新能源材料與器件專業與STEM 教育理念融合的實踐探索

李 謙，趙學玉，楊俊杰，羅 群，冉春華*

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

隨著我國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，綠色、可持續已經成為我國經濟發展的主旋律。習近平總書記在黨的二十大報告中提到：“我們要加快發展方式綠色轉型，實施全面節約戰略，發展綠色低碳產業，倡導綠色消費，推動形成綠色低碳的生產方式和生活方式?！蓖瑫r指出目前應當積極穩妥推進碳達峰、碳中和，深入推進能源革命，加快規劃建設新型能源體系。在此背景下，我國開始大力發展新能源產業，新能源產業也迎來了發展的黃金期。然而，目前新能源產業的人才儲備遠遠達不到該產業發展的人才需求，大大阻礙了產業的發展，因此，大力培養新能源專業方向的人才是新能源產業發展的重中之重。

培養新能源領域的高新技術人才，已經成為我國高校教育的重要目標之一[1]。目前，各大高校已經開始加強對新能源材料與器件專業的布局與建設，但作為一門新興專業，該專業是建立在“大學物理”“大學化學”“材料科學基礎”“物理化學”“半導體物理與器件”“材料物理化學”“電化學原理與應用”等基礎課程和專業課程之上的一門專業，專業性較強，涉及的知識面較廣[2]，涉及的理論知識較多，需要學生具有一定的理論基礎。目前，該專業的授課方式仍然采取傳統的授課方式，教師在線下或線上講解課程內容，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，難以激發學生的學習積極性，不利于學生對本專業相關知識的掌握。同時，由于該專業的理論知識涉及諸多公式的推導，要求學生具有一定的數學功底及數據處理能力，這就需要在教授該專業相關課程的同時提升學生的數學功底，才能讓學生對該課程所涉及的知識有更好的理解和掌握。

如何提升大學生的綜合素質，促進學生專業能力的全面發展已成為我國高等教育專業課程教學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的教學模式進行改革，探索出更加適合學生的教學方法，從而提升教學質量，培養更加優秀的新能源領域專業人才。

1 STEM 教育理念的起源與先進性

STEM 教育起源于20 世紀90 年代的美國，是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科英文首字母的簡稱。這種學習理念強調將這四門學科結合在一起，以處理日常生活和工作學習中所遇到的問題，對于個人能力的提升和社會發展非常有幫助[4]。這種教育理念可以直接為學生提供經驗，使他們能夠將各個領域的抽象概念統一起來，有助于知識的理解，從而提升學生的學習能力及學習的積極性[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。從新工科建設的要求來看，這種具有鮮明“跨學科”特色的STEM 教育與高等工程教育改革的創新融合趨勢不謀而合，不失為工程教育模式創新的新思路。

STEM 教育的應用有許多成功的案例，如美國卡耐基梅隆大學機器人學院將STEM 教育融入教育機器人課程中，從而進一步提升了學生的學科整合學習與實踐能力[6]；亞利桑那州立大學火星教育項目的跨學科整合型STEM課程以真實問題為載體、采取基于問題和項目的學習方式、注重學生的活動參與和經驗獲得，在整個教學過程中，學生可以像科學家和工程師一樣思考和解決問題，促進深度學習和結果的有效遷移[7]；日本政府結合本土教育特色明確STEM 教育的戰略地位，發布了多個關于開展高校STEM 教育質量監測的指導性文件及相關國家政策，支持STEM 教學改革的推廣和實施，其教育得到迅猛發展并取得了令人矚目的效果[8]。

STEM 教育模式強調學科之間的相互滲透與整合，注重學習過程、實踐、動手與合作，強調跨學科以及與現實的聯系，突出基于項目學習和問題解決引導學生主動發現問題和創造性地解決問題，從而培養學生的跨學科整合思維和獨立解決問題的能力[9]。

