新工科背景下“化工应用软件”课程STEM模式改革探索

张智嘉，王强，王国军，冯莉莉，刘立佳，魏浩

（哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

教育是国之大计、党之大计，全国教育大会提出“培养什么人，是教育的首要问题”，世界历史也表明，每一个强国的崛起，本质上都要依靠教育。截至2022年5月31 日，我国共有全国高等学校计3 013 所，其中普通高等学校2 759所（含本科院校1 270所）。高校作为培养基础研究人才的主力军，更需要立足当前，着眼长远，将培养基础学科人才和“卓越工程师”作为使命，有针对性地把科学教育与工程教育基础做扎实，提升学生科学素养、创新思维和实践动手能力，激发人才成长潜力，夯实人才成长基础，源源不断地为解决世界科技前沿难题和国家重大需求输送高水平人才。

如何解决世界科技前沿难题和国家重大需求，涉及生物、物理、化学、材料、计算机等多学科交叉。除了基础理论知识外，相关数据的收集、处理和分析的技能也极其重要，但理工类学科数据种类多且数据量大，综合分析难度大，需要借助各种软件辅助处理，因此，对于多学科不断迭代更新的软件的学习、掌握及应用及其重要。理论教学和实验教学作为人才培养模式改革的重要环节，随着时代的变迁不断发生变革，已涌现出了OBE、CDIO、三位一体、三全育人等多种培养教育模式和理念。然而在理论课程和实验课程的关联教学中发现，目前仍缺少系统的相关科研数据的归纳和总结方面的软件工具课程。虽然很多高校开设了“化工实验规划和数据处理”“化工应用软件”“常用软件工具高级应用”等课程，但在实用性、先进性、与实际结合性等方面仍存在严重不足。另外，目前很多高等院校本科生课程的设置与人才培养目标脱节，教材内容跟不上行业发展，无法满足社会对高层次人才的需求；课程仍以讲授为主，实践不足，虽然已经开设了网络课程，但力度不够。

STEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）教育有助于本科生的科学探索能力、批判性思维、创新意识及获取信息技术等工程类人才必备能力的培养，从而利用教育经验和资源，实现用跨文化、跨专业的方法解决世界难题和挑战。STEM 教育最早出现在1986年的美国《本科的科学、数学和工程教育》报告中，随后英国、加拿大、澳大利亚、日本、德国、芬兰等国也开始重视STEM 教育[1-2]。美国为了继续保持其在全球竞争中的领先地位，分别在2013 年5 月发布了《联邦政府STEM 教育五年战略规划（2013-2018 年）》，在2018 年10 月发布了《制定成功路线：美国STEM 教育战略》[3]。目前，美国正处在第二个STEM 教育发展规划实施期间，在鼓励学生积极开展STEM 领域跨学科学习的同时，推动计算思维成为美国未来劳动力的关键技能。加拿大在2017 年发布了“加拿大2067 计划”，规划加拿大50年的STEM教育行动计划，实现学生在毕业后能够从事不同的职业，有能力应对日益复杂和竞争激烈的世界变化[4]。我国在2016年发布的《教育信息化“十三五”规划》中明确提出现阶段我国要大力发展STEM教育[5]，中国教育科学研究院于2018 年5 月正式启动了“中国STEM教育2029创新行动计划”，旨在打造中国的STEM教育生态系统，培养一批国家发展亟需的创新人才[6]。

因此，本文以哈尔滨工程大学本科生课程“化工应用软件”STEM改革为例，从课程建设的角度入手，调研Origin 软件应用情况、开展课程改革探索及教学效果回访等工作，探讨了STEM教育在跨学科本科生课程的改革途径，在新工科背景下，为我国本科生教育打破既有学科藩篱的限制，最大限度促进跨学科整合和资源共享，优化与完善本科生培养模式提供借鉴和参考。

