打造“理论+实验”金课 科教融合助力化学类课程协同育人模式的创新与实践

一、 成果形成背景

课程是人才培养的核心要素，是落实立德树人根本任务的重要途径。在大学里学生受益最直接、最核心、最显效的也是课程。为了满足目前我国“理论与计算化学”学科发展和人才培养的战略需求，需建设和优化“超算理论＋多学科应用”课程资源，提升学生及从业人员的计算思维和应用研发能力，因此对化学理论和实验教学的传统模式提出了新挑战。

成果完成人均来自哈尔滨工业大学材料化学系（前身为应用化学系基础教研室）的一线主讲教师，包含老中青三代，一直承担着全校四大基础化学课、材料化学专业核心课、物理化学硕士点学位课的主讲任务。经过近10年的教学改革与实践，针对化学学科教学中的痛点问题，围绕化学类课程建设、科教融合方式、信息技术与教学深度融合模式、本硕贯通人才培养方式等方面,开展省部级以上的教学研究10余项，遵循教育教学规律，勇于改革创新，在打造“理论+实验”一流课程、普及化学中的计算思维、在科教融合助力化学类课程协同育人模式创新与实践中获得了显著教学成果，为培养超算应用人才提供了相应资源和教学服务。

成果解决了如下教学问题：

（1）利用信息技术促进“智慧教室+MOOC+虚拟仿真”和超算资源高效利用的策略与方法，借助新型教育技术和科研成果，精心打造了线上“金课”、混合“金课”和虚拟仿真“金课”。

（2）科教融合，更新本科实验内容，解决了传统教学模式“做不到”“做不好”“做不了”的难题，探索如何实现理论教学和实验教学“两翼齐飞”的效果。

（3）创新理论与实验教学模式，激发了教学活力，普及计算思维，满足国家学科发展战略的重大需求，为本研贯通式人才培养营造了良性教学生态环境。

二、 成果主要内容

1.成果内容概要

围绕化学类课程理论与实验教学中的痛点问题，结合人才培养目标，基于“以学生为中心，学生学习成效为驱动”教育理念，坚持立德树人，遵循高等教育教学规律，采取科教融合方式，将国家重点研发计划的技术成果与人才培养和教育教学相融合，将国家学科发展重大战略需求同化学学科核心素养培养及课程思政协同育人有效对接，打造了“线上金课”、“虚拟仿真实验金课”和“线上线下混合金课”；开展“理论+实验”双轮驱动，助力本研贯通培养模式创新与实践，形成了基于“MOOC+SPOC+虚拟仿真”的混合式教学模式，教学中化抽象为具体、化复杂为简单、化深奥为浅显。

“才者，德之资也；德者，才之帅也。”本成果创建了“化学课程思政”学思践悟工作室，承载思政元素和课程思政资源，为立德树人与铸魂育人相结合、为“课程思政”与教学相融合、为培养新时代合格人才提供资源和素材。

运用“MOOC平台+课堂智能终端+智慧教学工具”现代信息技术，打通“课前、课中、课后”各个环节，实现评价反馈实时化、资源推送精准化、教学行为分析精细化，创建了服务于信息化课堂的化学智慧教学空间网站；教学中充分利用“云+端”一体化泛在教学空间，发挥智慧型教室和智慧课堂优势，实现精准教学，提升本硕博人才培养成效。

2.标志性成果概述

（1）获国家精品在线“金课”1门、省级精品在线“金课”2门、省级虚拟仿真“金课”1门、国家虚拟仿真实验教学项目共享平台展示项目2个、省级一流本科专业建设点1个，基于各类金课累计服务人数超过12万人，各类教学奖21项。

 

中国大学慕课平台主讲三门课程（1门国家级线上金课，1门省级线上金课）

虚拟仿真“金课”资源（被省教育厅推荐到教育部认定2019年国家级虚拟仿真项目）

（2）创建化学智慧教学空间网络平台、“化学思政资源”、2门数字化课程，出版教材2部，代表性教学文章20篇，1篇CSSCI论文(信息技术辅助教学活动的模式创新)，2篇教学论文一等奖，3篇核心期刊教学文章；国内重要教学会议受邀发言6次，国内媒体相关报道多次，深受国内同行的广泛认可和好评。

（3）打造了“政治素质过硬、业务能力精湛、育人水平高超”的一线教学师资队伍，成果完成人获省教学新秀1人，校教学名师1人；在本硕博拔尖创新型人才培养方面取得显著成效。

