融合STEM教育理念的混合式教学改革探索与实践

［摘 要］创新驱动已经成为当代经济社会进步的主要引擎，而构建综合性高素质人才队伍是推动科技创新的关键。为培养满足经济社会快速发展需求的创新应用型综合人才，高校传统工科课程亟待改革。文章以新能源材料与器件课程为例，探索如何将“互联网+”思维与传统的教学内容、成熟的教学理念和新颖的教学方式相结合，以推动课程教学的现代化和创新。选用跨学科融合为特色的STEM教育理念与课程相结合，探索出新型的“内容—理念—模式”的混合式教学思路。融合STEM教育理念的混合式教学模式，强调以学生为中心，提升学生的主观能动性与创新性思维，注重理论与实践相结合，培养新能源领域的基础研究与工程技术人才。

［关键词］新能源材料与器件课程；STEM教育理念；混合式教学模式；教学改革

［中图分类号］G641 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）14-0033-05

身处以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴的时空坐标，教育承载着固本强基的基础性作用。面对全球科技革命和产业变革的浪潮，我国教育也面临着前所未有的挑战与变革。当前我国新一轮教育改革布局旨在摆脱“唯分数、唯升学、唯文凭”的功利化评价体系，积极推进素质教育的全面实施。在全球教育创新与变革的背景下，STEM教育理念作为一种跨学科一体化融合教育理念，逐渐被运用到很多国家的教育中。

随着《新时代的中国能源发展》白皮书的发布，以及“碳达峰”和“碳中和”国家战略目标的相继提出，新能源产业迎来了历史性的发展机遇。为此，培养大批在新能源领域从事基础研究和工程技术工作的专业人才显得尤为关键。尽管教育部于2010年设立了新能源材料与器件专业以满足产业发展需求，但该专业的课程教学体系仍需进一步完善和创新。

本文结合新能源材料与器件课程及“互联网+”的时代背景，将融合STEM教育理念的混合式教学模式应用到课程教学的各个环节中。混合式教学模式以增强学生学习体验为导向、拓展教师的教学方法为目标，重点发掘融合互联网与线上线下学习相结合的教学新思路与新方法，利用各类新兴教学手段和设备，使投入得到最大化产出，使学生获得最优的学习效果，从而实现建设智慧学习环境、强化学习过程、培养学习兴趣、提高学习效果的目的，培养信念坚定、勇于创新、务实笃行、追求卓越的创新人才。

一、STEM教育理念及其发展

（一）STEM教育理念的内涵与特征

STEM教育理念是一种强调跨学科融合思想、以学生活动为中心的教育理念[1]。STEM教育理念以学生的全面发展为目标，将原本孤立分散的各学科领域知识和技能深度融合，通过丰富的教学形式，帮助学生在解决实际问题的过程中，学会跨学科地运用和整合各种知识与方法[2]。STEM教育的核心目标在于培养学生的STEM素养。通过课程学习与实践活动，引导学生对课程相关的问题和现象进行全方位的深入探索和思考，从而达到对学生科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的锻炼与提升，最终达成培养学生跨学科多元思维能力的目标[3]。在过去的高等教育过程中，理工科（如物理、化学）授课往往遵循单一的分科教学。但在科学、技术和工程高速发展的背景下，传统的单一学科教学模式难以满足社会乃至国家对于综合型工科创新型人才的迫切需求。因此，现代理工科教育正朝向打破学科壁垒、实施整合教学的方向发展。正是在这样的背景下，STEM教育理念得以在国内兴起并迅速发展。

（二）STEM教育理念本土化的发展

近年来，STEM教育理念在美国、英国、德国等发达国家中快速发展，高等教育中的STEM教育学科不断增多，许多国家将STEM教育政策纳入国家战略的重要组成部分。STEM教育理念在我国的本土化发展起步较晚。根据STEM教育年度发文量统计与分析，STEM教育理念在我国的发展可以划分为四个关键时期：萌芽初创阶段（2007～2011年）、初步成型阶段（2012～2014年）、融合发展阶段（2015～2016年）、整合实践探索阶段（2017年至今）[4]。