1 课程现状

“化工应用软件”是哈尔滨工程大学化学工程与工艺专业本科生选修课，旨在通过本课程的学习，能够运用相关化学软件及互联网有效获取及处理相关化学、材料信息，对复杂工程问题进行分析、计算与设计，并进行数据处理获得准确结论，掌握常用相关软件的使用方法，了解软件功能，并通过软件使学生进一步认识了解化工中的化学原理，增强其对化学信息处理的认识。本课程主要学习的软件有Origin、Chemoffice、CAD 等，因此我们以其中最常用的数据处理软件Origin 为例开展相关调研。

2 Origin软件应用调研

Origin是由OriginLab公司开发的一个科学绘图、数据分析软件，是理工科学生处理分析数据的常用软件，也是“化工应用软件”课程中主讲的软件之一。作者通过问卷星发放Origin软件调研问卷，共收到73份有效问卷。如图1 所示，73 份问卷中涵盖本科生（28.77%）、硕士生（38.36%）、博士生（9.59%）、理工科教师（21.92%）等，涉及化工、材料、机械、力学等专业，在日常学习和工作中经常使用Origin 软件的人员占比82.19%，仅有5.48%的人从未用过。除了Origin 软件外，被调查者最常用的处理数据软件为Excel、SPSS等。

使用者运用Origin 软件主要是绘制图表（89.04%）和处理数据（87.67%），其次是为了毕业论文（68.49%），最后是完成作业（图2a）。由此可知，Origin软件是理工科学生和老师常用的绘制图表和处理数据的工具软件。从图2b中可知，Origin软件最常被使用的功能是绘制二维图（87.67%），比如线图、柱状图、饼图等，其次是用于数据拟合（60.27%）和数据统计（54.79%），最后是绘制3D 图和读取图片数据。同时，作者在与部分学生和老师的交流中发现，相对于其他数据处理软件，其选择使用Origin 软件绘图和处理数据主要是因为该软件功能多、操作简单、绘制的数据图能满足高水平文章的发表要求等。

基于对Origin软件的需求，如果在学生的培养方案中增加Origin软件学习的课程，32.88%的人一定会去参加“Origin如何使用”的课程，57.53%的人可能会参加该课程，并希望在课程中能够学到数据拟合和绘制三维图等功能。对于上课方式的期望如图3 所示，83.6%的人希望线上授课，其中46.6%的人希望是视频课程，能够随时随地学习和回放。

图3 学习Origin软件方式调研饼状图

3 课程改革探索

基于前期对课程教授的Origin软件需求调研，我们深入剖析了“化工应用软件”的课程体系和任务。作为以培养学生掌握科研辅助工具的技能类课程，不能延用以老师讲授为主的教学方法，更应注重学生的实践能力培养。因此，我们将课程设计为四大组成部分，如图4所示——基础知识、实验技能、信息互动和多方交流。

图4 课程改革思路

在基础知识方面，为了打破学科壁垒，针对多学科数据处理分析需求问题，设立了涉及多学科方向的数据处理软件章节，开展了化工-材料-生物-海洋等相关多学科基础理论的筛选研究，并结合实际需求，设计四大模块，即数据的收集方法、常用数据处理软件分类、化工相关软件的简介、Origin 软件在数据处理的应用，将涉及的多个学科融入到相应的章节内容中，结合最新前沿动态，增加课程的丰富性和系统性，以达到学生对全方位知识点的掌握。例如，在讲解Origin 软件的过程中，基于当年最新版本的Origin 软件及其新功能对教案进行更新完善，同时利用课间休息或者课后时间与学生沟通，充分了解学生感兴趣的科研方向或正在参与的科创项目或毕业设计。在讲解软件功能的过程中，适当增加相关方向的内容，以该方向最新发表的高水平文章的图表数据为例，教授学生处理相关数据。例如做金属材料方向的学生用的比较多的是如何解析XRD 数据，高分子材料方向的学生用的比较多的解析波谱数据，在课上就会重点讲解XRD 和波谱数据的处理和绘图，使学生更直观地感受工具软件的强大功能。育人之本，在于立德铸魂。以我们正在做的科研真问题为教学案例，结合学校“三海一核”特色，将国防需求和我国、我校的科研创新成果融入课堂，增强学生为祖国奉献的精神和“四个自信”，培养学生求真务实的科学精神，提高其学术素养。

