新工科背景下化學信息學課程改革探索

劉 杰①

（淮北師范大學 信息學院，安徽 淮北235000）

0 引言

2017年以來，教育部為主動適應新一輪科技革命，支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展，多次召開研討會，形成新工科建設的“復旦共識”、“天大行動”，并于2017年6月9日在北京審議通過《新工科研究與實踐項目指南》（北京指南）［1］. 社會需求是工科教育發(fā)展改革的原動力，新工科建設不僅要根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展需求建設新的工科專業(yè)，也要對已有的傳統(tǒng)工科專業(yè)提出新的要求，進行升級改造，融合信息技術，以適應新常態(tài)經(jīng)濟發(fā)展［2-5］. 互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展使新工科教育著力培養(yǎng)實踐能力強、快速學習接受新事物能力強、具備創(chuàng)新能力的復合型人才. 結合工程教育的發(fā)展歷史，可以推斷在新工科內(nèi)涵轉化的過程中，與之對應的工科教學模式也需要做出調(diào)整，滲入工程教育改革創(chuàng)新的理念和思路［6-8］.

在新工科背景下，如何對課程進行教學改革已成為研究熱點之一. 董桂偉等［9］面向新工科建設內(nèi)涵，對材料成形等專業(yè)的實驗教學方法體系和實踐進行深入地分析，提出改革思路. 史春薇等［10］設計新工科背景下環(huán)境微生物課程實踐教學模式，有效激發(fā)學生創(chuàng)新積極性，為培養(yǎng)具有環(huán)境微生物學知識背景的實踐型工程師提供良好平臺. 委福祥等［11］認為教學實踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生實踐能力，提升學生工程素質(zhì)的主渠道. 這些課程改革，推動人才培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新，但新工科背景下化學信息學課程改革方面的研究未見報道. 本文基于新工科創(chuàng)新理念，圍繞社會需求，采用工程教育專業(yè)認證所采用的“OBE”（Outcome-Based Education）方法［12-14］，從完善理論教學內(nèi)容、創(chuàng)新實踐教學模式、強化法制意識、重建教學效果評價體系4個方面探究課程改革. 在應用型本科院校中開展基于新工科創(chuàng)新理念的化學信息學課程改革，對于培養(yǎng)學生敏銳的信息意識和解決實際問題的能力具有重要意義.

1 現(xiàn)階段教學中存在的問題

化學信息學是利用計算機和網(wǎng)絡技術，對化學信息進行表示、管理、分析、模擬和傳播，以實現(xiàn)化學信息的提取、轉化與共享，揭示化學信息的實質(zhì)與內(nèi)在聯(lián)系的學科，也是涉及化學、計算機、信息學等多學科交叉的一門課程［15-16］，重點培養(yǎng)學生化學信息素養(yǎng). 化學專業(yè)是一門實踐性較強的專業(yè)，化學信息學課程是基礎理論和前沿研究的重要橋梁，也是培養(yǎng)學生依據(jù)檢索文獻分析解決工程實際問題的關鍵環(huán)節(jié).但國內(nèi)不少大學在設置課程體系時，不重視化學信息學，使其邊緣化，致使很多本科生信息意識不強，信息能力不足，不能根據(jù)實際工業(yè)需求制定高效的檢索方案，對已獲得的信息亦缺乏科學的判斷，在走上工作崗位后往往暴露出不能快速適應新技術改進，對新信息接受缺乏敏感度，創(chuàng)新能力不足，無法根據(jù)需求進行應對等. 與新工科人才培養(yǎng)的新理念相比，我國化學信息學課程改革滯后. 基于教育部提出的新工科建設，應滿足學生“求知、增能、成才”的需求. 剖析化學信息學課程在教學過程中存在的問題，如，學生學習興趣缺乏、文獻基礎薄弱、教學手段單一、傳統(tǒng)教育模式弊端等，本研究提出該課程系統(tǒng)改革方案.

