力、批判性思維、創(chuàng)新意識(shí)及獲取信息技術(shù)等工程類人才必備能力的培養(yǎng)，從而利用教育經(jīng)驗(yàn)和資源，實(shí)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(guó)《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告中，隨后英國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本、德國(guó)、芬蘭等國(guó)也開(kāi)始重視STEM 教育[1-2]。美國(guó)為了繼續(xù)保持其在全球競(jìng)爭(zhēng)中的領(lǐng)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(guó)STEM 教育戰(zhàn)略》[3]。目前，美國(guó)正處在第二個(gè)STEM 教育發(fā)展規(guī)劃實(shí)施期間，在鼓勵(lì)學(xué)生積極開(kāi)展STEM 領(lǐng)域跨學(xué)科學(xué)習(xí)的同時(shí)，推動(dòng)計(jì)算思維成為美國(guó)未來(lái)勞動(dòng)力的關(guān)鍵技能。加拿大在2017 年發(fā)布了“加拿大2067 計(jì)劃”，規(guī)劃加拿大50年的STEM教育行動(dòng)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在畢業(yè)后能夠從事不同的職業(yè)，有能力應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜和競(jìng)爭(zhēng)激烈的世界變化[4]。我國(guó)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(guó)要大力發(fā)展STEM教育[5]，中國(guó)教育科學(xué)研究院于2018 年5 月正式啟動(dòng)了“中國(guó)STEM教育2029創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”，旨在打造中國(guó)的STEM教育生態(tài)系統(tǒng)，培養(yǎng)一批國(guó)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(xué)本科生課程“化工應(yīng)用軟件”STEM改革為例，從課程建設(shè)的角度入手，調(diào)研Origin 軟件應(yīng)用情況、開(kāi)展課程改革探索及教學(xué)效果回訪等工作，探討了STEM教育在跨學(xué)科本科生課程的改革途徑，在新工科背景下，為我國(guó)本科生教育打破既有學(xué)科藩籬的限制，最大限度促進(jìn)跨學(xué)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(yīng)用軟件”是哈爾濱工程大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生選修課，旨在通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，能夠運(yùn)用相關(guān)化學(xué)軟件及互聯(lián)網(wǎng)有效獲取及處理相關(guān)化學(xué)、材料信息，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得準(zhǔn)確結(jié)論，掌握常用相關(guān)軟件的使用方法，了解軟件功能，并通過(guò)軟件使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了解化工中的化學(xué)原理，增強(qiáng)其對(duì)化學(xué)信息處理的認(rèn)識(shí)。本課程主要學(xué)習(xí)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(kāi)展相關(guān)調(diào)研。

2 Origin軟件應(yīng)用調(diào)研

Origin是由OriginLab公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)科學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件，是理工科學(xué)生處理分析數(shù)據(jù)的常用軟件，也是“化工應(yīng)用軟件”課程中主講的軟件之一。作者通過(guò)問(wèn)卷星發(fā)放Origin軟件調(diào)研問(wèn)卷，共收到73份有效問(wèn)卷。如圖1 所示，73 份問(wèn)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(jī)械、力學(xué)等專業(yè)，在日常學(xué)習(xí)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(guò)。除了Origin 軟件外，被調(diào)查者最常用的處理數(shù)據(jù)軟件為Excel、SPSS等。

使用者運(yùn)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(xué)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(jì)（54.79%），最后是繪制3D 圖和讀取圖片數(shù)據(jù)。同時(shí)，作者在與部分學(xué)生和老師的交流中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)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?yàn)樵撥浖δ芏?、操作?jiǎn)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(duì)Origin軟件的需求，如果在學(xué)生的培養(yǎng)方案中增加Origin軟件學(xué)習(xí)的課程，32.88%的人一定會(huì)去參加“Origin如何使用”的課程，57.53%的人可能會(huì)參加該課程，并希望在課程中能夠?qū)W到數(shù)據(jù)擬合和繪制三維圖等功能。對(duì)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(shí)隨地學(xué)習(xí)和回放。

圖3 學(xué)習(xí)Origin軟件方式調(diào)研餅狀圖

3 課程改革探索

基于前期對(duì)課程教授的Origin軟件需求調(diào)研，我們深入剖析了“化工應(yīng)用軟件”的課程體系和任務(wù)。作為以培養(yǎng)學(xué)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(xué)方法，更應(yīng)注重學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。因此，我們將課程設(shè)計(jì)為四大組成部分，如圖4所示——基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能、信息互動(dòng)和多方交流。

圖4 課程改革思路

在基礎(chǔ)知識(shí)方面，為了打破學(xué)科壁壘，針對(duì)多學(xué)科數(shù)據(jù)處理分析需求問(wèn)題，設(shè)立了涉及多學(xué)科方向的數(shù)據(jù)處理軟件章節(jié)，開(kāi)展了化工-材料-生物-海洋等相關(guān)多學(xué)科基礎(chǔ)理論的篩選研究，并結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)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(guān)軟件的簡(jiǎn)介、Origin 軟件在數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，將涉及的多個(gè)學(xué)科融入到相應(yīng)的章節(jié)內(nèi)容中，結(jié)合最新前沿動(dòng)態(tài)，增加課程的豐富性和系統(tǒng)性，以達(dá)到學(xué)生對(duì)全方位知識(shí)點(diǎn)的掌握。例如，在講解Origin 軟件的過(guò)程中，基于當(dāng)年最新版本的Origin 軟件及其新功能對(duì)教案進(jìn)行更新完善，同時(shí)利用課間休息或者課后時(shí)間與學(xué)生溝通，充分了解學(xué)生感興趣的科研方向或正在參與的科創(chuàng)項(xiàng)目或畢業(yè)設(shè)計(jì)。在講解軟件功能的過(guò)程中，適當(dāng)增加相關(guān)方向的內(nèi)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(xué)生處理相關(guān)數(shù)據(jù)。例如做金屬材料方向的學(xué)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(xué)生用的比較多的解析波譜數(shù)據(jù)，在課上就會(huì)重點(diǎn)講解XRD 和波譜數(shù)據(jù)的處理和繪圖，使學(xué)生更直觀地感受工具軟件的強(qiáng)大功能。育人之本，在于立德鑄魂。以我們正在做的科研真問(wèn)題為教學(xué)案例，結(jié)合學(xué)?！叭Ｒ缓恕碧厣?，將國(guó)防需求和我國(guó)、我校的科研創(chuàng)新成果融入課堂，增強(qiáng)學(xué)生為祖國(guó)奉獻(xiàn)的精神和“四個(gè)自信”，培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神，提高其學(xué)術(shù)素養(yǎng)。

