新能源材料與器件專業(yè)與STEM 教育理念融合的實踐探索

李 謙，趙學(xué)玉，楊俊杰，羅 群，冉春華*

（1．重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400030；2．上海市第一師范附屬小學(xué) 上海 200040；3.上海市市西中學(xué) 上海 200040；4．上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200444）

隨著我國經(jīng)濟(jì)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，綠色、可持續(xù)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律。習(xí)近平總書記在黨的二十大報告中提到：“我們要加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，實施全面節(jié)約戰(zhàn)略，發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)，倡導(dǎo)綠色消費(fèi)，推動形成綠色低碳的生產(chǎn)方式和生活方式?！蓖瑫r指出目前應(yīng)當(dāng)積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和，深入推進(jìn)能源革命，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系。在此背景下，我國開始大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，新能源產(chǎn)業(yè)也迎來了發(fā)展的黃金期。然而，目前新能源產(chǎn)業(yè)的人才儲備遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才需求，大大阻礙了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，大力培養(yǎng)新能源專業(yè)方向的人才是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。

培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的高新技術(shù)人才，已經(jīng)成為我國高校教育的重要目標(biāo)之一[1]。目前，各大高校已經(jīng)開始加強(qiáng)對新能源材料與器件專業(yè)的布局與建設(shè)，但作為一門新興專業(yè)，該專業(yè)是建立在“大學(xué)物理”“大學(xué)化學(xué)”“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“物理化學(xué)”“半導(dǎo)體物理與器件”“材料物理化學(xué)”“電化學(xué)原理與應(yīng)用”等基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之上的一門專業(yè)，專業(yè)性較強(qiáng)，涉及的知識面較廣[2]，涉及的理論知識較多，需要學(xué)生具有一定的理論基礎(chǔ)。目前，該專業(yè)的授課方式仍然采取傳統(tǒng)的授課方式，教師在線下或線上講解課程內(nèi)容，授課方式單一。在授課過程中，過多理論知識的講解會使該課程枯燥乏味，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不利于學(xué)生對本專業(yè)相關(guān)知識的掌握。同時，由于該專業(yè)的理論知識涉及諸多公式的推導(dǎo)，要求學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)功底及數(shù)據(jù)處理能力，這就需要在教授該專業(yè)相關(guān)課程的同時提升學(xué)生的數(shù)學(xué)功底，才能讓學(xué)生對該課程所涉及的知識有更好的理解和掌握。

如何提升大學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生專業(yè)能力的全面發(fā)展已成為我國高等教育專業(yè)課程教學(xué)改革亟須解決的問題之一[3]。針對上述問題，必須對新能源材料與器件專業(yè)的教學(xué)模式進(jìn)行改革，探索出更加適合學(xué)生的教學(xué)方法，從而提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)更加優(yōu)秀的新能源領(lǐng)域?qū)I(yè)人才。

1 STEM 教育理念的起源與先進(jìn)性

STEM 教育起源于20 世紀(jì)90 年代的美國，是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的簡稱。這種學(xué)習(xí)理念強(qiáng)調(diào)將這四門學(xué)科結(jié)合在一起，以處理日常生活和工作學(xué)習(xí)中所遇到的問題，對于個人能力的提升和社會發(fā)展非常有幫助[4]。這種教育理念可以直接為學(xué)生提供經(jīng)驗，使他們能夠?qū)⒏鱾€領(lǐng)域的抽象概念統(tǒng)一起來，有助于知識的理解，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力及學(xué)習(xí)的積極性[5]。STEM教育在我國起步較晚，直到近年來我國才將STEM教育延伸到本科教育中。從新工科建設(shè)的要求來看，這種具有鮮明“跨學(xué)科”特色的STEM 教育與高等工程教育改革的創(chuàng)新融合趨勢不謀而合，不失為工程教育模式創(chuàng)新的新思路。

