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(guó)經(jīng)濟(jì)由高速增長(zhǎng)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律。習(xí)近平總書(shū)記在黨的二十大報(bào)告中提到:“我們要加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型,實(shí)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(dòng)形成綠色低碳的生產(chǎn)方式和生活方式。”同時(shí)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(guó)開(kāi)始大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè),新能源產(chǎn)業(yè)也迎來(lái)了發(fā)展的黃金期。然而,目前新能源產(chǎn)業(yè)的人才儲(chǔ)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(zhuān)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(guó)高校教育的重要目標(biāo)之一[1]。目前,各大高校已經(jīng)開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的布局與建設(shè),但作為一門(mén)新興專(zhuān)業(yè),該專(zhuān)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(zhuān)業(yè)課程之上的一門(mén)專(zhuān)業(yè),專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng),涉及的知識(shí)面較廣[2],涉及的理論知識(shí)較多,需要學(xué)生具有一定的理論基礎(chǔ)。目前,該專(zhuān)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(guò)程中,過(guò)多理論知識(shí)的講解會(huì)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(duì)本專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)的掌握。同時(shí),由于該專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)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(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的同時(shí)提升學(xué)生的數(shù)學(xué)功底,才能讓學(xué)生對(duì)該課程所涉及的知識(shí)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(zhuān)業(yè)能力的全面發(fā)展已成為我國(guó)高等教育專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)改革亟須解決的問(wèn)題之一[3]。針對(duì)上述問(wèn)題,必須對(duì)新能源材料與器件專(zhuān)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。
STEM 教育起源于20 世紀(jì)90 年代的美國(guó),是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四門(mén)學(xué)科英文首字母的簡(jiǎn)稱(chēng)。這種學(xué)習(xí)理念強(qiáng)調(diào)將這四門(mén)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(wèn)題,對(duì)于個(gè)人能力的提升和社會(huì)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(yàn),使他們能夠?qū)⒏鱾€(gè)領(lǐng)域的抽象概念統(tǒng)一起來(lái),有助于知識(shí)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(guó)起步較晚,直到近年來(lái)我國(guó)才將STEM教育延伸到本科教育中。從新工科建設(shè)的要求來(lái)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(shì)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(guó)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(shí)踐能力[6];亞利桑那州立大學(xué)火星教育項(xiàng)目的跨學(xué)科整合型STEM課程以真實(shí)問(wèn)題為載體、采取基于問(wèn)題和項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式、注重學(xué)生的活動(dòng)參與和經(jīng)驗(yàn)獲得,在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生可以像科學(xué)家和工程師一樣思考和解決問(wèn)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(gè)關(guān)于開(kāi)展高校STEM 教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)的指導(dǎo)性文件及相關(guān)國(guó)家政策,支持STEM 教學(xué)改革的推廣和實(shí)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(guò)程、實(shí)踐、動(dòng)手與合作,強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科以及與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系,突出基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和創(chuàng)造性地解決問(wèn)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(wèn)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(duì)知識(shí)的理解和創(chuàng)新能力,而新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)課程的特點(diǎn)正是涉及多門(mén)學(xué)科的整合。因此,STEM 教育理念與該課程的特點(diǎn)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(shí)踐是完全可行的,且具有重要意義。
2.1.1 完善線下教學(xué)方式
課堂教學(xué)是傳授課程知識(shí)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(duì)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(shí)外,還可以引入實(shí)際案例,通過(guò)對(duì)案例的分析從而引出所涉及的理論知識(shí)并進(jìn)行講解,這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)這些理論知識(shí)的同時(shí),還可以了解理論知識(shí)的應(yīng)用范圍,這有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)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(shí),專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)應(yīng)從學(xué)生出發(fā),培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣以提高其學(xué)習(xí)動(dòng)力,增加自主課堂比重以提高學(xué)生的參與度,從而實(shí)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(shí)傳授給學(xué)生后劃分小組,每個(gè)小組分配一個(gè)專(zhuān)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(bào)PPT,在課上派出代表向大家匯報(bào),匯報(bào)結(jié)束后其他同學(xué)進(jìn)行提問(wèn),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(tái)(如雨課堂、騰訊會(huì)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(tái)的優(yōu)勢(shì)在于打破了物理距離的障礙,實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地進(jìn)行知識(shí)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(duì)于本課程來(lái)說(shuō),理論知識(shí)較多、較雜會(huì)導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常遺忘所學(xué)的知識(shí),針對(duì)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(tái),這樣學(xué)生就可以反復(fù)溫習(xí)所學(xué)過(guò)的知識(shí),加深印象。與此同時(shí),教師可以通過(guò)線上平臺(tái)及時(shí)解答學(xué)生在課后作業(yè)中存在的問(wèn)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(shí)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(shí)的欲望和動(dòng)力。
對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō),可以利用閑暇時(shí)間鞏固自己知識(shí)相對(duì)薄弱的地方,充分利用線上平臺(tái)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí),還可隨時(shí)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(guò)程中的參與感,獲得不斷學(xué)習(xí)的動(dòng)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(guó)家級(jí)優(yōu)質(zhì)課程、微課、微視頻等,可滿(mǎn)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(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí),不斷擴(kuò)充自己的知識(shí)儲(chǔ)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(guò)程中,新的O2O智慧教學(xué)模式對(duì)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。
