大數據時代精細化學品化學課程的教學改革與創新

陶濤　李俊　陳敏東

（南京信息工程大學環境科學與工程學院化學系，南京　210044）

大數據時代精細化學品化學課程的教學改革與創新

陶濤*李俊陳敏東

（南京信息工程大學環境科學與工程學院化學系，南京210044）

以南京信息工程大學應用化學專業本科生精細化學品化學課程的教學改革實踐為基礎，從大數據時代的視角，針對課程體系優化、師資隊伍建設、課程內容創新、教學形式改革等方面進行系統總結，這些教學改革舉措取得了很好的效果。

大數據；應用化學專業；教學改革創新

隨著信息與互聯網技術的快速發展，大數據正以前所未有的方式沖擊著社會的發展和人們的生活。慕課（MOOC）、微課和翻轉課堂方興未艾，并在“互聯網+”的帶動下，不斷地影響著我國高等教育的日常教學工作［1］。然而，一方面一些公眾將化工事故、環境污染歸因于化學產業，從而影響化學化工類專業招生生源；另一方面部分高校重科研而輕教學，使得教學的中心地位不突出。大數據時代的來臨正在影響和滲透著各行各業的發展，傳統的化學教育又當如何應對大數據時代催生的機遇與挑戰，這是高校一線教師和教學管理者不得不面對的一個重要而棘手的課題。本文簡要探討了大數據時代對應用化學本科教學的促進和啟示作用，正是在這種作用下，筆者以精細化學品化學課程為例，總結了課程體系、師資隊伍、課程內容、教學形式等方面進行的教學改革與創新，以期這些實踐做法能夠推廣開來，為新形勢下化學教學的改革工作提供一些參考。

1　大數據時代對應用化學專業教學的促進和啟示作用

大數據是指那些規模大到傳統的數據庫軟件工具已經無法采集、存儲、管理和分析的數據集［2］。但是大數據不是海量數據的簡單疊加，而是量變引起質變，是數據量、數據形態和數據分析處理方式到理念和形態上的重大變革的總和［3］。大數據以迅雷不及掩耳之勢對整個社會產生了革命性的影響，教育作為社會子系統的重要組成部分勢必被波及；作為教育的龍頭，高等教育也會受到大數據應用的深刻影響。

應用化學專業旨在培養具備化學基本理論、基本知識以及較強的實驗技能，能在科研機構、高等學校及企事業單位等從事科學研究、教學工作及管理工作的高級專門人才。然而，長期以來在人才培養實踐中，專業偏重于“應用”則相對忽視了“化學”；專業偏重于“化學”則相對忽視了“應用”，這便陷入了兩難境地。大數據時代促進了應用化學專業教學工作，也使得教育工作者可以跳出兩難境地。大數據時代送來了新的教學模式，如沈永淼等［4］將基于QQ群的翻轉課堂模式應用于大學有機化學課程教學實踐中，提高了學生自主學習和參與討論的積極性，使教師可以更好地掌控教學節奏和效果，從而收到了較好的教學實效。更重要的是，大數據時代送來了新的教學理念，如朱紅等［5］對理科本科生創新能力進行了實證研究，對比得知信息化、多元化、創新性的教學行為對學生創新能力提升具有顯著的正向影響。在這個擁有海量知識的信息時代，新的教學理念對于應用化學專業人才培養具有很好的啟示作用，化學教學不再要求學生面面俱到地學習所有的知識，不再推薦教師講授可以通過信息網絡簡單獲取的知識，而更加強調講解獲取新知識、新技能的途徑，更加關注學生的課堂參與度和自主實驗，更加重視發展精準的個性化教學體系。

正是在大數據時代新的教學模式和理論的促進和啟發下，筆者對南京信息工程大學應用化學專業部分課程進行了改革，現以精細化學品化學課程為例，重點闡述大數據時代化學教師在教學方法上以及學生在學習行為上的改變。

2　精細化學品化學課程體系優化與師資隊伍建設

課程體系包含了課程的主體內容、學時分配、教學模式、應用方向等內容，直接影響到教學的效果。精細化學品化學原是我校應用化學專業精細化工方向的一門選修課，1名教師主講，2學分32學時。精細化學品的開發和生產是化學工業的重要領域，也是培養和體現學生創新能力的重要學科。學生學習和掌握了精細化學品的化學知識后，不僅可勝任已有大中型企業的相關開發研究和營銷工作，而且還可以根據市場和社會對精細化學品的需要，以較小的投資投入創辦具有較好經濟效益的科技型小微企業，這也符合國家“大眾創業、萬眾創新”的倡導。在教學實踐中，筆者發現該門課程與學生的進一步深造、就業和創業息息相關，因此需要有針對性地進行課程改革探索。