STEM 教育的應(yīng)用有許多成功的案例，如美國卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院將STEM 教育融入教育機(jī)器人課程中，從而進(jìn)一步提升了學(xué)生的學(xué)科整合學(xué)習(xí)與實踐能力[6]；亞利桑那州立大學(xué)火星教育項目的跨學(xué)科整合型STEM課程以真實問題為載體、采取基于問題和項目的學(xué)習(xí)方式、注重學(xué)生的活動參與和經(jīng)驗獲得，在整個教學(xué)過程中，學(xué)生可以像科學(xué)家和工程師一樣思考和解決問題，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)和結(jié)果的有效遷移[7]；日本政府結(jié)合本土教育特色明確STEM 教育的戰(zhàn)略地位，發(fā)布了多個關(guān)于開展高校STEM 教育質(zhì)量監(jiān)測的指導(dǎo)性文件及相關(guān)國家政策，支持STEM 教學(xué)改革的推廣和實施，其教育得到迅猛發(fā)展并取得了令人矚目的效果[8]。

STEM 教育模式強(qiáng)調(diào)學(xué)科之間的相互滲透與整合，注重學(xué)習(xí)過程、實踐、動手與合作，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科以及與現(xiàn)實的聯(lián)系，突出基于項目學(xué)習(xí)和問題解決引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題和創(chuàng)造性地解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科整合思維和獨(dú)立解決問題的能力[9]。

由于STEM教育理念強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，從而提升學(xué)生對知識的理解和創(chuàng)新能力，而新能源材料與器件專業(yè)課程的特點正是涉及多門學(xué)科的整合。因此，STEM 教育理念與該課程的特點高度契合，將二者相結(jié)合進(jìn)行混合式教學(xué)模式的探索與實踐是完全可行的，且具有重要意義。

2 STEM 教育理念與新能源材料與器件課程的結(jié)合

2.1 科學(xué)：豐富教學(xué)手段，使學(xué)生掌握理論知識

2.1.1 完善線下教學(xué)方式

課堂教學(xué)是傳授課程知識的主要方式，然而目前單一的線下直授教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加之該課程比較注重理論，內(nèi)容枯燥，易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此，教師必須對現(xiàn)有的教學(xué)方式進(jìn)行改革，豐富教學(xué)手段。

在課上，教師除了單純講解理論知識外，還可以引入實際案例，通過對案例的分析從而引出所涉及的理論知識并進(jìn)行講解，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)這些理論知識的同時，還可以了解理論知識的應(yīng)用范圍，這有助于學(xué)生對理論知識的理解和掌握。案例的引入還可激發(fā)學(xué)生的求知欲，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而提高學(xué)習(xí)效率。

同時，專業(yè)課程建設(shè)應(yīng)從學(xué)生出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣以提高其學(xué)習(xí)動力，增加自主課堂比重以提高學(xué)生的參與度，從而實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提高[10]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是教師“教”學(xué)生“學(xué)”的“灌輸性”教學(xué)模式，極易導(dǎo)致課堂氛圍沉悶，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性?；诖?，教師可以采取翻轉(zhuǎn)課堂的方式進(jìn)行教學(xué)，將涉及該課程的基本知識傳授給學(xué)生后劃分小組，每個小組分配一個專題，組內(nèi)同學(xué)布置分工，自行查閱資料并討論，做出總結(jié)并制作匯報PPT，在課上派出代表向大家匯報，匯報結(jié)束后其他同學(xué)進(jìn)行提問，最終由教師進(jìn)行總結(jié)與補(bǔ)充。完善線下課堂教學(xué)方式，豐富學(xué)習(xí)和教學(xué)手段可促進(jìn)整體教學(xué)質(zhì)量的提升，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.1.2 構(gòu)建線上教學(xué)體系

目前，各種線上學(xué)習(xí)平臺（如雨課堂、騰訊會議、慕課等）如雨后春筍般出現(xiàn)在人們的視野中，受到了各大院校的關(guān)注。線上學(xué)習(xí)平臺的優(yōu)勢在于打破了物理距離的障礙，實現(xiàn)了隨時隨地進(jìn)行知識的傳授與獲取。構(gòu)建線上教學(xué)體系，使其輔助線下教學(xué)，可大大提升教學(xué)質(zhì)量。

對于本課程來說，理論知識較多、較雜會導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常遺忘所學(xué)的知識，針對這種情況，教師可以錄制線下授課的內(nèi)容，并上傳至線上平臺，這樣學(xué)生就可以反復(fù)溫習(xí)所學(xué)過的知識，加深印象。與此同時，教師可以通過線上平臺及時解答學(xué)生在課后作業(yè)中存在的問題，達(dá)到查漏補(bǔ)缺的效果。還可以設(shè)置闖關(guān)學(xué)習(xí)模式，每道關(guān)卡設(shè)置不同的課堂目標(biāo)，并且每隔一段時間公布學(xué)生的闖關(guān)情況，可以大大增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信心，使學(xué)生有獲得知識的欲望和動力。

