高等物理化学线上线下混合教学模式

来源：职称阁分类：教育论文时间：2019-09-20 09:51热度：

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高等物理化学线上线下混合教学模式

　　关键词：高等物理;教学

　　一、引言

　　近年来，慕课(MOOC，MassiveOpenOn-lineCourses)、微课(Micro-lecture)、SPOC(SmallPrivateOnlineCourse)和翻转课堂(FlippedClassroom)等多种新型教育模式在世界范围内迅速兴起[1]。2015年国家教育部启动了高等学校在线开放课程的建设工作[2]。为支持高校开展在线开放课程的建设和应用，2016年教育部相继出台相关政策文件指导高等学校制定配套政策及开展校际课程认定和学分认定[3-4]。当今的数字化时代对高等教育教学提出了新的要求，所应用的教学模式都已经由传统的课堂教学转为线上、线下相结合的混合式教学，基于此，对教学模式、教学方法和教学内容进行改革迫在眉睫。习近平在北京大学师生座谈会上谈到，“随着信息化不断发展，知识获取方式和传授方式、教和学关系都发生了革命性变化”。高等教育改革既不能简单否定传统模式，也不能拒绝新技术、新科技的使用，而应该把传统学习模式的优势和网络学习模式的优势结合起来，发挥各自的长处，即线上线下两种资源相结合的学习模式[5]。

　　在这种模式下，既可以发挥教师在教学过程中的引导、启发与监督的主导作用，又能保障学生在学习过程中的主体性，真正实现由以教师“教”为中心，转为以学生“学”为中心[6-7]。因此，这种线上线下相结合的创新学习模式既有利于发挥传统模式在知识讲授的系统性等方面的优势，又有利于通过新技术、新科技调动学生的学习积极性，以学生为中心开展教学活动，从而充分保证教学效果与教学目标的实现[8-9]。物理化学课程是高等院校化学类和近化学类专业的基础必修课程，而高等物理化学是浙江大学化学系教学委员会为优化本科生培养方案而进行的教学改革课程。作为专业加深课程的高等物理化学，既能为一些有较强潜力、希望进一步提高的本科生提供了深入学习的机会，又是物理化学方向研究生的学位课程。本课程对量子化学和统计力学的基本理论以及在化学中的应用进行了较为全面的介绍，使同学们理解相应的理论基础、具体应用以及发展中面临的问题，从而将对物质世界的微观理解和宏观测量联系起来。由于这门课理论性较强，多年教学实践发现，教学效果不理想。多数学生感觉难学，一是因为其中数学推导多、没有直观结果;二是理论语言与实验语言有距离，学生有畏难情绪，更谈不上运用所学知识解决具体化学问题，我们分析造成此现象的根源是理论与应用脱节。

　　在传统的化学教学中，教师多用比喻、实物分子模型等方法对分子进行展示和讲解。这种教学方法虽然可以使学生学到一些化学知识，但对化学知识的理解主要停留在记忆层次上，对化学知识抽象原理的进一步深入理解存在困难。为培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，将知识、能力、素质有机融合，改变传统的教育模式，引入新的教学理念，将对化学课程的发展、化学教学的改革及学生创新能力的培养起到推动作用[6]40。面对此现状，浙江大学化学系顺应教学体制的改革，开设专业加深课程高等物理化学，在教学设计上引入实例教学，使其与理论达到1∶1并重，并采用线上与线下混合的教学模式，优化课堂设计。此教学模式为学生提供了运用知识解决问题的机会，提高了学生的学习热情和解决问题的能力，达到学以致用的目的，是提升化学专业人才培养的新举措。

　　二、线上线下混合创新模式

　　(一)数字化教材准备

　　为适应数字化时代下新的教学形式的要求，课程组编写了适用于线上教学的数字化教材《高等物理化学实习讲义》[10]，并于2018年8月由高等教育出版社出版。此数字化教材是与高等物理化学课程的理论部分相匹配的实习部分，是任课教师基于多年的科研成果，经过精心整理和凝练，并吸取国内外类似教材的优点编写而成。本教材包含目前应用广泛的12个教学实例，其中包括7个量子化学范畴的实例、5个统计力学范畴的实例，涵盖了从电子尺度、分子及分子聚集体尺度到生物大分子体系跨尺度的仿真模拟实习，不但涉及了模型的构建、分子光谱、化学反应机理探讨，液体微观结构、动力学性质和热力学常数的计算，而且包括蛋白质的分子识别、药物的靶向运输及分子自组装等涉及物质科学的结构和性能等多方面的热点问题。采用的方法有量子力学方法和密度泛函理论(DFT方法)、分子动力学方法(MD)、拉伸分子动力学方法(SMD)、反应分子动力学方法(RxMD)以及粗粒度模拟的方法(CG)。本教材的特色是在每一章节的右上方都有一个二维码，学生通过扫描二维码即可进行线上学习，观看每一个实例操作的具体过程。此实例是理论知识的具体应用，较全面地介绍了物质不同尺度下应用广泛的计算化学实例，每个实例既包括应用背景、主流软件介绍，又有使用方法和具体仿真实习的步骤，可操作性强，适用于化学、材料、化工、高分子、生物、医药和环境等专业，可供不同层次的教学要求进行选择。

