張興文 唐冬雁

摘 要：圍繞化學(xué)類課程教學(xué)中理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的痛點(diǎn)，闡述采用科教融合方式，將國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的技術(shù)成果與人才培養(yǎng)和教育教學(xué)相融合，探索信息技術(shù)促進(jìn)“智慧教室+MOOC+虛擬仿真”和超算資源高效利用的策略，激發(fā)教學(xué)活力，普及計(jì)算思維，創(chuàng)新理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為人才培養(yǎng)營造良性教學(xué)生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：科教融合;信息技術(shù);超算資源;計(jì)算思維

一、理論與計(jì)算化學(xué)教學(xué)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(jì)算機(jī)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(yīng)用方面還存在短板，尤其在化學(xué)學(xué)科及一些關(guān)鍵領(lǐng)域的超算應(yīng)用中，還依賴國外相應(yīng)軟件，超算應(yīng)用的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。

為了滿足目前我國“理論與計(jì)算化學(xué)”學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略需求，需要大力開展高性能計(jì)算研發(fā)與應(yīng)用教育，建設(shè)和優(yōu)化“超算理論+多學(xué)科應(yīng)用”課程資源，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科間的交叉融合，提升學(xué)生及從業(yè)人員的計(jì)算思維和應(yīng)用研發(fā)能力。這對傳統(tǒng)化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提出了挑戰(zhàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中山大學(xué)聯(lián)合，針對化學(xué)學(xué)科理論與計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的現(xiàn)實(shí)問題，采取科教融合方式，將“理論與計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)與“國家高性能計(jì)算環(huán)境”有效對接，普及化學(xué)中的計(jì)算思維，培育我國化學(xué)軟件新生用戶，滿足國家對理論與計(jì)算化學(xué)學(xué)科發(fā)展的需求，為培養(yǎng)超算應(yīng)用人才提供資源和教學(xué)服務(wù)。

二、借助信息技術(shù)探索解決教學(xué)中痛點(diǎn)問題

信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的新探索為我國高等教育提供了重大改革機(jī)遇。如何遵循教育教學(xué)基本規(guī)律，建好和用好優(yōu)質(zhì)課程資源，解決課堂教學(xué)中的痛點(diǎn)，是一線教師必須面對的現(xiàn)實(shí)問題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)積極開展在線開放課程建設(shè)與應(yīng)用，鼓勵教師依托教學(xué)實(shí)踐開展教學(xué)研究和改革，解決教學(xué)中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)校在線開放課程總立項(xiàng)數(shù)達(dá)165門，已上線84門，累計(jì)選課566萬人次。筆者以哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)類優(yōu)質(zhì)課程資源的建設(shè)與應(yīng)用為例，概述相應(yīng)的研究與成效，主要包含如下三方面：（1）借助信息技術(shù)探索有效推動在線開放課程資源建、用、學(xué)的策略和方法，發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+教育”優(yōu)勢，打造線上“金課”、混合“金課”和虛擬仿真“金課”。（2）解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中“做不到、做不好、做不了”的痛點(diǎn)問題;將在線開放課程與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)“兩翼齊飛”的效果。（3）滿足國家“理論與計(jì)算化學(xué)”學(xué)科發(fā)展需求，科教融合普及化學(xué)中的計(jì)算思維，為培養(yǎng)超算應(yīng)用人才提供資源和教學(xué)服務(wù);構(gòu)建課程思政資源，增強(qiáng)其協(xié)同育人功能。

1.構(gòu)建線上和混合式“金課”

基于學(xué)情分析，結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)和課程教學(xué)目標(biāo)，遵循教育教學(xué)規(guī)律，構(gòu)建與教育現(xiàn)代化相適應(yīng)的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”課程體系，推動信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合。通過實(shí)證研究，優(yōu)化國家“金課”的建、用、學(xué)的策略和方法，推進(jìn)優(yōu)質(zhì)課程和虛擬仿真教育資源共享，提高理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中山大學(xué)合作，采取科教融合方式，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高性能計(jì)算”重點(diǎn)專項(xiàng)“基于國家高性能計(jì)算環(huán)境的HPC教育實(shí)踐平臺2.0”，利用“中國大學(xué)MOOC”平臺和超算習(xí)堂，打造了“無機(jī)化學(xué)（化學(xué)反應(yīng)原理）”國家精品在線開放課程、“無機(jī)化學(xué)（物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)）”省級精品在線開放課程以及“無機(jī)化學(xué)（IV）”黑龍江省精品線上線下課程。

