基于成果導(dǎo)向理念的“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”混合式教學(xué)模式的實(shí)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(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100191

加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出實(shí)踐、重在素質(zhì)、面向創(chuàng)新是新時(shí)代人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)導(dǎo)向。在此背景下，化學(xué)專業(yè)學(xué)生通常在本科階段就開始參與科研活動(dòng)，并在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成高質(zhì)量的畢設(shè)研究，越來越多的學(xué)生在畢業(yè)后會進(jìn)入高校和研究院所繼續(xù)深造。因此在本科培養(yǎng)階段，學(xué)生一方面要具備扎實(shí)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(yùn)用能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解析能力，前沿?zé)狳c(diǎn)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(xiàn)和化學(xué)信息檢索以及常用化學(xué)、數(shù)學(xué)軟件使用，是解決科研核心能力培養(yǎng)的切實(shí)有效的工具。學(xué)生一般通過自學(xué)、高年級學(xué)生傳授等手段，實(shí)現(xiàn)對于上述工具的掌握。因此普遍存在著化學(xué)類專業(yè)軟件不熟練、檢索文獻(xiàn)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(xué)類人才是非常不利的。筆者基于化學(xué)類創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需要，開設(shè)了“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”這門課程，主要講授化學(xué)科研過程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用[2]，面向初次接觸科研活動(dòng)或有一定基礎(chǔ)的學(xué)生實(shí)現(xiàn)個(gè)性化培養(yǎng)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)綜合解決化學(xué)問題的能力。成果導(dǎo)向教育(OBE,Outcome-Based Education，亦稱能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育)[3,4]是目前全球廣泛認(rèn)可的一種先進(jìn)教育理念，該理念以學(xué)習(xí)成果或產(chǎn)出為導(dǎo)向，注重學(xué)生在經(jīng)過課程學(xué)習(xí)后所獲得的具體知識和能力，有助于學(xué)生形成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高主觀能動(dòng)性。基于OBE理念，筆者結(jié)合化學(xué)專業(yè)特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)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(xué)模式實(shí)現(xiàn)綜合能力的培養(yǎng)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和后續(xù)深造奠定基礎(chǔ)。

1 “計(jì)算機(jī)與化學(xué)”課程簡介

“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”是面向化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)必修課程，總課時(shí)64學(xué)時(shí)，其中理論課和實(shí)驗(yàn)課各占32學(xué)時(shí)，主要講授內(nèi)容包括信息檢索、科研工具和計(jì)算化學(xué)三個(gè)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(xiàn)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(jì)算模擬軟件(Materials Studio等)，輔助學(xué)生進(jìn)行從課堂學(xué)習(xí)向獨(dú)立科研的角色轉(zhuǎn)換。課程參考最新的線上教學(xué)方案[5]，采用線下和線上結(jié)合的混合式教學(xué)模式，在傳統(tǒng)課堂內(nèi)容的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)知識補(bǔ)充到前沿文獻(xiàn)分享的個(gè)性化資料推送。

2 成果導(dǎo)向理念的“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”教學(xué)實(shí)踐

2.1 多維度教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)筑

多維度的教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)筑，對于學(xué)生綜合能力培養(yǎng)起到重要作用。基于成果導(dǎo)向理念，“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”課程構(gòu)筑“點(diǎn)線面體”多維度的教學(xué)框架，結(jié)合新形勢下的線上-線下混合教學(xué)模式完成整體課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)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(diǎn)引入短視頻、擴(kuò)展文獻(xiàn)和網(wǎng)站等課程資料，將素材與大綱導(dǎo)圖相結(jié)合，使得學(xué)生能夠在教學(xué)大綱導(dǎo)圖上點(diǎn)擊具體的知識點(diǎn)觀看相應(yīng)的授課內(nèi)容，更加切合當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

