陳海鋒 , 葉劍強 , 沈一洲 , 曹 楓 , 丁楊彬 , 徐敏虹 , 許虹怡

(1.湖州師范學院求真學院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學院 工學院， 浙江 湖州 313000； 3.溫州大學 化學與材料工程學院， 浙江 溫州 325035； 4.南京航空航天大學 材料科學與技術學院， 江蘇 南京 210016)

近年來，隨著一大批高水平科研人員在企業(yè)、高校的入駐，我國新能源材料和環(huán)境材料領域的整體研究和生產(chǎn)力水平得到了較好的改善[1].高校在培養(yǎng)材料專業(yè)學生方面除了要培養(yǎng)學生具備材料合成、制備、表征等實際工作能力外，還需思考如何能夠培養(yǎng)出具有創(chuàng)新思維、知識產(chǎn)權的法律法規(guī)意識、學術科研能力等材料學科核心素養(yǎng)的新時代“材料人”，使其具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力.

材料化學專業(yè)(無機非金屬材料方向)是材料科學與現(xiàn)代化學等多門學科相互交叉、滲透發(fā)展形成的具有強大活力的專業(yè)，是運用材料化學的基本理論和方法，研究材料的制備、組成、結構、性質及應用的工程類專業(yè)[2-3].王永亞在《陶瓷工藝學》教學中做了有益嘗試，將傳統(tǒng)陶瓷文化與現(xiàn)代陶瓷工藝相結合，通過美輪美奐的陶瓷制品和豐富多彩的陶瓷故事，讓學生們流連于中國陶瓷文化中，收獲頗豐[4].但材料類專業(yè)課內(nèi)容通常涉及無機化學、高等數(shù)學、物理化學、材料工程學等學科，課程中的概念定義和原理規(guī)律較多，加之概念抽象、乏味，學生普遍感覺知識面廣且深，學習難度大.此外，材料類專業(yè)課程在具體的教學實踐中也存在不少問題，主要體現(xiàn)在課程屬性、課程體系特點、學科發(fā)展和人才培養(yǎng)需求等方面.

材料化學專業(yè)核心素養(yǎng)主要包括基本理論和知識、基本實驗技能、知識產(chǎn)權法律法規(guī)意識、學術科研能力、創(chuàng)新意識和能力5個維度.STEAM理念下材料化學專業(yè)學科核心素養(yǎng)的課程內(nèi)容應具有整合性和綜合性.本研究基于STEAM理念對近些年湖州師范學院材料化學專業(yè)教學實踐培養(yǎng)經(jīng)驗進行梳理，并重新審視材料化學類教學內(nèi)容、教學方式(模式)的育人價值和培養(yǎng)目標.

1 STEAM理念下材料化學專業(yè)課程體系

STEAM是一種教育理念，有別于傳統(tǒng)的單學科、重書本知識的教育方式.作為一種重實踐跨學科的教育概念，STEAM最早來源于美國國家科學基金會提出的“SMET”，即科學(Science)、數(shù)學(Mathematics)、工程(Engineering)、技術(Technology)4門學科的縮寫，后來改寫為“STEM”[5-6].2015年我國教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見(征求意見稿)》中提出，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式[7].2017年11月15日發(fā)布的《中國STEAM教育發(fā)展報告》認為，STEAM要以解決真實世界的問題為導向，以工程和技術為核心.近期加入Arts藝術，旨在鼓勵學生在科學、技術、工程、數(shù)學及藝術領域發(fā)展和提高，培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)，從而提升其全球競爭力.此處的“藝術”既包含“美術素養(yǎng)”，又囊括“人文素養(yǎng)”.從STEM到STEAM，其教育理念的內(nèi)涵得到了拓展和延伸，變得更加全面.STEAM理念下材料化學學科核心素養(yǎng)的構建和發(fā)展，并不是科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)等學科素養(yǎng)在個體身心上的簡單、孤立疊加，而是注重發(fā)展和培育個體在復雜的學習情境中綜合利用所學知識進行問題解決或方案設計的能力，即個體綜合遷移和應用知識解決復雜問題的能力[8].STEAM理念下的材料化學專業(yè)課程體系與培養(yǎng)目標如圖1所示.

2 STEAM理念下創(chuàng)新材料化學專業(yè)教學育人實踐

基于STEAM理念的材料類課程教學改革，需要對現(xiàn)有的教學內(nèi)容進行調(diào)整，對概念性、基礎性、提高性、綜合性和前沿性的教學內(nèi)容進行合理配合，既要有利于STEAM理念下跨學科素養(yǎng)(科學、技術、工程、藝術和數(shù)學)教學模式的開展，又要構建完善的知識體系，實現(xiàn)“寬口徑、厚基礎”的專業(yè)培養(yǎng)指導思想.本研究從STEAM教育理念出發(fā)，從微信輔助實驗室教學實踐、計算機輔助化工設計教學實踐、材料微結構攝影實踐、實驗室專利創(chuàng)新實踐及陶藝工作坊實踐五方面，歸納湖州師范學院材料化學專業(yè)近年來在專業(yè)實踐體系改革方面的經(jīng)驗.