2.構(gòu)建虛擬仿真“金課”和“化學(xué)課程思政”資源

基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)，從知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高三方面協(xié)同實(shí)施，開展“教、學(xué)、評”一體化的大規(guī)模在線開放實(shí)驗(yàn)，打造虛擬仿真“金課”資源——基于超算習(xí)堂的理論與計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任?；瘜W(xué)學(xué)科的基本觀念之一“結(jié)構(gòu)觀”包括微粒觀、相互作用觀、分子構(gòu)型觀等，是化學(xué)學(xué)科認(rèn)識與表征物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化規(guī)律的基本方法。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和分子空間構(gòu)型是化學(xué)類課程教學(xué)的難點(diǎn)，主要是因?yàn)檫@部分內(nèi)容比較抽象。借助虛擬仿真和量子化學(xué)計(jì)算的手段，可以幫助學(xué)生從微觀層次上理解化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，培養(yǎng)和形成化學(xué)學(xué)科的“結(jié)構(gòu)觀”，掌握建構(gòu)模型的思想方法，利用模型建構(gòu)，化抽象為具體、化復(fù)雜為簡單、化深奧為淺顯，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題。

智慧型教室硬件資源與智慧教學(xué)工具有機(jī)結(jié)合，充分運(yùn)用“MOOC+課堂智能終端+智慧教學(xué)工具”，打通“課前、課中、課后”各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)評價(jià)反饋實(shí)時(shí)化、資源推動智能化、教學(xué)行為分析精細(xì)化，全面構(gòu)建了大數(shù)據(jù)時(shí)代下信息化課堂的混合式教學(xué)模式?；凇坝暾n堂”構(gòu)建了“化學(xué)課程思政學(xué)思踐悟工作室”，以承載思政元素和課程思政資源。

在實(shí)施過程中充分利用“云+端”一體化泛在教學(xué)空間，發(fā)揮智慧型教室和智慧課堂的優(yōu)勢，提升學(xué)生及從業(yè)人員的計(jì)算思維和應(yīng)用研發(fā)能力。

三、科教融合促進(jìn)教學(xué)模式創(chuàng)新

1.教學(xué)平臺的技術(shù)特色

在教學(xué)中將國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的技術(shù)成果——超算習(xí)堂——與化學(xué)學(xué)科的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，充分挖掘和發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢。針對化學(xué)教學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論抽象，缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，理論和計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件和硬件昂貴，并行計(jì)算實(shí)踐環(huán)節(jié)相對單薄甚至與教學(xué)環(huán)節(jié)脫節(jié)的現(xiàn)實(shí)問題，我們基于超算習(xí)堂，以開放共享的高性能計(jì)算HPC資源為依托，應(yīng)用虛擬化資源劃分和隔離技術(shù)，設(shè)計(jì)和構(gòu)建實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目所需資源，滿足學(xué)生對超級計(jì)算機(jī)上軟件及編譯環(huán)境的需求。在此基礎(chǔ)上，生成相應(yīng)課程實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源，再利用云技術(shù)，開展理論與計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目。

超算習(xí)堂平臺的技術(shù)特色概括如下：

（1）學(xué)生隨時(shí)隨地在線實(shí)驗(yàn)。學(xué)生直接在瀏覽器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，界面分為左右兩欄，左欄為實(shí)驗(yàn)操作指南，右欄為真實(shí)虛擬機(jī)環(huán)境。學(xué)習(xí)者無須配置煩瑣的本地環(huán)境，隨時(shí)隨地在線使用。

（2）在線實(shí)訓(xùn)快速部署與歸檔。借助虛擬機(jī)管理平臺實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)服務(wù)器快速部署，節(jié)約學(xué)生安裝實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)間，隨時(shí)隨地在線流暢使用，實(shí)驗(yàn)后可保存學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程資料。

（3）輕松銜接超算服務(wù)器設(shè)備。支持虛擬化技術(shù)，充分利用國家超算資源，打造計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)在線機(jī)房。

（4）高仿真在線虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。軟件安裝和部署使用真機(jī)調(diào)試，還原與線下實(shí)驗(yàn)相同的操作體驗(yàn)。

2.教學(xué)方法創(chuàng)新

教學(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可結(jié)合理論課程，采用線上線下相融合的混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、輔助課堂教學(xué)等多種方式。利用“雨課堂”構(gòu)建在線虛擬學(xué)習(xí)班級，創(chuàng)設(shè)促進(jìn)學(xué)生高參與、深互動、易探究的學(xué)習(xí)情境?；贛OOC平臺和“雨課堂”實(shí)現(xiàn)“課前、課中、課后”全貫通，學(xué)習(xí)動態(tài)后臺數(shù)據(jù)全覆蓋。且可通過MOOC平臺在線直播功能，實(shí)現(xiàn)師生直播互動，激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3.評價(jià)體系創(chuàng)新

基于“MOOC+SPOC”，彌補(bǔ)MOOC實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不足，凸顯“教、學(xué)、評”一體化。采用“大規(guī)模在線開放實(shí)驗(yàn)”模式，將本實(shí)驗(yàn)資源與國家超算及MOOC資源相融合，實(shí)現(xiàn)無縫銜接，解決當(dāng)前理論與計(jì)算化學(xué)普遍缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的現(xiàn)實(shí)問題，可為無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、計(jì)算化學(xué)等化學(xué)類課程提供實(shí)驗(yàn)支撐?；贛OOC平臺，既可學(xué)習(xí)理論知識，又能開展在線實(shí)驗(yàn)，還能實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評”一體化的教學(xué)功能。

