新能源材料與器件課程O2O智慧教學模式探索

黨杰　羅群　楊艷　韓廣　李謙

摘? 要：新能源材料對“碳達峰、碳中和”國家戰略目標的實現具有重要的支撐作用。新能源材料與器件課程是新能源材料研究與應用的基礎，也是新能源人才培養過程中的主干課程，現有教學模式很難滿足對高質量新能源人才的培養，因此該文提出將“智慧教學”理念及“O2O模式”應用到課程教學的各個環節。通過信息化技術搭建智慧教育平臺，延伸教與學的邊界，建構出一種虛實相生、情境結合、意象交融的教學空間；通過智能化的方式提高教學效率，增強教學互動，提升學生學習效率，加強信息反饋和教學管理。從而開發教師和學生的聰明才智和主觀能動性，使投入得到最大化產出、獲得最優學習效果，支撐我國新能源人才的培養。

關鍵詞：新能源材料與器件；O2O；智慧教學；互動式教學法；碳達峰、碳中和

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）07-0005-04

Abstract： New energy materials play an important role in the realization of the national strategic goals of "peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality". New Energy Materials and Devices is the foundation of research and applications of new energy materials， and is also the main curriculum in the training process of new energy talents. The current teaching mode should be improved to meet the demand for new energy cultivating talents. Hence， this paper puts forward that the "intelligent tutoring" and "O2O mode" should be used in all the aspects of teaching. The intelligent educational platform is built based upon the information technology and the education boundary will be crossed. An educational environment full of possibilities is constructed. Based on the intelligent platform， the teaching efficiency is improved， the interactive activities and enthusiasm are enhanced， the feedback and management are enhanced， and therefore， the learning efficiency of the students is improved. As a result， the initiative and inborn ability of both lecturers and students are developed， and the output with respect to the investment will be maximized. In all， the developed "O2O intelligent tutoring mode" will greatly support the training of new energy talents in our country.

Keywords： New Energy Materials and Devices; O2O; intelligent tutoring; interactive teaching method; peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality

由于經濟社會發展的需要，我國對能源的消費需求一直呈現上升趨勢，但同時碳排放量也逐年增加。氣候變化已成為全球性問題，減少碳排放是全球必須團結起來做的大事，其關乎全人類的未來健康可持續發展。目前，全球已超過137個國家提出“碳中和”目標或愿景。2020年9月，我國政府在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”。習近平總書記在黨的二十大報告中再次強調：“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。”同時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。隨著“碳達峰、碳中和”國家戰略目標的提出，傳統石化能源行業發展進入低谷期，在政策加持下，我國新能源產業將邁入黃金發展期。我國生態環境部等七部門制定方案指出，統籌能源安全和綠色低碳發展，推動能源供給體系清潔化低碳化和終端能源消費電氣化。實施可再生能源替代行動，大力發展風能、太陽能、生物質能、海洋能和地熱能等，因地制宜開發水電，開展小水電綠色改造，在嚴監管、確保絕對安全前提下有序發展核電，不斷提高非化石能源消費比重。多部委也制定了綠色低碳發展戰略規劃，提出優化能源結構、提高能源效率、大力發展新能源，構建安全、清潔、高效和可持續的現代能源戰略體系。

可以看出，新能源產業迎來了前所未有的機遇。而新能源人才培養是推動我國新能源產業發展的重要基礎，培養大批從事新能源開發領域的基礎研究與工程技術人才成為我國發展新能源產業的關鍵。然而，目前新能源人才缺口巨大、高端人才缺失問題凸顯，亟待破解。