1.1 學生信息素養(yǎng)不足

國外學者對信息素質(zhì)內(nèi)涵理論研究開始的比較早，其內(nèi)涵逐漸經(jīng)歷由最初單純的信息掌握技能到人的整體素質(zhì)重要層面的演進，以及信息素質(zhì)重要性被社會廣泛認可的發(fā)展過程. 我國各高等院校根據(jù)我國信息化建設的發(fā)展進程，結合社會信息環(huán)境狀況，圍繞信息素質(zhì)教育的目標，制定切實可行的信息素質(zhì)教育計劃，提高學生信息素質(zhì). 由于我國在這方面起步較晚，目前，化學專業(yè)本科生信息素質(zhì)的培養(yǎng)并不理想. 一是體現(xiàn)在學生專業(yè)信息意識薄弱，常常只是將百度、谷歌等搜索引擎作為信息源，不會利用圖書館、文獻數(shù)據(jù)庫等專業(yè)資源檢索所需信息，甚至部分學生對文獻數(shù)據(jù)庫一無所知，缺乏專業(yè)軟件應用能力；二是學生信息能力不足，各院校化學專業(yè)在課程設置體系方面往往比較注重理論知識的傳授，致使學生實踐技能教育相對不足，遇到問題不知從何途徑識別、獲取信息. 信息能力是一種基本的信息素養(yǎng)，是一種在技術層面、操作層面和能力層面上的素養(yǎng)，是個體在主動選擇和運用信息及信息手段的基本素質(zhì). 培養(yǎng)大學生的信息能力是提高大學生信息素養(yǎng)的關鍵因素；三是學生信息道德薄弱，對信息的相關法律法規(guī)和道德準則不甚了解，同時由于信息道德是網(wǎng)絡時代的產(chǎn)物，網(wǎng)絡的多元性、開放性和匿名性特點弱化道德的約束力，使得大學生往往存在僥幸心理，有的利用網(wǎng)絡竊取個人資料，窺探隱私，有的甚至侵犯他人知識產(chǎn)權.

1.2 課程教學現(xiàn)狀不理想

目前各高校普遍對化學信息學課程教學的重視程度不夠，首先表現(xiàn)在化學信息學課程沒有經(jīng)典的教材，開設課程的院校一般都是授課教師根據(jù)自己對這門課程的把握自行選購教材進行教學，教學內(nèi)容多側重于文獻檢索. 其次，不少院校以選修課的形式開設化學信息學課程，且由于課時等因素的限制，化學信息學的教學基本采用以傳統(tǒng)的知識傳授模式為主，缺乏實踐教學環(huán)節(jié)，難免會讓學生們覺得乏味，沒有學習的積極性，這種教學模式導致很多問題的出現(xiàn)，比如教學方法枯燥，缺乏創(chuàng)新性等，阻礙學生的視野，單純的技巧傳授猶如紙上談兵，使得學生往往學無所得. 化學信息學教學過程不應單純講授信息檢索的技巧，更多地要結合實例要求學生自己動手實踐，利用化學信息找到解決問題的思路，有效培養(yǎng)學生工程實踐能力. 最后，很多高校將化學信息學課程放在大四上學期開設，而學生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)是潛移默化的長期過程，第七學期開設不利于學生信息素養(yǎng)的培養(yǎng).

2 新工科背景下課程改革

為適應新工科對人才培養(yǎng)的要求，依據(jù)“學生中心、成果導向、持續(xù)改進”的國際工程教育專業(yè)認證“OBE”理念，結合現(xiàn)階段教學中存在的問題，本文將對化學信息學課程改革進行探究，更加關注學生學習成效，以提升工程人才培養(yǎng)質(zhì)量.

