新能源材料与器件专业与STEM 教育理念融合的实践探索

李 谦，赵学玉，杨俊杰，罗 群，冉春华*

（1．重庆大学材料科学与工程学院 重庆 400030；2．上海市第一师范附属小学 上海 200040；3.上海市市西中学 上海 200040；4．上海大学材料科学与工程学院 上海 200444）

随着我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，绿色、可持续已经成为我国经济发展的主旋律。习近平总书记在党的二十大报告中提到：“我们要加快发展方式绿色转型，实施全面节约战略，发展绿色低碳产业，倡导绿色消费，推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式。”同时指出目前应当积极稳妥推进碳达峰、碳中和，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系。在此背景下，我国开始大力发展新能源产业，新能源产业也迎来了发展的黄金期。然而，目前新能源产业的人才储备远远达不到该产业发展的人才需求，大大阻碍了产业的发展，因此，大力培养新能源专业方向的人才是新能源产业发展的重中之重。

培养新能源领域的高新技术人才，已经成为我国高校教育的重要目标之一[1]。目前，各大高校已经开始加强对新能源材料与器件专业的布局与建设，但作为一门新兴专业，该专业是建立在“大学物理”“大学化学”“材料科学基础”“物理化学”“半导体物理与器件”“材料物理化学”“电化学原理与应用”等基础课程和专业课程之上的一门专业，专业性较强，涉及的知识面较广[2]，涉及的理论知识较多，需要学生具有一定的理论基础。目前，该专业的授课方式仍然采取传统的授课方式，教师在线下或线上讲解课程内容，授课方式单一。在授课过程中，过多理论知识的讲解会使该课程枯燥乏味，难以激发学生的学习积极性，不利于学生对本专业相关知识的掌握。同时，由于该专业的理论知识涉及诸多公式的推导，要求学生具有一定的数学功底及数据处理能力，这就需要在教授该专业相关课程的同时提升学生的数学功底，才能让学生对该课程所涉及的知识有更好的理解和掌握。

如何提升大学生的综合素质，促进学生专业能力的全面发展已成为我国高等教育专业课程教学改革亟须解决的问题之一[3]。针对上述问题，必须对新能源材料与器件专业的教学模式进行改革，探索出更加适合学生的教学方法，从而提升教学质量，培养更加优秀的新能源领域专业人才。

1 STEM 教育理念的起源与先进性

STEM 教育起源于20 世纪90 年代的美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科英文首字母的简称。这种学习理念强调将这四门学科结合在一起，以处理日常生活和工作学习中所遇到的问题，对于个人能力的提升和社会发展非常有帮助[4]。这种教育理念可以直接为学生提供经验，使他们能够将各个领域的抽象概念统一起来，有助于知识的理解，从而提升学生的学习能力及学习的积极性[5]。STEM教育在我国起步较晚，直到近年来我国才将STEM教育延伸到本科教育中。从新工科建设的要求来看，这种具有鲜明“跨学科”特色的STEM 教育与高等工程教育改革的创新融合趋势不谋而合，不失为工程教育模式创新的新思路。

STEM 教育的应用有许多成功的案例，如美国卡耐基梅隆大学机器人学院将STEM 教育融入教育机器人课程中，从而进一步提升了学生的学科整合学习与实践能力[6]；亚利桑那州立大学火星教育项目的跨学科整合型STEM课程以真实问题为载体、采取基于问题和项目的学习方式、注重学生的活动参与和经验获得，在整个教学过程中，学生可以像科学家和工程师一样思考和解决问题，促进深度学习和结果的有效迁移[7]；日本政府结合本土教育特色明确STEM 教育的战略地位，发布了多个关于开展高校STEM 教育质量监测的指导性文件及相关国家政策，支持STEM 教学改革的推广和实施，其教育得到迅猛发展并取得了令人瞩目的效果[8]。

STEM 教育模式强调学科之间的相互渗透与整合，注重学习过程、实践、动手与合作，强调跨学科以及与现实的联系，突出基于项目学习和问题解决引导学生主动发现问题和创造性地解决问题，从而培养学生的跨学科整合思维和独立解决问题的能力[9]。

由于STEM教育理念强调多学科的交叉融合，从而提升学生对知识的理解和创新能力，而新能源材料与器件专业课程的特点正是涉及多门学科的整合。因此，STEM 教育理念与该课程的特点高度契合，将二者相结合进行混合式教学模式的探索与实践是完全可行的，且具有重要意义。

