新工科背景下化学信息学课程改革探索

刘 杰①

（淮北师范大学 信息学院，安徽 淮北235000）

0 引言

2017年以来，教育部为主动适应新一轮科技革命，支持产业发展，多次召开研讨会，形成新工科建设的“复旦共识”、“天大行动”，并于2017年6月9日在北京审议通过《新工科研究与实践项目指南》（北京指南）［1］. 社会需求是工科教育发展改革的原动力，新工科建设不仅要根据社会经济发展需求建设新的工科专业，也要对已有的传统工科专业提出新的要求，进行升级改造，融合信息技术，以适应新常态经济发展［2-5］. 互联网技术的迅猛发展使新工科教育着力培养实践能力强、快速学习接受新事物能力强、具备创新能力的复合型人才. 结合工程教育的发展历史，可以推断在新工科内涵转化的过程中，与之对应的工科教学模式也需要做出调整，渗入工程教育改革创新的理念和思路［6-8］.

在新工科背景下，如何对课程进行教学改革已成为研究热点之一. 董桂伟等［9］面向新工科建设内涵，对材料成形等专业的实验教学方法体系和实践进行深入地分析，提出改革思路. 史春薇等［10］设计新工科背景下环境微生物课程实践教学模式，有效激发学生创新积极性，为培养具有环境微生物学知识背景的实践型工程师提供良好平台. 委福祥等［11］认为教学实践环节是培养学生实践能力，提升学生工程素质的主渠道. 这些课程改革，推动人才培养模式的改革和创新，但新工科背景下化学信息学课程改革方面的研究未见报道. 本文基于新工科创新理念，围绕社会需求，采用工程教育专业认证所采用的“OBE”（Outcome-Based Education）方法［12-14］，从完善理论教学内容、创新实践教学模式、强化法制意识、重建教学效果评价体系4个方面探究课程改革. 在应用型本科院校中开展基于新工科创新理念的化学信息学课程改革，对于培养学生敏锐的信息意识和解决实际问题的能力具有重要意义.

1 现阶段教学中存在的问题

化学信息学是利用计算机和网络技术，对化学信息进行表示、管理、分析、模拟和传播，以实现化学信息的提取、转化与共享，揭示化学信息的实质与内在联系的学科，也是涉及化学、计算机、信息学等多学科交叉的一门课程［15-16］，重点培养学生化学信息素养. 化学专业是一门实践性较强的专业，化学信息学课程是基础理论和前沿研究的重要桥梁，也是培养学生依据检索文献分析解决工程实际问题的关键环节.但国内不少大学在设置课程体系时，不重视化学信息学，使其边缘化，致使很多本科生信息意识不强，信息能力不足，不能根据实际工业需求制定高效的检索方案，对已获得的信息亦缺乏科学的判断，在走上工作岗位后往往暴露出不能快速适应新技术改进，对新信息接受缺乏敏感度，创新能力不足，无法根据需求进行应对等. 与新工科人才培养的新理念相比，我国化学信息学课程改革滞后. 基于教育部提出的新工科建设，应满足学生“求知、增能、成才”的需求. 剖析化学信息学课程在教学过程中存在的问题，如，学生学习兴趣缺乏、文献基础薄弱、教学手段单一、传统教育模式弊端等，本研究提出该课程系统改革方案.

1.1 学生信息素养不足

国外学者对信息素质内涵理论研究开始的比较早，其内涵逐渐经历由最初单纯的信息掌握技能到人的整体素质重要层面的演进，以及信息素质重要性被社会广泛认可的发展过程. 我国各高等院校根据我国信息化建设的发展进程，结合社会信息环境状况，围绕信息素质教育的目标，制定切实可行的信息素质教育计划，提高学生信息素质. 由于我国在这方面起步较晚，目前，化学专业本科生信息素质的培养并不理想. 一是体现在学生专业信息意识薄弱，常常只是将百度、谷歌等搜索引擎作为信息源，不会利用图书馆、文献数据库等专业资源检索所需信息，甚至部分学生对文献数据库一无所知，缺乏专业软件应用能力；二是学生信息能力不足，各院校化学专业在课程设置体系方面往往比较注重理论知识的传授，致使学生实践技能教育相对不足，遇到问题不知从何途径识别、获取信息. 信息能力是一种基本的信息素养，是一种在技术层面、操作层面和能力层面上的素养，是个体在主动选择和运用信息及信息手段的基本素质. 培养大学生的信息能力是提高大学生信息素养的关键因素；三是学生信息道德薄弱，对信息的相关法律法规和道德准则不甚了解，同时由于信息道德是网络时代的产物，网络的多元性、开放性和匿名性特点弱化道德的约束力，使得大学生往往存在侥幸心理，有的利用网络窃取个人资料，窥探隐私，有的甚至侵犯他人知识产权.