2.1優化課程體系

從2006年開始，課程團隊逐步對該課程的課程內容、學時分配、教學模式等進行了大膽創新，目前該課程為應用化學專業和應用化學（國際合作）專業必修課程，3名教師合講，3學分48學時，其中32學時為理論教學，16學時為實驗教學。原先課程體系的設計旨在讓學生知道精細化學品是什么，以及了解具體某個門類的內容。然而，在大數據時代的高等教育，對于這類概述型課程，學生既沒有興趣，也沒有必要花長時間去學習和死記硬背。在該課程的教學實踐中，側重理論基礎教學和問題導向研究，更加突出理論探索的意義；進一步強化學生的實際操作能力，增加了肥皂的制備、雪花膏的制備、洗面奶的制備和固體酒精的制備等綜合性實驗。其中，2013級學生團隊將索氏提取器提取的草本精華液應用于肥皂的制備中，獲得了校大學生創新創業競賽一等獎。本課程教學團隊從理論教學到實驗教學，均主動增加應用事例的講解和應用實例的操作，提高了學生的學習熱情，拓寬了學生知識面，培養了學生綜合運用知識、靈活解決實際問題的能力。

2.2建設師資隊伍

師資隊伍是一門課程的基礎，試問如果授課教師都不能接受大數據，學生又怎么能利用大數據學習呢，又何談課程的大數據改革呢？所以進行大數據時代的課程改革，建設一支具有互聯網思維的教師隊伍至關重要。大數據時代的教學注定是以“學”為中心的，而不是以“教”為中心。當然，這并不是說教不重要，而是教師應以學生為本，教會學生怎么接受與課程有關的數據就顯得至關重要。課程團隊教師認為大數據時代的來臨必然會沖擊化學教學，對于專業人才培養的促進和啟示作用不容忽視，大數據時代應該倡導以學生為本的高互動教學范式（圖1）：（1）無互動，不教學。在大數據時代開展教學，一定要和學生互動交流，沒有互動的課堂，可以一票否決；（2）以學生為本。在大數據時代不再需要學生什么都知道，個個都是學霸，教學做不到、也沒有必要面面俱到，但是重要的思維方法和獲取知識的途徑要反復向學生強調，提倡精準的個性化教育；（3）智能手機輔助課程教學。智能手機和課堂教學并不完全矛盾對立，關鍵在于引導和矯正，在專業課教學中鼓勵教師在課件中插入二維碼，引導學生課后學習，利用智能手機作為學生客戶端進行課件分享、網上答疑、微博評教、微信反饋實驗教學等教學教輔活動。大數據時代給師資隊伍建設提出了新的挑戰，關鍵不僅在教師本身業務能力的高低，而更在于教師是否愿意學習且能夠掌握大數據時代的教學范式。

圖1　大數據時代以學生為本的高互動教學范式

3　精細化學品化學課程內容和教學形式的創新與實踐

傳統的教學模式是教師講、學生聽，這種模式可能會導致學生“課前不預習，上課不積極，課后不復習，考前搞突擊”。所以很多教育工作者詬病其為填鴨式教學。在精細化學品化學課程近十年的創新與實踐中，筆者認為：在大數據時代，課程內容和教學形式本身應該因地制宜，實事求是，以最佳的教學效果為出發點。不管是傳統的教學模式還是新奇的教學模式，都需要學生認可；如果學生不認可，再好的形式都是空談，所以關鍵在于提高教學內容的前瞻性和趣味性。教學內容是教學形式的靈魂，教學形式是教學內容的載體，兩者相輔相成，缺一不可。

3.1創新課程內容

課程內容是一門課程的主體。精細化學品化學課程原先屬于典型的概述型課程，內容龐雜、題材廣泛、易懂難深，共分為精細化學品概念、表面活性劑、石油化學品、藥物與中間體、農藥、染料與顏料、涂料、香料、化妝品、食品添加劑等十幾個章節。之前，教師講解得很辛苦，但是學生的收獲并不大。在大數據時代，這類化學概述課即屬于可以通過信息網絡簡單獲取的知識，所以必須改革課程原有的內容，基于此，課程團隊對課程內容進行重組，深度挖掘教材，激發學生學習興趣，提高學習效果，這些方法可以為同類型化學概論課教學改革提供參考。

