STEM理念下“三融通”教学模式——以“材料科学前沿”课程为例.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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.1672-8173.2024.0
6、2.015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、
7、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
8、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
9、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
10、”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
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