利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)對(duì)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教材的數(shù)字化改進(jìn)與教學(xué)實(shí)踐

王彩琴，銀鵬，張倩(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，日益更新的互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)正深刻地影響著教學(xué)模式和教學(xué)方法的變革。建立新的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化和信息化，同時(shí)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和興趣，已成為教育領(lǐng)域發(fā)展的一大趨勢(shì)。隨著人們對(duì)教學(xué)過(guò)程本質(zhì)的不斷認(rèn)識(shí)，教學(xué)研究的重點(diǎn)也逐步轉(zhuǎn)移到教學(xué)資源的層面上來(lái)。聯(lián)合國(guó)教科文組織曾提出開(kāi)放教育資源(open educational resource，OER)的概念，即開(kāi)發(fā)免費(fèi)且公開(kāi)授權(quán)的數(shù)字化教育資料，可用于教學(xué)、學(xué)習(xí)、研究等目的。而我國(guó)也提出了“中國(guó)數(shù)字教育2020”行動(dòng)計(jì)劃，印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》[1-2]。這一計(jì)劃的提出，標(biāo)志著教育資源的數(shù)字化已成為教育領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一。正如哈佛大學(xué)教育學(xué)家丹尼斯·維德拉所說(shuō)，“開(kāi)放教育資源(OER)正在從根本上改變傳統(tǒng)的教科書(shū)格局?！?/p>

本研究利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合Python編程語(yǔ)言，對(duì)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)基礎(chǔ)課程進(jìn)行數(shù)字化和信息化改進(jìn)，對(duì)一些重點(diǎn)內(nèi)容以及復(fù)雜公式的教學(xué)進(jìn)行了優(yōu)化和簡(jiǎn)化，在實(shí)現(xiàn)預(yù)期教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，顯著提高了教學(xué)效果。

1 課程現(xiàn)狀

無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程是無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)互相融合而成的一門(mén)課程，為化學(xué)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)大學(xué)一年級(jí)第一學(xué)期的化學(xué)基礎(chǔ)課程。該課程內(nèi)容涵蓋化學(xué)反應(yīng)一般原理、化學(xué)平衡、定量分析技術(shù)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等，目的是通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握最基本的化學(xué)原理以及定量分析方法，并能用這些方法觀察、思考和解決實(shí)際問(wèn)題。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教材內(nèi)容多，尤其公式推導(dǎo)繁瑣，計(jì)算量較大。雖然現(xiàn)有教材經(jīng)過(guò)不斷修正已逐步將現(xiàn)代信息技術(shù)引入到課本當(dāng)中，包括知識(shí)拓展、答案解析等，但總體信息化程度仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

2 數(shù)字化教學(xué)資源在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐和應(yīng)用

2.1 數(shù)字化教學(xué)資源的內(nèi)涵

數(shù)字化教學(xué)資源是指教學(xué)資源經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理之后，以幻燈片、投影、音頻和視頻等形式，通過(guò)專(zhuān)題網(wǎng)站、電子郵件、在線論壇、數(shù)據(jù)庫(kù)等多種渠道和方式，在多媒體計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行的多媒體教學(xué)材料。由此可見(jiàn)，數(shù)字化教學(xué)資源是教育信息化和數(shù)字化的產(chǎn)物。在實(shí)際教學(xué)中，傳統(tǒng)的書(shū)本文字教材還無(wú)法全部摒棄，而是由數(shù)字化教學(xué)資源與書(shū)本文字教材共同構(gòu)成了現(xiàn)代教育技術(shù)環(huán)境下的多媒體教材體系。數(shù)字化教學(xué)資源按功能可分為教學(xué)素材和輔助程序兩種。其中，教學(xué)素材是指在教學(xué)中用到的文字、圖片、動(dòng)畫(huà)以及數(shù)字化視頻和音頻等資源，這些教學(xué)素材不僅可以展示文字教材中的內(nèi)容以及和教學(xué)相關(guān)的輔助內(nèi)容，教師還可以對(duì)部分文字材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模怪m應(yīng)自己的教學(xué)需求，并能更好地輔助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。而輔助程序則用于幫助學(xué)生解決某些學(xué)習(xí)問(wèn)題，例如對(duì)一些比較復(fù)雜的計(jì)算公式，就可以通過(guò)一些計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言形成相應(yīng)小程序，使用者只要根據(jù)需求輸入已知條件，就可以快速得到計(jì)算結(jié)果。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化教學(xué)資源的不斷普及，廣大師生對(duì)數(shù)字化教學(xué)資源的需求也將越來(lái)越強(qiáng)烈[3]。由此可見(jiàn)，數(shù)字化教學(xué)資源的重要性正在不斷提高，而進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和拓展數(shù)字化教學(xué)資源也將成為數(shù)字化教育發(fā)展的方向[4-5]。