3.1.1精講教材重點和難點，提高理論課程的前瞻性和趣味性

將知識要點多、內容程度深的表面活性劑、藥物與中間體、農藥等三章分別選派3名有專業特長的教師進行講授，分別安排在學期初期、中期和末期。在表面活性劑章節中，著重演示表面活性劑的結構，強調肥皂制備的原理，這樣便于后續實驗教學的開展，引申講解快速消費品行業的多品牌戰略；在藥物與中間體章節中，用具體的數據和案例教學重點闡述藥物開發的長期性和復雜性，講解屠呦呦發現青蒿素的歷程，從而以青蒿素的化學合成為切入口，分類介紹主要藥物與中間體的合成工藝；在農藥章節中，以環境保護與農業發展為開篇，簡單介紹“寂靜的春天”和柴靜“穹頂之下”紀錄片，再以問題為導向，強調現代農藥發展的昨天、今天和明天。同時，將近些年發展較快的有機電子材料的內容引入到精細化學品的教學中，豐富了原有的課程內容，提高了教學內容的前瞻性，啟發了學生的思考，也使其了解一些前沿知識，學習熱情高漲。正是由于課程團隊對課程內容進行重組，精講重難點，不再追求面面俱到，給了教師更大的發揮空間。

3.1.2培養學生技能和能力，增強實驗教學的綜合性和創新性

為了有針對性地培養學生的實驗技能，新版精細化學品課程開設了16學時的實驗環節，在實驗的選擇與設計過程中將學生的興趣和課程的重難點結合，增加了肥皂的制備、雪花膏的制備、洗面奶的制備和固體酒精的制備4個綜合性實驗，提供了甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑的合成等創新性實驗。綜合性實驗為必修，由教師提供實驗講義，學生自行設計制備工藝和表征過程，教師在實驗中負責實驗安全培訓、學生答疑和實驗操作評價，不負責實驗講解，剛開始學生不能適應，尤其是沒有預習的學生，教師責令未預習學生離開實驗室，下次再來開展實驗，引起這些學生對于實驗安全和實驗準備的諸多反思。中后期實驗受到學生充分重視，實驗技能和自主實驗能力得到鍛煉。創新性實驗為選修，不計入總學時，由學生課后進行線上慕課學習，教師在場的情況下，學生自主進行實驗，近3年學生選修比例均在60%以上。在實驗進行中，教師會鼓勵學生在實驗安全的前提下，利用智能終端記錄下實驗現象。實驗結束后，學生除了完成實驗報告以外，還需要將自己所做的產品拍照進行分析和反饋，教師逐個進行網絡點評。近幾年，畢業生對于該課程實驗教學內容反響強烈，一些繼續深造的學生表示，自主實驗使他們的科研創新能力和實際動手能力得到培養和提升。

3.2豐富教學形式

教學形式和教學內容密不可分，教學形式是教學內容的載體，并不能完全拋開教學內容空談教學形式。在大數據時代，教師需要掌握更加多元的教學形式為教學服務，如前所述，這樣做不僅能提高學生的課堂參與度，還有利于提升學生的創新能力［5］。教學形式本質上反映的是師生交流與合作的形式，白楊等［6］通過多途徑交流開展物理化學教學給筆者提供了很好的借鑒，除了提問法、作業法等傳統交流形式，在大數據時代還可以通過網絡課堂、微信答疑、合作完成、小組會議等方式進行充分交流。

3.2.1以慕課和翻轉課程為手段，線上學習與線下答疑相結合

該課程組織學生成立學習小組，學生進入慕課共享平臺學習染料、顏料、涂料、香料等內容，慕課具有易于使用、費用低廉、覆蓋人群廣、利于自主學習、學習資源豐富等優點。教師剛開始需要指導學生使用慕課平臺，指定部分學習內容，學生進行個性化學習，可以學習全部內容，也可以只學習本小組指定的內容。每個學習小組集體制作PPT在課程中進行匯報，在準備的過程中如果有疑問可通過微信和QQ群等網絡方式向教師提問，匯報人由課程現場抽簽決定（避免組內學優生包辦，學困生偷懶），匯報人匯報完畢，全組學生回答教師和其他小組學生的提問，教師可以現場糾正學生的講解，也可以幫助該組學生回答問題。慕課的出現與快速發展，正在顛覆并改變著傳統的教學內容和教學模式，本課程采用的是將慕課和翻轉課堂相結合的教學設計，如果部分小組表現不佳，教師可以圍繞必要的重點進行微課式講解，但是在實際教學過程中，教師一節課講解的總時間不宜超過15分鐘。大數據時代化學教師的角色需要轉變，以前教師側重“授業”，而大數據時代教師的重點應逐步轉向“解惑”。