對于學(xué)生來說，可以利用閑暇時間鞏固自己知識相對薄弱的地方，充分利用線上平臺隨時隨地學(xué)習(xí)，還可隨時與其他同學(xué)和老師進(jìn)行線上交流，增強(qiáng)自身在學(xué)習(xí)過程中的參與感，獲得不斷學(xué)習(xí)的動力，最終提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。除此之外，網(wǎng)絡(luò)上有很多優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，比如慕課、國家級優(yōu)質(zhì)課程、微課、微視頻等，可滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，學(xué)生可以自主安排時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷擴(kuò)充自己的知識儲備[11]。

總之，這種結(jié)合了線上線下、課上課下的教學(xué)模式，即基于O2O（Offline to Online）的智慧教學(xué)模式，教學(xué)方法靈活多樣，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在線上教育快速發(fā)展的過程中，新的O2O智慧教學(xué)模式對高效教學(xué)發(fā)揮著重要的作用，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與創(chuàng)新能力。

2.2 技術(shù)：參加校內(nèi)實驗，促進(jìn)理論知識的運(yùn)用

對于理論知識的理解與掌握固然是新能源材料與器件課程學(xué)習(xí)的重中之重，但并不是全部，如果只是單純地傳授理論知識，就很容易造成“紙上談兵”的情況。因此，必須促進(jìn)理論知識的運(yùn)用，而這正是課堂教育所缺失的。基于這種情況，校內(nèi)實驗無疑是充分運(yùn)用理論知識最好的方法。目前，越來越多的高校開展關(guān)于新能源材料方向的實驗，比如儲氫合金吸放氫曲線的測定、光化學(xué)制氫、燃料電池性能測試等等，這些實驗無論是在操作過程中亦或是數(shù)據(jù)處理過程中均涉及大量該課程的理論知識。因此，學(xué)生可以參與這些實驗，一方面，由于學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的理論知識，他們對于實驗過程的理解會更加明晰與透徹，有助于實驗的成功進(jìn)行；另一方面，學(xué)生參與到這些實驗中會對理論知識有著更深的印象，且由于實驗的過程正是理論知識得以運(yùn)用的過程，學(xué)生通過大量實驗會更加了解這些理論知識的應(yīng)用條件與場景，這反過來有助于學(xué)生對這些理論知識有更深層次的理解，最終起到兩全其美的效果。在這個過程中，教師可以根據(jù)實驗教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)真實可靠的教學(xué)情境，選擇適宜的問題，循序漸進(jìn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，并提高其解決問題的能力[12]。

學(xué)生還可以報名參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，確定關(guān)于新能源材料與器件專業(yè)的研究方向，調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫項目申請書，設(shè)計有關(guān)新能源材料與器件專業(yè)的實驗并實施。這一過程對學(xué)生自身能力的提升作用是巨大的，不僅能使學(xué)生將理論知識應(yīng)用到實際問題中，而且學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力也會得到大幅提升。

2.3 工程：開展校外實習(xí)，將理論與實踐相結(jié)合

雖然學(xué)生在課堂和實驗過程中能夠很好地掌握并運(yùn)用所學(xué)的理論知識，但是學(xué)習(xí)理論知識的最終目的是將其運(yùn)用到實際生產(chǎn)中，顯然在校園中是無法實現(xiàn)這個目標(biāo)的，而開展校外實習(xí)，使學(xué)生將理論知識與實踐相結(jié)合無疑是實現(xiàn)該目標(biāo)最好的手段。

隨著新能源材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國涌現(xiàn)出多家杰出的新能源企業(yè)，如比亞迪在全球新能源車企中市值排名第二，僅次于特斯拉；寧德時代市值多次突破萬億，電池裝車量已連續(xù)10 個月領(lǐng)跑全球。同時，為了吸引各大高校的人才，提升公司核心競爭力，各家公司每年都會為高校學(xué)生提供一定的實習(xí)崗位，給在校大學(xué)生提供了難得的機(jī)會。因此，教學(xué)團(tuán)隊可以加強(qiáng)與本專業(yè)相關(guān)企業(yè)的校企合作，開展專業(yè)見習(xí)和專業(yè)實習(xí)活動，建立以市場需求為導(dǎo)向的課程培養(yǎng)方案，同時激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力[13]。

