基于成果导向理念的“计算机与化学”混合式教学模式的实践

尤汀汀，高宇坤，王广胜，鹿现永，殷鹏刚

北京航空航天大学化学学院，北京 100191

加强基础、突出实践、重在素质、面向创新是新时代人才培养的重要目标导向。在此背景下，化学专业学生通常在本科阶段就开始参与科研活动，并在导师指导下完成高质量的毕设研究，越来越多的学生在毕业后会进入高校和研究院所继续深造。因此在本科培养阶段，学生一方面要具备扎实的数理基础和专业的知识技能，另一方面也需要培养与科研工作相关的核心能力和素质，包括基础知识的运用能力，实验数据的解析能力，前沿热点的追踪能力，科研问题的多维度解决能力和创新能力等[1]。前沿文献和化学信息检索以及常用化学、数学软件使用，是解决科研核心能力培养的切实有效的工具。学生一般通过自学、高年级学生传授等手段，实现对于上述工具的掌握。因此普遍存在着化学类专业软件不熟练、检索文献的手段不全面和文字处理能力有限等现象，这对于培养创新性的化学类人才是非常不利的。笔者基于化学类创新性人才培养的需要，开设了“计算机与化学”这门课程，主要讲授化学科研过程中的计算机应用[2]，面向初次接触科研活动或有一定基础的学生实现个性化培养，进一步加强学生运用计算机综合解决化学问题的能力。成果导向教育(OBE,Outcome-Based Education，亦称能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育)[3,4]是目前全球广泛认可的一种先进教育理念，该理念以学习成果或产出为导向，注重学生在经过课程学习后所获得的具体知识和能力，有助于学生形成良好的自主学习习惯，提高主观能动性。基于OBE理念，笔者结合化学专业特点和计算机应用能力培养的专业课程，通过线下和线上混合式教学模式实现综合能力的培养，为毕业设计和后续深造奠定基础。

1 “计算机与化学”课程简介

“计算机与化学”是面向化学和应用化学专业大三学生开设的一门专业必修课程，总课时64学时，其中理论课和实验课各占32学时，主要讲授内容包括信息检索、科研工具和计算化学三个部分，通过讲授专业检索数据库网站(Web of Science和SciFinder等)、文献管理软件、绘图建模软件、数据处理软件、文字处理软件以及计算模拟软件(Materials Studio等)，辅助学生进行从课堂学习向独立科研的角色转换。课程参考最新的线上教学方案[5]，采用线下和线上结合的混合式教学模式，在传统课堂内容的基础上实现从基础知识补充到前沿文献分享的个性化资料推送。

2 成果导向理念的“计算机与化学”教学实践

2.1 多维度教学内容的构筑

多维度的教学内容的构筑，对于学生综合能力培养起到重要作用。基于成果导向理念，“计算机与化学”课程构筑“点线面体”多维度的教学框架，结合新形势下的线上-线下混合教学模式完成整体课程内容设计，该设计能够帮助学生在学习和应用的过程中始终保持知识结构的完整性。在授课过程中，笔者围绕知识点引入短视频、扩展文献和网站等课程资料，将素材与大纲导图相结合，使得学生能够在教学大纲导图上点击具体的知识点观看相应的授课内容，更加切合当代大学生的学习习惯。

