信息技術輔助教學活動的模式創新

張興文 唐冬雁

摘 要：圍繞化學類課程教學中理論與實驗教學的痛點，闡述采用科教融合方式，將國家重點研發計劃的技術成果與人才培養和教育教學相融合，探索信息技術促進“智慧教室+MOOC+虛擬仿真”和超算資源高效利用的策略，激發教學活力，普及計算思維，創新理論與實驗教學模式，為人才培養營造良性教學生態環境。

關鍵詞：科教融合;信息技術;超算資源;計算思維

一、理論與計算化學教學模式改革的背景

中國超算已走過40年，近年來就有6家國家級超算中心相繼落成;多臺超級計算機已登上世界頂級超算陣容，13次拿下世界第一。但我國在超算應用方面還存在短板，尤其在化學學科及一些關鍵領域的超算應用中，還依賴國外相應軟件，超算應用的發展受到嚴重制約。

為了滿足目前我國“理論與計算化學”學科發展和人才培養的戰略需求，需要大力開展高性能計算研發與應用教育，建設和優化“超算理論+多學科應用”課程資源，促進相關學科間的交叉融合，提升學生及從業人員的計算思維和應用研發能力。這對傳統化學理論與實驗教學模式提出了挑戰。

哈爾濱工業大學與中山大學聯合，針對化學學科理論與計算化學實驗教學中存在的現實問題，采取科教融合方式，將“理論與計算化學實驗”虛擬仿真綜合實訓與“國家高性能計算環境”有效對接，普及化學中的計算思維，培育我國化學軟件新生用戶，滿足國家對理論與計算化學學科發展的需求，為培養超算應用人才提供資源和教學服務。

二、借助信息技術探索解決教學中痛點問題

信息技術與教育教學深度融合的新探索為我國高等教育提供了重大改革機遇。如何遵循教育教學基本規律，建好和用好優質課程資源，解決課堂教學中的痛點，是一線教師必須面對的現實問題。哈爾濱工業大學積極開展在線開放課程建設與應用，鼓勵教師依托教學實踐開展教學研究和改革，解決教學中的痛點和難點。學校在線開放課程總立項數達165門，已上線84門，累計選課566萬人次。筆者以哈爾濱工業大學化學類優質課程資源的建設與應用為例，概述相應的研究與成效，主要包含如下三方面：（1）借助信息技術探索有效推動在線開放課程資源建、用、學的策略和方法，發揮“互聯網+教育”優勢，打造線上“金課”、混合“金課”和虛擬仿真“金課”。（2）解決傳統教學模式中“做不到、做不好、做不了”的痛點問題;將在線開放課程與虛擬仿真實驗有機結合，實現理論教學和實踐實訓教學“兩翼齊飛”的效果。（3）滿足國家“理論與計算化學”學科發展需求，科教融合普及化學中的計算思維，為培養超算應用人才提供資源和教學服務;構建課程思政資源，增強其協同育人功能。

1.構建線上和混合式“金課”

基于學情分析，結合專業人才培養和課程教學目標，遵循教育教學規律，構建與教育現代化相適應的“互聯網+教育”課程體系，推動信息技術與教育教學深度融合。通過實證研究，優化國家“金課”的建、用、學的策略和方法，推進優質課程和虛擬仿真教育資源共享，提高理論與實驗教學質量。

哈爾濱工業大學與中山大學合作，采取科教融合方式，依托國家重點研發計劃“高性能計算”重點專項“基于國家高性能計算環境的HPC教育實踐平臺2.0”，利用“中國大學MOOC”平臺和超算習堂，打造了“無機化學（化學反應原理）”國家精品在線開放課程、“無機化學（物質結構基礎）”省級精品在線開放課程以及“無機化學（IV）”黑龍江省精品線上線下課程。

2.構建虛擬仿真“金課”和“化學課程思政”資源

基于化學學科核心素養的內涵及結構，從知識傳授、能力培養、素質提高三方面協同實施，開展“教、學、評”一體化的大規模在線開放實驗，打造虛擬仿真“金課”資源——基于超算習堂的理論與計算化學實驗虛擬仿真綜合實訓教學項目。

