A review of understanding electrocatalytic reactions in energy conversion and energy storage systems via scanning electrochemical microscopy

To address climate change and promote environmental sustainability,electrochemical energy conversion and storage systems emerge as promising alternative to fossil fuels,catering to the escalating demand for energy.Achieving optimal energy efficiency and cost competitiveness in these systems requires the strategic design of electrocatalysts,coupled with a thorough comprehension of the underlying mechanisms and degradation behavior occurring during the electrocatalysis processes.Scanning electrochemical microscopy(SECM),an analytical technique for studying surface electrochemically,stands out as a powerful tool offering electrochemical insights.It possesses remarkable spatiotemporal resolution,enabling the visualization of the localized electrochemical activity and surface topography.This review compiles crucial research findings and recent breakthroughs in electrocatalytic processes utilizing the SECM methodology,specifically focusing on applications in electrolysis,fuel cells,and metal–oxygen batteries within the realm of energy conversion and storage systems.Commencing with an overview of each energy system,the review introduces the fundamental principles of SECM,and aiming to provide new perspectives and broadening the scope of applied research by describing the major research categories within SECM.

论STEM教育的本土化建构:内涵、价值及实践探索

STEM教育很早就被引入国内并成为我国科技与工程教育的重要教育理念和方式。但是作为一个“舶来品”,在我国面向未来的教育改革中,STEM教育必须进行本土化建构,才能更好地服务于我国科技创新人才培养的需求。内涵上,在我国中小学教育领域,“STEM教育”这个术语有着多种既相互关联又兼具不同指向的多元内涵:它既是一个研究领域、一种育人理念,又是一种课程形态、一种教学方式。价值上,我国STEM教育有着自己的教育实践土壤,必须通过本土化改造,突出育人方式变革,聚焦核心素养发展,培植现代化的教育生态,才能发挥其育人价值,真正成为我国学校教育的重要表征。虽然STEM教育自21世纪初被引入后日趋与我国教育改革实践相融合,但当前仍然面临教学方式固化、教育目标不清、教师能力不足等现实问题。在推动教育现代化发展和教育数字化战略行动的大背景下,唯有将STEM教育研究及其本土化改造与创新融入我国教育改革的内在构成之中,才能使其在我国发挥持久的生命力。

STEM视域下初中化学跨学科项目式学习实践研究——以“探寻火箭发射的奥秘”为例

基于STEM教育理念,以“探寻火箭发射的奥秘”为载体,引导学生进行跨学科项目式学习,以“探究火箭原理”“再探火箭燃料”“模拟火箭设计和制作”“成果展示与评价”四个子任务驱动,引导学生运用多学科知识设计和制作三种模拟火箭,有效提升学生的综合素养,实现跨学科协同育人。

STEM课堂中创造性思维评价体系的构建与应用

STEM教育的跨学科性、探究性、协作性为创造性思维培养提供了良好的环境氛围与基础条件,然而当前STEM课堂学生创造性思维评估难题却始终未得到有效解决。研究基于创造性思维内涵要素解构以及PISA 2021创造性思维评估模型等现有理论基础,构建STEM课堂中创造性思维评价指标框架,结合专家意见和建议形成了包括“想法生成”“实施探索”“分析评估”“迭代优化”“协作沟通”5个一级指标、20个二级指标的STEM课堂中创造性思维评价指标体系,并通过层次分析法说明评价指标体系结构维度及权重分配的合理性,最终将指标体系应用于教学实践以反思效果并提出建议。研究为构建科学合理的评价指标体系、有效评估STEM学生的创造性思维提供了重要支撑和决策依据。