基于成果导向理念，笔者进行了“点线面体”多维度教学内容设计，如图1所示。“点”代表一个相对完整独立的知识点或以特定概念为中心的词条解释，例如某个软件或网站可作为一级知识点，其背景信息、基本知识和使用说明为二级知识点，基本知识部分又可划分为文献检索、物质检索、反应检索等三级知识点。通过不断细化和分割，将2个学时的课程拆分为若干个20分钟以下的碎片化教学内容，提高学生对课堂知识的吸收效率。“线”代表具有特定逻辑性的连续授课流程，可以将分散的知识点连接起来，实现不同知识点之间层次关系和逻辑关系的可视化，培养学生的逻辑思维能力和独立学习能力。例如计算化学软件学习中，基本知识部分的三级知识点包括构建模型、设置参数和分析结果，3个知识点的递进顺序体现了计算模拟软件使用过程中的人机关系，从用户输入到机器反馈的完整计算流程和学习思路。“面”代表课程结构的不同区块，分为两个阶段，第一阶段包括信息检索部分和科研工具两个区块，注重教学广度，对相关领域的国内外发展现状进行基本介绍，在此基础上针对代表性网站或软件的基础知识和使用方法进行重点讲解。第二阶段主要为计算化学区块，注重教学深度，内容分为理论方法、计算软件和解决问题等内容，分别介绍计算化学在理论层面、技术层面和应用层面的知识，通过阶梯方式引导学生逐步从技术层面的软件使用向理论层面的算法原理深入，具体内容如表1所示。“体”代表课堂理论知识的综合应用，引入覆盖课程全部内容的论文撰写练习实践，例如根据给定课题或自己感兴趣的研究方向进行文献调研、使用专业检索网站对物质分子和反应进行查询、导入文献列表、规范作图和排版等。通过理论学习与实验操作结合的互动式教学，培养学生查找资料和撰写文献综述的能力、提高毕业论文和科研论文撰写的规范性和图表制作水平。另外也鼓励学生将计算化学部分的教学内容应用到自身的科研工作中，针对实验结果进行简单的模拟计算，将理论化学与解决实际科研问题相结合，学以致用。

图1 “计算机与化学”课程的教学内容

表1 “计算机与化学”理论课内容结构

2.2 成果导向理念的论文撰写综合能力培养

论文撰写能力是化学类本科学生必备的科研能力。化学学院本科毕业生大部分选择继续深造。论文撰写作为主要的科研活动，是化学类本科生培养中的关键环节。在具体的培养过程中，前三年专注于知识结构体系的构建和基础的巩固，第四年的毕业设计环节则需要在此基础上进一步检验学生的实践创新能力。在本科大三下半学期的过渡阶段，除了需要在专业领域扩展视野之外，科研素质的培养同样重要。在毕业设计环节，我们发现有部分学生对基本的科研工具使用还不太熟悉，如文献检索不全面、软件使用生疏、文字处理不规范，计算软件更是几乎没有接触过，影响到正常的课题研究和论文质量。为了进行成果导向的教学，笔者对大三和大四学生就科研中遇到的非科研问题展开调研，如图2所示。

图2 高年级化学类专业学生的计算机软件应用调研反馈

目前已进入课题组参与科研工作的大三学生占比约为53%，意味着有科研经历的学生和没有科研经历的学生约各占一半。笔者对其中已进入课题组参与科研工作的学生进行了调研，希望了解他们在科研工作初期阶段，除科研以外哪些方面比较花费时间。调查结果包括专业文献检索(51%)、作图(13%)、处理数据(62%)、排版(25%)、建模(25%)、学习计算模拟方法(13%)。未来发展意向方面，47%的学生希望继续做科研相关工作，40%的学生表示不确定，但有考研计划。

此外，笔者也对大四学生发放了问卷。关于对科研帮助较大的课程内容，33%的学生选择了信息检索部分，56%的学生表示科研工具部分有较大帮助，11%的学生选择了计算化学部分。毕业设计阶段投入较多时间的项目如专业文献检索(33%)、作图(11%)、处理数据(44%)、排版(44%)、建模(11%)、学习计算模拟方法(44%)。在未来发展意向方面，67%的学生表示希望继续做科研相关工作，22%的学生表示不确定，但准备先攻读研究生。

调研结果指出大部分学生对科研工具部分有一定学习需求，但经过课程学习后，在工具使用过程中仍存在一定问题，这反映了传统课堂的问题和局限性，即学习目标不够明确。笔者基于OBE教育理念，围绕本科生毕业论文和科研论文撰写的具体需求，在实验课中引入了具有预演性质的小型毕业论文撰写环节，作为科研的道路上的第一步，培养学生熟悉科研各个环节的常见工具使用；为有一定科研基础和兴趣的学生提供充分的选题自由，培养学生用计算机做科研的能力，扩展知识储备，提升科研素养，全面调动学生自主学习的主观能动性，并提前为毕业设计环节打好基础，具体内容如表2所示。以论文写作这一具体实践目标为导向的实践形式是笔者一直在探索的实验课形式。文献检索部分培养学生查找资料和撰写文献综述的能力，包括根据给定课题或自己感兴趣的研究方向进行文献调研，撰写论文绪论部分；对课题相关物质分子和反应进行查询，撰写论文实验部分。科研工具部分培养学生规范撰写毕业论文和学术文章的能力，包括使用文献管理软件在绪论和参考文献部分插入相关的文献引用信息；使用绘图建模软件为研究工作绘制相应的示意图；使用数据处理软件对自选数据或给定数据进行作图；以及对论文进行规范排版。计算化学部分鼓励学生将计算化学部分的教学内容应用到毕业论文中，包括根据给定实验数据或自己正在进行的研究课题，进行一些简单的计算模拟和讨论。通过个性化的教学指导和实践内容提高学生的规范写作能力。

