信息技术融入结构化学课堂教学的模式探索

周彩华，邓玲娟，陈佑宁，张君才

咸阳师范学院化学与化工学院，陕西 咸阳 712000

在信息技术飞速发展的时代，以多媒体计算机与网络通信为标志的信息技术与人们的工作、学习与生活密不可分，在众多领域产生了革命性影响。在教育领域，信息化技术增加了新的内容以及新的知识传播形式，同时，也引起了教育结构和方式的巨大变化，几百年的教育制度正在受到严峻挑战。信息技术对教育领域的影响具体表现在三个方面：1) 对教学模式的影响。信息技术的发展打破了教师的主体地位，提出以学生为主体、以培养学生自主学习和解决实际问题的能力为目标；2) 对教育组织形式的影响。信息技术使得学生学习条件不受时间和空间限制，但是网络信息过于庞杂和无序，需要教师对学习内容和学生的自觉性进行引导；3) 教学方法的影响。多媒体、远程网络、人工智能等日新月异的信息技术对教学手段的影响最为明显，课堂教学手段的多样化促进了学生的学习兴趣，提高了教学过程的便捷，同时也严峻考验着教师的综合教学能力和学生的消化接受能力。因此信息技术并不能自觉地对教育领域的问题进行革新和完善。例如，十年前美国的教育计划通过大量数据和实践分析得出：信息技术在全世界教育领域的应用成效并不显著，教育界只是将信息技术应用于改进教学手段这类“渐进式的修修补补”上，没有触及“教育系统的结构性变革”[1-3]。“学校教育系统结构性变革”的基本内涵就是要实现课堂教学模式的根本变革。而“课堂教学模式的变革”是指通过将信息技术有效地融合于各学科的教学过程来营造一种信息化教学环境，实现一种既能充分发挥教师主导作用又能突出体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的新型教与学方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使传统的“以教师为中心”的教学模式转变为“主导与主体相结合”的教学模式[4-6]。

1 结构化学传统教学模式中存在的问题

多年来，作为化学专业的一门必修专业课，结构化学除了复杂和深奥的课本内容给教师的教与学生的学带来的挑战，还有资源利用和政策引领等方面的误区共同制约着结构化学课堂的教学质量，可以用如图1所示的四个方面进行概括。

图1 结构化学教学中的问题

1.1 结构化学课程理论的难度与挑战

结构化学是一门以量子力学思维为主的课程。既需要无机化学、有机化学、物理化学等基础学科理论的支撑，又需要借助高等数学和前沿化学技术作为工具，通过量子力学理论来探讨分子结构和化学反应变化中的微观状态和趋势。课程重在培养学生诠释化学实验现象和规律，及其推理未知化学合成和变化趋势的思维和方法[7,8]；与此同时，该课程具有内容广泛、理论抽象、学科交叉频繁、前沿信息发展迅速等多方面的特点。因此，系统而全面地进行结构化学教学对教师具有一定的挑战性，需要不停地进行自我学习和自我提高。与此同时，掌握结构化学基础理论并应用其解决问题需要学生倾注精力刻苦学习，也同样具有挑战性。

1.2 学生的学与教师的教的矛盾

“教”与“学”是教学工作的两个基本面，二者是彼此联系、相辅相成的。然而，由于普通本科院校学生专业基础和学科交叉知识不扎实，学生普遍对结构化学抱有畏难情绪，在学习过程中产生消极被动心理，教师则为了让课程内容更好地被学生理解，费尽心思，面面俱到。教师“越俎代庖”的善意“帮助”在无形之中“剥夺”了学生积极主动思考的机会。同时，许多教师在课堂中设计的各种教学活动很难做到以学生为中心，不能有效引领学生进行个性化学习，学生的学习效益大打折扣，因此课堂教学中教师教得费劲，而学生学得差劲。

1.3 政策和资源的不足导致教师自我提升受限

由于内容复杂，教学效果认可度差，普通高校普遍对结构化学课程重视度不够，课时压缩严重，学校也缺乏相应政策引领，造成教师很难投入时间和精力对其教学模式进行深度探索和研究。教师对专业理论知识的理解和掌握基本通过网络自学，进行会议探讨和学习的机会并不多。但是结构化学理论深度要求高，前沿科技知识发展迅速，教师若缺乏进修和自我提升的机会，很难通过自学将专业理论知识在教学过程中灵活地分享给学生。导致学生学习兴趣降低，教师课堂质量也低的尴尬局面。

