計(jì)算材料學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

湛永鐘+聶娜+黃金芳+柳帥+楊文超+湯宏群

[摘 要]計(jì)算材料學(xué)是材料類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)材料設(shè)計(jì)的基本原理、將材料學(xué)專業(yè)理論與實(shí)踐有效地結(jié)合起來(lái)的一門重要課程。然而由于課程本身的特點(diǎn)以及其他客觀的因素，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易出現(xiàn)畏難、興趣不高等的現(xiàn)象。我們結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出緊密聯(lián)系課程的起源與發(fā)展過(guò)程對(duì)該課程進(jìn)行綜合教學(xué)改革的思路，通過(guò)引入新型課堂模式，講述課程起源、發(fā)展及其與其他學(xué)科的交叉，分析該課程知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用等方面的案例來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及熱情，提高課程的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算材料學(xué)；綜合教學(xué)；課程起源

[中圖分類號(hào)] G40-011 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

計(jì)算材料學(xué)是一門正快速發(fā)展的材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉的新興學(xué)科，它能夠利用相應(yīng)計(jì)算方法對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬；廣泛涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科。[1]可以說(shuō)，計(jì)算材料學(xué)是材料學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的橋梁連接。[2]學(xué)習(xí)計(jì)算材料學(xué)能讓學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生養(yǎng)成在制備材料前從理論上設(shè)計(jì)新材料并預(yù)測(cè)其性質(zhì)的良好思路。

作為材料類專業(yè)的重要課程，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中存在著不少的問(wèn)題：1.具有計(jì)算材料學(xué)研究背景的師資力量欠缺；2.授課方法單一、枯燥，課堂效果不好；3.實(shí)踐條件的欠缺很難保證教學(xué)效果。為了提高計(jì)算材料學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生更好地掌握材料設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)的基本能力，我們結(jié)合存在的問(wèn)題和教學(xué)改革的實(shí)踐，對(duì)計(jì)算材料學(xué)的課程教學(xué)提出一些改革方法。

二、了解起源，培養(yǎng)興趣

計(jì)算材料學(xué)是一門十分抽象、理論性極強(qiáng)的課程，書中理論眾多并伴隨著數(shù)不清的陌生的符號(hào)、公式和注釋，這往往讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中望而卻步。傳統(tǒng)的計(jì)算材料學(xué)教學(xué)通常是讓學(xué)生在課后反復(fù)操練習(xí)題，以至可以靈活應(yīng)用這些公式定律來(lái)解題。結(jié)果不言而喻，學(xué)生往往知其然，而不知其所以然，很難提起學(xué)習(xí)的興趣。因此，授之以魚，還得授之以漁，在教學(xué)過(guò)程中追本溯源，將理論的來(lái)龍去脈講述清楚，教給學(xué)生創(chuàng)造的思維和方法顯得更為重要。

計(jì)算材料學(xué)不僅蘊(yùn)含著復(fù)雜的變量、方程和實(shí)驗(yàn)方法等知識(shí)，而且還充滿了疑問(wèn)，這些疑問(wèn)把學(xué)生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計(jì)算材料教學(xué)中將課程重點(diǎn)和難點(diǎn)融為一體，可以在不知不覺中起到“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的獨(dú)特效果。

計(jì)算材料學(xué)課程教改的目標(biāo)是轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，讓學(xué)生懂得計(jì)算模擬的起源、材料計(jì)算設(shè)計(jì)的基本方法和基本內(nèi)容以及與之相關(guān)的計(jì)算材料的前沿知識(shí)，引入與之相關(guān)的計(jì)算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養(yǎng)，培養(yǎng)其科學(xué)的態(tài)度、方法和精神。

三、引入拋錨式教學(xué)模式，提高課堂質(zhì)量

拋錨式教學(xué)也稱實(shí)例式教學(xué)，是由美國(guó)溫特貝爾特大學(xué)匹波迪教育學(xué)院開發(fā)的一種教學(xué)模式。其要求學(xué)生在某種類型個(gè)案的實(shí)際環(huán)境中去感受和體驗(yàn)問(wèn)題，而不是聽經(jīng)驗(yàn)的間接介紹和講解。真實(shí)的感受案例或情境，可以激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，形成一種探索與研究的習(xí)慣。

根據(jù)課程的特點(diǎn)，適當(dāng)選擇講述一些有關(guān)課程的起源與發(fā)展的案例，使其自然地融入課堂。再結(jié)合教材內(nèi)容“見縫插針”，讓學(xué)生理解重要定理、公式是怎么來(lái)的，為什么要這么命名，相關(guān)定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學(xué)生產(chǎn)生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和挖掘。

以本課程中的量子力學(xué)基礎(chǔ)為例，詳細(xì)介紹量子力學(xué)的發(fā)展歷程可以讓學(xué)生更好地理解量子力學(xué)的基本意義和它對(duì)于學(xué)好計(jì)算材料學(xué)的重要作用。如利用信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)一個(gè)量子力學(xué)發(fā)展歷程的故事或一段經(jīng)歷，用一根主線將求解量子力學(xué)波函數(shù)問(wèn)題融入情境故事或經(jīng)歷中，使學(xué)生趟著主線求解復(fù)雜的問(wèn)題。見表1：[3] [4]

圍繞相關(guān)原理、公式如不確定性原理、薛定諤方程等，開發(fā)可共享的經(jīng)驗(yàn)，展開教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生掌握態(tài)矢量、波粒二象性和量子測(cè)量等概念知識(shí)，老師在學(xué)生獲得概念知識(shí)的初始階段需要提供較多的指導(dǎo)。創(chuàng)造機(jī)會(huì)使學(xué)生擁有更多的自主權(quán)進(jìn)行獨(dú)立探究或小組探究，圍繞求解薛定諤方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相關(guān)的隱藏或缺失的信息。