3.解决教学难题所采用的方法

黎乐民院士指出：当前化学正从纯实验科学转向依靠“实验、计算、理论”协同前进的科学。中国超算研发人才具备相当实力,但在超算应用人才方面还存在短板,亟须大力开展高性能计算研发与应用教育，提升学生及从业人员的计算思维、应用研发能力及责任感和使命感。基于此，本成果采取的方法概述如下：

（1）构建线上、混合式“金课”和“化学思政”资源，助推混合式教学改革。

基于学情分析，以本科生第一门化学基础课——无机化学为突破口，构建“互联网+教育”课程新体系，打造“无机化学——化学反应原理”线上金课、“无机化学——物质结构基础”线上金课和“无机化学（IV）”混合式金课。利用“雨课堂”构建“化学课程思政”学思践悟工作室，承载思政元素和课程思政资源，助推混合式教学模式改革。

基于“互联网+教育”将智慧型教室硬件资源与智慧教学工具有机结合，运用“MOOC+课堂智能终端+智慧教学工具”，打通“课前、课中、课后”各个环节，实现评价反馈实时化、资源推送精准化、教学行为分析精细化，全面构建大数据时代信息化课堂的混合式教学模式。

（2）科教融合，构建虚拟仿真“金课”，本研贯通培养，实现协同育人功能。

化学学科核心素养，包括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。化学学科的基本观念之一“结构观”，包括微粒观、相互作用观、分子构型观等，是化学学科认识与表征物质的组成、结构、性质及其转化规律的基本方法。

本成果基于化学学科核心素养的内涵及结构，从知识传授、能力培养、素质提高三方面协同实施，开展“教、学、评”一体化的大规模在线开放实验，依托国家重点研发计划，打造虚拟仿真“金课”资源，满足国家对“理论与计算化学”学科发展战略的重大需求。

利用“云+端”一体化泛在教学空间，发挥智慧型教室和智慧课堂优势，将虚拟仿真与MOOC有效对接，通过虚拟仿真“金课”对接超算应用、算法、系统和硬件等功能性需求，普及计算思维，培养学生化学学科“结构观”，提升本研贯通式人才培养的成效。优化“线上金课”、“虚拟仿真金课”和“线上线下混合金课”的实施方案，获得基于“MOOC+SPOC+虚拟仿真”混合式教学模式的典型教学案例，激发教学活力，总体实施流程如下图所示：

基于“MOOC+SPOC+虚拟仿真”的混合式教学模式实施流程图

（3）利用云技术解决传统教学模式难题，实现理论和实验教学“两翼齐飞”。

基于虚拟化资源划分和隔离技术，设计和构建所需资源，采用C/S架构，将虚拟仿真和量子化学软件安装在“云端服务器”，客户端可操控虚拟实验，实现高效利用国家超算资源，即满足学生对超算软件及编译环境需求，又能为教师生成相应实验所需在线计算资源。

图1为基于国家高性能计算环境的教育实践平台系统架构图，主要基于国家高性能计算环境的软硬件资源，利用基础环境提供的API接口，基于虚拟化技术设计实践环境，构建理论与计算化学实验所需的层次式实训环境。

图1.基于国家高性能计算环境的教育实践平台-超算习堂

图2为线上“金课”与虚拟仿真“金课”双轮驱动理论与实验教学系统的架构示意图，该系统分为三大层：

第一层是客户端浏览器，主要是通过Internet以HTTP方式访问MOOC平台，用户在登录界面输入帐号和密码，进入实验系统。

第二层是Web服务器，其功能是提供Web服务，连接用户与服务器，同时也是仿真软件和量子化学计算程序的载体，为操作软件提供运行环境。Servelet服务程序部署在Web服务器中，并通过它来响应用户请求进行操作。

第三层包括仿真、量化计算应用程序和数据库系统。远程计算系统能同时接受多个用户的数据请求。Servlets通过JDBC来进行数据库操作，通过命令行参数或发送虚拟系统消息来控制计算分析应用程序。

图2.基于Web远程计算系统的技术架构示意图

三、 成果创新点

1.教学方式多样，师生互动便捷，即可在线交流，又能直播互动

本成果可采用线上线下相融合的混合式教学，翻转课堂教学，辅助课堂教学等多种方式。利用“雨课堂”构建 “在线虚拟学习班级”，创设促进学生高参与、深互动、易探究的学习情境。基于MOOC平台和“雨课堂”实现“课前、课中、课后”全程连接师生，学习动态后台数据全覆盖。且可通过MOOC平台的在线直播功能，实现师生直播互动，激发学生参与实验的兴趣，促进学生自主学习。