化學學科核心素養包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任。化學學科的基本觀念之一“結構觀”包括微粒觀、相互作用觀、分子構型觀等，是化學學科認識與表征物質的組成、結構、性質及其轉化規律的基本方法。

物質結構理論和分子空間構型是化學類課程教學的難點，主要是因為這部分內容比較抽象。借助虛擬仿真和量子化學計算的手段，可以幫助學生從微觀層次上理解化學物質的結構與性能關系，培養和形成化學學科的“結構觀”，掌握建構模型的思想方法，利用模型建構，化抽象為具體、化復雜為簡單、化深奧為淺顯，促進學生自主學習，解決傳統實驗教學的難題。

智慧型教室硬件資源與智慧教學工具有機結合，充分運用“MOOC+課堂智能終端+智慧教學工具”，打通“課前、課中、課后”各個環節，實現評價反饋實時化、資源推動智能化、教學行為分析精細化，全面構建了大數據時代下信息化課堂的混合式教學模式。基于“雨課堂”構建了“化學課程思政學思踐悟工作室”，以承載思政元素和課程思政資源。

在實施過程中充分利用“云+端”一體化泛在教學空間，發揮智慧型教室和智慧課堂的優勢，提升學生及從業人員的計算思維和應用研發能力。

三、科教融合促進教學模式創新

1.教學平臺的技術特色

在教學中將國家重點研發計劃的技術成果——超算習堂——與化學學科的理論與實驗教學相結合，充分挖掘和發揮信息技術的優勢。針對化學教學中物質結構理論抽象，缺乏實驗教學環節，理論和計算化學實驗軟件和硬件昂貴，并行計算實踐環節相對單薄甚至與教學環節脫節的現實問題，我們基于超算習堂，以開放共享的高性能計算HPC資源為依托，應用虛擬化資源劃分和隔離技術，設計和構建實訓項目所需資源，滿足學生對超級計算機上軟件及編譯環境的需求。在此基礎上，生成相應課程實驗所需的計算和網絡資源，再利用云技術，開展理論與計算化學實驗虛擬仿真綜合實訓教學項目。

超算習堂平臺的技術特色概括如下：

（1）學生隨時隨地在線實驗。學生直接在瀏覽器上進行實驗，界面分為左右兩欄，左欄為實驗操作指南，右欄為真實虛擬機環境。學習者無須配置煩瑣的本地環境，隨時隨地在線使用。

（2）在線實訓快速部署與歸檔。借助虛擬機管理平臺實現多節點實驗服務器快速部署，節約學生安裝實驗環境時間，隨時隨地在線流暢使用，實驗后可保存學生實驗過程資料。

（3）輕松銜接超算服務器設備。支持虛擬化技術，充分利用國家超算資源，打造計算機實驗在線機房。

（4）高仿真在線虛擬實驗環境。軟件安裝和部署使用真機調試，還原與線下實驗相同的操作體驗。

2.教學方法創新

教學方式方法多樣，師生互動便捷，既可在線交流，又能直播互動。本實驗項目可結合理論課程，采用線上線下相融合的混合式教學、翻轉課堂教學、輔助課堂教學等多種方式。利用“雨課堂”構建在線虛擬學習班級，創設促進學生高參與、深互動、易探究的學習情境。基于MOOC平臺和“雨課堂”實現“課前、課中、課后”全貫通，學習動態后臺數據全覆蓋。且可通過MOOC平臺在線直播功能，實現師生直播互動，激發學生參與實驗的興趣，促進學生自主學習。

3.評價體系創新

基于“MOOC+SPOC”，彌補MOOC實驗環節不足，凸顯“教、學、評”一體化。采用“大規模在線開放實驗”模式，將本實驗資源與國家超算及MOOC資源相融合，實現無縫銜接，解決當前理論與計算化學普遍缺少實驗環節的現實問題，可為無機化學、有機化學、結構化學、計算化學等化學類課程提供實驗支撐。基于MOOC平臺，既可學習理論知識，又能開展在線實驗，還能實現“教、學、評”一體化的教學功能。