1.4 重点大学的示范作用并不完全适用普通本科院校的教学

结构化学理论基础和前沿技术对于进一步接受研究生教育的本科生具有非常重要的引领和示范作用[9]。虽然部分著名高校针对结构化学已经做了积极的教学改革探索，以北京大学周公度教授开设的结构化学国家精品课程为开端，南开、复旦以及厦门大学等都在结构化学教学方面投入了很大的成本和精力。厦门大学进行了慕课堂等教学，南开大学开设了示范性网络课程建设。然而，普通本科院校的学生生源相对较差。“高数、物理学科几乎是大部分学生的短板，课程中涉及的高数计算以及物理理论是学生难以克服的困难。导致部分学生基本不能理解和掌握学科内容，考核难以达到培养计划的要求，迫切需要一种适合自己院校学生特点的教学模式和考核机制。

2 信息技术融入结构化学教学模式改革的内容

基于结构化学在课堂教学中存在的上述问题，当前需要探索一种针对普通本科院校学生的教学模式，逐步形成适合院校特点的教学模式及其考核机制。本研究中我们利用“学习通”平台进行资源推送、疑难问题解答、课后讨论、数据记录与统计以及过程考核等环节(图2)，顾及不同学生学习的差异性，使得学生利用信息平台和相关技术，根据自身情况灵活学习。具体研究内容如下。

图2 信息技术融入教学的内容

2.1 分享前沿信息，设定预习任务，拓展教学内容

课前学习和了解相关知识，对于课堂教学质量提高具有决定性意义。因此我们团队成员立足于教学实践经验，提前在“学习通”信息平台分享与课程有关的前沿信息资料，通过精心设计教学方案，设定教学问题，引导学生课前学习和思考，进而在课堂讨论中能够充分发表自己的认识和理解。课前学习中，教师设定的任务需要具有针对性，学生学习后能够促进其理解和掌握课堂教学内容。我们针对结构化学教材内容设定了对应的预习任务。表1列出了部分示例。

表1 学生需要课前学习和探究的任务

2.2 软件、微课及远程视频等技术应用于课堂教学

为了让学生更好地理解分子和晶体结构对称性特点，我们借助Chem3D三维显示软件结合3D MAX三维动画软件对分子对称性和晶体点阵理论的相关内容进行动画演示，将难于理解的需要空间想象力的知识通过动画形式展示给学生。由于国内南开大学、兰州大学、厦门大学等学校的精品示范课的视频可以在线学习，课堂上我们播放其精华部分的视频，帮助学生更好地理解重点内容。另一方面，针对复杂的数学微积分计算，制作微课推送给学生，方便其理解和掌握。

2.3 试行过程性考核机制，对过程考核环节的数据进行统计分析

我们根据结构化学课程大纲，将考核分为学习笔记、课堂表现、平时作业、综合性大作业、团队作业以及阶段测试等六部分，按照比例对学生进行过程考核评价。并对考核结果进行统计和分析，评估学生在各个环节付出的时间与收获的关系，基于分析数据对教学质量进行反思和改进。

3 信息技术融入结构化学教学模式改革的实施过程

根据上述研究内容，我们利用以下信息技术对教学的各个环节进行了精心的设计(图3)，并在教学中得以实施。

图3 信息技术实施过程

3.1 利用网络检索平台和“学习通”平台进行信息检索和分享，实施教学内容的拓展和深化

本科学生在经历了高中的题海练习后，对待问题熟悉的方式就是做练习题，通过答案的正确性获得学习成果的满足感，大部分学生没有养成多维度考虑问题的思维。在课前预习环节和课后完成任务环节，教师指定检索平台(本校图书馆、知网以及英文数据库等)，要求学生进行相关资料的检索，同时将教师积累的有关联资料在“学习通”平台分享给学生。通过搜集资料，资料分类，然后基于资料进行讨论分析，使学生在感受信息技术带来的学习体验的同时逐渐完成对事物现象的感性认识到理性分析的转变。例如，在讲述量子力学基础原理时，鼓励学生利用网络检索平台获得对课本内容多视角的研究报道，培养学生利用信息技术进行自我学习的能力。同时，为了更好督促学生对检索平台的应用和学习，在第一章量子力学基础和第五章配合物结构章节分别布置了两个小论文要求学生完成，见表2的具体措施。