组织与人力视角下的STEM教育师资发展与新质提升

STEM教育现已成为培养学习者科技创新能力的国际共识。国际STEM教育一类中心落地上海,肯定了我国STEM教育取得的成绩,提振了本土STEM教育未来发展的信心。然而长期以来我国中小学开展STEM教育实践受制于师资不足问题的影响,师资问题是分科教育发展惯性造成的“系统性短缺”与人力资本勾勒不清造成的“结构性短缺”的结合体。当前培养拔尖创新人才已经成为新时期教育的主旋律,STEM教育具有“立足核心素养,培养创新人才”的价值支点。STEM教师群体基本盘初步建立,教师立足自身的能力迁移实现了STEM教师数量的提升,院校助推的教学模式与评价研究促进了STEM教师能力的提升。随着教育人工智能的发展及其对教育全要素的重塑,组织、人力治理与数智技术的融合将共同实现STEM教育的新质发展。为此,有关部门要开展STEM教育生态评价,助推发展规划落地;构建STEM教师胜任模型,促进专职教师成长;建设STEM教育数字资源,探索人机双师模式。

论STEM教育是科学教育的完成形态

科学教育语境下的科学是指自然科学,它属于经验科学。作为知识的科学是真理体系的一部分,它表现为与经验事实保持一致的、可证伪的精确判断的命题网络;作为方法的科学是指“接受-怀疑-猜想-检验”的认识过程;作为价值的科学是指科学精神,比如,好奇心驱动、独立自主、基于事实等,以及科学研究伦理规范。基于“知识-方法-价值”的理解框架,科学教育的宗旨是培养学生生活世界中的科学素养,即“懂科学、用科学、倡科学”。由此,科学教育的完成形态必然是STEM教育。为了STEM教育的可持续、高质量的发展,我们需要利用教育众筹机制,应对STEM现代课程开发、专业的科学教师队伍培育以及基于质的教育过程管理这三个相互关联的系统性挑战,从而将课程开发、教师专业发展以及教育过程管理融为同一个过程。这个过程同时也是教育现代转型的过程。

高校博物馆STEM教育的实践与展望——多案例分析

新一轮科技革命改变着人类的生活与学习方式,重视STEM教育有助于获得适应未来社会的能力素养。高校博物馆依托高校的科研与教学特色,面向公众开展了各种STEM教育,丰富了STEM教育的场馆资源,也为STEM教育的多样性贡献了更多智慧。研究聚焦中国、美国、英国等国家的6家高校博物馆,分别从科学、技术、工程和数学的角度,探讨其在STEM教育中的实践,并提出未来展望,以期拓展教育主题、丰富教育形式、充实教育师资、平衡教育发展,促进STEM教育的发展。

美国唤醒家庭参与STEM教育的实践路径研究——以“STEM+家庭项目”为例

2013年始,美国国家家长教师协会开始关注STEM教育的发展状况,发现家庭缺少参与STEM教育的意识和机会,部分少数族裔的儿童不能进入STEM领域,以及缺少职业生涯机会等不平等现象。在国家呼吁全社会参与STEM教育的政策氛围下,国家家长教师协会提出STEM+家庭项目,研发项目具体活动和操作指南、营造STEM的学习环境、引领家庭参与STEM教育。依据政策工具,结合《新一代科学教育标准》分析发现,STEM+家庭项目在理论和实践中形成了一个三维的结构模型,在支持和补充国家政策、支持家庭参与STEM学习、形成社会支持家庭STEM学习模式三个方面起到了积极作用。针对国内STEM教育研究与实践大多局限在学校教育领域这一现状,我们需要重新认识学校教育、家庭教育、社会教育之间的关系以及社会组织和企业对STEM人才培养的重要作用。

融合STEM理念促进认识方式发展的主题式学习——以“乙烷脱氢制乙烯工艺发展研究”为例

以“乙烷脱氢制乙烯工艺发展研究”为主题,融合STEM理念,开展高中化学主题式学习。通过完成“乙烷热裂解制乙烯”“乙烷蒸气裂解制乙烯”“乙烷催化氧化脱氢制乙烯”等3个子任务,巩固化学反应与能量、化学反应速率、化学平衡等核心知识,发展化学学科能力和工程思维,形成化工生产三维认知模型。

