利用現代網絡信息技術對無機及分析化學教材的數字化改進與教學實踐

王彩琴，銀鵬，張倩(南京林業大學，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著社會的發展進步，日益更新的互聯網和信息技術正深刻地影響著教學模式和教學方法的變革。建立新的教學模式，實現教育現代化和信息化，同時提高學生自主學習的能力和興趣，已成為教育領域發展的一大趨勢。隨著人們對教學過程本質的不斷認識，教學研究的重點也逐步轉移到教學資源的層面上來。聯合國教科文組織曾提出開放教育資源(open educational resource，OER)的概念，即開發免費且公開授權的數字化教育資料，可用于教學、學習、研究等目的。而我國也提出了“中國數字教育2020”行動計劃，印發了《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》[1-2]。這一計劃的提出，標志著教育資源的數字化已成為教育領域的發展趨勢之一。正如哈佛大學教育學家丹尼斯·維德拉所說，“開放教育資源(OER)正在從根本上改變傳統的教科書格局。”

本研究利用現代信息網絡技術，結合Python編程語言，對無機及分析化學基礎課程進行數字化和信息化改進，對一些重點內容以及復雜公式的教學進行了優化和簡化，在實現預期教學目標的同時，顯著提高了教學效果。

1 課程現狀

無機及分析化學課程是無機化學和分析化學互相融合而成的一門課程，為化學類本科專業大學一年級第一學期的化學基礎課程。該課程內容涵蓋化學反應一般原理、化學平衡、定量分析技術、物質結構基礎等，目的是通過該課程的學習使學生掌握最基本的化學原理以及定量分析方法，并能用這些方法觀察、思考和解決實際問題。傳統的無機及分析化學教材內容多，尤其公式推導繁瑣，計算量較大。雖然現有教材經過不斷修正已逐步將現代信息技術引入到課本當中，包括知識拓展、答案解析等，但總體信息化程度仍有待進一步改進。

2 數字化教學資源在無機及分析化學教學中的實踐和應用

2.1 數字化教學資源的內涵

數字化教學資源是指教學資源經過數字化處理之后，以幻燈片、投影、音頻和視頻等形式，通過專題網站、電子郵件、在線論壇、數據庫等多種渠道和方式，在多媒體計算機及網絡環境下運行的多媒體教學材料。由此可見，數字化教學資源是教育信息化和數字化的產物。在實際教學中，傳統的書本文字教材還無法全部摒棄，而是由數字化教學資源與書本文字教材共同構成了現代教育技術環境下的多媒體教材體系。數字化教學資源按功能可分為教學素材和輔助程序兩種。其中，教學素材是指在教學中用到的文字、圖片、動畫以及數字化視頻和音頻等資源，這些教學素材不僅可以展示文字教材中的內容以及和教學相關的輔助內容，教師還可以對部分文字材料進行適當的修改，使之適應自己的教學需求，并能更好地輔助學生進行學習。而輔助程序則用于幫助學生解決某些學習問題，例如對一些比較復雜的計算公式，就可以通過一些計算機編程語言形成相應小程序，使用者只要根據需求輸入已知條件，就可以快速得到計算結果。隨著現代教育技術的不斷發展和數字化教學資源的不斷普及，廣大師生對數字化教學資源的需求也將越來越強烈[3]。由此可見，數字化教學資源的重要性正在不斷提高，而進一步開發和拓展數字化教學資源也將成為數字化教育發展的方向[4-5]。

2.2 數字化教學資源的引入在無機及分析化學教學中的實踐

本研究以無機及分析化學課程為對象，根據該課程內容及特點，利用現代信息網絡技術將現有的無機及分析化學教材重點內容數字化，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，將重要知識點和計算公式信息化、數字化，加強數字化教學資源的應用，建立以教師引導學生自主學習為導向的新型授課體系，最終優化該課程的教學，并為其他化學類理論課程的信息化提供借鑒。

2.2.1 建設基于現代信息網絡及編程技術的數字化教學資源的小程序/代碼

利用現代信息網絡技術將現有的無機及分析化學教材重點內容數字化，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點和計算公式信息化、數字化，加強數字化教學資源的應用。比如，化學熱力學部分對于不同狀態下的物質/離子的熱力學函數，包括標準摩爾生成焓、標準摩爾生成吉布斯函數以及標準熵，數據龐大繁多，其表格長達十三頁(詳見各教材附錄)。學生們在課堂練習中計算某一化學反應的標準摩爾反應焓變時，時常發生看串行的情形，導致最終結果計算錯誤。通過引入Python語言形成相應的小程序，并建立含有不同狀態的物質/離子標準熵、標準摩爾生成焓、標準摩爾生成吉布斯函數值的數據庫，在編輯框中輸入已知條件，即可快速得到計算結果。源代碼如圖1所示。

