大數據背景下農林院校研究生化學信息基礎課程教學改革探索與實踐

朱樹華，尹洪宗，黃丹丹，孟慶喜，張麗麗，張瑞霞

(山東農業大學 化學與材料科學學院，山東 泰安 271018)

計算機化學，是由化學與計算機學科相結合形成的。經過多年的飛速發展，計算機已經成為多種信息資源的重要傳遞介質。"化學信息學"作為一個嶄新的學科，隨著計算機化學的迅速發展和網絡化化學信息的不斷更新換代，正在以一個活躍并且進展勢頭迅猛的新型交叉領域出現[1]。

在目前社會的大數據背景下，傳統的化學信息類課程教學存在諸多的譬如課堂教學與上機教學分離等問題，這些問題導致課程教學碎片化，不利于學生學習與知識掌握。針對這一問題，鄭夢菲等[2]和Pence等[3]針對當前大數據背景提出了將數據管理融入到本科生課程中去的必要性和思路。胡斌等人[4]借助網絡教學平臺替代掉傳統教學，單獨的上機教學被保留下來，重點優化了考核方式。鐘登杰[5]等人對課程進行教學模式改革，將上課、實驗和測試全部安排在學校計算機中心實驗室進行。在這一模式下，課堂講授與上機實踐緊密結合在一起，通過多媒體教學軟件，授課老師在教師機上講授演示。當授課教師在教師機上講授演示一段時間后，立刻讓學生跟蹤操作，這大大提高了學生的學習興趣，進而使上課和教學質量有明顯提高。但由于學生人數多但密度低，機房空間較大，因而課堂管理難度比較大，上課時學生容易出現多種不認真聽講現象。袁斌芳[6]等人提出通過改革對高效信息資源獲取方式及計算機軟件學習來培養學生化學信息素養以及自主創新能力。Scalfani等[7]嘗試用化學研究素養課程來替代傳統的研究生文獻研討會，用2周時間介紹化學信息資源，用3周時間引導學生對文獻進行關鍵分析，用2周時間教學生進行科技寫作，并用1周時間讓學生進行科技報告。學生反應良好。Juhela等[8]針對尚未系統學習信息學的學生建立了以問題為基礎的學生信息素養提升的排泄系統章節學習方法。Baykoucheva等[9]將EndNote軟件融入到小班教學和大班教學中，并讓學生通過Google Scholar、PubMed、Scopus、SciFinder、Web of Science等查找管理文獻和了解化合物的性質，取得了較好的效果。Currano[10]也嘗試將化學信息學引入研究生課程中，有效幫助研究生提高了化學信息學素養。

國內同行在研究生化學信息基礎課程建設方面則未見報道。與本科生相比，研究生對于化學信息學技能有著更加迫切的需求。現階段，我國高等農林院校研究生生源方面質量亟待提高、學科專業分配無法兼顧均衡與對口等問題。因此，加強農林院校研究生的化學信息學素養的培養，對于提升農林院校研究生的科研能力和就業競爭力等具有積極作用。

1 《化學信息學》課程的特點與問題

化學信息學是最近幾年迅速崛起的新的化學領域的分支，作為一門基于計算機技術和計算機網絡技術的學科，化學信息學對海量的化學信息有著管理，分析，模擬以及傳播等多項功能，借此能夠實現多種化學信息的迅速提取，信息之間的互相轉化與共享。借助計算機平臺和網絡技術為主要研究手段。化學信息學包含了利用計算機和計算機網絡技術管理、表示、分析、模擬化學信息等功能。

化學信息學課程教學主要具備以下幾個特點：①計算機命令的量比較大，命令執行之后獲得大量結果需要進行具體詳細的描述；②大量網絡工具的使用方法需要進行詳細解釋；③說明問題的方式更多地需要采用彩色圖形甚至動畫。因此，傳統的單純講述及板書說明的教學方式將由此面臨兩個主要問題：(1)關于軟件和數據庫的描述占據主要部分，較為寬泛的講述使得每款軟件和數據庫的講述時間在1.5～2小時，每款軟件和數據庫只能依靠講述的方式展示最基礎的內容。(2)講述內容較為單一，目前的講述內容均關于軟件的使用和數據庫搜索，但學生對目前這些軟件和數據庫的使用實例的認識并不十分清晰；因此在教學過程中也難以進行清楚地表達，教學效果比較差。