一? 新能源材料與器件課程介紹及開展教學改革的必要性

教育是民族振興、社會進步的重要基石，是對中華民族偉大復興具有決定性意義的事業。雖然，我國教育部加強對戰略性新興產業相關本科專業的布局和建設，并于2010年設立了新能源材料與器件專業，但是作為新興專業（涉及物理、化學、材料和電子電工等多個學科交叉）[1]，其相關課程的建設及思政教育仍相對滯后[2-3]。新能源材料與器件課程是關于新能源材料研究與應用的主干課程，也同時是建立在大學物理、大學化學、材料科學基礎、物理化學、半導體物理與器件、材料物理化學及電化學原理與應用等基礎課和專業課之上的一門課程，專業性強、涉及面廣[4]，其內容主要包括新能源材料與器件的研究和應用現狀，重點講述鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池等工作原理、相關材料種類及制備工藝、電池器件結構等。本課程開設的主要目的是為了使學生了解新能源材料與電池的發展狀況及未來的發展方向；掌握各類新能源電池的基本概念和基本結構，為后續課程的學習和新能源材料相關領域的研究打下基礎。因此，該課程的重要性不言而喻，但是本課程相較于其他課程，更偏重理論、內容枯燥，按照目前傳統的教學模式，由老師線下講解課程內容，其手段單一，難以激發學生的學習興趣和學習熱情，不利于本專業學生的教學與培養。因此，為了解決傳統教學模式帶來的問題，更好地讓學生學好該課程，更加牢固地掌握相關的知識與應用，亟待探索和建設適用于新能源材料與器件課程的新教學模式。

近年來隨著互聯網技術和互聯網教育的飛速發展、信息化教育方式的深入改革，共同催生出“智慧課堂”這一全新的教育理念[5]。智慧課堂是“互聯網+”時代背景下一種新的教學模式，由互聯網、大數據、混合式教學、移動教學、智能測評和數字化管理等要素構成，更加重視學生學習設備和學習途徑的擴展，為學生提供更多的學習資料，同時教師也可以在線了解學生的學習情況[6-8]。當然“智慧教學”并不是全部依賴于網絡終端，而是更加強調基于O2O（Offline to Online）的智慧教學模式。該模式可以整合各方優秀教育資源來促使教育效力的最大化；同時它結合了線上線下、課上課下的教學優勢，教學方法靈活多樣，能有效提高學生的學習熱情。特別是在后疫情時代，在線上教育快速發展和線下課堂有序恢復過程中，新的O2O智慧教學模式無論是對疫情常態化防控還是高效教學都發揮著重要的作用，新的教學模式可以使老師和學生通過手機、電腦等便捷的移動端設備來進行交互式教學活動，學習不再受時間和地點的限制，大大提高了教師與學生之間的交流效率。

早在《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中就明確提出，要“培養學生信息化環境下的學習能力”。Khan Academy及各種在線課程（TED、Coursera、MOOC、雨課堂和網易公開課等）猶如雨后春筍般地出現在人們的視野中，并且越來越多地吸引著全社會的關注。互聯網的存在已經完全打破了物理距離的障礙，將全世界的學校、研究所、圖書館等各種信息資源聯結起來，成為一個海量信息資源庫，實現了知識在全世界范圍內的傳遞，一種全新的教育形式正在形成，這是大學課程教學謀求新發展的一次新機遇，但也對大學的教育工作者提出了新的挑戰，可以說機遇與挑戰并存。

因此，本文提出以新能源材料與器件這一核心課程為教學模式的創新與實踐對象，將“智慧教學”理念及“O2O模式”推廣并應用到課程教學模式的各個環節中。一方面，以增強學生學習體驗為導向；另一方面，以拓展教師教授方法為目標。重點發掘融合移動互聯網與線上線下學習相結合的教學新思路與新方法，智慧地利用各類教學手段和設備，可以開發教師和學生的聰明才智和主觀能動性，使投入得到最大化產出、獲得最優學習效果，從而實現建設智慧學習環境、強化學習過程、培養學習興趣和提高學習效果的目的。

二? O2O智慧教學模式的構建與實現路徑

新能源材料與器件課程以“智慧教學”理念和“O2O”手段為出發點和研究思路，以提高課程教學效率、學生學習能力、增強師生互動為主要目標。通過信息化技術搭建智慧教育平臺，延伸教與學的邊界，建構出一種虛實相生、情境結合、意象交融的教學空間；通過智能化的方式提高教學效率，增強教學互動，提升學生學習效率，加強信息反饋和教學管理。具體實踐路徑如圖1所示。