2.“MOOC+SPOC+虚拟仿真”混合教学，实现“教、学、评”一体化

将虚拟仿真与国家超算及MOOC资源相融合，弥补当前理论与计算化学普遍缺少实验环节的现实问题，可为无机化学、有机化学，结构化学，计算化学等化学类课程提供实验支撑，实现抽象理论教学与在线实验教学无缝衔接，即可学习理论知识，又能在线实验，还能实现“教、学、评”一体化教学功能。基于超算习堂，通过MOOC和SPOC平台，共享实验资源，累计服务人数超过12.0万。

3.借助技术，解决教学痛点，实现协同育人

(1)科教协同，教学相长，实现传统实验难以完成的教学功能。利用国家重点研发科技成果，协同解决超算设备和软件昂贵，实验硬件数量有限的难题，构建虚拟仿真在线实验资源，帮助学生从分子层次上理解化学物质的结构-性能关系，培养和形成化学学科的“结构观”。

(2)突破传统教学的时间和空间限制，随时、随地、任何人，通过手机即可开展在线仿真实验。通过云计算，将实验资源与信息技术深度融合，利用超算和远程服务器集群，把“虚拟仿真软件和量子化学计算实验”搬到了“云端”；通过个人终端，可实现多人同时实验，便于学习者随时随地学习和操作，使教学活动得到了延伸与拓展，既有利于培养学生计算思维，又促进信息技术与实验教学融合。

(3)基于学校云环境开展了基于“MOOC+SPOC”的化学思政教学资源建设，拓展知识阅读、线上研讨、在线单元测试、在线考试、线上互评、教学成效反馈等多元化的教学活动。

四、 成果的推广应用效果

1.“金课”共享范围广，教研成绩斐然，社会影响力显著提升。

(1)线上“金课”累计选课人数超过12.0万，无机化学MOOC单期选课人数最高超过2.4万，课程获化学类教指委及同行专家们的好评和在线用户广泛认可，获教育部在线教育研究中心智慧教学之星、全国高校混合式教学设计创新大赛“设计之星”荣誉称号；在《中国大学教学》、《化学教育》、《实验技术与管理》等权威期刊发表教学文章20余篇。

无机化学-化学反应原理（化学类MOOC单期选课人数最多达24059人）

（2）虚拟仿真“金课”在国家共享平台展示2项，累计浏览量超过2.6万，是我省唯一参评的化学类国家级虚拟仿真“金课”项目。虚拟仿真与MOOC融合，在我校化学类课程的混合式教学中获得了应用，相应教学学术成果被CHED年会、中国化学会学术年会收录，并进行现场学术报告，效果良好，反响强。

在国家共享平台展示的虚拟仿真“金课”项目（累计浏览量达到26563次）

（3）成果主持人在国内重要教学会议大会发言6次，受邀在教育部在线教育研究中心智慧教学研讨会上做主题演讲，在清华大学会场进行了直播，反响强烈。清华大学新闻网，中青在线，中国教育在线，腾讯教育等国内媒体对其进行报道。

智慧教学研讨会主题演讲的现场照片

会场直播及录像播放网址：http://www.xuetangx.com/livecast/live_cast_lecture/livecast-reading/490/

2.教改成效显著，形成了可复制、极具推广价值的教学案例。

（1）基于“MOOC+SPOC+虚拟仿真”混合式教学校内已实施5轮，获省级线上线下精品课程1门。信息技术与教学深度融合，形成了典型教学案例，激发了学生自主学习，金课资源发帖总数累计超过7700次，获黑龙江省在线开放课程优秀教师（最佳互动奖）、高教会优秀教学案例一等奖。“金课”资源在哈尔滨师范大学得到推广和应用，教学成效显著。

（2）教学与考试方法改革成效显著，在哈工大本科化学类课程、研究生高等无机化学、高等物理化学等课程改革和教学实践中得到了推广和实证检验，获得了教学督导组专家和课程学习者的认可和好评，学生评教达到了A和A+，获得教学突出贡献奖和人才培养突出贡献奖4人次。

3.“科教协同，本研贯通”，创新人才培养业绩突出。

（1）经过近10年的教学改革与实践，完成了10项省部级以上教学项目，指导本科生科技创新40余项，教师参加国际教学培训5人次，将新型教学理念和教学技能应用于主讲课程，在课程思政教学竞赛和教学基本功大赛中获得一等奖。

（2）借计算化学教学发力，理论计算与实验相结合，培养学生计算思维、提升科研能力，本硕贯通式人才培养成效显著。基于计算化学思维指导学生发表20余篇SCI高水平文章，获哈工大“十佳研究生团队”、研究生“十佳英才”、哈工大优博论文及全国百篇优博论文提名奖6人次，获省优秀硕士论文、教育部博士生学术新人奖4人次，国际化学创新实验 一等奖1项、二等奖1项。