融合STEM教育理念的混合式教學改革探索與實踐

［摘 要］創新驅動已經成為當代經濟社會進步的主要引擎，而構建綜合性高素質人才隊伍是推動科技創新的關鍵。為培養滿足經濟社會快速發展需求的創新應用型綜合人才，高校傳統工科課程亟待改革。文章以新能源材料與器件課程為例，探索如何將“互聯網+”思維與傳統的教學內容、成熟的教學理念和新穎的教學方式相結合，以推動課程教學的現代化和創新。選用跨學科融合為特色的STEM教育理念與課程相結合，探索出新型的“內容—理念—模式”的混合式教學思路。融合STEM教育理念的混合式教學模式，強調以學生為中心，提升學生的主觀能動性與創新性思維，注重理論與實踐相結合，培養新能源領域的基礎研究與工程技術人才。

［關鍵詞］新能源材料與器件課程；STEM教育理念；混合式教學模式；教學改革

［中圖分類號］G641 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）14-0033-05

身處以中國式現代化全面推進中華民族偉大復興的時空坐標，教育承載著固本強基的基礎性作用。面對全球科技革命和產業變革的浪潮，我國教育也面臨著前所未有的挑戰與變革。當前我國新一輪教育改革布局旨在擺脫“唯分數、唯升學、唯文憑”的功利化評價體系，積極推進素質教育的全面實施。在全球教育創新與變革的背景下，STEM教育理念作為一種跨學科一體化融合教育理念，逐漸被運用到很多國家的教育中。

隨著《新時代的中國能源發展》白皮書的發布，以及“碳達峰”和“碳中和”國家戰略目標的相繼提出，新能源產業迎來了歷史性的發展機遇。為此，培養大批在新能源領域從事基礎研究和工程技術工作的專業人才顯得尤為關鍵。盡管教育部于2010年設立了新能源材料與器件專業以滿足產業發展需求，但該專業的課程教學體系仍需進一步完善和創新。

本文結合新能源材料與器件課程及“互聯網+”的時代背景，將融合STEM教育理念的混合式教學模式應用到課程教學的各個環節中。混合式教學模式以增強學生學習體驗為導向、拓展教師的教學方法為目標，重點發掘融合互聯網與線上線下學習相結合的教學新思路與新方法，利用各類新興教學手段和設備，使投入得到最大化產出，使學生獲得最優的學習效果，從而實現建設智慧學習環境、強化學習過程、培養學習興趣、提高學習效果的目的，培養信念堅定、勇于創新、務實篤行、追求卓越的創新人才。

一、STEM教育理念及其發展

（一）STEM教育理念的內涵與特征

STEM教育理念是一種強調跨學科融合思想、以學生活動為中心的教育理念[1]。STEM教育理念以學生的全面發展為目標，將原本孤立分散的各學科領域知識和技能深度融合，通過豐富的教學形式，幫助學生在解決實際問題的過程中，學會跨學科地運用和整合各種知識與方法[2]。STEM教育的核心目標在于培養學生的STEM素養。通過課程學習與實踐活動，引導學生對課程相關的問題和現象進行全方位的深入探索和思考，從而達到對學生科學素養、技術素養、工程素養和數學素養的鍛煉與提升，最終達成培養學生跨學科多元思維能力的目標[3]。在過去的高等教育過程中，理工科（如物理、化學）授課往往遵循單一的分科教學。但在科學、技術和工程高速發展的背景下，傳統的單一學科教學模式難以滿足社會乃至國家對于綜合型工科創新型人才的迫切需求。因此，現代理工科教育正朝向打破學科壁壘、實施整合教學的方向發展。正是在這樣的背景下，STEM教育理念得以在國內興起并迅速發展。

（二）STEM教育理念本土化的發展

近年來，STEM教育理念在美國、英國、德國等發達國家中快速發展，高等教育中的STEM教育學科不斷增多，許多國家將STEM教育政策納入國家戰略的重要組成部分。STEM教育理念在我國的本土化發展起步較晚。根據STEM教育年度發文量統計與分析，STEM教育理念在我國的發展可以劃分為四個關鍵時期：萌芽初創階段（2007～2011年）、初步成型階段（2012～2014年）、融合發展階段（2015～2016年）、整合實踐探索階段（2017年至今）[4]。