在实验技能方面，根据本课程的知识点和学校现有的硬件设备，利用课后时间，开设了材料红外光谱、力学性能等实践环节。通过课后预约的方式，鼓励学生在课下进入实验室，增加学生与实验室研究生的互动交流。本科生通过观摩、观看视频、样品展示、实际操作等多种形式，加深对课程理论知识的理解，提高实验技能和动手能力，练就扎实的科研基本功，培养学术兴趣和专长，为未来挑战难题、探索未知、创造新知、成为“卓越工程师”，为国家科技进步和社会发展提供所需的专业能力和实践本领。

在信息互动方面，为了最大限度实现信息知识的自由流动，开展了本科生之间的学术互动式交流模式教学研究，在教学大纲中明确加强研讨课的开设，包括教师拟定专题和学生结合课程特色，以课件、动画、视频、学术论文、学位论文等多种形式，开展学生间提问与讨论，并以网站、网盘、公共邮箱等形式，实现知识的共享和广泛传播。

在多方交流方面，开展了STEM模式线下-线上、课堂-实验室综合学术交流教学研究，为交叉学科本科生培养提供有力的外部框架，借助课程网络化技术，突出网络课堂移动性，实现线上线下相结合，传统教学与网络教学相结合。基于智慧树、雨课堂、腾讯会议、钉钉等集课件与资源、考勤、讨论的一体式平台辅助教学系统，使学生能随时随地利用手机、电脑进行查看、学习、讨论和反馈意见；并且，增加调查问卷功能，形成多渠道的信息反馈系统，及时掌握学生的意见与想法，并及时有效地反馈到教师的教学中。

4 教学效果

在2021-2022学年第一学期的课程结束后，我们对学生评价和授课效果进行了跟踪和回访，学生对于课程所学知识和技能表示满意，该课程的学生评教由良（2019年）提高到优（2021年，评教91分）。同时，对于学生在接下来的毕业设计中运用该课程所学技能效果进行了跟踪访问，上过该课程的学生在毕业设计环节中，能够很好地利用该课程讲授的Origin、Chemoffice、CAD等软件绘制反应方程式和处理分析实验数据，为本科毕业设计提供了很好的支撑作用，受到了相关指导教师的高度认可。

该课程虽然是本科生课程，但从2018年至今，该课程一直在不断改进，比如Origin 软件每年都在更新，且不断增加新的功能，因此在该课程的授课内容中，我们也在不断地增加Origin 软件在本课程中的课时和新的授课内容。通过实践课程部分的增加，搭建了本科生和研究生的交流平台，也吸引了很多硕士生来听课，甚至包括部分博士生和新进教师。目前，STEM 本科生课程改革仍处于试点阶段，如何最大程度地发挥其优势并取得良好的教学效果仍需不断探索。

5 结论

本科生课程作为培养本科生人才的载体，是一个综合性的工作。在新工科背景下，理论与实践相结合，培养有知识、有能力、有技术的综合性人才，需要本科生课程与时俱进。STEM 模式下本科生课程可以基于课程网络化的不断发展，综合课程教学、科研训练、名师讲座、学术交流，充分利用网络资源和学校科研平台，最大限度实现信息的自由流动、信息和知识的高效流通、资源的优化配置及跨学科共享。我国双一流学科的建设、新工科的设立明确提出了对复合式、创新型高层次人才的需求，因此，针对复杂问题的解决，整合不同学科，从而全面分析问题，才能产生解决难题的新知识、新方法、新技能，意味着跨学科课程的构建必要且亟需。