（一）? 優化課程內容

正是因為新能源材料與器件專業發展起步晚，其課程建設的時間緊、任務重。課程內容和教學大綱是一門課程的核心，該課程從緒論（電池材料發展趨勢和方向）、鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池和儲氫材料五個板塊展開，修訂了課程大綱、優化了教學內容。對于課程中的難點，教師除在課上系統羅列相關的理論知識、公式方程等，對其原理和應用著重介紹，同時引入案例教學，并結合實驗與課程設計，使學生掌握各種電池、儲氫材料的結構及工作原理，盡可能讓學生更好地將理論與實踐結合，做到心中有數。同時以建設O2O智慧教學模式為導向，借助互聯網，設置線上線下內容。如在線下分享電池材料的發展歷程、前沿方向、頂流科學家的故事、最新的科研熱點和科技成果，并將其融入到課程教學內容中，開拓學生的視野，激起學生的學習興趣。對于課上學生難以理解的問題，也可以借助線下平臺，引入豐富的圖表和視頻、科普知識，或其他相關的課程內容，幫助學生更好地去理解，從而提高學習效率。

使課程內容緊扣國家重大戰略需求和行業發展方向，突出課程重點和難點，使學生熟練掌握；利用線上學習平臺，引入國內外新能源材料與器件相關的電子文檔、錄像視頻、前沿研究方向和最新科研成果等資源，以開拓學生的眼界，激發學生的學習興趣。

（二）? 完善線下課堂教學方式

傳統教學模式下的線下課堂，需要學生到教室里面，與老師面對面進行一對多或者一對一的教學，主要是依靠老師一個人傳道授業，學生被動地接受知識。線下教育更多的是經驗分享，雖然學生可以在課堂上直接和老師進行溝通、實現實際互動，教師對學生也可以起到監督的作用。但畢竟是一人說、多人聽的“灌輸式”教學模式，從而造成學生的學習興趣不高、課堂氛圍沉悶等問題，因此通過課堂互動、作業測試、翻轉課堂等手段來進行線下課堂教學建設。

在課堂互動中，采用IRF模式（發起互動Initiation-做出回應Response-進行反饋Feedback），課堂互動強調樹立學習共同體的意識，保障學生參與互動的積極性，形成學生與教師之間相互傾聽與分享的關系，尊重學生之間的差異、尊重不同的觀點，協同構建知識，形成反思并探究解決問題。簡單來說，由教師首先介紹背景并拋出問題，學生對問題進行分析思考，做出解答，最后師生共同討論。這樣做的效果將大大提高學生在課堂中的參與度，化被動為主動。同時引入作業測試，作為教學環節中的關鍵部分，作業承擔了教學中反饋、調節、銜接的作用。采取隨堂作業和課后作業兩種方式同時進行，其目的分別是檢測學生對課上知識的掌握程度和督促學生課外學習，促進整體教學質量的提升。

最后，借鑒翻轉課堂模式并自我改良。課上交換教師與學生的身份，由學生給學生和教師上課。課前通過劃分小組，布置分工，讓學生自行查閱資料，并總結資料中的內容制作PPT，課上由學生向大家匯報，其他學生補充或提問，最后老師進行點評。對教師而言，有利于教學思想的發散，有助于教師與學生互動答疑；對學生而言，可以增強學生的探究精神，發揮學生的主觀能動性，更好地構建知識體系。