1.2 课程教学现状不理想

目前各高校普遍对化学信息学课程教学的重视程度不够，首先表现在化学信息学课程没有经典的教材，开设课程的院校一般都是授课教师根据自己对这门课程的把握自行选购教材进行教学，教学内容多侧重于文献检索. 其次，不少院校以选修课的形式开设化学信息学课程，且由于课时等因素的限制，化学信息学的教学基本采用以传统的知识传授模式为主，缺乏实践教学环节，难免会让学生们觉得乏味，没有学习的积极性，这种教学模式导致很多问题的出现，比如教学方法枯燥，缺乏创新性等，阻碍学生的视野，单纯的技巧传授犹如纸上谈兵，使得学生往往学无所得. 化学信息学教学过程不应单纯讲授信息检索的技巧，更多地要结合实例要求学生自己动手实践，利用化学信息找到解决问题的思路，有效培养学生工程实践能力. 最后，很多高校将化学信息学课程放在大四上学期开设，而学生信息素养的培养是潜移默化的长期过程，第七学期开设不利于学生信息素养的培养.

2 新工科背景下课程改革

为适应新工科对人才培养的要求，依据“学生中心、成果导向、持续改进”的国际工程教育专业认证“OBE”理念，结合现阶段教学中存在的问题，本文将对化学信息学课程改革进行探究，更加关注学生学习成效，以提升工程人才培养质量.

2.1 以学生发展为中心，优化更新教学内容

工程教育认证的核心理念与目的是以学生发展为中心，根本目标是为了促进学生能力的培养. 课程教学内容应紧跟时代步伐，及时更新，按“需”优化，体现前沿性和时代性，同时注重学科交叉. 多年来化学信息学教学内容多侧重于化学文献学，讲授内容包括：化学信息检索的基础知识；常用化学数据库检索（国内外）；文献检索与管理软件Endnote，专利文献检索与申请等. 2018 年起根据新工科要求和学生需求，补充化学绘图软件ChemOffice，图片编辑软件Photoshop，数据处理与绘图软件Origin，学位论文撰写、网络信息安全等课程内容. 该内容体系的构建有利于大力推行信息资源的应用，例如要求学生使用专业软件绘制《物理化学》课程中第一热力学定律及应用章节知识点的思维导图，通过电子邮件形式或练习本递交作业；让学生在专业数据库里检索某一化合物的结构与性质、核磁谱图；要求学生使用Scifider提供指定化合物合成路线. 利用这些手段，将化学信息学教学与基础学科理论知识结合起来，在学习过程中给学生充分的探究时间，让其自主思考，帮助学生形成自主实践意识，有利于促进学生发展，还可以为进一步修订课程目标、基本要求、编写教材提供重要支撑，为不同专业学生学习化学信息学提供可供选择的知识库.

2.2 把握新工科发展契机，创新实践教学模式

优秀人才的培养离不开理论知识的传授，也离不开课外实践能力的训练. 我国高等教育教学一直比较重视理论教育，理论课时远大于实践课时，但理论教学与实践教学缺一不可，相互支撑与促进，就需要持续改革人才培养方案，以满足国家经济社会发展需要（如图1所示）.

当前新工科建设赋予高等教育新的历史使命，实践教学环节在工科专业培养体系中占有更加重要的位置. 为响应新工科建设要求，依据各专业特色，重新调整实践环节教学模式，始终把实践教学放在教学工作的突出位置，依据新工科发展需要，完善化学信息学的实践教学模式，共有3个模块组成：

1）基于文献检索的实践模块，该模块实施主要包括两种途径，一是将化合物物理性质和化学性质的查询、有机合成路线的检索融入到于本科生实验中，如苯甲酸，环己烯的制备实验，可以让学生检索提供合成路线，依据化合物性质提出注意事项. 二是指定课题，指导学生检索、阅读文献，鼓励学生以小组形式合作，并将相关内容制作成课件，讲述给同学和教师，预留同学提问和老师指导时间. 该模块设置的目的是为了帮助学生熟练掌握文献检索基础知识和技巧，为后续实践环节的顺利进行打下基础.