2012年在北京召开的第二届STEM教育应用国际会议之后，STEM教育才在我国的教育研究领域获得广泛关注[5]。为了进一步支持和推动STEM教育理念的发展，我国相继出台了一系列推进STEM教育的重要政策文件和举措。2016年教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》提出：要积极利用信息技术手段开展“众创空间”、STEM教育等创新型教学模式，更加有效地培养学习者的信息素养[6]；2017年中国教育科学研究院发布的《2017年中国STEM教育白皮书》致力于深化STEM教育的政策设计，明确了STEM人才培养的路径，并提出了“中国STEM教育2029创新行动计划”[7]。2018年，我国明确提出将STEM教育理念纳入国家战略发展政策，为高校深化教育改革、培养创新应用型人才指明了方向。

此外，党的二十大报告提出将教育、科技、人才进行“三位一体”统筹部署，为我国的教育改革和科技发展描绘了宏大蓝图，一系列改革动作也都遵循教育链与产业链、创新链、人才链融合的逻辑。2023年12月，联合国教科文组织在上海设立国际STEM教育研究所，这不仅标志着我国STEM教育在国际舞台上得到了认可，而且为我国的教育现代化进程注入了动力[8]。

二、融合STEM教育理念的混合式教学模式

随着互联网教育的飞速发展，教育方式朝着信息化教育不断深入改革，催生出“智慧教学”这一新的模式，集智能化、动态化、信息化和“云、网、端”应用于一体，结合了线上线下、课上课下的教学优势，教学方法灵活多样，整合各方优质教育资源，能有效提高学生学习兴趣与培养自学自控能力[9]。融合STEM教育理念的混合式教学模式打破了传统授课方式下教师授课、学生听课的固化的教学形式，使学生角色由“听”转变为“控”、教师角色由“教”转变为“导”，通过构建新型的师生关系，实现以教师为主导、学生为主体、教材为主线（见图1）。

（一）包含科学性——优化课程内容

基础知识的构建是课程改革的关键。教师以重视教学内容的专业性和实用性、弱化抽象性和系统性为原则[10]，以培养学生发现问题的创新思维和实践解决问题的能力为核心，帮助学生厘清课程的核心知识点。对于课程中的重点与难点内容，教师除详细介绍相关的理论概念和公式方程外，还应深入讨论其背后的原理及其实际应用。在教学手段上，以问题教学法、启发式教学法为主，设计课程项目问题，以科学问题为牵引，组织学生分小组进行讨论并制定研究方案。在教学内容上，整合互联网资源来丰富教学内容，从而拓宽学生的学习视野并激发其学习热情。

（二）善用工程性——完善线下课堂教学

教学改革需遵循逐步深化的原则，从时间、空间、师生及人工智能等维度有机融合。鉴于传统线下课堂存在的如师生互动不足、教学模式单一以及学生对知识的掌握不深入等问题，需借助课堂互动、作业测试评估以及翻转课堂来创新课堂教学方式。在课堂互动环节，采用IRF模式，即“发起互动（Initiation）—学生回应（Response）—教师反馈（Feedback）”教学模式。首先，由教师简要介绍课程的背景并抛出关键问题；其次，引导学生对问题进行深入思考和讨论分析；最后，针对学生的回答给予及时的反馈。这一互动流程不仅能够加强学生与教师之间的联系，培养学生的团队协作精神，而且能够提高学生的学习兴趣和积极性。

（三）借助技术性——拓展线上课堂教学

线上教学已然成为这一时代教书育人的重要模式，对其进行完善和推广是“互联网+”时代教学改革的重要方面[11]。线上课堂建设主要依托线上学习平台的建设（慕课、学习通、钉钉、腾讯会议等），充分发挥平台功能，将课程相关的通知、讨论、课件、习题解答等集成为一体，教师与学生能够在课前课后随时随地分享学习心得或讨论课程相关问题。教师可以实时掌握学生对授课要点的理解情况，并及时调整授课节奏；也可以利用互联网平台及时向学生反馈课后作业中存在的共性问题，便于学生巩固所学知识。不论是课程内容、课堂教学还是课后平台的建设，均紧密围绕互联网，教师充分利用软件、平台以及应用，增强学生在课程学习过程中的参与感，让学生利用碎片时间进行学习，从而更好地掌握知识。

