基于成果導向理念的“計算機與化學”混合式教學模式的實踐

尤汀汀，高宇坤，王廣勝，鹿現(xiàn)永，殷鵬剛

北京航空航天大學化學學院，北京 100191

加強基礎(chǔ)、突出實踐、重在素質(zhì)、面向創(chuàng)新是新時代人才培養(yǎng)的重要目標導向。在此背景下，化學專業(yè)學生通常在本科階段就開始參與科研活動，并在導師指導下完成高質(zhì)量的畢設(shè)研究，越來越多的學生在畢業(yè)后會進入高校和研究院所繼續(xù)深造。因此在本科培養(yǎng)階段，學生一方面要具備扎實的數(shù)理基礎(chǔ)和專業(yè)的知識技能，另一方面也需要培養(yǎng)與科研工作相關(guān)的核心能力和素質(zhì)，包括基礎(chǔ)知識的運用能力，實驗數(shù)據(jù)的解析能力，前沿熱點的追蹤能力，科研問題的多維度解決能力和創(chuàng)新能力等[1]。前沿文獻和化學信息檢索以及常用化學、數(shù)學軟件使用，是解決科研核心能力培養(yǎng)的切實有效的工具。學生一般通過自學、高年級學生傳授等手段，實現(xiàn)對于上述工具的掌握。因此普遍存在著化學類專業(yè)軟件不熟練、檢索文獻的手段不全面和文字處理能力有限等現(xiàn)象，這對于培養(yǎng)創(chuàng)新性的化學類人才是非常不利的。筆者基于化學類創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需要，開設(shè)了“計算機與化學”這門課程，主要講授化學科研過程中的計算機應(yīng)用[2]，面向初次接觸科研活動或有一定基礎(chǔ)的學生實現(xiàn)個性化培養(yǎng)，進一步加強學生運用計算機綜合解決化學問題的能力。成果導向教育(OBE,Outcome-Based Education，亦稱能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育)[3,4]是目前全球廣泛認可的一種先進教育理念，該理念以學習成果或產(chǎn)出為導向，注重學生在經(jīng)過課程學習后所獲得的具體知識和能力，有助于學生形成良好的自主學習習慣，提高主觀能動性?；贠BE理念，筆者結(jié)合化學專業(yè)特點和計算機應(yīng)用能力培養(yǎng)的專業(yè)課程，通過線下和線上混合式教學模式實現(xiàn)綜合能力的培養(yǎng)，為畢業(yè)設(shè)計和后續(xù)深造奠定基礎(chǔ)。

1 “計算機與化學”課程簡介

“計算機與化學”是面向化學和應(yīng)用化學專業(yè)大三學生開設(shè)的一門專業(yè)必修課程，總課時64學時，其中理論課和實驗課各占32學時，主要講授內(nèi)容包括信息檢索、科研工具和計算化學三個部分，通過講授專業(yè)檢索數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站(Web of Science和SciFinder等)、文獻管理軟件、繪圖建模軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、文字處理軟件以及計算模擬軟件(Materials Studio等)，輔助學生進行從課堂學習向獨立科研的角色轉(zhuǎn)換。課程參考最新的線上教學方案[5]，采用線下和線上結(jié)合的混合式教學模式，在傳統(tǒng)課堂內(nèi)容的基礎(chǔ)上實現(xiàn)從基礎(chǔ)知識補充到前沿文獻分享的個性化資料推送。

2 成果導向理念的“計算機與化學”教學實踐

2.1 多維度教學內(nèi)容的構(gòu)筑

多維度的教學內(nèi)容的構(gòu)筑，對于學生綜合能力培養(yǎng)起到重要作用。基于成果導向理念，“計算機與化學”課程構(gòu)筑“點線面體”多維度的教學框架，結(jié)合新形勢下的線上-線下混合教學模式完成整體課程內(nèi)容設(shè)計，該設(shè)計能夠幫助學生在學習和應(yīng)用的過程中始終保持知識結(jié)構(gòu)的完整性。在授課過程中，筆者圍繞知識點引入短視頻、擴展文獻和網(wǎng)站等課程資料，將素材與大綱導圖相結(jié)合，使得學生能夠在教學大綱導圖上點擊具體的知識點觀看相應(yīng)的授課內(nèi)容，更加切合當代大學生的學習習慣。