以高质量学科课题研究 助推新时代课堂教学转型——以“STEM视域下中学化学项目式学习课程实践研究”为例

文章以“STEM视域下中学化学项目式学习课程实践研究”为例,提出高质量学科课题研究助推新时代课堂教学转型的基本路径有“高屋建,锚定教育前沿热点问题”“统筹规划,明晰具体研究思路框架”“循序渐进,建构有效实施方法路径”“抓大统小,开发系列典型项目案例”,进而提出进行课题研究的基本原则有选题要坚持问题导向、破题要坚持系统论证、入题要坚持范式建构、成题要坚持精细打磨,得出结论:进行高质量的教学课题研究是教师专业发展的不竭动力。

澳大利亚STEM教育政策分析与启示

近年来,澳大利亚政府部门、学术组织推出促进STEM教育发展的系列政策。这些政策主要受澳大利亚政治体制、技术发展、社会性别因素的影响,政策行动者呈现出多元化特点。政策内容在制度领域、资源配置和教与学方面都有涉及,但以资源配置为主。在政策实施上以项目为主并注重继承与创新。借鉴澳大利亚的做法,我国STEM教育政策的制定应成为多部门的责任,在内容上可综合考虑制度领域、资源配置和教与学等方面,同时在实施中加强推广成熟做法。

以色列STEM教育体系与特征探微

以色列的社会和经济发展与科技创新紧密相关,而其STEM教育体系是科技创新的支撑。以色列构建起由多元主体参与的STEM教育体系,包括政府部门统筹协调STEM教育发展、国防部在以色列STEM教育体系中扮演关键角色、中小学开设丰富多彩的STEM课程、高等教育机构为国家培养大批工程师和科学技术人才、企业和社会组织积极投身STEM教育,并以多样化的项目为载体助推STEM教育发展。以色列国家安全和经济产业发展需要决定其高度重视STEM教育,特殊国情为其STEM教育发展带来阻碍和助推两方面作用。为STEM教育营造有利的政策环境,多元主体协同参与对以色列STEM教育发展具有重要推动作用。

初中STEM课程中元认知能力培养的策略研究

STEM教育具有多学科整合、基于项目的协作学习和真实的问题解决情境等学科特征。然而,对于习惯于传统教学方法的学生来说,由于缺乏系统的认知能力和调节能力,容易导致STEM教育的教学效果不佳。元认知能力是建立在一定的元认知知识和情感的基础上,对自身认知活动进行调节和控制的高级能力。有研究表明,培养学生的元认知能力可以提高其在STEM教育中的学习能力、学习成绩和学习效果。然而,现有研究大多将某个策略应用到STEM教育中培养元认知能力,或者聚焦于元认知能力某一维度的培养,缺乏系统全面的元认知能力培养策略。因此,本研究根据元认知的结构和STEM教育的特点,提出了在STEM教育中全面系统地培养元认知能力的策略模型。而后,本研究通过准实验研究法验证以上策略的应用效果,在STEM课程中,实验组采用元认知培养策略,对照组采用传统方法进行教学。根据问卷数据的ANCOVA分析结果,得出以下结论:①元认知培养策略可以有效提高学生的元认知能力,包括元认知知识、元认知经验和元认知监控;②元认知培养策略可以促进学生的学习成绩和知识获取。

非正式学习环境中的STEM教育:美国博物馆学习服务案例研究

非正式学习环境为STEM教育提供了独特的机会和资源。作为非正式学习环境的典型代表,美国博物馆以知识共享为使命,通过策划丰富多样的教育活动,为各年龄段学生提供有针对性的STEM教育资源。研究聚焦于美国国家自然历史博物馆、旧金山探索博物馆和西雅图飞行博物馆在STEM教育领域的实践探索,归纳总结了美国博物馆在提供STEM学习资源,与学校STEM教育有效衔接,支持STEM教师专业发展,吸引家庭参与STEM教育,促进STEM教育公平等方面的经验,这些经验为我国发展非正式学习环境中的STEM教育,丰富STEM教育资源提供了良好的借鉴。

