在教育部开展一流本科专业和一流本科课程建设的背景下，天津科技大学应用化学专业也在依托轻工特色进行相应的专业建设^{[1, 2]}。面对专业人才培养中学生的实践和创新能力不足的问题，需要对传统的教学理念、教学方法、课程体系进行改革。STEM教学作为全球工程教育的先进方法，如何将STEM教育理念与科学构建课程体系的教学内容、教学模式、教学评价机制相结合，对于高质量专业人才的培养尤为重要。STEM教学是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)的简称^{[3, 4]}。作为一种多学科融合的教育理念，STEM采取基于项目或问题导向的教学模式，将科学、技术、工程和数学等学科整合为一个全新的学习体系，采用项目式研究学习模式。STEM案例教学设计一般包括：学习目标设定，发布任务、问题导入，案例探究、分组讨论、方案优化、过程性评价以及总结反思等过程(图 1)。STEM案例教学可以激发学生的学习潜能，培养学生的数学和科学思维、工程技术素养、团队合作精神和解决复杂科学、工程问题的能力。

课前阶段：按照STEM的教学理念，制定课程目标，对学生进行学情分析，针对学生知识掌握程度的不同，科学对学生分组，发布线上资源(课件、视频、案例、问题)，引导学生针对提出的问题，预先进行课程准备，搜集文献，学生将不同的知识进行综合运用，为设计探究方案提供理论基础，预先提出解决方案。

课中阶段：教师引出探究案例，学生进行分组，每位同学均要根据自己的方案，发表观点，进行讨论，讨论的过程也是一次知识汇集，使学生加深对学科综合知识的理解。经过讨论，达成小组共同的方案，教师再对方案进行点评，最终确定并进行实施。

课后阶段：各组学生针对自己的成果，采用各种汇报形式，例如：实验报告、口头陈述、实物照片等。STEM的课堂教学考核手段主要包括过程性评价、总结性评价和发展性评价，其中学生的科研能力、创造力与合作意识都是很重要的培养和衡量标准。因此在教学效果的评价中，包括对学生的整体学习过程的反馈和学习主动性等课堂评价，还采用教师评价、组间互评等多种过程性评价手段，使学生对自己的学习效果进行总结反思，认识到学习中存在的不足及如何改进，重点评价学生对各学科知识的综合运用能力水平。

实验教学是化学专业培养方案的重要实践教学环节^{[5, 6]}。作为专业核心课之一的应用化学实验共70学时，实验教学内容围绕精细化学品、合成材料助剂、精细有机合成(新型医药、农药中间体)、日用化工(香精香料化妆品、洗涤剂等)、新型环保涂料、绿色表面活性剂(利用乙烯下游产品制备可生物降解表面活性剂)、新型催化剂制备、生物质资源利用等突出我校轻工特色的项目进行。在应用化学实验课的教学过程中开展了基于案例式的STEM教学模式与线上线下SPOC模式相结合的实践，选定中国大学MOOC平台上北京理工大学的精细化工实验的部分实验项目，增加综合设计性特色实验，比如护手霜、洗发香波、洗衣液的配制，作为教学的线上资源。利用线上资源与线下实验的优点，解决传统实验教学存在的学生课前对实验原理和实验仪器使用等知识掌握不充分的问题，学生能够随时在MOOC平台上观看教学视频学习实验理论，根据自身情况实现自主学习和个性化学习，从而可以充分利用课堂时间进行实验操作及与教师沟通交流^{[7, 8]}。基于STEM教学理念培养学生在具体实验案例中对涉及化学(原料的化学性质、反应机理)、化工(实验流程)、物理(原料的物理性质)和数学(正交法配方设计)等跨学科知识的综合运用能力，解决实验中的复杂科学问题。在线下实验课堂中将STEM教学的自主、合作、探究学习方式与案例式的实验教学相结合，不仅可以使学生更深入地理解实验原理和设计实验路线，并且可以培养学生的团队合作能力。通过以上教学模式，可以充分调动学生实验课程学习的主动性和积极性，通过对实验教学全过程及课后评价进行设计，实现学生的科研综合能力的提升。