3.2.2以問答式教學方法為導向，不斷豐富師生間互動教學形式

問答法是與大數據時代最契合的教學方法，以問題為導向、以互動為基礎，才能在這個信息爆炸的時代開展好教學，筆者一直倡導“無互動、不教學”的理念。縱觀優秀的微課或者成功的課程導入都有很好或很實際的問題提出，好問題是課程成功的一半。如本課程在講解精細化學品概念的時候，教師就提出一個常見的問題：什么是精細化學品？從而引出精細化學品的定義，闡述該定義是有缺陷的，引出大宗化學品的概念。進一步發問：究竟怎么界定大宗化學品還是精細化學品？并通過具體實例說明該定義本身是相對的，并不是絕對的；用實際的數據證明，有些化工產品原先屬于精細化學品，后來隨著產業發展變為大宗化學品。這樣便將這個概念講深講透，學生的理解水平也得到了提高，不再需要死記硬背。除了傳統的教師問、學生答的提問形式和學生問、教師答的答疑形式以外，學生和學生在課堂上也可以相互提問，甚至是辯論，只有這樣才能不斷豐富師生間互動教學形式。大數據時代化學學科學生的角色也需要轉變，以前學生側重理解和記憶，而大數據時代學生關注的重點應是推理和提問。

3.2.3以多元化考核方式為契機，進一步完善學生成績考核制度

怎樣科學而準確地評價學生是一個難題，大數據時代倡導精準的個性化教學，每個學生學習的內容不盡相同，就使得這個問題難上加難。考核學生的基本原則就是多元化，在貫徹學校教學考核與成績評定規定的基礎上，對學生的考核始終貫穿教學的全過程，主要包括出勤、平時作業、學習小組中的表現、實驗和課程論文等諸多方面。以前教師記錄學生的平時表現只能通過點名冊，大數據時代這一點已經完全改觀，學生的表現可以通過可視化錄播系統和實驗網絡反饋圖文并茂地呈現出來，而且每一個學生的表現都可以通過云盤分享記錄下來，這是多元化考核的基礎。2010年以來，學生的課程論文做到“一人一題”，即每個學生的論文題目均不相同，題目由現場抽簽決定，在教師許可的情況下，學生之間可以自愿交換，但是不能寫指定題目以外的課題。2012年以后，課程團隊討論決定，對總評成績擬得到80分以上的學生需要選修創新性實驗，擬得到90分以上的學生需進行結構化面試環節，也就是說，沒有進行創新實驗和面試的學生最終成績至多為80分，激勵學生追求更高的學習目標。結構化面試分為兩部分：第一部分學生隨機抽取信封里與兩個課程相關的問題回答；第二部分學生事先將自己的課程論文內容制作成PPT，當面向三位授課教師宣讀匯報，由這三名教師進行提問并評定該生成績。經過近幾年的反復實踐證明，該課程得分在90分以上的學生在以后的深造和就業中都表現卓越。究其根由，在學生成績考核制度設計時，課程要求學生不僅需要認真學習規定的內容，還需要具有創新精神和語言表達能力，這才能符合提高人才培養質量的初衷，也才能滿足高校不斷深化內涵發展的要求。

4　小結

大數據時代給高等教育的內涵發展送來了機遇，也提出了新的挑戰。作為普通的教育工作者，筆者在充實應用化學專業教學內容的過程中，充分利用大數據時代的優勢，把精細化學品化學課程教學由傳統的以知識記憶為主逐步改革發展到信息資源的利用和挖掘方面，并以慕課和翻轉課程為抓手，堅持線上學習與線下答疑相結合，堅持理論教學和自主實驗相結合，適度增加精細化學品化學課程的前瞻性和趣味性，不斷豐富教學資源和教學形式，讓教育教學回歸其出發點，全面提高學生的學習技能和學習積極性。當然，課程教學改革研究只有進行時，沒有完成時，需要不斷借鑒教育同行的成功經驗，不斷地學習與提高。

［1］張麗.中國信息技術教育，2016，No.2，98.

［2］肖義平.高教學刊，2016，No.1，54.

［3］屈莉莉，陳燕.教育教學論壇，2014，No.16，57.

［4］蔡佳璐，黃熒倩，葉偉東，沈永淼.大學化學，2015，30（6），7.

［5］朱紅，安棟.教育學術月刊，2016，No.1，81.

［6］白楊，張秀輝.大學化學，2016，31（1），28.

Teaching Reform and Innovation of Chemistry of Fine Chemicals Course in the Age of Big Data

TAO Tao*LI JunCHEN Min-Dong
（Department of Chemistry，School of Environmental Science and Engineering，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，P.R.China）

With the development of information communication technology，the development of higher education has witnessed an unprecedented shock of big data.In this paper，based on the teaching reform practice of chemistry of fine chemicals course for undergraduates in applied chemistry major of Nanjing University of Information Science&Technology，some approaches have been adopted in order to enhance the construction of curriculum system，increase the quality of teachers，improve the frontier and interestingness of the curriculum content and diversify teaching form from a big data perspective，which have achieved the excellent results and progresses.

Big data；Applied chemistry；Teaching reform and innovation

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201601022

，Email:taotao@nuist.edu.cn

國家自然科學基金（21501097）；南京信息工程大學人才啟動基金資助（2014r002）