2.1 微信輔助實驗室教學實踐

步入21世紀以來，隨著信息通訊技術(如微信、微博、QQ等)的高速發(fā)展及其在教育領域的深入普及，高校理工科領域的教師正面臨改革傳統(tǒng)教學模式的巨大挑戰(zhàn).本課題組基于微信軟件構建了“材料化學專業(yè)”公眾平臺，將微信應用在材料化學專業(yè)教學中，初步實現(xiàn)了移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中移動學習與(實驗)教學的結合[9].以“草酸根合鐵酸鉀的合成”實驗教學為例，專業(yè)課教師在課前將草酸根合鐵酸鉀的合成技術路線發(fā)布于微信公眾號客戶端(圖2)，學生根據(jù)微信公眾號上的內(nèi)容進行預習，并依據(jù)具體操作流程進行制備和合成；實驗結束后在線交流、討論，教師就學生在實驗過程中存在的疑問進行在線答疑.基于微信支持的實驗教學模式不僅實現(xiàn)了實驗結果和數(shù)據(jù)的可視化，還實現(xiàn)了師生、生生之間的互動由課堂內(nèi)向課堂外延伸.此外，微信輔助實驗教學還突出了師生、生生之間互動形式的多樣化,增強了學生對實驗結果的直觀體驗,增進了學生對實驗(操作)知識的理解[10].

2.2 計算機輔助化工設計教學實踐

改變傳統(tǒng)單一的通過PPT講解來分析材料結構的不足，以信息通訊技術素養(yǎng)為立足點，突出空間結構觀念的構建.培養(yǎng)學生利用計算機解決實際問題的能力已成為材料科學專業(yè)的重點育人目標.有針對性地采用數(shù)據(jù)處理、仿真技術、數(shù)學模型、數(shù)據(jù)庫等技術，通過建立過程機理模型，實現(xiàn)材料科學中相關過程的數(shù)據(jù)分析、模型預測、優(yōu)化設計等[11-12].計算機輔助教學是針對信息通訊技術素養(yǎng)的課程教學改革,利用各種專業(yè)空間軟件技術(圖3)幫助學生認識各種(晶體)結構，以及通過CAE軟件模擬各類化工工藝，幫助學生達成對核心概念“相圖”的深度學習.此外，湖州師范學院工學院每年還積極組織學生參加化工設計競賽.化工設計競賽的一個主要內(nèi)容即借助計算機來模擬化工生產(chǎn)流程，具體對物流數(shù)據(jù)、工藝流程、物料平衡、消耗量等參數(shù)進行模擬和設置.從課堂上對晶體結構的繪制到企業(yè)化工生產(chǎn)流程的模擬，借助計算機輔助化工設計的實踐教學，有效實現(xiàn)了將所學知識與生產(chǎn)實際進行關聯(lián).2017-2019年學生共獲得化工設計競賽國家級二等獎6項、參賽獎11項，以及省級(含賽區(qū))二等獎8項.

2.3 材料微結構攝影實踐

基于STEAM理念的材料課程在教學內(nèi)容上除了應重視知識的輸入外，更應關注個體能力的輸出.專業(yè)教師在教學過程中精心設置教學問題，鼓勵學生對材料的微觀結構知識與宏觀性能之間的關系進行思考，對材料加工過程進行質疑，逐漸培養(yǎng)學生的思維習慣，激發(fā)學生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維.鼓勵學生在大二期間參與實驗室項目，在大三期間參與材料微結構攝影大賽，使學生將所學專業(yè)知識與生活實際進行遷移和關聯(lián).如借助掃描隧道顯微鏡(SEM)觀察納米材料，了解這些材料的微納米結構與大自然各類現(xiàn)象的相似性(植物、動物和自然景色等)，引導學生發(fā)現(xiàn)和感悟科學的美，從而激發(fā)和釋放學生的學習興趣和創(chuàng)造潛能[13-14].圖4(a)作品的課題內(nèi)容為稀土元素Ce對不同形貌的ZnO進行摻雜，探討其對水體中不同類型有機染料的光催化降解性能，通過摻鈰的方法提高對光能的利用率；圖4(b)作品是在圖4(a)作品基礎上的創(chuàng)造與想象，該作品獲得了第四屆全國大學生微結構攝影大賽二等獎.

2.4 實驗室專利創(chuàng)新實踐

材料化學作為一門工科類專業(yè)，要求學生具備廣博的工程基礎知識、較好的工程思維、良好的實際動手能力和工程創(chuàng)新意識.因此學生除了需要掌握本學科的基本理論和知識，以及材料制備或合成、材料加工、材料結構與性能測定等實驗技能外，還必須具備專利設計能力.培育材料類專業(yè)學生的專利設計能力是適應“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”大背景的有效出路和路徑.專利設計在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的積極意義不言而喻，目前工科類學生專利設計能力培養(yǎng)實踐體系的研究也已受到很多高等院校的關注和重視[15-16].基于上述考慮及實踐經(jīng)驗，湖州師范學院工學院于2016年首次開設了選修課《專利與項目申報指導》，其目的旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，鍛煉學生的審美能力和空間想象能力.2017-2020年，湖州師范學院材料化學專業(yè)每年約有10件學生設計的專利得到授權，一定程度上反映了實驗室專利創(chuàng)新實踐在育人方面的價值和積極影響.