2012年在北京召開的第二屆STEM教育應用國際會議之后，STEM教育才在我國的教育研究領域獲得廣泛關注[5]。為了進一步支持和推動STEM教育理念的發展，我國相繼出臺了一系列推進STEM教育的重要政策文件和舉措。2016年教育部頒布的《教育信息化“十三五”規劃》提出：要積極利用信息技術手段開展“眾創空間”、STEM教育等創新型教學模式，更加有效地培養學習者的信息素養[6]；2017年中國教育科學研究院發布的《2017年中國STEM教育白皮書》致力于深化STEM教育的政策設計，明確了STEM人才培養的路徑，并提出了“中國STEM教育2029創新行動計劃”[7]。2018年，我國明確提出將STEM教育理念納入國家戰略發展政策，為高校深化教育改革、培養創新應用型人才指明了方向。

此外，黨的二十大報告提出將教育、科技、人才進行“三位一體”統籌部署，為我國的教育改革和科技發展描繪了宏大藍圖，一系列改革動作也都遵循教育鏈與產業鏈、創新鏈、人才鏈融合的邏輯。2023年12月，聯合國教科文組織在上海設立國際STEM教育研究所，這不僅標志著我國STEM教育在國際舞臺上得到了認可，而且為我國的教育現代化進程注入了動力[8]。

二、融合STEM教育理念的混合式教學模式

隨著互聯網教育的飛速發展，教育方式朝著信息化教育不斷深入改革，催生出“智慧教學”這一新的模式，集智能化、動態化、信息化和“云、網、端”應用于一體，結合了線上線下、課上課下的教學優勢，教學方法靈活多樣，整合各方優質教育資源，能有效提高學生學習興趣與培養自學自控能力[9]。融合STEM教育理念的混合式教學模式打破了傳統授課方式下教師授課、學生聽課的固化的教學形式，使學生角色由“聽”轉變為“控”、教師角色由“教”轉變為“導”，通過構建新型的師生關系，實現以教師為主導、學生為主體、教材為主線（見圖1）。

（一）包含科學性——優化課程內容

基礎知識的構建是課程改革的關鍵。教師以重視教學內容的專業性和實用性、弱化抽象性和系統性為原則[10]，以培養學生發現問題的創新思維和實踐解決問題的能力為核心，幫助學生厘清課程的核心知識點。對于課程中的重點與難點內容，教師除詳細介紹相關的理論概念和公式方程外，還應深入討論其背后的原理及其實際應用。在教學手段上，以問題教學法、啟發式教學法為主，設計課程項目問題，以科學問題為牽引，組織學生分小組進行討論并制定研究方案。在教學內容上，整合互聯網資源來豐富教學內容，從而拓寬學生的學習視野并激發其學習熱情。

（二）善用工程性——完善線下課堂教學

教學改革需遵循逐步深化的原則，從時間、空間、師生及人工智能等維度有機融合。鑒于傳統線下課堂存在的如師生互動不足、教學模式單一以及學生對知識的掌握不深入等問題，需借助課堂互動、作業測試評估以及翻轉課堂來創新課堂教學方式。在課堂互動環節，采用IRF模式，即“發起互動（Initiation）—學生回應（Response）—教師反饋（Feedback）”教學模式。首先，由教師簡要介紹課程的背景并拋出關鍵問題；其次，引導學生對問題進行深入思考和討論分析；最后，針對學生的回答給予及時的反饋。這一互動流程不僅能夠加強學生與教師之間的聯系，培養學生的團隊協作精神，而且能夠提高學生的學習興趣和積極性。

（三）借助技術性——拓展線上課堂教學

線上教學已然成為這一時代教書育人的重要模式，對其進行完善和推廣是“互聯網+”時代教學改革的重要方面[11]。線上課堂建設主要依托線上學習平臺的建設（慕課、學習通、釘釘、騰訊會議等），充分發揮平臺功能，將課程相關的通知、討論、課件、習題解答等集成為一體，教師與學生能夠在課前課后隨時隨地分享學習心得或討論課程相關問題。教師可以實時掌握學生對授課要點的理解情況，并及時調整授課節奏；也可以利用互聯網平臺及時向學生反饋課后作業中存在的共性問題，便于學生鞏固所學知識。不論是課程內容、課堂教學還是課后平臺的建設，均緊密圍繞互聯網，教師充分利用軟件、平臺以及應用，增強學生在課程學習過程中的參與感，讓學生利用碎片時間進行學習，從而更好地掌握知識。

