信息技術融入結構化學課堂教學的模式探索

周彩華，鄧玲娟，陳佑寧，張君才

咸陽師范學院化學與化工學院，陜西 咸陽 712000

在信息技術飛速發展的時代，以多媒體計算機與網絡通信為標志的信息技術與人們的工作、學習與生活密不可分，在眾多領域產生了革命性影響。在教育領域，信息化技術增加了新的內容以及新的知識傳播形式，同時，也引起了教育結構和方式的巨大變化，幾百年的教育制度正在受到嚴峻挑戰。信息技術對教育領域的影響具體表現在三個方面：1) 對教學模式的影響。信息技術的發展打破了教師的主體地位，提出以學生為主體、以培養學生自主學習和解決實際問題的能力為目標；2) 對教育組織形式的影響。信息技術使得學生學習條件不受時間和空間限制，但是網絡信息過于龐雜和無序，需要教師對學習內容和學生的自覺性進行引導；3) 教學方法的影響。多媒體、遠程網絡、人工智能等日新月異的信息技術對教學手段的影響最為明顯，課堂教學手段的多樣化促進了學生的學習興趣，提高了教學過程的便捷，同時也嚴峻考驗著教師的綜合教學能力和學生的消化接受能力。因此信息技術并不能自覺地對教育領域的問題進行革新和完善。例如，十年前美國的教育計劃通過大量數據和實踐分析得出：信息技術在全世界教育領域的應用成效并不顯著，教育界只是將信息技術應用于改進教學手段這類“漸進式的修修補補”上，沒有觸及“教育系統的結構性變革”[1-3]。“學校教育系統結構性變革”的基本內涵就是要實現課堂教學模式的根本變革。而“課堂教學模式的變革”是指通過將信息技術有效地融合于各學科的教學過程來營造一種信息化教學環境，實現一種既能充分發揮教師主導作用又能突出體現學生主體地位的以“自主、探究、合作”為特征的新型教與學方式，從而把學生的主動性、積極性、創造性較充分地發揮出來，使傳統的“以教師為中心”的教學模式轉變為“主導與主體相結合”的教學模式[4-6]。

1 結構化學傳統教學模式中存在的問題

多年來，作為化學專業的一門必修專業課，結構化學除了復雜和深奧的課本內容給教師的教與學生的學帶來的挑戰，還有資源利用和政策引領等方面的誤區共同制約著結構化學課堂的教學質量，可以用如圖1所示的四個方面進行概括。

圖1 結構化學教學中的問題

1.1 結構化學課程理論的難度與挑戰

結構化學是一門以量子力學思維為主的課程。既需要無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科理論的支撐，又需要借助高等數學和前沿化學技術作為工具，通過量子力學理論來探討分子結構和化學反應變化中的微觀狀態和趨勢。課程重在培養學生詮釋化學實驗現象和規律，及其推理未知化學合成和變化趨勢的思維和方法[7,8]；與此同時，該課程具有內容廣泛、理論抽象、學科交叉頻繁、前沿信息發展迅速等多方面的特點。因此，系統而全面地進行結構化學教學對教師具有一定的挑戰性，需要不停地進行自我學習和自我提高。與此同時，掌握結構化學基礎理論并應用其解決問題需要學生傾注精力刻苦學習，也同樣具有挑戰性。

1.2 學生的學與教師的教的矛盾

“教”與“學”是教學工作的兩個基本面，二者是彼此聯系、相輔相成的。然而，由于普通本科院校學生專業基礎和學科交叉知識不扎實，學生普遍對結構化學抱有畏難情緒，在學習過程中產生消極被動心理，教師則為了讓課程內容更好地被學生理解，費盡心思，面面俱到。教師“越俎代庖”的善意“幫助”在無形之中“剝奪”了學生積極主動思考的機會。同時，許多教師在課堂中設計的各種教學活動很難做到以學生為中心，不能有效引領學生進行個性化學習，學生的學習效益大打折扣，因此課堂教學中教師教得費勁，而學生學得差勁。

1.3 政策和資源的不足導致教師自我提升受限

由于內容復雜，教學效果認可度差，普通高校普遍對結構化學課程重視度不夠，課時壓縮嚴重，學校也缺乏相應政策引領，造成教師很難投入時間和精力對其教學模式進行深度探索和研究。教師對專業理論知識的理解和掌握基本通過網絡自學，進行會議探討和學習的機會并不多。但是結構化學理論深度要求高，前沿科技知識發展迅速，教師若缺乏進修和自我提升的機會，很難通過自學將專業理論知識在教學過程中靈活地分享給學生。導致學生學習興趣降低，教師課堂質量也低的尷尬局面。