運(yùn)用知識(shí)作為問(wèn)題求解的工具。學(xué)生運(yùn)用相關(guān)定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問(wèn)題的計(jì)劃。為此，學(xué)生需要先探究一些問(wèn)題，以確定輔助解決整個(gè)問(wèn)題的補(bǔ)充信息。教師們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，將計(jì)算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學(xué)中，使學(xué)生有接觸解決實(shí)際問(wèn)題的工具的機(jī)會(huì)。同時(shí)，教師們更需要了解學(xué)生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學(xué)生的問(wèn)題求解提供“腳手架”。

制訂一套整合相關(guān)原理、公式的教學(xué)方案。引導(dǎo)學(xué)生們閱讀更多學(xué)科知識(shí)的內(nèi)容，共同探究相關(guān)的故事，使學(xué)生們沉浸在相關(guān)的模擬情境中，從而加深對(duì)概念知識(shí)的理解并整合不同學(xué)生的概念知識(shí)，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力。

共同分享所學(xué)內(nèi)容。學(xué)生們將他們對(duì)相關(guān)原理、公式問(wèn)題和拓展性問(wèn)題探究結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)，從不同角度探討解決綜合問(wèn)題的策略，深層次地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而為學(xué)習(xí)共同體作出貢獻(xiàn)。[4]

四、以史為鑒，培養(yǎng)科學(xué)精神

科學(xué)精神包括探索精神、求真精神、民主精神、實(shí)踐精神和懷疑批判精神等等。中國(guó)的應(yīng)試教育使得廣大學(xué)生太相信書本和教師，摧殘了學(xué)生批判性思維能力，因此在教學(xué)中可結(jié)合一些計(jì)算材料學(xué)的歷史，加強(qiáng)學(xué)生批判思維能力的培養(yǎng)。

例如，在計(jì)算材料學(xué)課堂中引入愛因斯坦對(duì)薛定諤、德布羅意等的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑的案例。[5]

愛因斯坦在1924年對(duì)泡利反對(duì)連續(xù)區(qū)理論的觀點(diǎn)上發(fā)表示了“完全的因果性”的看法，針對(duì)玻爾關(guān)于輻射的波動(dòng)在本質(zhì)上是幾率波的假設(shè)而評(píng)論：“玻爾關(guān)于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴(yán)格的因果性，將對(duì)它進(jìn)行更強(qiáng)有力的保衛(wèi)。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認(rèn)為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時(shí)刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇?！?

愛因斯坦對(duì)“量子力學(xué)僅可建立在可觀察量的基礎(chǔ)上”這一觀點(diǎn)也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點(diǎn)。

通過(guò)學(xué)習(xí)計(jì)算材科料學(xué)史，可以引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)公式、方程的產(chǎn)生。如引導(dǎo)學(xué)生思考：從薛定諤方程產(chǎn)生到解決過(guò)程中真正創(chuàng)造了些什么？哪些思想、方法代表著薛定諤方程相對(duì)于以往的實(shí)質(zhì)進(jìn)步？科學(xué)工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時(shí)，成功創(chuàng)造了近似求解的方法，這種方法可以從微擾理論到變分理論再到密度泛函理論，這不僅體現(xiàn)了量子力學(xué)理論的一大進(jìn)步，更體現(xiàn)科學(xué)工作者對(duì)尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過(guò)對(duì)計(jì)算材料科學(xué)史的學(xué)習(xí)，可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維，同時(shí)學(xué)習(xí)薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無(wú)反顧、獻(xiàn)身科學(xué)的精神，感受薛定諤治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、剛正真誠(chéng)、淡泊名利的風(fēng)范和人格魅力。

五、結(jié)論

計(jì)算材料學(xué)作為一門新興科學(xué)，是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要基礎(chǔ)課程。然而在教學(xué)過(guò)程中由于師資力量薄弱、教學(xué)方法單一、研究對(duì)象復(fù)雜、實(shí)踐條件有限等問(wèn)題，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下、教學(xué)效果不明顯。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中應(yīng)運(yùn)用科學(xué)發(fā)展過(guò)程中蘊(yùn)藏的豐富的教育資源，通過(guò)講授學(xué)科起源、發(fā)展以及應(yīng)用的案例，使學(xué)生了解知識(shí)的形成過(guò)程，同時(shí)引入拋錨式教學(xué)模式將一個(gè)個(gè)真實(shí)生動(dòng)的科學(xué)形象，融入日常課堂教學(xué)之中，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，應(yīng)有意識(shí)地加強(qiáng)計(jì)算材料學(xué)發(fā)展史的講授，使知識(shí)、原理和規(guī)律變得生動(dòng)而鮮活，更使學(xué)生的科學(xué)思想、科研方法、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)等得到熏陶和培養(yǎng)。

[ 注 釋 ]

[1] 張躍，谷景華，尚家香.計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] （德）D·羅伯，項(xiàng)金鐘，吳興惠.計(jì)算材料學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3] 許良英.愛因斯坦文集[M].北京：商務(wù)印書館，1977（1）.

[4] （美）J·梅拉H·雷琴堡.量子理論的歷史發(fā)展[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

[5] 劉洋，鐘志賢.論拋錨式教學(xué)模式[J].江西教育科研，2005（2）：9-11.

[6] F·洪德著.甄長(zhǎng)蔭，徐輔新譯.量子理論的發(fā)展[M].北京：高等教育出版社，1994.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]