2.5 陶藝工作坊實踐

材料科學專業(yè)是一門整合科學、技術、工程、藝術和數(shù)學的特色型工科專業(yè)，其中工程思維和數(shù)學思維的培養(yǎng)幾乎占據(jù)了專業(yè)課程的大部分內(nèi)容.但材料專業(yè)課程不僅重視對學生上述核心素養(yǎng)的培育，整合科學、技術和藝術跨學科素養(yǎng)的培養(yǎng)也是材料化學專業(yè)學科育人的重要目標.通過名人典故(Adolf Fick、Henry Darcy、Georg Simon Ohmr等)讓學生體會科學家在對固體擴散的微觀機制探索過程中作出的巨大貢獻；借助經(jīng)典文學段落創(chuàng)新課程教學情境，引發(fā)學生對科學和人文的思考.此外，湖州師范學院工學院(系)為學生在大三第一學期專門開設了陶瓷工藝學課程，該課程以陶瓷的組成、制備和加工為主線，從陶瓷專業(yè)的角度去認知、欣賞、理解中國陶瓷文化，這樣既可以加深學生的專業(yè)認知，又能豐富學生的歷史文化知識，也符合教育部有關提升學生人文素養(yǎng)的要求[4].陶瓷工藝學課程的設立不僅極大地豐富了教學內(nèi)容和教學方法，還提升了學生的人文素養(yǎng)，能夠有效縮小課堂教學與實際生產(chǎn)的距離.學生設計的部分優(yōu)秀作品見圖5.

3 教學實踐成果

2007年湖州師范學院開設材料化學專業(yè)，2014年該專業(yè)入選浙江省新興特色專業(yè)建設；支撐專業(yè)建設的“材料學”二級學科先后入選校級重點學科和校級優(yōu)勢特色學科，2016年入選浙江省一流學科(工程材料學方向).湖州師范學院一直投入重點教學資源用于該專業(yè)，相關專職教師長期盡職于專業(yè)課程，積累了較多的教學資源，并在公眾微信號進行展示[9].

湖州師范學院材料化學專業(yè)依托湖州市新材料行業(yè)技術中心等科研平臺形成了兩種人才培養(yǎng)模式.①科研反哺教學的人才培養(yǎng)模式：通過學生全員參與科研項目研究的形式，主動將科研成果反哺專業(yè)教學，有效培養(yǎng)學生實踐動手能力，啟迪學生的研究思想.2019年該專業(yè)學生的考研平均錄取率為23.3%左右，學生承擔校級以上科研項目50余項，在省級以上刊物發(fā)表論文40余篇，授權專利40余件.②構建校地共育的人才培養(yǎng)模式：聚焦湖州新材料與新能源千億產(chǎn)業(yè)，與天能、超威、升華、金州等上市公司緊密合作協(xié)同育人，帶動學生高質量就業(yè)，2017-2019年該專業(yè)學生就業(yè)率超過98%.

4 結論與啟示

近年來，為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，“新工科”建設已成為當下國家落實“中國制造2025”的重要戰(zhàn)略目標.然而，與美國等西方發(fā)達國家在“新工科”學科建設、專業(yè)認證體系、人才培養(yǎng)體系方面具備的成熟經(jīng)驗不同的是，我國的“新工科”建設正處于起步階段.因此，如何培養(yǎng)“新工科”教育人才，加強“新工科”教育研究，推動“新工科”教育學科建設，用理論成果引領我國“新工科”建設已成為當下高等學校尋求“新工科”轉型和發(fā)展的關鍵突破口.“新工科”的出現(xiàn)雖然在一定程度上突破了學科與專業(yè)之間的邊界，但要統(tǒng)整和內(nèi)化學科與專業(yè)之間的邊界卻需要科學的理念予以催化和支撐.STEAM在這一點上表現(xiàn)出了較強的適應力.STEAM教育脫胎于STEM教育,其主要特征是:突出跨學科方法, 強調(diào)創(chuàng)意培養(yǎng), 重視社會責任感及人性化培養(yǎng)[8].材料化學專業(yè)是材料科學與現(xiàn)代化學相結合的工程專業(yè)，材料科學與化學都是以實驗為基礎的科學，對學生的實踐動手能力要求高.STEAM理念下材料化學專業(yè)學科核心素養(yǎng)發(fā)展的材料課程教學擬解決的主要關鍵問題是以材料核心概念教學為基礎，以材料與社會發(fā)展為背景，重視個體環(huán)境意識的培育(開發(fā)環(huán)境材料與新能源材料)，關注個體綜合能力發(fā)展，最終旨向跨學科素養(yǎng)的生成.