2）基于建立“化学信息工作站”的实践模块，尝试让优秀本科生维护“化学信息工作站”的运行. 学校提供建立工作站所需的硬件设备、软件和场地，挑选本科生，配备指导老师，成立工作站运行团队. 该工作站作为学生实践基地，主要开展化学专业软件功能的深度挖掘、网络交流、网络资源的获取与整合、专题讨论、学术沙龙、基于化学信息的实验设计等工作，强化学生自主解决问题的能力；采用教师把握整体，高年级学生指导低年级学生的模式，引导低年级学生逐步建立信息意识，体现阶梯型与传承性，开发学生可持续学习能力和判断思维能力.

3）基于校企合作的实训模块，主要是指校企联合实训环节. 该模块可以通过工程实例，激发学生学习积极性，提升学生工程实践能力，同时也为学生能力展示提供舞台. 例如，与药业合作的克林霉素的合成案例，应用性强，学生对此类型的课题兴趣度比较高，充分调动学生学习积极性. 校企实训平台的搭建，有利于提升学生工程实践创新能力，也可满足学生多模式实践教学的需求，为新工科建设目标的达成奠定良好条件.

图1 实践教学与理论教学的关系

2.3 立德树人，强化法制意识

信息道德是信息素养的保障. 新工科的内涵是以立德树人为引领，强化工科学生家国情怀、法制意识，该模块旨在化学信息学实践教学过程中做到全方位育人，帮助学生树立正确的专业道德观和工程伦理意识. 本科生缺乏法律法规的专业知识，主要是因为没有相关知识的获取渠道. 本课题组将这部分知识纳入到教学中，将德育教育融入人才培养过程. 虽然学时不多，但从多个角度和层面诠释信息道德教育与法制教育. 同时课题组鼓励学生参与课题研究，了解并遵守学术规范，一是可以培养学生精益求精的精神，二是可以提高学生的学术水平和追求.

2.4 重建教学效果评价体系

教学效果的好坏是检验课程改革的主要手段. 传统的教学效果考核方式主要是以闭卷考试为主，试卷内容多为教材上的理论知识点，对学生实践能力考核较少. 这种考核方式不能真实反映教师教学效果以及学生学习效果. 结合以上课程改革内容，建立新工科理念下化学信息学教学效果评价体系. 根据新工科教学理念和社会对人才的需求，化学信息学课程教学效果评价体系围绕“四个维度，八个指标”展开（表1），避免通过单一指标对教学效果进行片面判断. 四个维度是指个人效能、学习能力、学术能力和社会能力. 从表1可以看出，本文所构建的教学效果评价指标体系注重学生实践能力，符合新工科背景下教学思路.

表1 教学效果评价体系

3 课程改革效果

化学信息学课程改革实施方案如图2所示. 首先分析教学现状，依据新工科要求，基于“OBE”理念进行课程改革，根据课程改革效果，持续、有效地对课程教学进行修订反馈. 该课程改革于2018年开始，近2年组织学生对化学信息学“教学满意度”进行调查，结果如表2所示，由表2可知，经过2年的教学改革，学生满意度平均为92.22%，其中化学信息工作站综合素质培养指标分数高于总评，说明学生对工作站比较肯定，给予较高评价. 学生认为，工作站的工作有助于学生在信息的获取、整理、表达的过程中掌握信息技术，增强信息意识，感受信息文化. 课程改革的研究初步进行，课题组将根据学生的反馈信息，逐步完善课程改革内容.

图2 化学信息学课程改革实施方案

表2 教学满意度指标调查表

4 结语

新工科背景下化学信息学课程改革以提升人才培养质量为宗旨，以提高实践创新能力为核心，以理论知识、实践能力、综合素质协调发展为主线，以完善的教学内容和实践平台的搭建为保障，采取多形式教学、多渠道实践的教学模式，取得显著成效. 近2年毕业生的信息意识、实践能力和综合素养得到明显提高，学生满意度和社会满意度显著提高.