在實(shí)驗(yàn)技能方面，根據(jù)本課程的知識(shí)點(diǎn)和學(xué)?，F(xiàn)有的硬件設(shè)備，利用課后時(shí)間，開(kāi)設(shè)了材料紅外光譜、力學(xué)性能等實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過(guò)課后預(yù)約的方式，鼓勵(lì)學(xué)生在課下進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，增加學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室研究生的互動(dòng)交流。本科生通過(guò)觀摩、觀看視頻、樣品展示、實(shí)際操作等多種形式，加深對(duì)課程理論知識(shí)的理解，提高實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力，練就扎實(shí)的科研基本功，培養(yǎng)學(xué)術(shù)興趣和專長(zhǎng)，為未來(lái)挑戰(zhàn)難題、探索未知、創(chuàng)造新知、成為“卓越工程師”，為國(guó)家科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展提供所需的專業(yè)能力和實(shí)踐本領(lǐng)。

在信息互動(dòng)方面，為了最大限度實(shí)現(xiàn)信息知識(shí)的自由流動(dòng)，開(kāi)展了本科生之間的學(xué)術(shù)互動(dòng)式交流模式教學(xué)研究，在教學(xué)大綱中明確加強(qiáng)研討課的開(kāi)設(shè)，包括教師擬定專題和學(xué)生結(jié)合課程特色，以課件、動(dòng)畫(huà)、視頻、學(xué)術(shù)論文、學(xué)位論文等多種形式，開(kāi)展學(xué)生間提問(wèn)與討論，并以網(wǎng)站、網(wǎng)盤、公共郵箱等形式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和廣泛傳播。

在多方交流方面，開(kāi)展了STEM模式線下-線上、課堂-實(shí)驗(yàn)室綜合學(xué)術(shù)交流教學(xué)研究，為交叉學(xué)科本科生培養(yǎng)提供有力的外部框架，借助課程網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，突出網(wǎng)絡(luò)課堂移動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)線上線下相結(jié)合，傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合。基于智慧樹(shù)、雨課堂、騰訊會(huì)議、釘釘?shù)燃n件與資源、考勤、討論的一體式平臺(tái)輔助教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生能隨時(shí)隨地利用手機(jī)、電腦進(jìn)行查看、學(xué)習(xí)、討論和反饋意見(jiàn)；并且，增加調(diào)查問(wèn)卷功能，形成多渠道的信息反饋系統(tǒng)，及時(shí)掌握學(xué)生的意見(jiàn)與想法，并及時(shí)有效地反饋到教師的教學(xué)中。

4 教學(xué)效果

在2021-2022學(xué)年第一學(xué)期的課程結(jié)束后，我們對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)和授課效果進(jìn)行了跟蹤和回訪，學(xué)生對(duì)于課程所學(xué)知識(shí)和技能表示滿意，該課程的學(xué)生評(píng)教由良（2019年）提高到優(yōu)（2021年，評(píng)教91分）。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生在接下來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用該課程所學(xué)技能效果進(jìn)行了跟蹤訪問(wèn)，上過(guò)該課程的學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)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(yīng)方程式和處理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了很好的支撐作用，受到了相關(guān)指導(dǎo)教師的高度認(rèn)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(jìn)，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(nèi)容中，我們也在不斷地增加Origin 軟件在本課程中的課時(shí)和新的授課內(nèi)容。通過(guò)實(shí)踐課程部分的增加，搭建了本科生和研究生的交流平臺(tái)，也吸引了很多碩士生來(lái)聽(tīng)課，甚至包括部分博士生和新進(jìn)教師。目前，STEM 本科生課程改革仍處于試點(diǎn)階段，如何最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)并取得良好的教學(xué)效果仍需不斷探索。

5 結(jié)論

本科生課程作為培養(yǎng)本科生人才的載體，是一個(gè)綜合性的工作。在新工科背景下，理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)有知識(shí)、有能力、有技術(shù)的綜合性人才，需要本科生課程與時(shí)俱進(jìn)。STEM 模式下本科生課程可以基于課程網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，綜合課程教學(xué)、科研訓(xùn)練、名師講座、學(xué)術(shù)交流，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和學(xué)?？蒲衅脚_(tái)，最大限度實(shí)現(xiàn)信息的自由流動(dòng)、信息和知識(shí)的高效流通、資源的優(yōu)化配置及跨學(xué)科共享。我國(guó)雙一流學(xué)科的建設(shè)、新工科的設(shè)立明確提出了對(duì)復(fù)合式、創(chuàng)新型高層次人才的需求，因此，針對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解決，整合不同學(xué)科，從而全面分析問(wèn)題，才能產(chǎn)生解決難題的新知識(shí)、新方法、新技能，意味著跨學(xué)科課程的構(gòu)建必要且亟需。