结合精细化工领域中洗涤剂方面设计、研发与生产的客观需求，应用化学实验课程中设置了“洗衣用洗涤剂的配方设计与开发”单元的实验项目。课程教学过程中，以该实验项目作为案例，结合STEM案例式教学法和SPOC线上-线下式混合式教学模式进行了本单元的教学设计(表 1)，并进行了围绕实验教学全周期过程的组织和实施^{[9, 10]}。在这一过程中，秉承以学生为中心的主要理念，重构课程内容，实施案例式教学，培养学生从专业角度思考问题、解决问题的能力。

学习能力：经过大学三年的专业学习和能力培养，学生的思维活跃，实验操作能力较好，具备了自主学习和探究、合作讨论学习的能力。

知识储备：学生已经学习了高等数学、大学物理、化工原理和四大化学课程，以及现代分析技术、表面活性剂和界面化学，化妆品与洗涤用品复配技术、综合化学实验等专业先修课程，熟悉案例教学的形式和要求，具备对洗涤剂的配方设计进行案例教学讨论较好的知识储备。

能力培养：大四年级的学生，通过基础课、专业课和相关实验课程的学习，已具备了较好的提出问题、分析问题及解决问题的能力。尤其是化妆品与洗涤用品复配技术这门先修课程的案例教学，有效地提高学生解决复杂化学问题的能力。

学习能力：经过大学三年的专业学习和能力培养，学生的思维活跃，实验操作能力较好，具备了自主学习和探究、合作讨论学习的能力。

知识学习目标：掌握表面活性剂的作用；会进行洗涤剂的配方设计；洗涤剂的相关性能指标测定，如：稳定性、洗净力和泡沫力。

能力培养要求：(1) 能通过文献研究、识别、表达、分析复杂化学问题，获得有效结论；(2) 会根据衣用洗涤剂的发展方向选择合适的表面活性剂种类；(3) 能将可持续发展、建设美丽中国的理念与专业知识学习相关联；(4) 能在一定程度上设计配方，具备知识的迁移能力，能设计实验，分析和解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论，从而增强学生的专业自豪感和责任感。

以“洗衣用洗涤剂的配方设计与开发”课程教学设计流程作为示例，如图 2所示。

课前环节：(1) 按教学进度发布线上实验原理、操作的学习视频，发布课前测试任务及案例讨论问题和公告；(2) 在慕课堂准备线下的测试内容；(3) 定时查看学生在线学习数据，督促学生完成学习；在答疑区及时回复学生问题，完成线上学情分析。

课中环节：在评价学生线上知识学习效果的前提下，以案例教学为中心，通过实际生活中大家都使用过的洗衣液和洗衣粉，引出本节课教学应达到的课堂目标：(1) 引导学生思考，在已掌握课堂理论教学内容的基础上，如何进行精细化学品洗衣用洗涤剂的配方设计与开发；(2) 培养学生自主获取学习资源、查阅资料、收集数据、应用现代工具解决问题的能力；(3) 将可持续发展的理念融入到专业实验课的教学内容，培养学生在多学科背景下的知识综合运用能力和社会责任感。然后按照实验特点分类分组组织实验案例教学，每一组学生具有不同的学习任务。在教师的引导下，学生对实验案例进行思考、讨论和分析，然后进行实验操作，提升学生分析和解决复杂化学问题的能力。课堂上围绕线上学习的核心内容“洗涤剂配制和应用”，分组进行实验案例的讨论。该讨论采用多维分组方式进行，通过多维分组的案例教学，培养学生解决复杂化学问题的能力和团队协作能力。将学生分为数据采集与分析组、知识积累组、学习能力提升组和课程思政组等。分组的教学目的以及各组学习任务如表 2所示。

在分组讨论环节中，需达到结果或目的为：(1) 通过市场调研，得到洗涤的发展现状和未来方向；(2) 揭示目前市场所使用的表面活性剂的种类，分析以上作为表面活性剂化工原料的基本物理性质(分子量、溶解性、密度等)以及与去污性能相关的物理性质(泡沫力、去污力等)，并对不同种类表面活性剂的以上性能进行比较和选择，为配方设计打好基础；(3) 课程思政(洗涤剂与水污染、建设美好中国之间的关系)；(4) 学习能力的提升(运用数学当中的正交设计方法，自主设计出具有不同特色与不同功能的洗涤剂配方)。在该环节的实施当中，根据教学过程中学生讨论和展示的配方进行洗衣用洗涤剂的配制，并对洗涤剂产品进行相应的化学成分分析与检验以及去污力和泡沫力等主要性能的测定。学生在课上分组展示实验案例讨论成果，教师点评，课堂结束后，学生需要将讨论结果以报告形式提交到线上作业区，供教师评阅和小组互评，提升学习效果，实现教学的闭环运行和管理。在这一过程中既锻炼提高了动手能力，又提升学生自身综合科学素养和团队协作能力，达到学生综合训练的目的。

