淺談“卓越計(jì)劃”背景下計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程教學(xué)改革

歐平 齊亮 鄧同生 王和斌 張迎暉

摘 要：根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）的人才培養(yǎng)要求，本文針對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程教學(xué)中存在的問題，從教材建設(shè)、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)以及教師培訓(xùn)等方面探討了具體的教學(xué)改革思路，以期能夠不斷提高該課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：卓越計(jì)劃；計(jì)算機(jī)；材料科學(xué)；教學(xué)改革

計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為現(xiàn)代材料科學(xué)研究中必不可少的有力工具，對(duì)推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用是材料類本科生的一門重要的專業(yè)課程，對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程、進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)或論文以及未來的就業(yè)或深造都能提供必要的幫助。因此，在國(guó)家“卓越計(jì)劃”背景下針對(duì)該課程當(dāng)前教學(xué)中存在的問題進(jìn)行改革，將會(huì)對(duì)實(shí)現(xiàn)“卓越計(jì)劃”旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才的目標(biāo)具有重要意義。

一、 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程教學(xué)當(dāng)前存在的問題

（一） 課程教材內(nèi)容建設(shè)不足

我校計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程總共為32學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)18學(xué)時(shí)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)14學(xué)時(shí)。該課程屬于專業(yè)技術(shù)課，側(cè)重于在材料科學(xué)理論的基礎(chǔ)上如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)來解決實(shí)際的材料科學(xué)問題，要求做到材料科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件之間的有機(jī)結(jié)合。由于課程屬于交叉學(xué)科的范疇，涉及的專業(yè)領(lǐng)域廣泛以及需要講述的專業(yè)軟件較多，因此編寫一本恰當(dāng)?shù)慕滩膶?huì)對(duì)學(xué)生能較好地學(xué)習(xí)該課程具有非常重要的作用。然而，目前該課程的大部分教材有些過于注重介紹計(jì)算機(jī)和抽象的數(shù)學(xué)理論，而且也沒能很好地把材料科學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)融合起來，偏離了計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的“應(yīng)用”這條主線。這就造成了許多學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容時(shí)，感覺一會(huì)是在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)，一會(huì)又是在學(xué)習(xí)材料科學(xué)知識(shí)，再另一會(huì)又是在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)和軟件知識(shí)，從而不能很好體會(huì)到材料科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件之間有機(jī)結(jié)合的精髓。此外，該課程的大部分教材也沒有配套相應(yīng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材，教師在有限的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課時(shí)間內(nèi)往往都是簡(jiǎn)單介紹一下相關(guān)專業(yè)軟件的應(yīng)用后出幾道題讓學(xué)生自行摸索練習(xí)。但是，許多專業(yè)軟件功能豐富、操作復(fù)雜，沒有相應(yīng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材會(huì)讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來感到很費(fèi)勁和迷茫，容易喪失學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也不利于學(xué)生課后對(duì)軟件進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

（二） 教學(xué)方法單一

計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用是應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課程，需要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的思考和動(dòng)手能力才能真正地理解和掌握材料科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件之間的內(nèi)在聯(lián)系。然而，當(dāng)前的教學(xué)模式主要是以教師在講臺(tái)上講解為主，教師根據(jù)教材內(nèi)容利用傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行“填鴨式”教學(xué)，忽略了學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，使得學(xué)生只能被動(dòng)地成為接受知識(shí)的機(jī)器。這種教學(xué)模式?jīng)]能體現(xiàn)本課程應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，而把大量抽象的基礎(chǔ)理論和計(jì)算機(jī)軟件操作知識(shí)一味地對(duì)學(xué)生進(jìn)行灌輸，這樣會(huì)容易讓學(xué)生感到枯燥乏味，從而喪失對(duì)課程學(xué)習(xí)的好奇心和興趣。此外，“填鴨式”的教學(xué)模式還會(huì)造成學(xué)生只知道跟著教師走，缺乏問題意識(shí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力，這將不能很好適應(yīng)材料科學(xué)研究和工程實(shí)踐的需要，不利于實(shí)現(xiàn)“卓越計(jì)劃”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