基于成果導向理念，筆者進行了“點線面體”多維度教學內(nèi)容設(shè)計，如圖1所示。“點”代表一個相對完整獨立的知識點或以特定概念為中心的詞條解釋，例如某個軟件或網(wǎng)站可作為一級知識點，其背景信息、基本知識和使用說明為二級知識點，基本知識部分又可劃分為文獻檢索、物質(zhì)檢索、反應(yīng)檢索等三級知識點。通過不斷細化和分割，將2個學時的課程拆分為若干個20分鐘以下的碎片化教學內(nèi)容，提高學生對課堂知識的吸收效率。“線”代表具有特定邏輯性的連續(xù)授課流程，可以將分散的知識點連接起來，實現(xiàn)不同知識點之間層次關(guān)系和邏輯關(guān)系的可視化，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和獨立學習能力。例如計算化學軟件學習中，基本知識部分的三級知識點包括構(gòu)建模型、設(shè)置參數(shù)和分析結(jié)果，3個知識點的遞進順序體現(xiàn)了計算模擬軟件使用過程中的人機關(guān)系，從用戶輸入到機器反饋的完整計算流程和學習思路?！懊妗贝碚n程結(jié)構(gòu)的不同區(qū)塊，分為兩個階段，第一階段包括信息檢索部分和科研工具兩個區(qū)塊，注重教學廣度，對相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行基本介紹，在此基礎(chǔ)上針對代表性網(wǎng)站或軟件的基礎(chǔ)知識和使用方法進行重點講解。第二階段主要為計算化學區(qū)塊，注重教學深度，內(nèi)容分為理論方法、計算軟件和解決問題等內(nèi)容，分別介紹計算化學在理論層面、技術(shù)層面和應(yīng)用層面的知識，通過階梯方式引導學生逐步從技術(shù)層面的軟件使用向理論層面的算法原理深入，具體內(nèi)容如表1所示?！绑w”代表課堂理論知識的綜合應(yīng)用，引入覆蓋課程全部內(nèi)容的論文撰寫練習實踐，例如根據(jù)給定課題或自己感興趣的研究方向進行文獻調(diào)研、使用專業(yè)檢索網(wǎng)站對物質(zhì)分子和反應(yīng)進行查詢、導入文獻列表、規(guī)范作圖和排版等。通過理論學習與實驗操作結(jié)合的互動式教學，培養(yǎng)學生查找資料和撰寫文獻綜述的能力、提高畢業(yè)論文和科研論文撰寫的規(guī)范性和圖表制作水平。另外也鼓勵學生將計算化學部分的教學內(nèi)容應(yīng)用到自身的科研工作中，針對實驗結(jié)果進行簡單的模擬計算，將理論化學與解決實際科研問題相結(jié)合，學以致用。

圖1 “計算機與化學”課程的教學內(nèi)容

表1 “計算機與化學”理論課內(nèi)容結(jié)構(gòu)

2.2 成果導向理念的論文撰寫綜合能力培養(yǎng)

論文撰寫能力是化學類本科學生必備的科研能力?；瘜W學院本科畢業(yè)生大部分選擇繼續(xù)深造。論文撰寫作為主要的科研活動，是化學類本科生培養(yǎng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在具體的培養(yǎng)過程中，前三年專注于知識結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建和基礎(chǔ)的鞏固，第四年的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)則需要在此基礎(chǔ)上進一步檢驗學生的實踐創(chuàng)新能力。在本科大三下半學期的過渡階段，除了需要在專業(yè)領(lǐng)域擴展視野之外，科研素質(zhì)的培養(yǎng)同樣重要。在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)有部分學生對基本的科研工具使用還不太熟悉，如文獻檢索不全面、軟件使用生疏、文字處理不規(guī)范，計算軟件更是幾乎沒有接觸過，影響到正常的課題研究和論文質(zhì)量。為了進行成果導向的教學，筆者對大三和大四學生就科研中遇到的非科研問題展開調(diào)研，如圖2所示。