基于成果導(dǎo)向理念，筆者進(jìn)行了“點(diǎn)線面體”多維度教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，如圖1所示。“點(diǎn)”代表一個(gè)相對完整獨(dú)立的知識點(diǎn)或以特定概念為中心的詞條解釋，例如某個(gè)軟件或網(wǎng)站可作為一級知識點(diǎn)，其背景信息、基本知識和使用說明為二級知識點(diǎn)，基本知識部分又可劃分為文獻(xiàn)檢索、物質(zhì)檢索、反應(yīng)檢索等三級知識點(diǎn)。通過不斷細(xì)化和分割，將2個(gè)學(xué)時(shí)的課程拆分為若干個(gè)20分鐘以下的碎片化教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)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(diǎn)連接起來，實(shí)現(xiàn)不同知識點(diǎn)之間層次關(guān)系和邏輯關(guān)系的可視化，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和獨(dú)立學(xué)習(xí)能力。例如計(jì)算化學(xué)軟件學(xué)習(xí)中，基本知識部分的三級知識點(diǎn)包括構(gòu)建模型、設(shè)置參數(shù)和分析結(jié)果，3個(gè)知識點(diǎn)的遞進(jìn)順序體現(xiàn)了計(jì)算模擬軟件使用過程中的人機(jī)關(guān)系，從用戶輸入到機(jī)器反饋的完整計(jì)算流程和學(xué)習(xí)思路。“面”代表課程結(jié)構(gòu)的不同區(qū)塊，分為兩個(gè)階段，第一階段包括信息檢索部分和科研工具兩個(gè)區(qū)塊，注重教學(xué)廣度，對相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)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(jìn)行重點(diǎn)講解。第二階段主要為計(jì)算化學(xué)區(qū)塊，注重教學(xué)深度，內(nèi)容分為理論方法、計(jì)算軟件和解決問題等內(nèi)容，分別介紹計(jì)算化學(xué)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(dǎo)學(xué)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。“體”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(xí)實(shí)踐，例如根據(jù)給定課題或自己感興趣的研究方向進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、使用專業(yè)檢索網(wǎng)站對物質(zhì)分子和反應(yīng)進(jìn)行查詢、導(dǎo)入文獻(xiàn)列表、規(guī)范作圖和排版等。通過理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作結(jié)合的互動(dòng)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生查找資料和撰寫文獻(xiàn)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(lì)學(xué)生將計(jì)算化學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用到自身的科研工作中，針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡單的模擬計(jì)算，將理論化學(xué)與解決實(shí)際科研問題相結(jié)合，學(xué)以致用。

圖1 “計(jì)算機(jī)與化學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容

表1 “計(jì)算機(jī)與化學(xué)”理論課內(nèi)容結(jié)構(gòu)

2.2 成果導(dǎo)向理念的論文撰寫綜合能力培養(yǎng)

論文撰寫能力是化學(xué)類本科學(xué)生必備的科研能力。化學(xué)學(xué)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(dòng)，是化學(xué)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(jì)環(huán)節(jié)則需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。在本科大三下半學(xué)期的過渡階段，除了需要在專業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)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(jì)環(huán)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)有部分學(xué)生對基本的科研工具使用還不太熟悉，如文獻(xiàn)檢索不全面、軟件使用生疏、文字處理不規(guī)范，計(jì)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(jìn)行成果導(dǎo)向的教學(xué)，筆者對大三和大四學(xué)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(xué)類專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用調(diào)研反饋

目前已進(jìn)入課題組參與科研工作的大三學(xué)生占比約為53%，意味著有科研經(jīng)歷的學(xué)生和沒有科研經(jīng)歷的學(xué)生約各占一半。筆者對其中已進(jìn)入課題組參與科研工作的學(xué)生進(jìn)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(fèi)時(shí)間。調(diào)查結(jié)果包括專業(yè)文獻(xiàn)檢索(51%)、作圖(13%)、處理數(shù)據(jù)(62%)、排版(25%)、建模(25%)、學(xué)習(xí)計(jì)算模擬方法(13%)。未來發(fā)展意向方面，47%的學(xué)生希望繼續(xù)做科研相關(guān)工作，40%的學(xué)生表示不確定，但有考研計(jì)劃。

此外，筆者也對大四學(xué)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(xué)生選擇了信息檢索部分，56%的學(xué)生表示科研工具部分有較大幫助，11%的學(xué)生選擇了計(jì)算化學(xué)部分。畢業(yè)設(shè)計(jì)階段投入較多時(shí)間的項(xiàng)目如專業(yè)文獻(xiàn)檢索(33%)、作圖(11%)、處理數(shù)據(jù)(44%)、排版(44%)、建模(11%)、學(xué)習(xí)計(jì)算模擬方法(44%)。在未來發(fā)展意向方面，67%的學(xué)生表示希望繼續(xù)做科研相關(guān)工作，22%的學(xué)生表示不確定，但準(zhǔn)備先攻讀研究生。

調(diào)研結(jié)果指出大部分學(xué)生對科研工具部分有一定學(xué)習(xí)需求，但經(jīng)過課程學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)目標(biāo)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(shí)驗(yàn)課中引入了具有預(yù)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(xué)生熟悉科研各個(gè)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(xué)生提供充分的選題自由，培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算機(jī)做科研的能力，擴(kuò)展知識儲備，提升科研素養(yǎng)，全面調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，并提前為畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)踐目標(biāo)為導(dǎo)向的實(shí)踐形式是筆者一直在探索的實(shí)驗(yàn)課形式。文獻(xiàn)檢索部分培養(yǎng)學(xué)生查找資料和撰寫文獻(xiàn)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(jìn)行文獻(xiàn)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(jìn)行查詢，撰寫論文實(shí)驗(yàn)部分。科研工具部分培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范撰寫畢業(yè)論文和學(xué)術(shù)文章的能力，包括使用文獻(xiàn)管理軟件在緒論和參考文獻(xiàn)部分插入相關(guān)的文獻(xiàn)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(jìn)行作圖；以及對論文進(jìn)行規(guī)范排版。計(jì)算化學(xué)部分鼓勵(lì)學(xué)生將計(jì)算化學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用到畢業(yè)論文中，包括根據(jù)給定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或自己正在進(jìn)行的研究課題，進(jìn)行一些簡單的計(jì)算模擬和討論。通過個(gè)性化的教學(xué)指導(dǎo)和實(shí)踐內(nèi)容提高學(xué)生的規(guī)范寫作能力。