由于STEM教育理念強調多學科的交叉融合，從而提升學生對知識的理解和創新能力，而新能源材料與器件專業課程的特點正是涉及多門學科的整合。因此，STEM 教育理念與該課程的特點高度契合，將二者相結合進行混合式教學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合

2.1 科學：豐富教學手段，使學生掌握理論知識

2.1.1 完善線下教學方式

課堂教學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方式難以激發學生的學習興趣，加之該課程比較注重理論，內容枯燥，易導致學生產生厭學情緒。因此，教師必須對現有的教學方式進行改革，豐富教學手段。

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行講解，這樣學生在學習這些理論知識的同時，還可以了解理論知識的應用范圍，這有助于學生對理論知識的理解和掌握。案例的引入還可激發學生的求知欲，提升學生的學習積極性，從而提高學習效率。

同時，專業課程建設應從學生出發，培養學生的專業學習興趣以提高其學習動力，增加自主課堂比重以提高學生的參與度，從而實現學生學習效率的提高[10]。傳統的教學模式主要是教師“教”學生“學”的“灌輸性”教學模式，極易導致課堂氛圍沉悶，降低學生的學習積極性?；诖耍處熆梢圆扇》D課堂的方式進行教學，將涉及該課程的基本知識傳授給學生后劃分小組，每個小組分配一個專題，組內同學布置分工，自行查閱資料并討論，做出總結并制作匯報PPT，在課上派出代表向大家匯報，匯報結束后其他同學進行提問，最終由教師進行總結與補充。完善線下課堂教學方式，豐富學習和教學手段可促進整體教學質量的提升，提高學生的學習效率。

2.1.2 構建線上教學體系

目前，各種線上學習平臺（如雨課堂、騰訊會議、慕課等）如雨后春筍般出現在人們的視野中，受到了各大院校的關注。線上學習平臺的優勢在于打破了物理距離的障礙，實現了隨時隨地進行知識的傳授與獲取。構建線上教學體系，使其輔助線下教學，可大大提升教學質量。

對于本課程來說，理論知識較多、較雜會導致學生經常遺忘所學的知識，針對這種情況，教師可以錄制線下授課的內容，并上傳至線上平臺，這樣學生就可以反復溫習所學過的知識，加深印象。與此同時，教師可以通過線上平臺及時解答學生在課后作業中存在的問題，達到查漏補缺的效果。還可以設置闖關學習模式，每道關卡設置不同的課堂目標，并且每隔一段時間公布學生的闖關情況，可以大大增強學生的學習積極性，提高學生的學習興趣和自信心，使學生有獲得知識的欲望和動力。

對于學生來說，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習，還可隨時與其他同學和老師進行線上交流，增強自身在學習過程中的參與感，獲得不斷學習的動力，最終提升學習質量。除此之外，網絡上有很多優質的教學資源，比如慕課、國家級優質課程、微課、微視頻等，可滿足不同層次學生的學習需求，學生可以自主安排時間進行學習，不斷擴充自己的知識儲備[11]。

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

2.2 技術：參加校內實驗，促進理論知識的運用

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習的重中之重，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，必須促進理論知識的運用，而這正是課堂教育所缺失的。基于這種情況，校內實驗無疑是充分運用理論知識最好的方法。目前，越來越多的高校開展關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據處理過程中均涉及大量該課程的理論知識。因此，學生可以參與這些實驗，一方面，由于學生已經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行；另一方面，學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用的過程，學生通過大量實驗會更加了解這些理論知識的應用條件與場景，這反過來有助于學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，教師可以根據實驗教學內容創設真實可靠的教學情境，選擇適宜的問題，循序漸進，從而培養學生的綜合素養，并提高其解決問題的能力[12]。

學生還可以報名參加大學生創新創業項目，確定關于新能源材料與器件專業的研究方向，調研相關文獻，撰寫項目申請書，設計有關新能源材料與器件專業的實驗并實施。這一過程對學生自身能力的提升作用是巨大的，不僅能使學生將理論知識應用到實際問題中，而且學生的學習能力與創新能力也會得到大幅提升。