（四）體現實踐性——開展專業實踐與動手計算

在課程改革中，注重學術性與實踐性的融合已成為一種普遍趨勢。尤其是在理工科課程教學中，教師不僅要對理論知識進行傳授，而且要強調理論知識在專業實踐和計算中的實際應用。教師需要結合最新的行業發展趨勢和技術進展，選擇與實際學習場景相符的實踐項目和任務，引導學生運用所學知識分析和解決問題，鼓勵學生上手操作，主動探索和創新。這不僅有助于學生將理論知識轉化為實際技能，而且可以培養他們在真實工作環境中解決問題的能力。通過實際操作和計算，學生能夠深入體驗并運用所學知識，從而更加全面地掌握專業技能和方法。

三、融合STEM教育理念的混合式教學模式在新能源材料與器件課程中的實踐

新能源材料與器件課程是一門涉及大學物理、大學化學、專業課程設計、半導體物理與器件等基礎課程與專業課程多學科交叉融合的綜合性課程[12]。該課程既注重厚基礎，又注重寬方向，且新能源學科的研究領域多、發展迅速，具有顯著的應用性強的特點，對于大學生的創新思維、動手實踐等能力培養起到了重要作用。

（一）課前設定情境引導學生學習探究

按照STEM教育理念，教師在課前制定明確的課程教學目標，引導學生深入了解氫能源轉換利用與存儲技術的應用背景、工作原理、關鍵材料以及發展趨勢。在此基礎上，教師需對學生進行學情分析，利用在線平臺資源提前發布測試題，評估學生的基礎知識掌握情況。為促進學生之間的合作與學習，采用分組學習策略，鼓勵學生在協作中相互促進，實現“在合作中學習，在學習中合作”的積極目標。例如，教師對學生進行隨機分組，以“氫能的生產、儲存、運輸和應用”這一核心科學問題為牽引，組織各組進行深入討論，提出系統的解決方案。為提高學生的參與度，促進學生深度學習，教師鼓勵學生提前進行相關文獻的查閱，整合和應用文獻與教材中的知識來掌握各種儲氫材料的結構及工作原理，為后續的科學探索和問題解決提供堅實的理論基礎。

（二）課中引導學生完成課程知識內化

在課堂教學中，教師遵循STEM教育理念，采用討論式教學法并輔以自主學習的方式，同時結合O2O智慧教學模式，根據課程特點進行創新和調整。這種教學方法改變了“課前預習、課堂聽課、課后復習”的傳統教育模式，采用更為靈活的“課前學習、課上內化”的策略。在這種模式下，教師與學生角色轉換，學生不僅是知識的接受者，而且是知識的傳播者。教師通過動畫、視頻和模擬仿真等可視化資源，向學生展示當前全球能源危機和環境問題的緊迫性，介紹氫能源的獨特優勢引導學生思考探討核心問題：“我們如何更加有效和廣泛地利用氫能？”在此背景下，各組學生對問題進行分析思考，并結合前期調研成果，運用多種形式（如研究報告、PPT展示、實物照片等）對氫能源的生產、儲存、運輸和應用等方面進行詳細的交流與討論。其他學生也可以進行補充或提問，最終由教師對學生的成果和表現進行總結和點評，進一步強化學生的學習效果。這種互動式的學習方式有利于學生思維的發散，增強學生的探究精神，提高學習效率，引導學生根據已有知識點提出解決思路，從而更好地構建知識體系，鞏固所學知識。

（三）課后鞏固知識并延伸拓展

STEM教育理念的教學評價方法主要涵蓋過程性評價、總結性評價和發展性評價，其中，學生的科研能力、創造性及合作精神均為核心的培養與評價指標[13]。在新能源材料與器件課程考核及成績評定方式中，采用“課堂表現（15%）+作業成績（15%） +期末考核（70%）”的評分結構。其中作業成績占比約為15%，既包括課堂內的即時作業，也涵蓋課后的深化作業。課堂作業旨在引導學生進行深入的思考和交流，檢驗學生對課堂知識的掌握情況，從而確保課內外學習的有效銜接，提升整體教學效果與質量。課后作業則旨在幫助學生鞏固和拓展所學知識。

專業實踐是新能源材料與器件課程不可或缺的環節。為了增強學生的實踐技能，教師選擇中國大學慕課平臺上四川大學的氫能與燃料電池課程中關于制氫技術的實驗項目作為線上學習資源。同時組織線下實地實驗活動，由資深工程師帶領學生實地了解氫能源的制備流程。在條件允許的前提下，學生還有機會參與實際的制氫操作，從而真正實現理論與實踐的緊密結合。