2.1 以學生發(fā)展為中心，優(yōu)化更新教學內(nèi)容

工程教育認證的核心理念與目的是以學生發(fā)展為中心，根本目標是為了促進學生能力的培養(yǎng). 課程教學內(nèi)容應緊跟時代步伐，及時更新，按“需”優(yōu)化，體現(xiàn)前沿性和時代性，同時注重學科交叉. 多年來化學信息學教學內(nèi)容多側重于化學文獻學，講授內(nèi)容包括：化學信息檢索的基礎知識；常用化學數(shù)據(jù)庫檢索（國內(nèi)外）；文獻檢索與管理軟件Endnote，專利文獻檢索與申請等. 2018 年起根據(jù)新工科要求和學生需求，補充化學繪圖軟件ChemOffice，圖片編輯軟件Photoshop，數(shù)據(jù)處理與繪圖軟件Origin，學位論文撰寫、網(wǎng)絡信息安全等課程內(nèi)容. 該內(nèi)容體系的構建有利于大力推行信息資源的應用，例如要求學生使用專業(yè)軟件繪制《物理化學》課程中第一熱力學定律及應用章節(jié)知識點的思維導圖，通過電子郵件形式或練習本遞交作業(yè)；讓學生在專業(yè)數(shù)據(jù)庫里檢索某一化合物的結構與性質(zhì)、核磁譜圖；要求學生使用Scifider提供指定化合物合成路線. 利用這些手段，將化學信息學教學與基礎學科理論知識結合起來，在學習過程中給學生充分的探究時間，讓其自主思考，幫助學生形成自主實踐意識，有利于促進學生發(fā)展，還可以為進一步修訂課程目標、基本要求、編寫教材提供重要支撐，為不同專業(yè)學生學習化學信息學提供可供選擇的知識庫.

2.2 把握新工科發(fā)展契機，創(chuàng)新實踐教學模式

優(yōu)秀人才的培養(yǎng)離不開理論知識的傳授，也離不開課外實踐能力的訓練. 我國高等教育教學一直比較重視理論教育，理論課時遠大于實踐課時，但理論教學與實踐教學缺一不可，相互支撐與促進，就需要持續(xù)改革人才培養(yǎng)方案，以滿足國家經(jīng)濟社會發(fā)展需要（如圖1所示）.

當前新工科建設賦予高等教育新的歷史使命，實踐教學環(huán)節(jié)在工科專業(yè)培養(yǎng)體系中占有更加重要的位置. 為響應新工科建設要求，依據(jù)各專業(yè)特色，重新調(diào)整實踐環(huán)節(jié)教學模式，始終把實踐教學放在教學工作的突出位置，依據(jù)新工科發(fā)展需要，完善化學信息學的實踐教學模式，共有3個模塊組成：

1）基于文獻檢索的實踐模塊，該模塊實施主要包括兩種途徑，一是將化合物物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的查詢、有機合成路線的檢索融入到于本科生實驗中，如苯甲酸，環(huán)己烯的制備實驗，可以讓學生檢索提供合成路線，依據(jù)化合物性質(zhì)提出注意事項. 二是指定課題，指導學生檢索、閱讀文獻，鼓勵學生以小組形式合作，并將相關內(nèi)容制作成課件，講述給同學和教師，預留同學提問和老師指導時間. 該模塊設置的目的是為了幫助學生熟練掌握文獻檢索基礎知識和技巧，為后續(xù)實踐環(huán)節(jié)的順利進行打下基礎.

2）基于建立“化學信息工作站”的實踐模塊，嘗試讓優(yōu)秀本科生維護“化學信息工作站”的運行. 學校提供建立工作站所需的硬件設備、軟件和場地，挑選本科生，配備指導老師，成立工作站運行團隊. 該工作站作為學生實踐基地，主要開展化學專業(yè)軟件功能的深度挖掘、網(wǎng)絡交流、網(wǎng)絡資源的獲取與整合、專題討論、學術沙龍、基于化學信息的實驗設計等工作，強化學生自主解決問題的能力；采用教師把握整體，高年級學生指導低年級學生的模式，引導低年級學生逐步建立信息意識，體現(xiàn)階梯型與傳承性，開發(fā)學生可持續(xù)學習能力和判斷思維能力.