2.3 工程：開展校外實習，將理論與實踐相結合

雖然學生在課堂和實驗過程中能夠很好地掌握并運用所學的理論知識，但是學習理論知識的最終目的是將其運用到實際生產中，顯然在校園中是無法實現這個目標的，而開展校外實習，使學生將理論知識與實踐相結合無疑是實現該目標最好的手段。

隨著新能源材料產業的快速發展，我國涌現出多家杰出的新能源企業，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10 個月領跑全球。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生提供一定的實習崗位，給在校大學生提供了難得的機會。因此，教學團隊可以加強與本專業相關企業的校企合作，開展專業見習和專業實習活動，建立以市場需求為導向的課程培養方案，同時激發學生學習的內驅力[13]。

對于學生來說，應當抓住這個機遇，在掌握了相關理論知識后積極投身校外實習，將理論知識與實踐相結合。在這個過程中，學生在實際的生產過程中可以對其涉及的理論知識進行思考，有助于加深對理論知識的理解。同時，學生還可以運用自身掌握的理論知識發現生產過程中存在的問題，思考改進方法，這有助于提升學生的創新能力與探索精神。

新能源企業在材料研發、質量檢測過程中往往需要借助高校的科研人員與設備，在這個過程中，企業和高校建立起良好的合作關系。因此，高?？梢猿浞掷眠@一優勢，經常邀請身在企業一線的工程師與技術人員進入課堂，講述在材料研發過程中遇到的經典案例及技術難題，以及解決這些問題所運用到的理論知識，這同樣有助于學生將理論知識與實踐相結合，達到加深理論知識理解的目的。

2.4 數學：提升數學基礎，加深對理論知識的理解

科學研究最重要的是定量計算，沒有定量計算就談不上科學。新能源材料與器件作為一門綜合性非常強的學科，定量計算對于該學科的學習是非常重要的。例如，在學習過程中，常常涉及反應動力學與熱力學方面的理論知識，以儲氫反應動力學為例，研究儲氫動力學最重要的是提出準確的動力學模型，如G-B模型、Jander模型、Chou模型等，一些模型的推導十分復雜，需要有一定的數學基礎。但目前大學生普遍存在數學基礎薄弱的情況，會導致學生無法理解模型的推導過程，依靠死記硬背，對這些模型無法真正地掌握，不利于該專業的學習，更不利于將理論應用于實踐。同時，隨著計算機科學的快速發展，越來越多的科研人員開始將諸如機器學習、數據挖掘等數據處理方法應用于模型參數的求解，這更加需要學生提升自身的數學功底及數據處理能力，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學專業相關的課程，如數值分析、數值模擬、數據計算及應用等，這些課程所涉及的數學思想與數據處理方法均有助于提高學生的數學功底，通過這些課程的學習有助于學生理解理論知識中模型的含義及其推導。因此，授課教師在講授本專業課程的同時還應鼓勵學生選一至兩門數學課程作為輔修課程，這樣既可以使學生加深對理論知識的理解，又可以降低教師授課的困難度，使教師無須花費過多時間解釋模型或公式背后所蘊含的數學原理，從而提升了教師的授課效率。

3 結語

為了解決傳統教學模式帶來的問題，讓學生更好地學好新能源材料與器件課程，更加牢固地掌握相關的知識與應用，并提升學生的實踐與創新能力，亟待探索和建設適用于該課程的新教學模式。STEM 教育理念立足跨學科知識整合，構建混合教學模式，將STEM 教育理念與新能源材料與器件課程結合可以極大地提高學生的學習效果和教師的教學質量，同時對提高學生的實踐與創新能力幫助極大。因此，將STEM 教育理念與新能源材料與器件課程相結合，能促進學生對該課程理論知識的理解與掌握，為學生將理論轉化為實踐打下堅實基礎，從而達到為該領域培養高質量人才的目的。