表2 “计算机与化学”实验课实践环节

2.3 合理融入课程思政，实现育人和知识传授的统一

课程思政的建设是“计算机与化学”课程授课的助力。习近平总书记强调：“用新时代中国特色社会主义思想铸魂育人，引导学生增强中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信、文化自信，厚植爱国主义情怀，把爱国情、强国志、报国行自觉融入坚持和发展中国特色社会主义事业、建设社会主义现代化强国、实现中华民族伟大复兴的奋斗之中。”在计算化学和国内外软件发展历史的介绍过程中，我们将专业领域发展现况与爱国主义教育结合起来，实现思政进课堂；将科学家们的科研经历和家国情怀与核心价值观结合起来，培养学生正确的世界观、价值观和人生观；将课堂知识讲解与科学思维培养结合起来，实现知识传授和育人功能的统一。笔者在课程讲授中，结合诺贝尔大奖相关内容，对学生进行科学思维的激励。过去，化学家们曾经利用塑料球和小棍来建造分子的模型，实现对化学反应机理的解释。2013年10月9日犹太裔美国理论化学家马丁·卡普拉斯、美国斯坦福大学生物物理学家迈克尔·莱维特及南加州大学化学家亚利耶·瓦谢尔因“开发多尺度复杂化学系统模型方面所做的贡献”获得诺贝尔奖化学奖。三名科学家融合经典物理和量子物理，创造出新方法。比如，模拟一种药物如何作用于人体中特定蛋白质时，电脑用量子物理计算蛋白质内的原子与药物之间的相互作用，用经典物理模拟蛋白质剩余部分。我们通过在课堂上引入国内外著名案例[6]，介绍计算化学领域重大发现的探索过程，了解科学家们的科研经历，有助于激发学生在理论和计算研究方面的兴趣。

2.4 成果导向理念“计算机与化学”混合式教学模式的评价

教学模式评价是课程建设质量的保障。笔者从作图、文献检索、排版、化学检索、数据处理和计算模拟6个方面评价学生对科研工具的掌握程度。图3为2018年(未引入混合式教学模式)和2019年(引入混合式教学模式)的作业优秀率对比。引入混合式教学模式后，作业评判标准不变，Web of Science文献检索和SciFinder化学检索的作业完成效果均好于前期课程，另外学生对于文献排版和作图建模等新接触软件的操作也更加熟练。而在数据处理方面，由于大部分学生对软件较为熟悉，有一定使用基础，因此作业普遍完成度较高，说明我们需要提高相应知识点的学习挑战度。计算模拟方面的对比结果显示教学模式仍有提升空间，需要通过加强课程教学和激发学生兴趣等多个方面培养学生的理论计算能力。教学模式评价的不断改进，建立在及时反馈机制和师生互动的基础上，通过积极听取学生们的意见和建议，课程将根据学生们对专业网站、软件和相关理论的实际熟悉情况调整教学内容和考核方式。

图3 “计算机与化学”课程混合式教学模式前后作业情况对比

3 结语

在OBE教育理念下，科学设置“计算机与化学”课程内容，通过讲授专业文献检索、作图、排版、数据处理和计算模拟等化学科研过程中的计算机应用，以成果为导向的教学模式，让学习的目的性更加明确，形成“学习”与“应用”的良性循环，实现了学生从学习使用科研工具到学会自己独立学习使用科研工具的教学目标，提升了学生主导科研活动的综合能力和规范性，增强了学生面对复杂科研问题时的深度理论分析能力，为创新性的化学类人才培养提供利器，为学生进入国内外知名院校和研究机构开展科研工作打下了良好的基础。