STEM教育理念下职前幼师科学教育素养体系的改革探究——基于“学前儿童科学活动设计与指导”课程教学改革

STEM教育作为一种新兴的教育和人才培养形式,已然成为许多国家教育改革的方向。幼儿教师科学素养是我国学前STEM教育质量提升的关键因素,“学前儿童科学活动设计与指导”是培养高校学前教育专业师范生STEM教育科学素养最重要的课程载体。在该课程的教学实施过程中存在一些问题,如课程教学内容较陈旧,缺乏与其他学科的整合渗透;学生整体科学素养水平较差;教学评价方式单一;校内外实践效果不佳等。以STEM教育理念为宗旨,提出了课程教学改革的一些思考和探究,如修订课程标准,凸显STEM教育理念;以学生为中心,强调“做中学”的体验探究式教学;探讨多元化课堂教学评价方式,重视过程性评价;重视情景模拟教学,实训环节中探寻新形式;重视体验式实践,提升实践教学效果;等等。

基于STEM理念的《BIM管线综合》课程建设与探索

STEM教育理念涵盖科学、技术、工程和数学,是一种使用学科交叉知识和思维、打破不同学科之间壁垒、培养具有全面科学素养和探究创新能力人才的跨学科教育新模式。本研究针对STEM核心理念,将其引入“BIM管线综合”课程中,重新分解定义课程的教学目标,设计课程的STEM教学理念,重组课程的教学内容,创新课程的教学手段,重构课程的教学组织形式,优化课程的考核方式方法,有效提升学生的综合能力。

中、美、澳STEM教师专业标准 及其实施效益:比较与启示

中、美、澳STEM教师专业标准,因国情不同而各有特点:美国制定了四大领域的教师专业标准,澳大利亚则是在多元主体参与下制定普适性STEM教师专业标准架构,而中国出台了专门的STEM教师能力等级标准,强调培养复合型的跨学科教师,尚处于摸索阶段。美、澳作为STEM教育的先发国家,其STEM教师专业标准的实施效益总体良好,值得借鉴。我国需要博采国际经验,加快STEM教师专业标准的完善,尽快培养出一支数量足够、素质优良的STEM师资队伍。

家社联动:美国社会机构参与家庭STEM教育——基于STEM未来希望基金会的个案研究

自20世纪60年代起,美国政府开始关注家庭参与教育及相关政策的制定。但目前,美国不同家庭获取教育资源的差距依旧明显。在此背景下,一些社会机构做出了积极响应,多方参与家庭教育,实现教育的家社联动,美国STEM未来希望基金会便是其中之一。它支持并与众多机构合作,搭建多方参与的家庭STEM教育支持网络;赋能家庭参与STEM教育,包括提供丰富的STEM学习资源,为家长参与STEM教育提供指导,提高家庭STEM教育信心;为家庭引进多样化学习模块,多方互动提升家庭STEM教育能力,亲子共学提振家庭STEM学习氛围。这些都为家社联动开展STEM教育进行了积极探索,也为我国推进家校社合作提供了借鉴。

基于信息技术的STEM设计思维与案例教学策略

利用信息技术作为核心工具来促进跨学科整合、项目驱动学习、制作原型和模型等,在开展项目和解决问题的过程中,突出信息技术在STEM设计思维的项目和实践中的重要作用,旨在培养学生的信息技术应用能力和数字化解决问题的技能。

基于STEM理念的中学劳动教育项目式实践课程开发

劳动实践是劳动教育实现综合性育人功能的载体,具有内涵性、实践性、时代性和实用性的特征。STEM教育的项目式、跨学科性、实践性和情境性设计理念非常值得劳动教育实践课程设计所借鉴。基于STEM理念开展中学劳动实践项目式课程设计要关注课程中的项目任务情景设计、劳动实践过程设计、实践教学内容设计和项目学习过程的认知分析。项目式劳动实践课程与STEM课程存在明显差异,其目标在于培养劳动相关的多元素质,其项目侧重于劳动实践而非研究探索,且具有更广的适用范围。