2.2 數(shù)字化教學(xué)資源的引入在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐

本研究以無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程為對(duì)象，根據(jù)該課程內(nèi)容及特點(diǎn)，利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)有的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教材重點(diǎn)內(nèi)容數(shù)字化，并將課程分成不同模塊，引入視頻、代碼或小程序等多種元素，將重要知識(shí)點(diǎn)和計(jì)算公式信息化、數(shù)字化，加強(qiáng)數(shù)字化教學(xué)資源的應(yīng)用，建立以教師引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)為導(dǎo)向的新型授課體系，最終優(yōu)化該課程的教學(xué)，并為其他化學(xué)類(lèi)理論課程的信息化提供借鑒。

2.2.1 建設(shè)基于現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)及編程技術(shù)的數(shù)字化教學(xué)資源的小程序/代碼

利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)有的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教材重點(diǎn)內(nèi)容數(shù)字化，并將課程分成不同模塊，引入視頻、代碼或小程序等多種元素將重要知識(shí)點(diǎn)和計(jì)算公式信息化、數(shù)字化，加強(qiáng)數(shù)字化教學(xué)資源的應(yīng)用。比如，化學(xué)熱力學(xué)部分對(duì)于不同狀態(tài)下的物質(zhì)/離子的熱力學(xué)函數(shù)，包括標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯函數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)熵，數(shù)據(jù)龐大繁多，其表格長(zhǎng)達(dá)十三頁(yè)(詳見(jiàn)各教材附錄)。學(xué)生們?cè)谡n堂練習(xí)中計(jì)算某一化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變時(shí)，時(shí)常發(fā)生看串行的情形，導(dǎo)致最終結(jié)果計(jì)算錯(cuò)誤。通過(guò)引入Python語(yǔ)言形成相應(yīng)的小程序，并建立含有不同狀態(tài)的物質(zhì)/離子標(biāo)準(zhǔn)熵、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯函數(shù)值的數(shù)據(jù)庫(kù)，在編輯框中輸入已知條件，即可快速得到計(jì)算結(jié)果。源代碼如圖1所示。

圖1 計(jì)算反應(yīng)熱的源代碼(部分)

2.2.2 數(shù)字化教學(xué)資源的引入在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐

通過(guò)以上述熱力學(xué)函數(shù)計(jì)算為例的數(shù)字化改進(jìn)，將無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教材全面信息化，并引入教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中。以計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變?yōu)槔?，學(xué)生可以利用電腦進(jìn)入相應(yīng)小程序，根據(jù)指令在編輯框輸入已知條件(圖2(a))，可快速得到計(jì)算結(jié)果(圖2(b))。這種數(shù)字化教學(xué)資源的引入，可充分體現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)資源的優(yōu)越性，克服了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的單一模式，又發(fā)揮了現(xiàn)代化教學(xué)開(kāi)放、靈活、自由的優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 小程序編輯框、程序運(yùn)行結(jié)果及運(yùn)行結(jié)果放大圖

2.3 基于數(shù)字化教學(xué)資源引入無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程的教學(xué)效果反饋

2.3.1 基于教學(xué)效果的問(wèn)卷調(diào)查

對(duì)于無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程的教學(xué)中引入數(shù)字化教學(xué)資源的教學(xué)效果，筆者主要通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和訪談的形式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了研究。根據(jù)引入數(shù)字化教學(xué)資源的大學(xué)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程教學(xué)效果的調(diào)查問(wèn)卷，筆者從利用數(shù)字化教學(xué)資源的學(xué)生中隨機(jī)選取了100名學(xué)生作為問(wèn)卷調(diào)查對(duì)象，主要針對(duì)學(xué)生對(duì)于課程學(xué)習(xí)中引入教學(xué)資源數(shù)字化的認(rèn)可度以及他們的學(xué)習(xí)效果等展開(kāi)，統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 “引入數(shù)字化教學(xué)資源的教學(xué)模式對(duì)你學(xué)習(xí)的影響”情況統(tǒng)計(jì)