4.對傳統教學模式的延伸與拓展

在教學中本著“能實不虛，虛實結合”的原則，以學生學習的實際需求為導向，利用虛擬仿真和量子化學計算的手段，解決化學類課程傳統實驗教學中抽象理論難以驗證、量子化學計算軟件以及超級計算設備昂貴、實驗機房計算機數量有限等難題。基于超算習堂將量子化學計算與虛擬仿真有機結合，實現傳統實驗難以完成的教學功能。

通過分子空間構型虛擬仿真和量子化學在線計算實驗，利用模型建構，化抽象為具體、化復雜為簡單、化深奧為淺顯，促進學生自主學習，解決傳統實驗教學的難題，幫助學生從分子層次上理解化學物質的結構與性質關系，培養和形成化學學科的“結構觀”。

科教融合方式實現了實驗資源與信息技術深度融合。通過云計算方式，利用超級計算和遠程服務器集群，把“虛擬仿真軟件和量子化學計算實驗”搬到了“云端”，為學習者解決了軟件使用和硬件維護問題。通過計算機終端或個人手機等多種終端，可實現多人同時實驗，便于學習者隨時隨地學習和操作，使傳統教學的時間和空間得到了延伸與拓展，既培養了學生的計算思維，又促進了信息技術與實驗教學的融合。

5.構建化學智慧教學空間

哈爾濱工業大學化學智慧教學空間既為學生提供相應的智慧教學信息，也為教師提供相應的“化學課程思政”資源載體。其中包括智慧教學的方法、策略、資源，如何打造“金課”、化學之美、備課資源、備課園地等板塊，還有虛擬仿真實驗的在線操作指南等資源均可在此平臺中查閱。

在教學過程中加強課程的思政資源建設。基于信息技術和網絡平臺承載化學思政元素和課程思政資源，主要借助智慧教學工具軟件，利用雨課堂構建化學思政學思踐悟工作室，為科研和教學提供相應的載體。

四、課程教學中的信息技術應用與學習支持

在實施無機化學“線上+線下”混合式教學模式改革過程中，我們以建構主義和聯通主義學習理念為指導，充分利用“中國大學MOOC”提供的平臺功能，構建了無機化學MOOC系列課程，為混合式教學的在線自主學習提供在線教學資源，為“教、學、評”等教學環節提供了平臺支持。

混合式教學中利用網易與高等教育出版社社聯合推出的“云端在線教育平臺”，建設無機化學專屬SPOC在線課程，基于學校云環境開展了基于“MOOC+SPOC”的化學思政教學資源建設，拓展知識閱讀、線上研討、在線單元測試、在線考試、線上互評、教學成效反饋等多元化的教學活動。

借助“智慧教學工具”和“學校云”促進信息技術與教學深度融合，制訂有效的信息化教學策略，形成與教育現代化相適應的“智慧教學工具+在線學習平臺+在線學習資源”線上線下相結合的“教”與“學”資源結構體系及混合式教學案例。該教學案例具有推廣應用價值，獲得中國高等教育學會“信息技術與教學深度融合”課程設計及教學模式創新案例一等獎。

在混合式教學模式的實施過程中，借助信息技術和資源平臺，利用智慧教學工具，實現課前、課中、課后相應教學環節的有機結合和混合式教學過程的全程記錄與監測，顯著提升了教學成效，在教學評價和反饋中發揮了重要作用。

參考文獻：

[1] 唐冬雁，劉志剛，楊玉林，等. 發揮學科特色和優勢 構建化學實踐教學體系[J].中國大學教學，2019（6）：89-92.

[2] 張樹永，朱亞先. 全面理解和落實《化學類專業本科教學質量國家標準》[J]. 中國大學教學，2018（7）：55-58.

[資助項目：黑龍江省高教學會高等教育科學研究“十三五”規劃（重點）課題（16Z003）;哈爾濱工業大學2018年度研究生精品課程培育項目（高等無機化學）;2018年度教學方法與考試方法改革研究項目——基于MOOC平臺和PhET線上互動仿真資源的“虛實結合”教學法的探索與實踐]

[責任編輯：余大品]