圖2 高年級化學類專業(yè)學生的計算機軟件應(yīng)用調(diào)研反饋

目前已進入課題組參與科研工作的大三學生占比約為53%，意味著有科研經(jīng)歷的學生和沒有科研經(jīng)歷的學生約各占一半。筆者對其中已進入課題組參與科研工作的學生進行了調(diào)研，希望了解他們在科研工作初期階段，除科研以外哪些方面比較花費時間。調(diào)查結(jié)果包括專業(yè)文獻檢索(51%)、作圖(13%)、處理數(shù)據(jù)(62%)、排版(25%)、建模(25%)、學習計算模擬方法(13%)。未來發(fā)展意向方面，47%的學生希望繼續(xù)做科研相關(guān)工作，40%的學生表示不確定，但有考研計劃。

此外，筆者也對大四學生發(fā)放了問卷。關(guān)于對科研幫助較大的課程內(nèi)容，33%的學生選擇了信息檢索部分，56%的學生表示科研工具部分有較大幫助，11%的學生選擇了計算化學部分。畢業(yè)設(shè)計階段投入較多時間的項目如專業(yè)文獻檢索(33%)、作圖(11%)、處理數(shù)據(jù)(44%)、排版(44%)、建模(11%)、學習計算模擬方法(44%)。在未來發(fā)展意向方面，67%的學生表示希望繼續(xù)做科研相關(guān)工作，22%的學生表示不確定，但準備先攻讀研究生。

調(diào)研結(jié)果指出大部分學生對科研工具部分有一定學習需求，但經(jīng)過課程學習后，在工具使用過程中仍存在一定問題，這反映了傳統(tǒng)課堂的問題和局限性，即學習目標不夠明確。筆者基于OBE教育理念，圍繞本科生畢業(yè)論文和科研論文撰寫的具體需求，在實驗課中引入了具有預演性質(zhì)的小型畢業(yè)論文撰寫環(huán)節(jié)，作為科研的道路上的第一步，培養(yǎng)學生熟悉科研各個環(huán)節(jié)的常見工具使用；為有一定科研基礎(chǔ)和興趣的學生提供充分的選題自由，培養(yǎng)學生用計算機做科研的能力，擴展知識儲備，提升科研素養(yǎng)，全面調(diào)動學生自主學習的主觀能動性，并提前為畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)，具體內(nèi)容如表2所示。以論文寫作這一具體實踐目標為導向的實踐形式是筆者一直在探索的實驗課形式。文獻檢索部分培養(yǎng)學生查找資料和撰寫文獻綜述的能力，包括根據(jù)給定課題或自己感興趣的研究方向進行文獻調(diào)研，撰寫論文緒論部分；對課題相關(guān)物質(zhì)分子和反應(yīng)進行查詢，撰寫論文實驗部分。科研工具部分培養(yǎng)學生規(guī)范撰寫畢業(yè)論文和學術(shù)文章的能力，包括使用文獻管理軟件在緒論和參考文獻部分插入相關(guān)的文獻引用信息；使用繪圖建模軟件為研究工作繪制相應(yīng)的示意圖；使用數(shù)據(jù)處理軟件對自選數(shù)據(jù)或給定數(shù)據(jù)進行作圖；以及對論文進行規(guī)范排版。計算化學部分鼓勵學生將計算化學部分的教學內(nèi)容應(yīng)用到畢業(yè)論文中，包括根據(jù)給定實驗數(shù)據(jù)或自己正在進行的研究課題，進行一些簡單的計算模擬和討論。通過個性化的教學指導和實踐內(nèi)容提高學生的規(guī)范寫作能力。

表2 “計算機與化學”實驗課實踐環(huán)節(jié)