2.3.2 基于教學(xué)效果的訪談結(jié)果

基于引入數(shù)字化教學(xué)資源的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程教學(xué)效果的調(diào)查問(wèn)卷，筆者隨機(jī)抽取了其中的5名同學(xué)進(jìn)行個(gè)別訪談。訪談中有4名同學(xué)表示對(duì)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程中引入數(shù)字化教學(xué)資源的教學(xué)模式非常認(rèn)同；3名同學(xué)表示自己在該教學(xué)模式下學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程的興趣提高了，很期待每周的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課；3名同學(xué)表示在數(shù)字化資源模塊的激勵(lì)和引導(dǎo)下，他們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握更加牢固和深刻，而且記住知識(shí)點(diǎn)比以前輕松了很多。

3 關(guān)于充分利用數(shù)字化教學(xué)資源用于課堂教學(xué)的思考

利用數(shù)字化教學(xué)資源的最根本目的是提高教學(xué)質(zhì)量。通過(guò)將教學(xué)資源數(shù)字化，可解決傳統(tǒng)教材以及教學(xué)過(guò)程中內(nèi)容呈現(xiàn)形式單一、過(guò)多依賴(lài)傳統(tǒng)書(shū)本文字教材、無(wú)法滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需要等弊端[6]。同時(shí)，通過(guò)基于在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化教學(xué)資源的應(yīng)用實(shí)踐和效果的調(diào)查，我們分析了數(shù)字化教學(xué)資源在課堂教學(xué)中的實(shí)踐情況，提出如下建議：

(1)加強(qiáng)數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)。本研究中研發(fā)的小程序/代碼功能尚不完善，系統(tǒng)性不夠。目前所開(kāi)發(fā)的數(shù)字化教學(xué)資源只涉及教學(xué)過(guò)程中的一部分內(nèi)容，功能的開(kāi)發(fā)也只是側(cè)重于計(jì)算量較大的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，缺乏知識(shí)體系的系統(tǒng)性和完善性。數(shù)字化教學(xué)資源要根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)要求和方案，制定合適的教學(xué)大綱，按照教學(xué)大綱中的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、要求等，建立更全面的小程序和數(shù)據(jù)庫(kù)以及視頻資源。仍然以無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)為例，對(duì)H3PO4溶液中各型體的分布，其計(jì)算公式復(fù)雜，變量較多，也可開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的公式編輯小程序，使學(xué)生能輸入相關(guān)變量，即可快速得到H3PO4溶液中相應(yīng)型體的分布分?jǐn)?shù)。又如，考慮到無(wú)機(jī)及分析化學(xué)是理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課程，若能有相關(guān)實(shí)驗(yàn)的視頻數(shù)據(jù)庫(kù)，在學(xué)習(xí)相關(guān)滴定實(shí)驗(yàn)的理論部分時(shí)，讓學(xué)生觀看視頻，不僅加深對(duì)理論知識(shí)的理解，還可提前獲知實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，有助于學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的提高。

(2)要注意小程序維護(hù)和更新，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，使學(xué)生充分利用數(shù)字化教學(xué)資源。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，高校課程教學(xué)模式需要積極改革，信息化、數(shù)字化手段和教育之間的結(jié)合已經(jīng)成為重要的趨勢(shì)。而高校學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性更強(qiáng)，建設(shè)數(shù)字化教學(xué)資源的價(jià)值將更加突出。本研究以無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程為對(duì)象，根據(jù)該課程內(nèi)容及特點(diǎn)，利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)有的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教材重點(diǎn)內(nèi)容數(shù)字化，并將課程分成不同模塊，引入視頻、代碼或小程序等多種元素將重要知識(shí)點(diǎn)和計(jì)算公式信息化、數(shù)字化，加強(qiáng)數(shù)字化教學(xué)資源的應(yīng)用，最終優(yōu)化該課程的教學(xué)，賦予全新的教學(xué)體驗(yàn)，最大限度地釋放教與學(xué)的能量，并為其他化學(xué)類(lèi)理論課程的信息化提供借鑒。