對(duì)于理論知識(shí)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(shí),就很容易造成“紙上談兵”的情況。因此,必須促進(jìn)理論知識(shí)的運(yùn)用,而這正是課堂教育所缺失的?;谶@種情況,校內(nèi)實(shí)驗(yàn)無(wú)疑是充分運(yùn)用理論知識(shí)最好的方法。目前,越來(lái)越多的高校開(kāi)展關(guān)于新能源材料方向的實(shí)驗(yàn),比如儲(chǔ)氫合金吸放氫曲線的測(cè)定、光化學(xué)制氫、燃料電池性能測(cè)試等等,這些實(shí)驗(yàn)無(wú)論是在操作過(guò)程中亦或是數(shù)據(jù)處理過(guò)程中均涉及大量該課程的理論知識(shí)。因此,學(xué)生可以參與這些實(shí)驗(yàn),一方面,由于學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的理論知識(shí),他們對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解會(huì)更加明晰與透徹,有助于實(shí)驗(yàn)的成功進(jìn)行;另一方面,學(xué)生參與到這些實(shí)驗(yàn)中會(huì)對(duì)理論知識(shí)有著更深的印象,且由于實(shí)驗(yàn)的過(guò)程正是理論知識(shí)得以運(yùn)用的過(guò)程,學(xué)生通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)會(huì)更加了解這些理論知識(shí)的應(yīng)用條件與場(chǎng)景,這反過(guò)來(lái)有助于學(xué)生對(duì)這些理論知識(shí)有更深層次的理解,最終起到兩全其美的效果。在這個(gè)過(guò)程中,教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)真實(shí)可靠的教學(xué)情境,選擇適宜的問(wèn)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(wèn)題的能力[12]。
學(xué)生還可以報(bào)名參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目,確定關(guān)于新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的研究方向,調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn),撰寫(xiě)項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū),設(shè)計(jì)有關(guān)新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)并實(shí)施。這一過(guò)程對(duì)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(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中,而且學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力也會(huì)得到大幅提升。
雖然學(xué)生在課堂和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠很好地掌握并運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí),但是學(xué)習(xí)理論知識(shí)的最終目的是將其運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中,顯然在校園中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的,而開(kāi)展校外實(shí)習(xí),使學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合無(wú)疑是實(shí)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(guó)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(chē)企中市值排名第二,僅次于特斯拉;寧德時(shí)代市值多次突破萬(wàn)億,電池裝車(chē)量已連續(xù)10 個(gè)月領(lǐng)跑全球。同時(shí),為了吸引各大高校的人才,提升公司核心競(jìng)爭(zhēng)力,各家公司每年都會(huì)為高校學(xué)生提供一定的實(shí)習(xí)崗位,給在校大學(xué)生提供了難得的機(jī)會(huì)。因此,教學(xué)團(tuán)隊(duì)可以加強(qiáng)與本專(zhuān)業(yè)相關(guān)企業(yè)的校企合作,開(kāi)展專(zhuān)業(yè)見(jiàn)習(xí)和專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)活動(dòng),建立以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的課程培養(yǎng)方案,同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力[13]。
對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō),應(yīng)當(dāng)抓住這個(gè)機(jī)遇,在掌握了相關(guān)理論知識(shí)后積極投身校外實(shí)習(xí),將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中可以對(duì)其涉及的理論知識(shí)進(jìn)行思考,有助于加深對(duì)理論知識(shí)的理解。同時(shí),學(xué)生還可以運(yùn)用自身掌握的理論知識(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)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(cè)過(guò)程中往往需要借助高校的科研人員與設(shè)備,在這個(gè)過(guò)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(shì),經(jīng)常邀請(qǐng)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(guò)程中遇到的經(jīng)典案例及技術(shù)難題,以及解決這些問(wèn)題所運(yùn)用到的理論知識(shí),這同樣有助于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合,達(dá)到加深理論知識(shí)理解的目的。
科學(xué)研究最重要的是定量計(jì)算,沒(méi)有定量計(jì)算就談不上科學(xué)。新能源材料與器件作為一門(mén)綜合性非常強(qiáng)的學(xué)科,定量計(jì)算對(duì)于該學(xué)科的學(xué)習(xí)是非常重要的。例如,在學(xué)習(xí)過(guò)程中,常常涉及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)方面的理論知識(shí),以?xún)?chǔ)氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為例,研究?jī)?chǔ)氫動(dòng)力學(xué)最重要的是提出準(zhǔn)確的動(dòng)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(huì)導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法理解模型的推導(dǎo)過(guò)程,依靠死記硬背,對(duì)這些模型無(wú)法真正地掌握,不利于該專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí),更不利于將理論應(yīng)用于實(shí)踐。同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的科研人員開(kāi)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(shí)。目前高校開(kāi)展了許多與數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)相關(guān)的課程,如數(shù)值分析、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)計(jì)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(guò)這些課程的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生理解理論知識(shí)中模型的含義及其推導(dǎo)。因此,授課教師在講授本專(zhuān)業(yè)課程的同時(shí)還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生選一至兩門(mén)數(shù)學(xué)課程作為輔修課程,這樣既可以使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解,又可以降低教師授課的困難度,使教師無(wú)須花費(fèi)過(guò)多時(shí)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。
為了解決傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)的問(wèn)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(shí)與應(yīng)用,并提升學(xué)生的實(shí)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(shí)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(shí)對(duì)提高學(xué)生的實(shí)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(duì)該課程理論知識(shí)的理解與掌握,為學(xué)生將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)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。