2.成果解决教学问题的方法

2.1面向未来“AI+化学化工”人才培养的教学问题与挑战

受学科特性与认知因素的影响，在化工化学教学中面临诸多挑战。化学化工知识具有高度的抽象性和复杂性，学生的自身知识储备与数字化素养存在差异性，在学习过程中可能会遇到认知障碍，这增加了教学中引入新知识和新技能的难度。从教学层面分析，教学平台、教学资源、教学内容更新慢，知识点与学科前沿和重大应用衔接不够紧密，教学模式、教学方法、教学活动对学生创新思维和实践能力的促进作用有限。综上所述教学中有待解决的三大问题：

问题1_新知识与新技能的更新迭代进程缓慢；

问题2_交叉融合创新能力培养不足；

问题3_科教融汇学以致用能力有待提升。

2.2解决教学问题的总体思路与流程

针对“学科知识”与“数字化素养”跨学科融合培养中的教学问题，总体思路和流程如图1所示。将理论分析和实践研究相融合，厘清跨学科教学与实践育人模式之间的逻辑关系。在实践研究层面，提出构建以数字化素养中“计算思维”为导向的跨学科理论与实践有机融合的育人模式，汇聚数字化资源，融入智慧教学场景，提升数字化教学的育人成效。

基于计算思维导向的数字化素养与学科知识融合培养范式框架

 (1)基于AI_TPACK框架，提升教师自身数字素养。

强教必先强师，将强调技术知识、学科教学知识、教学法知识三者深度融合，充分利用整合AI技术的学科教学知识（AI_TPACK），通过国内外教育教学理论与技术培训，显著提升师资队伍的数字素养和育人能力。

（2）强化AI技术交叉融合，发挥“AI+教育”的育人优势。

将有组织地开展人工智能技术培训引入师资队伍的建设中，提升教师自身的数字化素养和AI技术应用能力，成果完成人与哈工大“仲荣”人工智能青年教师研习班的专家和学者共同研习。通过有组织地研习，加深了对人工智能最前沿技术的了解，使AI技术成为科技创新与教研创新的助手，有效促进了AI与科教的交叉融合，为创建优质数字化教学资源、智慧教学平台、化学AI智能学伴、学科专属模型的优化及“AI+化学”创新应用等提供了AI专业技术保障。

2.3解决教学痛点问题的典型方法

2.3.1教学痛点的解决方案

基于前期教研与实践，将校企合作成果应用于教学创新设计，其总体思路是：借助信息技术，聚焦数智融合，创新教学模式，推动教育数字化应用。解决教学问题的总体设计框架如图1所示, 聚焦数字化时代人才培养的重大需求，基于人才培养目标，针对问题1采取重构教学内容，创设数字化教学资源；针对问题2创新教学活动和实践应用场景，提升师生数字化素养、学生科研兴趣和创新实践能力；针对问题3利用数字技术与资源融合，创新教学模式和育人方式，强化科教融汇，拓展学术资源和交流平台。

图1.解决教学问题的总体设计框架

            基于多平台协同的云环境，创设数字化教学资源和智能化管控资源，重构教学内容，创新教学应用场景和育人模式。教学中聚焦化学学科核心素养，从六个维度：数字素养与学科知识、宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任，提升课程育人成效，利用信息技术更新教育理念，变革教育模式，以教育数字化为突破口，塑造教育发展新优势。

基于MOOC平台、国家虚拟仿真共享平台、超算习堂（EasyHPC）平台（是基于国家高性能计算环境，面向全国广大高校本科生与研究生提供高性能计算优质教育内容的一个在线教育实践平台）多平台，借助信息技术整合多平台资源，自主构建了化学智慧教学空间网站，实现了三平台联动助力实时交互式“教”与“学”，为师生创设优质线上线下融合式“教”与“学”的泛在化教学场景。

图2.基于自主建设的智慧教学平台开展在线实操教学

2.3.2借助数字化技术构建创新学习资源，提升学习成效

将科教融合成果落地实体课堂，重构教学内容，精心打造线上线下教学资源，实现学生异地居家就能用国之重器——天河二号HPC超算资源“充电”和“创新”，并获哈工大在线实验教学优秀案例。尤其在疫情非面对面教学期间该案例获得了显著教学成效；案例注重学生的能力培养，借助智慧教学工具，实现了课堂实时交互，显著提升了学生的课堂参与度和学习兴趣。

课堂互动与研讨展示

人机协同式教学活动与课堂实操展示

2.3.3基于人机双师育人体系，发挥特色资源知识图谱和AI的独特育人功效。

（1）在计算思维导论国家虚拟教研室，大学化学实验虚拟教研室，智慧树平台，科大讯飞平台创建了化工化学类专业术语知识图谱和化学类AI自适应课程4门。《无机化学大学先修课》MOOC和“《微积分与工科专业》——微积分与化学”在“中国大学MOOC”独家上线，《无机化学大学先修课》MOOC被列入我校新生录取通知书中，专供入学前学有余力的大学新生进行选择性学习.

知识图谱与学科专属AI学伴相结合——构建人机师生共同体数字化学习空间

利用AIGC创设化工化学专属课程的AI系列教学工具及应用场景

（2）将教学内容重构，创建了智慧教学资源包，提升了AI辅助教的化学类私域模型的准确度，数字化资源累计服务人数超过20万人次;

（3）创建了“化学课程思政”学思践悟工作室，为立德树人与铸魂育人相结合、为“课程思政”与教学相融合、为在线实验与理论教学相融合的教学模式创新提供资源和素材。

（4）开展“理论+实验+计算”三大思维协同培养的实践实训项目，助力人才培养模式创新与实践，形成了“理论思维+实验思维+计算思维”协同式培养的教学范式，在教学中起到了跨学科培养和提升师生数字化素养的功效。

教学过程的设计实施与评价整体闭环系统的流程图

国家虚拟仿真共享平台——基于“MOOC+SPOC”模式的分子空间构型虚拟仿真和量子化学在线计算实验