本项目的主要目的在于基于构建主义教育理论和多元教育理论，综合运用形成性和结果性评价，以虚拟仿真实验深度学习为载体，培养学生的学习力、思考力和发展力，尤其是以LIC和STE@M为代表的核心科学素养。LIC是指以逻辑(Logical)、独立(Independent)与批判性(Critical)思维，STE@M即在数学(Mathematics)的指导下建立对科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)知识的深度理解，或以数学为基础的科学与技术解决工程领域问题的综合能力与素养。为达到上述目的，在本虚拟仿真实验教学中我们应用了P³OBE教学法、SC@O教学法和试错法等先进教学手段。各教学法的概述和使用目的如下：

（1） P³OBE教学法： P³OBE教学法是我们为结构化学课程群量身打造的特色教学法，是任务驱动式教学法、项目式教学法、研讨教学法的集大成者，也是我们探索践行以化学学科理论基础（基本理论、知识与技能）的深度教学过程为载体，培养学生辨证唯物主义世界观，逻辑、独立与批判性思维，沟通表达，知识重构、整合与应用等核心素养的教学之道。P³OBE具体指的是以问题为导向（Problem Oriented），以项目为媒介（Project Based），注重过程评价（Process-Evaluate）的教学实践，并以口头报告和研讨的形式总结学习成果。学生在学习过程中通过独立思考完成既定任务，并通过这种学习增强学习的主动性,提高解决实际问题的能力，获得独立工作经验，同时通过口头报告培养科学表达能力。本实验项目中实施P³OBE教学法的目的是建立学生对科学研究的系统性和创造性的认识，培养学生的化学学科思维、学科表达以及学科应用能力与素养。

（2） SC@O教学法：我们将现代教育理念、理论、技术和方法融入到《结构化学》课程教学中,构建并实施了一套适合该课程的、以学生发展为中心的SC@O教学设计、过程与方法。其特点是将“课程目标层次化”、“教学内容国际化”、“教学方法现代化”、“教学环境信息化”、“教学评价多元化”、“研究型教学系统化”等六“化”固化到课程深度教与学的全过程，详见我们的教研论文（大学化学，2017，32，11-16）。简而言之，SC@O教学法就是通过口头报告和研讨(Oral presentation and discussion)的方式完成知识框架图(Schema)和挑战性问题(Challenge question))，以知识与技能的深度学习过程为载体，培养学生LIC能力和STE@M 素养的教学方法与策略。

教学法在教学过程中的体现

P³OBE是本虚拟仿真实验教学的核心教学法，贯穿实验项目的全过程。本项目具体分三个模块，每个模块均包含示范实验。全部示范实验共同连贯的描述了“美伐他汀是如何起到降血脂效果的？”这一学术问题的解决，即P³OBE所指的“以问题为导向”。解决这一科学问题需经历三个研究步骤：“X射线衍射法解析晶体结构”、“利用晶体结构解析抗血脂靶标HMGR蛋白的催化胆固醇生成反应机理”和“基于蛋白晶体结构和理论计算解析美伐他汀与抗血脂靶标HMGR蛋白的作用机制”。三个模块中的示范实验在以三个项目的形式分别引导学生深度体验了上述三个研究步骤，即P³OBE的核心“以项目为媒介”。仿真实验部署在云端，在教学实践中我们安排学生先在机房或自有设备上进行仿真实验，后台自动记录学生操作并打分。实验完成后学生在线撰写实验报告，并在课堂上口头汇报实验原理、实验过程、实验结果、实验得分以及心得体会。这种实验教学过程与评价方式体现了P³OBE“学生产出为导向”的课程教学理念和“注重过程评价”的特点。

值得一提的是，在模块一“X射线衍射法解析晶体结构”项目中使用了X射线衍射仪。在传统教学中，X射线晶体衍射技术和仪器原理及数据分析等数学推导过程往往在理论课程中进行，而对技术和仪器组成及使用方法的介绍往往在实验课中进行。二者的割裂使得学生对技术和仪器的原理、构造、使用等知识的构建碎片化，无法建立其有效联结。同时X射线设备使用成本高昂、操作门槛高，且存在辐射污染的风险，通常较少或甚至不对本科教学开放。上述内容在本虚拟仿真实验中的有机结合可以改变这一现状。在虚拟仿真实验中我们一边进行实验，一边结合仪器展示基本原理的数学推导，并透视和特写正在工作的设备内部构造。从而令抽象的结构变得直观、枯燥的数学推导变得有趣、呆板的科学仪器变得生动。

图8. 晶体在X射线衍射仪上的旋转和衍射光拍摄虚拟仿真实验截图

在虚拟仿真实验中我们为学生近距离展示X射线衍射仪的内部构造和运作机制，甚至是肉眼原本不可见的X射线衍射光，以帮助学生理解X射线衍射仪的基本原理。由于X射线对人体会造成辐射伤害，上述情景在真实实验操作中是不可实现的。

在模块三“基于蛋白晶体结构和理论计算解析美伐他汀与抗血脂靶标HMGR蛋白的作用机制”项目中，学生需要根据读取蛋白质结构数据库中的HMGR蛋白结构，利用分子对接和DOX两种计算方法计算其与美伐他汀的作用模式，并与晶体结构进行比较。实验过程中特意未有阐述分子对接和DOX方法的优劣，留待学生在比较两种方法所得结果的基础上形成自己的理解并在课堂汇报时发表。这体现了对学生逻辑、独立与批判性思维的培养。

完成每个模块的示范实验后学生可借助知识体系框架图（Schema）总结实验原理和实验步骤，然后根据知识体系框架图挑战开放性练习实验。这一教学设计来自于SC@O教学法。开放性练习实验主要体现了高阶性、创新性和挑战性。实验项目网站被设计为可上传任一从晶体结构数据库或蛋白结构数据库中下载的CIF/PDB文件并自动生成一个新开放性练习实验项目。例如在第三个模块中，学生首先学习分子对接和DOX计算的基本原理，然后完成示范实验“基于蛋白晶体结构和理论计算解析美伐他汀与抗血脂靶标HMGR蛋白的作用机制”。之后在练习模块中上传HMGR蛋白与新药“洛伐他汀”复合物晶体结构，系统即自动生成“基于蛋白晶体结构和理论计算解析络伐他汀与抗血脂靶标HMGR蛋白的作用机制”挑战性项目。在示范实验中每一步骤均有充分提示和说明，难度较低。在挑战性项目中没有任何说明，完全由学生自主确定应该用何种方法处理，难度进阶且开放性强，完成该挑战性项目后学生在课堂上汇报实验流程、结果和心得。