1.4 重點大學的示范作用并不完全適用普通本科院校的教學

結構化學理論基礎和前沿技術對于進一步接受研究生教育的本科生具有非常重要的引領和示范作用[9]。雖然部分著名高校針對結構化學已經做了積極的教學改革探索，以北京大學周公度教授開設的結構化學國家精品課程為開端，南開、復旦以及廈門大學等都在結構化學教學方面投入了很大的成本和精力。廈門大學進行了慕課堂等教學，南開大學開設了示范性網絡課程建設。然而，普通本科院校的學生生源相對較差。“高數、物理學科幾乎是大部分學生的短板，課程中涉及的高數計算以及物理理論是學生難以克服的困難。導致部分學生基本不能理解和掌握學科內容，考核難以達到培養計劃的要求，迫切需要一種適合自己院校學生特點的教學模式和考核機制。

2 信息技術融入結構化學教學模式改革的內容

基于結構化學在課堂教學中存在的上述問題，當前需要探索一種針對普通本科院校學生的教學模式，逐步形成適合院校特點的教學模式及其考核機制。本研究中我們利用“學習通”平臺進行資源推送、疑難問題解答、課后討論、數據記錄與統計以及過程考核等環節(圖2)，顧及不同學生學習的差異性，使得學生利用信息平臺和相關技術，根據自身情況靈活學習。具體研究內容如下。

圖2 信息技術融入教學的內容

2.1 分享前沿信息，設定預習任務，拓展教學內容

課前學習和了解相關知識，對于課堂教學質量提高具有決定性意義。因此我們團隊成員立足于教學實踐經驗，提前在“學習通”信息平臺分享與課程有關的前沿信息資料，通過精心設計教學方案，設定教學問題，引導學生課前學習和思考，進而在課堂討論中能夠充分發表自己的認識和理解。課前學習中，教師設定的任務需要具有針對性，學生學習后能夠促進其理解和掌握課堂教學內容。我們針對結構化學教材內容設定了對應的預習任務。表1列出了部分示例。

表1 學生需要課前學習和探究的任務

2.2 軟件、微課及遠程視頻等技術應用于課堂教學

為了讓學生更好地理解分子和晶體結構對稱性特點，我們借助Chem3D三維顯示軟件結合3D MAX三維動畫軟件對分子對稱性和晶體點陣理論的相關內容進行動畫演示，將難于理解的需要空間想象力的知識通過動畫形式展示給學生。由于國內南開大學、蘭州大學、廈門大學等學校的精品示范課的視頻可以在線學習，課堂上我們播放其精華部分的視頻，幫助學生更好地理解重點內容。另一方面，針對復雜的數學微積分計算，制作微課推送給學生，方便其理解和掌握。

2.3 試行過程性考核機制，對過程考核環節的數據進行統計分析

我們根據結構化學課程大綱，將考核分為學習筆記、課堂表現、平時作業、綜合性大作業、團隊作業以及階段測試等六部分，按照比例對學生進行過程考核評價。并對考核結果進行統計和分析，評估學生在各個環節付出的時間與收獲的關系，基于分析數據對教學質量進行反思和改進。

3 信息技術融入結構化學教學模式改革的實施過程

根據上述研究內容，我們利用以下信息技術對教學的各個環節進行了精心的設計(圖3)，并在教學中得以實施。

圖3 信息技術實施過程

3.1 利用網絡檢索平臺和“學習通”平臺進行信息檢索和分享，實施教學內容的拓展和深化

本科學生在經歷了高中的題海練習后，對待問題熟悉的方式就是做練習題，通過答案的正確性獲得學習成果的滿足感，大部分學生沒有養成多維度考慮問題的思維。在課前預習環節和課后完成任務環節，教師指定檢索平臺(本校圖書館、知網以及英文數據庫等)，要求學生進行相關資料的檢索，同時將教師積累的有關聯資料在“學習通”平臺分享給學生。通過搜集資料，資料分類，然后基于資料進行討論分析，使學生在感受信息技術帶來的學習體驗的同時逐漸完成對事物現象的感性認識到理性分析的轉變。例如，在講述量子力學基礎原理時，鼓勵學生利用網絡檢索平臺獲得對課本內容多視角的研究報道，培養學生利用信息技術進行自我學習的能力。同時，為了更好督促學生對檢索平臺的應用和學習，在第一章量子力學基礎和第五章配合物結構章節分別布置了兩個小論文要求學生完成，見表2的具體措施。