對于學(xué)生來說，應(yīng)當(dāng)抓住這個機(jī)遇，在掌握了相關(guān)理論知識后積極投身校外實習(xí)，將理論知識與實踐相結(jié)合。在這個過程中，學(xué)生在實際的生產(chǎn)過程中可以對其涉及的理論知識進(jìn)行思考，有助于加深對理論知識的理解。同時，學(xué)生還可以運(yùn)用自身掌握的理論知識發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，思考改進(jìn)方法，這有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力與探索精神。

新能源企業(yè)在材料研發(fā)、質(zhì)量檢測過程中往往需要借助高校的科研人員與設(shè)備，在這個過程中，企業(yè)和高校建立起良好的合作關(guān)系。因此，高?？梢猿浞掷眠@一優(yōu)勢，經(jīng)常邀請身在企業(yè)一線的工程師與技術(shù)人員進(jìn)入課堂，講述在材料研發(fā)過程中遇到的經(jīng)典案例及技術(shù)難題，以及解決這些問題所運(yùn)用到的理論知識，這同樣有助于學(xué)生將理論知識與實踐相結(jié)合，達(dá)到加深理論知識理解的目的。

2.4 數(shù)學(xué)：提升數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，加深對理論知識的理解

科學(xué)研究最重要的是定量計算，沒有定量計算就談不上科學(xué)。新能源材料與器件作為一門綜合性非常強(qiáng)的學(xué)科，定量計算對于該學(xué)科的學(xué)習(xí)是非常重要的。例如，在學(xué)習(xí)過程中，常常涉及反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)方面的理論知識，以儲氫反應(yīng)動力學(xué)為例，研究儲氫動力學(xué)最重要的是提出準(zhǔn)確的動力學(xué)模型，如G-B模型、Jander模型、Chou模型等，一些模型的推導(dǎo)十分復(fù)雜，需要有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。但目前大學(xué)生普遍存在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的情況，會導(dǎo)致學(xué)生無法理解模型的推導(dǎo)過程，依靠死記硬背，對這些模型無法真正地掌握，不利于該專業(yè)的學(xué)習(xí)，更不利于將理論應(yīng)用于實踐。同時，隨著計算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的科研人員開始將諸如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于模型參數(shù)的求解，這更加需要學(xué)生提升自身的數(shù)學(xué)功底及數(shù)據(jù)處理能力，以更好地理解與掌握該課程的理論知識。目前高校開展了許多與數(shù)學(xué)專業(yè)相關(guān)的課程，如數(shù)值分析、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)計算及應(yīng)用等，這些課程所涉及的數(shù)學(xué)思想與數(shù)據(jù)處理方法均有助于提高學(xué)生的數(shù)學(xué)功底，通過這些課程的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生理解理論知識中模型的含義及其推導(dǎo)。因此，授課教師在講授本專業(yè)課程的同時還應(yīng)鼓勵學(xué)生選一至兩門數(shù)學(xué)課程作為輔修課程，這樣既可以使學(xué)生加深對理論知識的理解，又可以降低教師授課的困難度，使教師無須花費(fèi)過多時間解釋模型或公式背后所蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)原理，從而提升了教師的授課效率。

3 結(jié)語

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來的問題，讓學(xué)生更好地學(xué)好新能源材料與器件課程，更加牢固地掌握相關(guān)的知識與應(yīng)用，并提升學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，亟待探索和建設(shè)適用于該課程的新教學(xué)模式。STEM 教育理念立足跨學(xué)科知識整合，構(gòu)建混合教學(xué)模式，將STEM 教育理念與新能源材料與器件課程結(jié)合可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教師的教學(xué)質(zhì)量，同時對提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力幫助極大。因此，將STEM 教育理念與新能源材料與器件課程相結(jié)合，能促進(jìn)學(xué)生對該課程理論知識的理解與掌握，為學(xué)生將理論轉(zhuǎn)化為實踐打下堅實基礎(chǔ)，從而達(dá)到為該領(lǐng)域培養(yǎng)高質(zhì)量人才的目的。