4.對傳統(tǒng)教學(xué)模式的延伸與拓展

在教學(xué)中本著“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，以學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際需求為導(dǎo)向，利用虛擬仿真和量子化學(xué)計(jì)算的手段，解決化學(xué)類課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中抽象理論難以驗(yàn)證、量子化學(xué)計(jì)算軟件以及超級計(jì)算設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)機(jī)房計(jì)算機(jī)數(shù)量有限等難題?；诔懔?xí)堂將量子化學(xué)計(jì)算與虛擬仿真有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)功能。

通過分子空間構(gòu)型虛擬仿真和量子化學(xué)在線計(jì)算實(shí)驗(yàn)，利用模型建構(gòu)，化抽象為具體、化復(fù)雜為簡單、化深奧為淺顯，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題，幫助學(xué)生從分子層次上理解化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系，培養(yǎng)和形成化學(xué)學(xué)科的“結(jié)構(gòu)觀”。

科教融合方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)資源與信息技術(shù)深度融合。通過云計(jì)算方式，利用超級計(jì)算和遠(yuǎn)程服務(wù)器集群，把“虛擬仿真軟件和量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)”搬到了“云端”，為學(xué)習(xí)者解決了軟件使用和硬件維護(hù)問題。通過計(jì)算機(jī)終端或個(gè)人手機(jī)等多種終端，可實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)習(xí)者隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和操作，使傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)間和空間得到了延伸與拓展，既培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，又促進(jìn)了信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合。

5.構(gòu)建化學(xué)智慧教學(xué)空間

哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)智慧教學(xué)空間既為學(xué)生提供相應(yīng)的智慧教學(xué)信息，也為教師提供相應(yīng)的“化學(xué)課程思政”資源載體。其中包括智慧教學(xué)的方法、策略、資源，如何打造“金課”、化學(xué)之美、備課資源、備課園地等板塊，還有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的在線操作指南等資源均可在此平臺中查閱。

在教學(xué)過程中加強(qiáng)課程的思政資源建設(shè)?；谛畔⒓夹g(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺承載化學(xué)思政元素和課程思政資源，主要借助智慧教學(xué)工具軟件，利用雨課堂構(gòu)建化學(xué)思政學(xué)思踐悟工作室，為科研和教學(xué)提供相應(yīng)的載體。

四、課程教學(xué)中的信息技術(shù)應(yīng)用與學(xué)習(xí)支持

在實(shí)施無機(jī)化學(xué)“線上+線下”混合式教學(xué)模式改革過程中，我們以建構(gòu)主義和聯(lián)通主義學(xué)習(xí)理念為指導(dǎo)，充分利用“中國大學(xué)MOOC”提供的平臺功能，構(gòu)建了無機(jī)化學(xué)MOOC系列課程，為混合式教學(xué)的在線自主學(xué)習(xí)提供在線教學(xué)資源，為“教、學(xué)、評”等教學(xué)環(huán)節(jié)提供了平臺支持。

混合式教學(xué)中利用網(wǎng)易與高等教育出版社社聯(lián)合推出的“云端在線教育平臺”，建設(shè)無機(jī)化學(xué)專屬SPOC在線課程，基于學(xué)校云環(huán)境開展了基于“MOOC+SPOC”的化學(xué)思政教學(xué)資源建設(shè)，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(xué)成效反饋等多元化的教學(xué)活動。

借助“智慧教學(xué)工具”和“學(xué)校云”促進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，制訂有效的信息化教學(xué)策略，形成與教育現(xiàn)代化相適應(yīng)的“智慧教學(xué)工具+在線學(xué)習(xí)平臺+在線學(xué)習(xí)資源”線上線下相結(jié)合的“教”與“學(xué)”資源結(jié)構(gòu)體系及混合式教學(xué)案例。該教學(xué)案例具有推廣應(yīng)用價(jià)值，獲得中國高等教育學(xué)會“信息技術(shù)與教學(xué)深度融合”課程設(shè)計(jì)及教學(xué)模式創(chuàng)新案例一等獎。

在混合式教學(xué)模式的實(shí)施過程中，借助信息技術(shù)和資源平臺，利用智慧教學(xué)工具，實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合和混合式教學(xué)過程的全程記錄與監(jiān)測，顯著提升了教學(xué)成效，在教學(xué)評價(jià)和反饋中發(fā)揮了重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐冬雁，劉志剛，楊玉林，等. 發(fā)揮學(xué)科特色和優(yōu)勢 構(gòu)建化學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系[J].中國大學(xué)教學(xué)，2019（6）：89-92.

[2] 張樹永，朱亞先. 全面理解和落實(shí)《化學(xué)類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2018（7）：55-58.

[資助項(xiàng)目：黑龍江省高教學(xué)會高等教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃（重點(diǎn)）課題（16Z003）;哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年度研究生精品課程培育項(xiàng)目（高等無機(jī)化學(xué)）;2018年度教學(xué)方法與考試方法改革研究項(xiàng)目——基于MOOC平臺和PhET線上互動仿真資源的“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)法的探索與實(shí)踐]

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