（三） 專業(yè)軟件資源不完備

目前，許多學(xué)校的機(jī)房雖然有足夠的計(jì)算機(jī)供學(xué)生進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)，但是卻缺乏相應(yīng)正版的大型專業(yè)軟件安裝資源。這種現(xiàn)狀的原因主要是由于許多材料類專業(yè)軟件如有限元軟件ANSYS、熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermo-calc等價(jià)格高昂，在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，使得學(xué)校難以承擔(dān)其昂貴的購買費(fèi)用來滿足大規(guī)模的上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。因而在上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分專業(yè)軟件只能使用試用的或者教學(xué)的版本，當(dāng)中有許多重要的軟件功能不能實(shí)現(xiàn)，極大地影響了教師的軟件講解和學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。而且，專業(yè)軟件資源的制約也不利于鼓勵(lì)學(xué)生在課后根據(jù)自己的興趣來結(jié)合一些專業(yè)實(shí)踐問題到機(jī)房來利用軟件進(jìn)行探索，以不斷提高對(duì)軟件的應(yīng)用水平。

二、 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程教學(xué)改革方案

（一） 加強(qiáng)課程教材內(nèi)容建設(shè)

首先，學(xué)校在編寫課程教材時(shí)，應(yīng)緊抓計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的“應(yīng)用”這條主線，立足于培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)來解決材料科學(xué)實(shí)際問題的能力以及創(chuàng)新能力。從方法論的角度出發(fā)，在介紹必要的計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí)之上，應(yīng)加強(qiáng)與材料科學(xué)研究中的典型案例相結(jié)合，把材料科學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)等專業(yè)知識(shí)融合起來，堅(jiān)持“內(nèi)容精煉，思路清晰”的原則，淘汰現(xiàn)有教材中知識(shí)陳舊的部分，注重對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的介紹。其次，由于材料類專業(yè)具體又可以細(xì)分為金屬材料工程、材料成型及控制工程以及無機(jī)非金屬材料工程等專業(yè)，不同專業(yè)甚至在不同學(xué)校的同一專業(yè)之間對(duì)該課程教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)都可能會(huì)有所不同，因此要根據(jù)各自的專業(yè)特點(diǎn)有針對(duì)性的編寫教材。最后，編寫與理論教學(xué)相配套的上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材，內(nèi)容應(yīng)側(cè)重于計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件功能和操作的說明以及典型的上機(jī)練習(xí)案例，作為學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作和課后自主上機(jī)學(xué)習(xí)的指導(dǎo)教材。

（二） 優(yōu)化課程教學(xué)方法

在教學(xué)中應(yīng)運(yùn)用啟發(fā)式、問題式以及討論式等多種教學(xué)方法，將以學(xué)生為主體的教學(xué)理念貫穿于整個(gè)教學(xué)過程當(dāng)中，加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的交流互動(dòng)，克服在傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式中學(xué)生只能被動(dòng)接受知識(shí)的弊端。如在課堂教學(xué)過程要加強(qiáng)對(duì)材料科學(xué)研究與工程實(shí)踐中典型案例的運(yùn)用，把抽象、難懂的理論知識(shí)與計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件有機(jī)結(jié)合起來，以典型案例為載體，在教師的引導(dǎo)下適時(shí)啟發(fā)學(xué)生、向?qū)W生提出問題以及組織學(xué)生進(jìn)行課堂討論，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，真正成為課堂的主體，從而提升課程的教學(xué)效果。此外，該課程教學(xué)內(nèi)容繁多且課堂教學(xué)學(xué)時(shí)相對(duì)有限，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中必然會(huì)遇到各種各樣的問題，因而可以建立本課程的微信答疑討論群，增強(qiáng)課后教師與學(xué)生以及學(xué)生與學(xué)生之間的交流互動(dòng)，把課程的課堂教學(xué)延伸到課堂之外，鼓勵(lì)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)一步學(xué)習(xí)和了解相關(guān)的研究前沿和計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件知識(shí)，不斷拓寬視野和提升自主學(xué)習(xí)的積極性。