表2 信息技术融入课堂教学实施的内容

3.2 利用软件、视频等多媒体教学进行课堂传递，实施课堂教学的趣味性

利用软件制作技术，将难于理解的需要空间想象力的知识动态地展示给学生，可以使晦涩、枯燥难懂的内容形象化，增强学生的学习兴趣，进而积极地参与课堂活动。同时，我们在课堂中调用了兰州大学李炳瑞教授的部分多媒体制作内容，配合教师启发和讲解，在第四章分子对称性的内容中，设置学生制作分子立体模型，体验软件应用于空间结构的学习内容。在讲解分子前线轨道理论时，对厦门大学慕课的精彩视频进行讨论和学习，使学生在掌握课本内容同时，逐渐形成对现象的本质进行探索的科研素养。另外由于原子结构和分子结构的内容中牵扯大量的数学微积分方程计算，课堂时间有限，我们制作了部分数学推导过程的微课，推送给学生帮助其学习和掌握，对于部分数学功底较好的学生，鼓励其将课后作业完成过程制作成微课在班里进行分享和讨论。表2是信息技术融入课堂教学实施的部分内容。

3.3 利用“学习通”平台进行数据统计和评价，实施教学质量的反思与改进

我们根据结构化学课程大纲将考核分为六部分，分别是学习笔记(10%)，平时作业(10%)，课堂表现(10%)，综合性大作业(10%)，团队作业(10%)以及阶段测试(期中20%和期末30%)。过程性考核的试行，极大促进了学生平时学习的积极性，体现了“过程决定结果”的正确思想。学期结束设置课后问卷调查，以了解学生对教学模式的反馈。对三届6个班同学的调查结果显示：对于传统课堂授课，78.2%的学生认为课程内容深奥，上课理解程度差，对结构化学学习没有兴趣。而当我们利用信息技术融入课堂教学后，学生学习的积极性得到了极大提高。对于平台上传的预习内容、平时作业、难点视频、推送信息以及讨论模块的点击率统计发现，90.3%的学生能够查阅内容和信息，70%以上的学生能够积极预习、讨论问题和完成作业。50%的学生养成了独立思考的习惯并进行问题咨询，如图4所示。

图4 信息融入课堂过程跟踪管理统计

图5是不同教学内容在课堂的占比时间统计，如图所示在信息技术融入课堂前后，不同内容的授课内容的占比时间发生了明显变化，基本概念讲解的时间明显降低，主要用在了学生参与的时间上，学生自学后进行总结获取。特别是学生独立思考和参与讨论的时间明显提高，分别从原来的2分钟和10分钟，增加到10分钟和15分钟。教师占用的时间主要是在重点和难点的讲解上。图6展示了教学模式改革中学生在课堂上认真记录笔记，积极参与课堂讨论，以及本学期完成各项任务的统计数据；即设置了53个知识点，平时在线测试共23次，上传资料15次，考试2次，讨论话题35次。然而，在专题讨论和小组作业的完成情况中存在一些问题，小部分同学在讨论过程以及小组作业中是被动性参与，个别学生无视讨论小组作业，完成意愿低。因此需要加强对部分学生的跟踪，分析其懈怠原因，根据具体情况，制定措施并进一步规范过程考核体系。

图5 信息技术融入前后课堂占用时间统计

图6 课堂笔记(左)，课堂参与讨论(中)信息平台的统计数据(右)

4 特色与创新

本研究以信息技术为桥梁，引导学生积极参与课堂活动，实现学生学习的主体地位。使学生体会自我学习过程与实现目标的必然关联，进而自觉进行自我提高和自我完善。

主要的特色与创新如下：

(1) 引导学生利用信息平台进行检索和发现有价值的前沿知识，促使学生注重预习和自我思考的过程，可以培养学生的自主学习能力和知识的情境迁移能力。

(2) 在课堂教学中穿插软件教学及网络资源借鉴，实现教学过程的趣味性，形成教师合理引导、学生主动探索的良性教学环境。

(3) 过程性评价与考核机制的推行，为课堂教学改革提供了有力的保障策略，极大地促进了学生的主体地位形成。

5 结语

普通高校专业课程的教学改革是时代发展的必然。如何利用信息技术尽快完成教师和学生在时代发展中的角色转变，引导学生利用网络信息技术进行自我学习和自我提升是改革的重要方向。因此，本研究基于结构化学这门具有科技先导基础理论的专业课教学实践，以转变传统低质量教学模式为目标，进行了一系列教学模式的探索，为普通高校难度较高学科的课堂改革提供借鉴和经验。