　　(二)学习内容设计

　　改革后的高等物理化学课程分为理论与实习两部分，共计96学时。优化后的课堂设计是在完成相应的理论教学后立即引入实例教学，使其与理论达到1∶1并重，穿插进行，交替展开。理论部分为线下课堂教学，由任课教师根据教学大纲分别进行量子化学部分与统计力学部分的授课，以知识体系及框架的构建、教学重点、难点的讲解为核心。

　　理论授课之后立即跟进课堂线上教学的实习环节，此环节为学生提供了运用所学知识解决具体化学问题的平台，既有利于学生理解并掌握理论知识，也有利于培养学生运用知识解决有针对性问题的能力。实例的设计则为理论部分的具体应用，实现了线上与线下知识点的衔接，是知识转化为能力的具体体现。学生通过扫描数字教材上相应内容的二维码即可随时观看实例的完成过程，内容包括实例的具体实施步骤(如构建模型、编写力场文件、创建脚本、提交作业、数据传输等)与结果分析，供学生预习、回顾和检验。课堂上，学生仍采用线上模式完成实例的具体演练，而主讲教师负责引导、启发和指导解决演练操作中遇到的具体问题。

　　线上与线下教学模式的有机融合如图1所示:线下课堂完成理论知识的教授，包括知识体系及框架的构建和重点难点的讲解。完成每一个知识点的理论授课之后，立即跟进具体应用实例演练的课堂教学，为学生提供运用所学知识解决具体问题的机会。课堂教学的前期与后期还通过线上平台帮助师生完成预习、复习及答疑环节。通过此教学设计，有利于学生对重点、难点知识的理解与掌握，培养了学生解决问题的能力。线上教学依赖高教出版社提供的教学平台，我们利用该平台为学生提供课程视频、课件和测试题。学生实例演练的线上平台则依赖于浙江大学化学系自行搭建的计算工作站。学生通过这些线上平台进行预习、复习、作业提交、演练、平时测试与期末考试等互动活动，线上与线下学习时间比例约为3∶2，此教学设计确保实现了由以教师“教”为中心转为以学生“学”为中心，调动了学生的学习热情，激发了学生学习的兴趣，保证了教学效果。

　　(三)学习效果考核

　　由于引入了线上学习资源，高等物理化学线上线下相结合创新学习模式的学习效果考核便可采用多元评价的方式。所谓多元评价方式是指课程的考核并不仅仅依赖于单一的终结性评价，而是加入了形成性评价的因素，并且两种评价方式都涵盖了线上和线下两种方式。具体说，终结性评价包括线下课程平时成绩、期末考试。形成性评价包括线下课堂表现及线上实例操作的完成情况。平时成绩是以课后习题和实例演练为主要内容的平时作业和课堂实例测试。线上实例操作完成情况以实习报告的形式呈现。而实习报告是学生必须在线上完成相应的任务后，将实习的目标、实施方案、具体步骤和计算结果进行统计与分析后整合完成的。期末考试也是由理论和上机实习两部分组成，进行线上和线下相结合的闭卷考试。其中理论部分占40%，上机实习部分占60%。

　　考场上学生可先进行线上实习的考试内容，根据结果将答案写在试卷上，监考教师在线检查和监督学生线上任务提交的过程，并与试卷答案相结合，评定出实习部分的最终得分。在线上结果计算的过程中，学生可以进行线下理论部分的答题。终结性课程考核是实习与理论部分最终得分的总和。这种多元的学习效果考核方式可以全面考核学生在整个课程学习过程中的学习效果，更能切实培养学生解决实际问题的动手能力，有利于调动学生学习的积极性及参与性，确保了学生在学习过程中的主体性。

　　三、总结

　　线上、线下相结合的混合式教学方式的出现，是信息化时代发展的必然结果。实践结果表明，出版的数字化《高等物理化学实习讲义》更加符合当今数字化社会的发展趋势，学生对依托此教材引入实例教学开展的线上线下混合教学模式的接受程度较高，充分体现了以学生为中心的学习理念。与传统的学习模式相比，在高等物理化学课程线上线下相结合的创新学习模式中网络平台发挥了优势，极大地提高了学习效率及学习的有效性，确保了学生在学习过程中的主体性，从而达到满意的教学效果。

　　作者：刘迎春王琦王林军单位：浙江大学化学系

文章名称：高等物理化学线上线下混合教学模式

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