通過完善線下課堂教學方式，豐富學習和教學手段，提升學生在課堂中的參與感，顯著加強師生互動，提高學生團隊合作意識。

（三）? 創新線上課堂教學模式

線上課堂建設是整個O2O智慧教學模式的核心，主要依托于線上學習平臺的建設（利用雨教學課堂、阿里云、騰訊會議和微信公眾號等），充分發揮線上平臺的功能，將課程相關通知、課件、習題解答和討論等集成為一體，教師學生可以隨時隨地分享學習心得及相關領域前沿科技，對授課內容要點進行學生意見的定期收集，通過學生自發的評論留言，實時掌握學生對所有授課要點的理解程度，在此基礎上便于教師及時調整授課節奏。與此同時，教師也利用互聯網平臺及時向學生反饋課后作業中存在的個性及共性問題，便于學生有的放矢地整理所學知識，使學生達到深化學習過程、獲取關鍵知識的效果。不論是課程內容、課堂教學及課后平臺的建設，均緊密圍繞互聯網，充分利用軟件、平臺及應用，增強學生在課程學習過程中的參與感，提升學生自動獲取知識的能力及培養學生的學習興趣和學習熱情，讓學生利用碎片時間學習，從而更容易吸收不斷增加的信息量。

1? 線上學習

包括小組學習、移動學習、闖關學習、自主學習和教學分析。小組學習可以激勵學生發揮出自己最高水平，達到“在合作中學習，在學習中合作”的積極目標；移動學習可有效地利用碎片化時間，同時也方便師生交流；闖關學習是將課堂教學目標分散在各種“關”中，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；自主學習通過把一些可在課程之外的知識放在線上平臺，供學有余力的學生自己選擇性閱讀以增長知識；教學分析可由學生和教師共同完成，結合線上線下學習過程中出現的問題提出具體的改進方案。

2? 教學反饋與評價

包括學習督導、學生評價、問卷調查、課堂報告和學生互評。學習督導主要是針對小部分學習主觀能動性不高的學生，適當地監督有助于提高他們的學習效率和主動性；學生評價則是學生反映自身觀點或訴求的重要途徑，能為線上智慧課堂的建設更好地建言獻策、添磚加瓦；問卷調查能快速地使師生雙方獲取想要的資料和數據，為教學改進提供方向；課堂報告針對線上課堂中出現的各種狀況進行分析總結；學生互評通過對分組學習中大家的表現進行評價，有助于學生了解自己的優點與不足，促使學生改進。

3? 教學管理

有效組織和科學管理線上課程的“教”與“學”，采用“智慧教學”的管理模式：學習管理、考勤管理、成績管理、課程管理和資源管理。學習管理主要是為了實時查看學生的學習情況；考勤管理同樣是起到一個監督“學”的作用，保證學生的學習效率；成績管理則是方便學生對自己在課程中的表現有個直觀了解；課程管理方便線上線下課程的銜接，讓課程教學環節井井有條，“教”與“學”活動有序開展；資源管理可提高學生的查閱效率，并極大地豐富了知識儲備庫。

三? 結束語

新能源材料與器件是新能源領域專業人才培養的必修課程，對支撐國家重大戰略及新能源人才培養具有重要意義。本文探討了以新能源材料與器件課程為教學模式的創新與實踐對象，以提高課程教學效率、學生學習能力、增強師生互動為主要目標，將“智慧教學”理念及“O2O模式”應用到課程教學各個環節的教學改革思路。通過優化教學內容、創新教學方式（完善線下課堂教學方式，創新線上課堂教學模式），重點發掘融合移動互聯網與線上線下學習相結合的教學新思路與新方法，智慧地利用各類教學手段和設備，開發教師和學生的聰明才智和主觀能動性，從而實現建設智慧學習環境、強化學習過程、培養學習興趣和提高學習效果的目的。

參考文獻：

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基金項目：2022年重慶市高等教育教學改革研究項目重點項目“基于STEM教育理念的混合式智能教學模式探索與實踐”（222009）；2021年重慶市高等教育學會高等教育科學研究課題“《新能源材料與器件》課程O2O智慧教學模式構建”（CQGJ21A001）

第一作者簡介：黨杰（1988-），男，漢族，甘肅白銀人，博士，教授。研究方向為氫及氫冶金。

*通信作者：李謙（1975-），男，苗族，貴州納雍人，博士，教授。研究方向為儲氫材料。