课后环节：学生须独立完成实验报告，并提交到平台作业区，通过指导教师批阅和组间学生互评后将批阅结果反馈给学生。学生收到批阅后的报告，可根据教师批阅和学生互评的意见进行一次修改。通过以上方式可以较明显提升学生的学习效果，并有效实现教学的闭环运行和管理。在这一环节当中，教师要及时反思教学方法与手段对实现目标达成的作用与贡献，落实学生培养目标的达成。

该课程的成绩评定方式(考核比例均指占总成绩的比例)主要包括以下几个方面(图 3)。(1) 完成课程内容的学习；平时过程性评价占总成绩的70%，线下期末考试占总成绩的30%；(2) 平时过程性评价：单元测试占总成绩的20%，实验报告占总成绩的20%，参与课程讨论占总成绩的10%，线下实验操作考核占总成绩的20% (其中实验操作规范、实验结果和科学创新性各占总成绩的6%，实验安全意识占总成绩的2%)。根据以上环节中对学生实验课程的成绩进行评定，并结合课程知识目标与能力目标的相应达成水平完成课程评价。课程的评价以过程性评价为主，通过强化过程性课程评价，可以更全面地反映学生在实验教学中每个环节的表现。总结性评价主要通过线下期末考试的形式进行，主要考核学生对基本实验方法、实验操作以及数据处理和方法优化方法的目标达成。此外，在该课程的评价当中关注发展过程，将课程的过程性评价和总结性评价进行有机结合，使学生、教师与课程的发展过程融入评价体系当中。将以上结合过程性和总结性评价的结果作为下一次评价的起点，不断关注和进行课程内容与教学设计的持续改进，实现课程的发展性评价。

表 3当中给出了课程目标达成水平与毕业要求的关系，图 4是结合STEM案例式教学法和SPOC线上线下混合式教学的应用化学实验课程教学前后的教学效果。相对于教改前的班级，教改后班级学生的课程目标达成度大幅提升。这是因为我们注重了学生课前通过实验视频预习、案例教学、课堂分组讨论、线上线下辅导答疑等环节的教学，使学生能够更好地将各学科的知识综合运用于案例式实验的探究中，提高学生的综合素质。此外，从线上预习、跨学科案例教学、分组讨论效果、配方设计和实验成果反思改进等方面对已经完成课程学习的学生发放了问卷调查，如图 5可知，大部分学生对于结合STEM的案例式教学法和SPOC线上线下混合式教学模式认可，尤其是综合知识的案例教学、分组讨论和实验操作环节有很高的满意度。

结合了STEM的案例式教学法和SPOC线上线下混合式教学的应用化学实验课程教学实践表明，通过学生对实验课程内容的线上学习，学生的主动学习有了提升，实验设计和操作能力也相应提高。在课程实施过程中的学习成果为导向的案例教学以及分组讨论、答疑环节，使学生在实验课程中得到教师和团队成员的帮助，学习效率和学习兴趣都有明显的提升。今后将更多吸纳教师的科研成果建设线上实验项目案例库，开发设计新的多样性的实验用于实验教学。优化案例教学模式，增加实验项目的广度和深度，将学生综合能力的培养置于首要位置，进一步完善线上学习的监管机制和综合评价内容，深入挖掘课程思政和课程科学文化内涵，将知识传授与立德树人的思想教育紧密结合，将应用化学实验课程建设为一流混合式实验课程。

本文把STEM案例式教学法和SPOC线上-线下式混合式教学模式应用于应用化学实验教学中，进行了教学改革。将理论知识传授与学生的主动学习相结合，构建了以学生为中心的专业实验教学体系，引导学生自主查阅资料并设计具体的实验方案，采用案例式分组教学，增强学生动手操作能力，采用过程性课程评价，为后续教学持续改进提供依据。在STEM教育理念下将数学、工程、基础化学知识、实验基本技能和创新研究融会贯通，使教学过程适应当代学生的思维模式与学习习惯，提升学生解决复杂化学问题能力。