圖1 計算反應熱的源代碼(部分)

2.2.2 數字化教學資源的引入在無機及分析化學教學中的實踐

通過以上述熱力學函數計算為例的數字化改進，將無機及分析化學教材全面信息化，并引入教學實踐過程中。以計算化學反應的標準摩爾反應焓變為例，學生可以利用電腦進入相應小程序，根據指令在編輯框輸入已知條件(圖2(a))，可快速得到計算結果(圖2(b))。這種數字化教學資源的引入，可充分體現數字化教學資源的優越性，克服了傳統課堂教學的單一模式，又發揮了現代化教學開放、靈活、自由的優點，如圖2所示。

圖2 小程序編輯框、程序運行結果及運行結果放大圖

2.3 基于數字化教學資源引入無機及分析化學課程的教學效果反饋

2.3.1 基于教學效果的問卷調查

對于無機及分析化學課程的教學中引入數字化教學資源的教學效果，筆者主要通過問卷調查和訪談的形式對學生的學習情況進行了研究。根據引入數字化教學資源的大學無機及分析化學課程教學效果的調查問卷，筆者從利用數字化教學資源的學生中隨機選取了100名學生作為問卷調查對象，主要針對學生對于課程學習中引入教學資源數字化的認可度以及他們的學習效果等展開，統計情況如表1所示。

表1 “引入數字化教學資源的教學模式對你學習的影響”情況統計

2.3.2 基于教學效果的訪談結果

基于引入數字化教學資源的無機及分析化學課程教學效果的調查問卷，筆者隨機抽取了其中的5名同學進行個別訪談。訪談中有4名同學表示對無機及分析化學課程中引入數字化教學資源的教學模式非常認同；3名同學表示自己在該教學模式下學習無機及分析化學課程的興趣提高了，很期待每周的無機及分析化學課；3名同學表示在數字化資源模塊的激勵和引導下，他們對知識點的理解和掌握更加牢固和深刻，而且記住知識點比以前輕松了很多。

3 關于充分利用數字化教學資源用于課堂教學的思考

利用數字化教學資源的最根本目的是提高教學質量。通過將教學資源數字化，可解決傳統教材以及教學過程中內容呈現形式單一、過多依賴傳統書本文字教材、無法滿足學生個性化學習需要等弊端[6]。同時，通過基于在無機及分析化學教學中引入數字化教學資源的應用實踐和效果的調查，我們分析了數字化教學資源在課堂教學中的實踐情況，提出如下建議：

(1)加強數字化教學資源建設。本研究中研發的小程序/代碼功能尚不完善，系統性不夠。目前所開發的數字化教學資源只涉及教學過程中的一部分內容，功能的開發也只是側重于計算量較大的幾個知識點，缺乏知識體系的系統性和完善性。數字化教學資源要根據專業培養要求和方案，制定合適的教學大綱，按照教學大綱中的教學目標、內容、要求等，建立更全面的小程序和數據庫以及視頻資源。仍然以無機及分析化學教學為例，對H3PO4溶液中各型體的分布，其計算公式復雜，變量較多，也可開發出相應的公式編輯小程序，使學生能輸入相關變量，即可快速得到H3PO4溶液中相應型體的分布分數。又如，考慮到無機及分析化學是理論學習與實驗相結合的課程，若能有相關實驗的視頻數據庫，在學習相關滴定實驗的理論部分時，讓學生觀看視頻，不僅加深對理論知識的理解，還可提前獲知實驗過程中的注意事項，有助于學生實驗動手能力的提高。

(2)要注意小程序維護和更新，利用現代信息技術，使學生充分利用數字化教學資源。

4 結語

隨著現代信息網絡技術的發展，高校課程教學模式需要積極改革，信息化、數字化手段和教育之間的結合已經成為重要的趨勢。而高校學生的學習自主性更強，建設數字化教學資源的價值將更加突出。本研究以無機及分析化學課程為對象，根據該課程內容及特點，利用現代信息網絡技術將現有的無機及分析化學教材重點內容數字化，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點和計算公式信息化、數字化，加強數字化教學資源的應用，最終優化該課程的教學，賦予全新的教學體驗，最大限度地釋放教與學的能量，并為其他化學類理論課程的信息化提供借鑒。