3）基于校企合作的實訓模塊，主要是指校企聯(lián)合實訓環(huán)節(jié). 該模塊可以通過工程實例，激發(fā)學生學習積極性，提升學生工程實踐能力，同時也為學生能力展示提供舞臺. 例如，與藥業(yè)合作的克林霉素的合成案例，應用性強，學生對此類型的課題興趣度比較高，充分調(diào)動學生學習積極性. 校企實訓平臺的搭建，有利于提升學生工程實踐創(chuàng)新能力，也可滿足學生多模式實踐教學的需求，為新工科建設目標的達成奠定良好條件.

圖1 實踐教學與理論教學的關系

2.3 立德樹人，強化法制意識

信息道德是信息素養(yǎng)的保障. 新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領，強化工科學生家國情懷、法制意識，該模塊旨在化學信息學實踐教學過程中做到全方位育人，幫助學生樹立正確的專業(yè)道德觀和工程倫理意識. 本科生缺乏法律法規(guī)的專業(yè)知識，主要是因為沒有相關知識的獲取渠道. 本課題組將這部分知識納入到教學中，將德育教育融入人才培養(yǎng)過程. 雖然學時不多，但從多個角度和層面詮釋信息道德教育與法制教育. 同時課題組鼓勵學生參與課題研究，了解并遵守學術規(guī)范，一是可以培養(yǎng)學生精益求精的精神，二是可以提高學生的學術水平和追求.

2.4 重建教學效果評價體系

教學效果的好壞是檢驗課程改革的主要手段. 傳統(tǒng)的教學效果考核方式主要是以閉卷考試為主，試卷內(nèi)容多為教材上的理論知識點，對學生實踐能力考核較少. 這種考核方式不能真實反映教師教學效果以及學生學習效果. 結合以上課程改革內(nèi)容，建立新工科理念下化學信息學教學效果評價體系. 根據(jù)新工科教學理念和社會對人才的需求，化學信息學課程教學效果評價體系圍繞“四個維度，八個指標”展開（表1），避免通過單一指標對教學效果進行片面判斷. 四個維度是指個人效能、學習能力、學術能力和社會能力. 從表1可以看出，本文所構建的教學效果評價指標體系注重學生實踐能力，符合新工科背景下教學思路.

表1 教學效果評價體系

3 課程改革效果

化學信息學課程改革實施方案如圖2所示. 首先分析教學現(xiàn)狀，依據(jù)新工科要求，基于“OBE”理念進行課程改革，根據(jù)課程改革效果，持續(xù)、有效地對課程教學進行修訂反饋. 該課程改革于2018年開始，近2年組織學生對化學信息學“教學滿意度”進行調(diào)查，結果如表2所示，由表2可知，經(jīng)過2年的教學改革，學生滿意度平均為92.22%，其中化學信息工作站綜合素質(zhì)培養(yǎng)指標分數(shù)高于總評，說明學生對工作站比較肯定，給予較高評價. 學生認為，工作站的工作有助于學生在信息的獲取、整理、表達的過程中掌握信息技術，增強信息意識，感受信息文化. 課程改革的研究初步進行，課題組將根據(jù)學生的反饋信息，逐步完善課程改革內(nèi)容.

圖2 化學信息學課程改革實施方案

表2 教學滿意度指標調(diào)查表

4 結語

新工科背景下化學信息學課程改革以提升人才培養(yǎng)質(zhì)量為宗旨，以提高實踐創(chuàng)新能力為核心，以理論知識、實踐能力、綜合素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展為主線，以完善的教學內(nèi)容和實踐平臺的搭建為保障，采取多形式教學、多渠道實踐的教學模式，取得顯著成效. 近2年畢業(yè)生的信息意識、實踐能力和綜合素養(yǎng)得到明顯提高，學生滿意度和社會滿意度顯著提高.