2 STEM 教育理念与新能源材料与器件课程的结合

2.1 科学：丰富教学手段，使学生掌握理论知识

2.1.1 完善线下教学方式

课堂教学是传授课程知识的主要方式，然而目前单一的线下直授教学方式难以激发学生的学习兴趣，加之该课程比较注重理论，内容枯燥，易导致学生产生厌学情绪。因此，教师必须对现有的教学方式进行改革，丰富教学手段。

在课上，教师除了单纯讲解理论知识外，还可以引入实际案例，通过对案例的分析从而引出所涉及的理论知识并进行讲解，这样学生在学习这些理论知识的同时，还可以了解理论知识的应用范围，这有助于学生对理论知识的理解和掌握。案例的引入还可激发学生的求知欲，提升学生的学习积极性，从而提高学习效率。

同时，专业课程建设应从学生出发，培养学生的专业学习兴趣以提高其学习动力，增加自主课堂比重以提高学生的参与度，从而实现学生学习效率的提高[10]。传统的教学模式主要是教师“教”学生“学”的“灌输性”教学模式，极易导致课堂氛围沉闷，降低学生的学习积极性。基于此，教师可以采取翻转课堂的方式进行教学，将涉及该课程的基本知识传授给学生后划分小组，每个小组分配一个专题，组内同学布置分工，自行查阅资料并讨论，做出总结并制作汇报PPT，在课上派出代表向大家汇报，汇报结束后其他同学进行提问，最终由教师进行总结与补充。完善线下课堂教学方式，丰富学习和教学手段可促进整体教学质量的提升，提高学生的学习效率。

2.1.2 构建线上教学体系

目前，各种线上学习平台（如雨课堂、腾讯会议、慕课等）如雨后春笋般出现在人们的视野中，受到了各大院校的关注。线上学习平台的优势在于打破了物理距离的障碍，实现了随时随地进行知识的传授与获取。构建线上教学体系，使其辅助线下教学，可大大提升教学质量。

对于本课程来说，理论知识较多、较杂会导致学生经常遗忘所学的知识，针对这种情况，教师可以录制线下授课的内容，并上传至线上平台，这样学生就可以反复温习所学过的知识，加深印象。与此同时，教师可以通过线上平台及时解答学生在课后作业中存在的问题，达到查漏补缺的效果。还可以设置闯关学习模式，每道关卡设置不同的课堂目标，并且每隔一段时间公布学生的闯关情况，可以大大增强学生的学习积极性，提高学生的学习兴趣和自信心，使学生有获得知识的欲望和动力。

对于学生来说，可以利用闲暇时间巩固自己知识相对薄弱的地方，充分利用线上平台随时随地学习，还可随时与其他同学和老师进行线上交流，增强自身在学习过程中的参与感，获得不断学习的动力，最终提升学习质量。除此之外，网络上有很多优质的教学资源，比如慕课、国家级优质课程、微课、微视频等，可满足不同层次学生的学习需求，学生可以自主安排时间进行学习，不断扩充自己的知识储备[11]。

总之，这种结合了线上线下、课上课下的教学模式，即基于O2O（Offline to Online）的智慧教学模式，教学方法灵活多样，能有效提高学生的学习热情。在线上教育快速发展的过程中，新的O2O智慧教学模式对高效教学发挥着重要的作用，大大提高了学生的学习效率与创新能力。

2.2 技术：参加校内实验，促进理论知识的运用

对于理论知识的理解与掌握固然是新能源材料与器件课程学习的重中之重，但并不是全部，如果只是单纯地传授理论知识，就很容易造成“纸上谈兵”的情况。因此，必须促进理论知识的运用，而这正是课堂教育所缺失的。基于这种情况，校内实验无疑是充分运用理论知识最好的方法。目前，越来越多的高校开展关于新能源材料方向的实验，比如储氢合金吸放氢曲线的测定、光化学制氢、燃料电池性能测试等等，这些实验无论是在操作过程中亦或是数据处理过程中均涉及大量该课程的理论知识。因此，学生可以参与这些实验，一方面，由于学生已经掌握了一定的理论知识，他们对于实验过程的理解会更加明晰与透彻，有助于实验的成功进行；另一方面，学生参与到这些实验中会对理论知识有着更深的印象，且由于实验的过程正是理论知识得以运用的过程，学生通过大量实验会更加了解这些理论知识的应用条件与场景，这反过来有助于学生对这些理论知识有更深层次的理解，最终起到两全其美的效果。在这个过程中，教师可以根据实验教学内容创设真实可靠的教学情境，选择适宜的问题，循序渐进，从而培养学生的综合素养，并提高其解决问题的能力[12]。