表2 信息技術融入課堂教學實施的內容

3.2 利用軟件、視頻等多媒體教學進行課堂傳遞，實施課堂教學的趣味性

利用軟件制作技術，將難于理解的需要空間想象力的知識動態地展示給學生，可以使晦澀、枯燥難懂的內容形象化，增強學生的學習興趣，進而積極地參與課堂活動。同時，我們在課堂中調用了蘭州大學李炳瑞教授的部分多媒體制作內容，配合教師啟發和講解，在第四章分子對稱性的內容中，設置學生制作分子立體模型，體驗軟件應用于空間結構的學習內容。在講解分子前線軌道理論時，對廈門大學慕課的精彩視頻進行討論和學習，使學生在掌握課本內容同時，逐漸形成對現象的本質進行探索的科研素養。另外由于原子結構和分子結構的內容中牽扯大量的數學微積分方程計算，課堂時間有限，我們制作了部分數學推導過程的微課，推送給學生幫助其學習和掌握，對于部分數學功底較好的學生，鼓勵其將課后作業完成過程制作成微課在班里進行分享和討論。表2是信息技術融入課堂教學實施的部分內容。

3.3 利用“學習通”平臺進行數據統計和評價，實施教學質量的反思與改進

我們根據結構化學課程大綱將考核分為六部分，分別是學習筆記(10%)，平時作業(10%)，課堂表現(10%)，綜合性大作業(10%)，團隊作業(10%)以及階段測試(期中20%和期末30%)。過程性考核的試行，極大促進了學生平時學習的積極性，體現了“過程決定結果”的正確思想。學期結束設置課后問卷調查，以了解學生對教學模式的反饋。對三屆6個班同學的調查結果顯示：對于傳統課堂授課，78.2%的學生認為課程內容深奧，上課理解程度差，對結構化學學習沒有興趣。而當我們利用信息技術融入課堂教學后，學生學習的積極性得到了極大提高。對于平臺上傳的預習內容、平時作業、難點視頻、推送信息以及討論模塊的點擊率統計發現，90.3%的學生能夠查閱內容和信息，70%以上的學生能夠積極預習、討論問題和完成作業。50%的學生養成了獨立思考的習慣并進行問題咨詢，如圖4所示。

圖4 信息融入課堂過程跟蹤管理統計

圖5是不同教學內容在課堂的占比時間統計，如圖所示在信息技術融入課堂前后，不同內容的授課內容的占比時間發生了明顯變化，基本概念講解的時間明顯降低，主要用在了學生參與的時間上，學生自學后進行總結獲取。特別是學生獨立思考和參與討論的時間明顯提高，分別從原來的2分鐘和10分鐘，增加到10分鐘和15分鐘。教師占用的時間主要是在重點和難點的講解上。圖6展示了教學模式改革中學生在課堂上認真記錄筆記，積極參與課堂討論，以及本學期完成各項任務的統計數據；即設置了53個知識點，平時在線測試共23次，上傳資料15次，考試2次，討論話題35次。然而，在專題討論和小組作業的完成情況中存在一些問題，小部分同學在討論過程以及小組作業中是被動性參與，個別學生無視討論小組作業，完成意愿低。因此需要加強對部分學生的跟蹤，分析其懈怠原因，根據具體情況，制定措施并進一步規范過程考核體系。

圖5 信息技術融入前后課堂占用時間統計

圖6 課堂筆記(左)，課堂參與討論(中)信息平臺的統計數據(右)

4 特色與創新

本研究以信息技術為橋梁，引導學生積極參與課堂活動，實現學生學習的主體地位。使學生體會自我學習過程與實現目標的必然關聯，進而自覺進行自我提高和自我完善。

主要的特色與創新如下：

(1) 引導學生利用信息平臺進行檢索和發現有價值的前沿知識，促使學生注重預習和自我思考的過程，可以培養學生的自主學習能力和知識的情境遷移能力。

(2) 在課堂教學中穿插軟件教學及網絡資源借鑒，實現教學過程的趣味性，形成教師合理引導、學生主動探索的良性教學環境。

(3) 過程性評價與考核機制的推行，為課堂教學改革提供了有力的保障策略，極大地促進了學生的主體地位形成。

5 結語

普通高校專業課程的教學改革是時代發展的必然。如何利用信息技術盡快完成教師和學生在時代發展中的角色轉變，引導學生利用網絡信息技術進行自我學習和自我提升是改革的重要方向。因此，本研究基于結構化學這門具有科技先導基礎理論的專業課教學實踐，以轉變傳統低質量教學模式為目標，進行了一系列教學模式的探索，為普通高校難度較高學科的課堂改革提供借鑒和經驗。