2.3 合理融入課程思政，實現(xiàn)育人和知識傳授的統(tǒng)一

課程思政的建設(shè)是“計算機與化學”課程授課的助力。習近平總書記強調(diào)：“用新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人，引導學生增強中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信、文化自信，厚植愛國主義情懷，把愛國情、強國志、報國行自覺融入堅持和發(fā)展中國特色社會主義事業(yè)、建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國、實現(xiàn)中華民族偉大復興的奮斗之中。”在計算化學和國內(nèi)外軟件發(fā)展歷史的介紹過程中，我們將專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)況與愛國主義教育結(jié)合起來，實現(xiàn)思政進課堂；將科學家們的科研經(jīng)歷和家國情懷與核心價值觀結(jié)合起來，培養(yǎng)學生正確的世界觀、價值觀和人生觀；將課堂知識講解與科學思維培養(yǎng)結(jié)合起來，實現(xiàn)知識傳授和育人功能的統(tǒng)一。筆者在課程講授中，結(jié)合諾貝爾大獎相關(guān)內(nèi)容，對學生進行科學思維的激勵。過去，化學家們曾經(jīng)利用塑料球和小棍來建造分子的模型，實現(xiàn)對化學反應(yīng)機理的解釋。2013年10月9日猶太裔美國理論化學家馬丁·卡普拉斯、美國斯坦福大學生物物理學家邁克爾·萊維特及南加州大學化學家亞利耶·瓦謝爾因“開發(fā)多尺度復雜化學系統(tǒng)模型方面所做的貢獻”獲得諾貝爾獎化學獎。三名科學家融合經(jīng)典物理和量子物理，創(chuàng)造出新方法。比如，模擬一種藥物如何作用于人體中特定蛋白質(zhì)時，電腦用量子物理計算蛋白質(zhì)內(nèi)的原子與藥物之間的相互作用，用經(jīng)典物理模擬蛋白質(zhì)剩余部分。我們通過在課堂上引入國內(nèi)外著名案例[6]，介紹計算化學領(lǐng)域重大發(fā)現(xiàn)的探索過程，了解科學家們的科研經(jīng)歷，有助于激發(fā)學生在理論和計算研究方面的興趣。

2.4 成果導向理念“計算機與化學”混合式教學模式的評價

教學模式評價是課程建設(shè)質(zhì)量的保障。筆者從作圖、文獻檢索、排版、化學檢索、數(shù)據(jù)處理和計算模擬6個方面評價學生對科研工具的掌握程度。圖3為2018年(未引入混合式教學模式)和2019年(引入混合式教學模式)的作業(yè)優(yōu)秀率對比。引入混合式教學模式后，作業(yè)評判標準不變，Web of Science文獻檢索和SciFinder化學檢索的作業(yè)完成效果均好于前期課程，另外學生對于文獻排版和作圖建模等新接觸軟件的操作也更加熟練。而在數(shù)據(jù)處理方面，由于大部分學生對軟件較為熟悉，有一定使用基礎(chǔ)，因此作業(yè)普遍完成度較高，說明我們需要提高相應(yīng)知識點的學習挑戰(zhàn)度。計算模擬方面的對比結(jié)果顯示教學模式仍有提升空間，需要通過加強課程教學和激發(fā)學生興趣等多個方面培養(yǎng)學生的理論計算能力。教學模式評價的不斷改進，建立在及時反饋機制和師生互動的基礎(chǔ)上，通過積極聽取學生們的意見和建議，課程將根據(jù)學生們對專業(yè)網(wǎng)站、軟件和相關(guān)理論的實際熟悉情況調(diào)整教學內(nèi)容和考核方式。

圖3 “計算機與化學”課程混合式教學模式前后作業(yè)情況對比

3 結(jié)語

在OBE教育理念下，科學設(shè)置“計算機與化學”課程內(nèi)容，通過講授專業(yè)文獻檢索、作圖、排版、數(shù)據(jù)處理和計算模擬等化學科研過程中的計算機應(yīng)用，以成果為導向的教學模式，讓學習的目的性更加明確，形成“學習”與“應(yīng)用”的良性循環(huán)，實現(xiàn)了學生從學習使用科研工具到學會自己獨立學習使用科研工具的教學目標，提升了學生主導科研活動的綜合能力和規(guī)范性，增強了學生面對復雜科研問題時的深度理論分析能力，為創(chuàng)新性的化學類人才培養(yǎng)提供利器，為學生進入國內(nèi)外知名院校和研究機構(gòu)開展科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。