表2 “計(jì)算機(jī)與化學(xué)”實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐環(huán)節(jié)

2.3 合理融入課程思政，實(shí)現(xiàn)育人和知識傳授的統(tǒng)一

課程思政的建設(shè)是“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”課程授課的助力。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：“用新時(shí)代中國特色社會主義思想鑄魂育人，引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)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(qiáng)國志、報(bào)國行自覺融入堅(jiān)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(qiáng)國、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的奮斗之中。”在計(jì)算化學(xué)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(shí)現(xiàn)思政進(jìn)課堂；將科學(xué)家們的科研經(jīng)歷和家國情懷與核心價(jià)值觀結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、價(jià)值觀和人生觀；將課堂知識講解與科學(xué)思維培養(yǎng)結(jié)合起來，實(shí)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(jiǎng)相關(guān)內(nèi)容，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維的激勵(lì)。過去，化學(xué)家們曾經(jīng)利用塑料球和小棍來建造分子的模型，實(shí)現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的解釋。2013年10月9日猶太裔美國理論化學(xué)家馬丁·卡普拉斯、美國斯坦福大學(xué)生物物理學(xué)家邁克爾·萊維特及南加州大學(xué)化學(xué)家亞利耶·瓦謝爾因“開發(fā)多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型方面所做的貢獻(xiàn)”獲得諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)。三名科學(xué)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(shí)，電腦用量子物理計(jì)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(jì)算化學(xué)領(lǐng)域重大發(fā)現(xiàn)的探索過程，了解科學(xué)家們的科研經(jīng)歷，有助于激發(fā)學(xué)生在理論和計(jì)算研究方面的興趣。

2.4 成果導(dǎo)向理念“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”混合式教學(xué)模式的評價(jià)

教學(xué)模式評價(jià)是課程建設(shè)質(zhì)量的保障。筆者從作圖、文獻(xiàn)檢索、排版、化學(xué)檢索、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模擬6個(gè)方面評價(jià)學(xué)生對科研工具的掌握程度。圖3為2018年(未引入混合式教學(xué)模式)和2019年(引入混合式教學(xué)模式)的作業(yè)優(yōu)秀率對比。引入混合式教學(xué)模式后，作業(yè)評判標(biāo)準(zhǔn)不變，Web of Science文獻(xiàn)檢索和SciFinder化學(xué)檢索的作業(yè)完成效果均好于前期課程，另外學(xué)生對于文獻(xiàn)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(xué)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(diǎn)的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度。計(jì)算模擬方面的對比結(jié)果顯示教學(xué)模式仍有提升空間，需要通過加強(qiáng)課程教學(xué)和激發(fā)學(xué)生興趣等多個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的理論計(jì)算能力。教學(xué)模式評價(jià)的不斷改進(jìn)，建立在及時(shí)反饋機(jī)制和師生互動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過積極聽取學(xué)生們的意見和建議，課程將根據(jù)學(xué)生們對專業(yè)網(wǎng)站、軟件和相關(guān)理論的實(shí)際熟悉情況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和考核方式。

圖3 “計(jì)算機(jī)與化學(xué)”課程混合式教學(xué)模式前后作業(yè)情況對比

3 結(jié)語

在OBE教育理念下，科學(xué)設(shè)置“計(jì)算機(jī)與化學(xué)”課程內(nèi)容，通過講授專業(yè)文獻(xiàn)檢索、作圖、排版、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模擬等化學(xué)科研過程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，以成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式，讓學(xué)習(xí)的目的性更加明確，形成“學(xué)習(xí)”與“應(yīng)用”的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從學(xué)習(xí)使用科研工具到學(xué)會自己獨(dú)立學(xué)習(xí)使用科研工具的教學(xué)目標(biāo)，提升了學(xué)生主導(dǎo)科研活動(dòng)的綜合能力和規(guī)范性，增強(qiáng)了學(xué)生面對復(fù)雜科研問題時(shí)的深度理論分析能力，為創(chuàng)新性的化學(xué)類人才培養(yǎng)提供利器，為學(xué)生進(jìn)入國內(nèi)外知名院校和研究機(jī)構(gòu)開展科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。