（四）課程教學改革效果

重慶大學電氣工程學院對2022級本科生開展了融合STEM教育理念的混合式教學改革與探索，以新能源材料與器件課程為例，教學改革取得的成效顯著。一是該課程的無掛科率達到了95%，相較三年前的75%的無掛科率來說有顯著提高，表明學生對課程內容的理解和掌握程度有了明顯的提升，反映了教學方法和資源配置得到了有效的優化和調整。二是課程平均分明顯上升。2022級學生在該課程的平均分為88分，相較于三年前學生的平均分提高了12分，證明了教學方法和內容的改革對提高學生成績有積極影響。三是參與學習該課程的學生的后續專業課程設計成績領先，后續的專業課程設計中的表現也明顯優于其他學生，平均成績都超過了同級其他學生，差距達8分。這說明該課程為學生提供了堅實的基礎知識和實踐經驗，使學生在進階學習中具有明顯的優勢。四是學生參與創新創業項目人數增多。隨著課程內容的深化和實踐經驗的增加，更多的學生選擇參與大學生創新創業項目。與三年前相比，參與大學生創新創業項目的學生數量增加了30%，并且項目的創新性和實用性也得到了顯著提高。新能源領域的技術人才培養是發展新能源技術和實現新能源利用的關鍵，多學科高度交叉、融合專業課程的順利開展對支撐國家重大戰略與培養復合型新型人才具有重要意義。

四、總結

課程組將融合STEM教育理念的混合式教學模式應用于新能源材料與器件課程教學中，進行了教學改革實踐與探索，從優化課程教學內容、完善線下教學方式、拓展線上課堂教學三方面進行課程改革，構建融合STEM教育理念的混合教學模式，并將其應用到課程教學各個環節中，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，采用智慧教學、翻轉課堂、討論式等形式，提升學生學習的主觀能動性。課程組計劃在取得現有的教學改革成果的基礎上，進一步深入開展課程教學改革，力求打造一門高質量、高標準、高水平的課程，為后續其他新工科課程的教學改革提供可借鑒范式。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 劉小剛，王震，章培軍， 等. STEM教育理念下大學數學類課程的混合式教學探索研究[J].高等數學研究，2022，25（4）：124-127.

[2] BYBEE R. W. What is STEM education？[J]. Science， 2010， 329（5995）： 996.

[3] 傅騫，劉鵬飛.從驗證到創造：中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育，2016（4）：71-78.

[4] 王彪.我國STEM教育的發展歷程、特點與展望[J].電腦知識與技術，2022，18（8）：159-163.

[5] 楊開城，竇玲玉，李波，等.STEM教育的困境及出路[J].現代遠程教育研究，2020，32（2）：20-28.

[6] 教育部.教育部關于印發《教育信息化“十三五”規劃》的通知[EB/OL].（2016-06-07）[2024-03-22].https：//www.gov.cn/gongbao/content/2016/content_5133005.htm.

[7] 宋怡.整合性STEM課程特征建構研究[D].江蘇：南京師范大學，2021.

[8] 王鵬.教育部：國際STEM教育研究所有利于我國提升科技創新人才培養質量[EB/OL].（2023-12-20）[2024-03-22].https：//www.gov.cn/lianbo/bumen/202312/content_6921450.htm.

[9] LUO W， WANG Q. Exploration of computer teaching reform in colleges and universities under the background of informatization[J/OL]. Applied mathematics and nonlinear sciences，（2023-11-27）[2024-03-22]. https：//doi.org/10.2478/amns.2023.2.01263.

[10] 林秋紅，羅蓉.基于線上線下混合教學模式的高等數學課程改革研究[J].大學教育，2022（3）：120-122.

[11] 劉猛，喻偉.工科專業課全過程“互聯網+”教學模式探索與實踐[J].高等建筑教育，2022，31（1）：137-143.

[12] 于月，吳巧鳳，張富，等.新能源科學與工程專業教育教學改革的思考[J].教育教學論壇，2020（41）：155-156.

[13] 張晨曦，陸福泰，李沁然，等.基于STEM理念的案例式混合教學法：以“應用化學實驗”課程為例[J].大學化學，2023，38（3）：105-111.

［責任編輯：雷 艷］