（四）体现实践性——开展专业实践与动手计算

在课程改革中，注重学术性与实践性的融合已成为一种普遍趋势。尤其是在理工科课程教学中，教师不仅要对理论知识进行传授，而且要强调理论知识在专业实践和计算中的实际应用。教师需要结合最新的行业发展趋势和技术进展，选择与实际学习场景相符的实践项目和任务，引导学生运用所学知识分析和解决问题，鼓励学生上手操作，主动探索和创新。这不仅有助于学生将理论知识转化为实际技能，而且可以培养他们在真实工作环境中解决问题的能力。通过实际操作和计算，学生能够深入体验并运用所学知识，从而更加全面地掌握专业技能和方法。

三、融合STEM教育理念的混合式教学模式在新能源材料与器件课程中的实践

新能源材料与器件课程是一门涉及大学物理、大学化学、专业课程设计、半导体物理与器件等基础课程与专业课程多学科交叉融合的综合性课程[12]。该课程既注重厚基础，又注重宽方向，且新能源学科的研究领域多、发展迅速，具有显著的应用性强的特点，对于大学生的创新思维、动手实践等能力培养起到了重要作用。

（一）课前设定情境引导学生学习探究

按照STEM教育理念，教师在课前制定明确的课程教学目标，引导学生深入了解氢能源转换利用与存储技术的应用背景、工作原理、关键材料以及发展趋势。在此基础上，教师需对学生进行学情分析，利用在线平台资源提前发布测试题，评估学生的基础知识掌握情况。为促进学生之间的合作与学习，采用分组学习策略，鼓励学生在协作中相互促进，实现“在合作中学习，在学习中合作”的积极目标。例如，教师对学生进行随机分组，以“氢能的生产、储存、运输和应用”这一核心科学问题为牵引，组织各组进行深入讨论，提出系统的解决方案。为提高学生的参与度，促进学生深度学习，教师鼓励学生提前进行相关文献的查阅，整合和应用文献与教材中的知识来掌握各种储氢材料的结构及工作原理，为后续的科学探索和问题解决提供坚实的理论基础。

（二）课中引导学生完成课程知识内化

在课堂教学中，教师遵循STEM教育理念，采用讨论式教学法并辅以自主学习的方式，同时结合O2O智慧教学模式，根据课程特点进行创新和调整。这种教学方法改变了“课前预习、课堂听课、课后复习”的传统教育模式，采用更为灵活的“课前学习、课上内化”的策略。在这种模式下，教师与学生角色转换，学生不仅是知识的接受者，而且是知识的传播者。教师通过动画、视频和模拟仿真等可视化资源，向学生展示当前全球能源危机和环境问题的紧迫性，介绍氢能源的独特优势引导学生思考探讨核心问题：“我们如何更加有效和广泛地利用氢能？”在此背景下，各组学生对问题进行分析思考，并结合前期调研成果，运用多种形式（如研究报告、PPT展示、实物照片等）对氢能源的生产、储存、运输和应用等方面进行详细的交流与讨论。其他学生也可以进行补充或提问，最终由教师对学生的成果和表现进行总结和点评，进一步强化学生的学习效果。这种互动式的学习方式有利于学生思维的发散，增强学生的探究精神，提高学习效率，引导学生根据已有知识点提出解决思路，从而更好地构建知识体系，巩固所学知识。

（三）课后巩固知识并延伸拓展

STEM教育理念的教学评价方法主要涵盖过程性评价、总结性评价和发展性评价，其中，学生的科研能力、创造性及合作精神均为核心的培养与评价指标[13]。在新能源材料与器件课程考核及成绩评定方式中，采用“课堂表现（15%）+作业成绩（15%） +期末考核（70%）”的评分结构。其中作业成绩占比约为15%，既包括课堂内的即时作业，也涵盖课后的深化作业。课堂作业旨在引导学生进行深入的思考和交流，检验学生对课堂知识的掌握情况，从而确保课内外学习的有效衔接，提升整体教学效果与质量。课后作业则旨在帮助学生巩固和拓展所学知识。