（三） 努力拓展實(shí)踐教學(xué)

根據(jù)計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，只有努力拓展該課程的實(shí)踐教學(xué)才能提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)。因此，學(xué)校有關(guān)部門應(yīng)有計(jì)劃的加大對(duì)學(xué)校機(jī)房教學(xué)條件的投入，逐步改善某些專業(yè)軟件資源缺乏的問題，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)完備的上機(jī)實(shí)驗(yàn)條件。針對(duì)上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限的問題，應(yīng)開放學(xué)校機(jī)房的上機(jī)時(shí)間，讓感興趣的學(xué)生課后也能夠利用機(jī)房進(jìn)行上機(jī)練習(xí)。此外，可以鼓勵(lì)和支持學(xué)生課后加入各類科研課題組充當(dāng)助手，利用各個(gè)課題組的實(shí)驗(yàn)條件參與到科研實(shí)際中來，達(dá)到以科研促進(jìn)教學(xué)發(fā)展的目的。同時(shí)，教師在課程的成績(jī)?cè)u(píng)定方式上應(yīng)注重對(duì)學(xué)生上機(jī)實(shí)踐完成情況（包括課堂上機(jī)實(shí)驗(yàn)和課后的實(shí)踐）的考核，這樣就可以督促學(xué)生認(rèn)真對(duì)待上機(jī)實(shí)踐鍛煉，不斷提高分析和解決材料科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。

（四） 制訂教師業(yè)務(wù)能力培訓(xùn)計(jì)劃

計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程所涉及的專業(yè)領(lǐng)域廣泛以及需要講述的專業(yè)軟件較多，要做好該課程的教學(xué)工作，就要求教師必須具有深厚且寬廣的基礎(chǔ)理論功底和較強(qiáng)的專業(yè)軟件應(yīng)用能力。尤其是該課程需要講述的專業(yè)軟件較多，雖然許多教師本身在碩博求學(xué)階段掌握了較為扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)，然而由于個(gè)人的研究方向所限，很難對(duì)各類專業(yè)軟件都能做到樣樣精通。因此，學(xué)校要制訂相應(yīng)的教師業(yè)務(wù)能力培訓(xùn)計(jì)劃，大力開展教師教學(xué)能力培訓(xùn)，舉辦各類跨學(xué)科跨專業(yè)的交流學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)和支持教師參加各類校內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流和軟件培訓(xùn)活動(dòng)。如鼓勵(lì)和支持教師參加全國(guó)材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研討會(huì)對(duì)提升教師Thermo-calc軟件的應(yīng)用能力大有幫助等等。同時(shí)，還要加強(qiáng)教師職業(yè)道德建設(shè)，努力培養(yǎng)一支業(yè)務(wù)能力強(qiáng)和愛崗敬業(yè)的教師隊(duì)伍。

總體而言，為了適應(yīng)國(guó)家“卓越計(jì)劃”的人才培養(yǎng)要求，就必須對(duì)計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程的教學(xué)內(nèi)容和方法等方面進(jìn)行改革，把教與學(xué)有機(jī)統(tǒng)一起來，突出學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣，以不斷提高本課程的教學(xué)效果，從而有利于培養(yǎng)符合“卓越計(jì)劃”要求的高素質(zhì)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉欣梅，劉雪暖，丁傳芹等.“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的實(shí)施[J].石油教育，2011（5）：68-70.

作者簡(jiǎn)介：

歐平，齊亮，鄧同生，王和斌，張迎暉，江西省贛州市，江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。