2 《化學信息學》教學模式的改革

由于化學信息學課程的特點，傳統的純粹理論講授較為枯燥，導致學生學習積極性低，教學效果不理想。因而，采用理論講授與上機實踐相結合的教授方式，對研究生實施小班教學，根據不同專業研究生的需求和專業特點進行特色教學，重點突出專業軟件的使用。要求研究生自帶筆記本電腦到課堂上，在上課時，教師講解和學生操作將同步進行。

化學信息學是一門具有很強應用性和實踐性的課程，如果僅僅依靠課堂上的時間，學生的信息收集與處理能力不能得到大幅度提高。為解決這一問題，在教學過程中，根據學生人數以及專業情況，將學生分為小組，通過課后小組任務與課堂小組討論的形式達到教學目標。課堂結束時，以每一個小組為一個單位，由小組成員共同完成一份當堂實踐報告并交給授課教師。新課開始時，在任課教師的引導下進行簡短的的小組間交流。

3 《化學信息學》教學內容的改革

在大數據背景下，化學相關的信息資源更新極快，傳統教材明顯滯后，書籍印刷時的網址及軟件更新換代致使教材內容無法跟上時代的信息背景，更無法滿足教學要求。因此，我們參照多種教材以及網絡最新版軟件的使用方法精心制訂課程內容。在完成傳統基礎知識和基礎軟件使用方法的目的下向學生介紹化學信息學發展背景，在Google Scholar、PubMed、Scopus、SciFinder、Web of Science等數據庫基礎上，針對農林院校專業特點和研究生特點，指導研究生拓展獲取專業文獻的渠道，尤其專業特種文獻的獲取；進而引導研究生進行專業文獻(尤其英文文獻)閱讀，在此基礎上對研究生進行研究論文尤其英文論文等的寫作訓練。具體的途徑主要有：(1)充分利用本校的圖書館資源，熟練使用中、英文數據庫及多種免費資源；(2)充分利用Google學術、谷粉搜搜、Sci-hub、維基百科等網絡資源查詢系統進行有效信息檢索；(3)掌握小木蟲、丁香園等學術資源論壇網站進行文獻資源求助的方法；(4)與他校同學好友進行文獻信息互助共享。

此外，教師會借助多媒體技術向學生演示EndNote、NoteExpress等文獻管理軟件以及ChemOffice、Origin、Matlab等繪圖軟件。如今軟件更新速度日益加快，這就要求教師及時更新并學習多種軟件的最新版本，掌握新版本的多種增刪功能，由此熟練指導學生學會并熟練使用多類軟件，如數據處理軟件SPSS、Origin、化學專業繪圖軟件Chemdraw、以及多種文獻管理軟件。此外，還會通過課堂實踐及課后小組任務進而鞏固和提高學生扎實掌握多種化學軟件綜合運用的能力。

4 更新考核方式

革除傳統筆試考核這種較為死板的課程認定方式，選擇上機考核這種更為準確客觀的成績認定方式對學生的分析和解決問題能力進行判定。考核范圍劃為文獻檢索以及多種軟件的熟練使用。主要考核學生靈活使用多種軟件協同完成同一任務的能力及思維的發散程度。考核成績也由傳統的筆試成績+平時成績更新為小組任務成績+平時成績+文獻檢索成績+軟件操作成績。平時成績由課堂回答的次數及準確率、當堂練習共同構成。在這種考核方式的督促下，學生上課的自主性及積極性被有效提高。

5 結語

大數據背景下，從海量數據中“提純”出有用的信息，對研究生科研能力而言是巨大的挑戰。化學信息學作為一門應用性極強的新型前沿學科，對于提高農林院校研究生的綜合素質具有積極意義。因此，本文以進一步擴大農林院校研究生的文獻檢索和獲取途徑，提升研究生英語文獻閱讀分析能力和寫作能力，掌握專業軟件的使用，為今后的科研工作和就業等創造良好的條件為目標，進一步對化學信息基礎課程教學內容、方法和考核方式進行多方面改革，有助于擴展大數據背景下農林院校研究生的視野，對于提升農林院校研究生的競爭力有積極作用，可以供全國農林院校研究生借鑒。