学生还可以报名参加大学生创新创业项目，确定关于新能源材料与器件专业的研究方向，调研相关文献，撰写项目申请书，设计有关新能源材料与器件专业的实验并实施。这一过程对学生自身能力的提升作用是巨大的，不仅能使学生将理论知识应用到实际问题中，而且学生的学习能力与创新能力也会得到大幅提升。

2.3 工程：开展校外实习，将理论与实践相结合

虽然学生在课堂和实验过程中能够很好地掌握并运用所学的理论知识，但是学习理论知识的最终目的是将其运用到实际生产中，显然在校园中是无法实现这个目标的，而开展校外实习，使学生将理论知识与实践相结合无疑是实现该目标最好的手段。

随着新能源材料产业的快速发展，我国涌现出多家杰出的新能源企业，如比亚迪在全球新能源车企中市值排名第二，仅次于特斯拉；宁德时代市值多次突破万亿，电池装车量已连续10 个月领跑全球。同时，为了吸引各大高校的人才，提升公司核心竞争力，各家公司每年都会为高校学生提供一定的实习岗位，给在校大学生提供了难得的机会。因此，教学团队可以加强与本专业相关企业的校企合作，开展专业见习和专业实习活动，建立以市场需求为导向的课程培养方案，同时激发学生学习的内驱力[13]。

对于学生来说，应当抓住这个机遇，在掌握了相关理论知识后积极投身校外实习，将理论知识与实践相结合。在这个过程中，学生在实际的生产过程中可以对其涉及的理论知识进行思考，有助于加深对理论知识的理解。同时，学生还可以运用自身掌握的理论知识发现生产过程中存在的问题，思考改进方法，这有助于提升学生的创新能力与探索精神。

新能源企业在材料研发、质量检测过程中往往需要借助高校的科研人员与设备，在这个过程中，企业和高校建立起良好的合作关系。因此，高校可以充分利用这一优势，经常邀请身在企业一线的工程师与技术人员进入课堂，讲述在材料研发过程中遇到的经典案例及技术难题，以及解决这些问题所运用到的理论知识，这同样有助于学生将理论知识与实践相结合，达到加深理论知识理解的目的。

2.4 数学：提升数学基础，加深对理论知识的理解

科学研究最重要的是定量计算，没有定量计算就谈不上科学。新能源材料与器件作为一门综合性非常强的学科，定量计算对于该学科的学习是非常重要的。例如，在学习过程中，常常涉及反应动力学与热力学方面的理论知识，以储氢反应动力学为例，研究储氢动力学最重要的是提出准确的动力学模型，如G-B模型、Jander模型、Chou模型等，一些模型的推导十分复杂，需要有一定的数学基础。但目前大学生普遍存在数学基础薄弱的情况，会导致学生无法理解模型的推导过程，依靠死记硬背，对这些模型无法真正地掌握，不利于该专业的学习，更不利于将理论应用于实践。同时，随着计算机科学的快速发展，越来越多的科研人员开始将诸如机器学习、数据挖掘等数据处理方法应用于模型参数的求解，这更加需要学生提升自身的数学功底及数据处理能力，以更好地理解与掌握该课程的理论知识。目前高校开展了许多与数学专业相关的课程，如数值分析、数值模拟、数据计算及应用等，这些课程所涉及的数学思想与数据处理方法均有助于提高学生的数学功底，通过这些课程的学习有助于学生理解理论知识中模型的含义及其推导。因此，授课教师在讲授本专业课程的同时还应鼓励学生选一至两门数学课程作为辅修课程，这样既可以使学生加深对理论知识的理解，又可以降低教师授课的困难度，使教师无须花费过多时间解释模型或公式背后所蕴含的数学原理，从而提升了教师的授课效率。

3 结语

为了解决传统教学模式带来的问题，让学生更好地学好新能源材料与器件课程，更加牢固地掌握相关的知识与应用，并提升学生的实践与创新能力，亟待探索和建设适用于该课程的新教学模式。STEM 教育理念立足跨学科知识整合，构建混合教学模式，将STEM 教育理念与新能源材料与器件课程结合可以极大地提高学生的学习效果和教师的教学质量，同时对提高学生的实践与创新能力帮助极大。因此，将STEM 教育理念与新能源材料与器件课程相结合，能促进学生对该课程理论知识的理解与掌握，为学生将理论转化为实践打下坚实基础，从而达到为该领域培养高质量人才的目的。