材料類專業(yè)“四位一體”教學(xué)模式探索

文志勤 覃月彎 李優(yōu) 鄒正光

摘 要：本文針對高校課程改革的迫切需求及該課程在教學(xué)中存在的現(xiàn)實問題，嘗試對“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”這門課程的教學(xué)進(jìn)行改革，提出“四位一體”教學(xué)模式和該模式的具體實施策略。將研究型探究式教學(xué)、線上線下體驗教學(xué)、前沿知識教學(xué)和課程思政教學(xué)四個方面在教學(xué)實施中進(jìn)行有機整合，使該課程在教學(xué)中實現(xiàn)教、學(xué)、做、評的融合，有利于學(xué)生厚植理論基礎(chǔ)、啟發(fā)創(chuàng)新思維、拓展學(xué)科視野、樹立文化自信，助力應(yīng)用研究型人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：計算機;材料科學(xué);四位一體;教學(xué)模式

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

隨著計算機模擬技術(shù)的快速發(fā)展，材料科學(xué)研究已經(jīng)從傳統(tǒng)的試錯法逐步走向多元化、多尺度化研究[1-2]，材料研發(fā)模式的變革對人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，國內(nèi)各高等院校認(rèn)識到“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程的重要性[3-4]。該課程是材料類專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課程，其目的是為了培養(yǎng)學(xué)生運用計算機進(jìn)行材料科學(xué)研究和解決材料工程領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和科技探索能力。然而，在教學(xué)過程中存在重理論輕實踐、教學(xué)模式單一、前沿性不足、思政育人單調(diào)等問題。在新工科背景下，迫切需要進(jìn)行教育教學(xué)改革，不斷提升學(xué)生利用計算機技術(shù)工具分析和解決問題的能力，進(jìn)而提高課程教學(xué)效果。

一、當(dāng)下“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)存在的問題

“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程涉及的理論知識面較廣，是融合計算機技術(shù)和材料科學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)的跨學(xué)科課程。課程對該專業(yè)學(xué)生的發(fā)展具有重要奠基作用，因此這門課程的教學(xué)質(zhì)量日益受到重視。但因各個高校學(xué)科設(shè)置和師資力量不同，該課程教學(xué)主要采用傳統(tǒng)的理論授課的形式進(jìn)行，通過對這門課程教學(xué)過程的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中還存在以下問題。

（一）教學(xué)觀念上重理論輕實踐

目前大多數(shù)高校對于該課程的設(shè)置偏重理論方向，缺乏針對專業(yè)知識方面的培養(yǎng)，疏忽了實踐操作能力的培養(yǎng)，甚至以理論教學(xué)替代實踐教學(xué)等。使學(xué)生不易理解理論知識，甚至易感覺到枯燥無味，久而久之，學(xué)生就會失去對該門課程的積極性和主動性。

（二）教學(xué)內(nèi)容上重教材知識輕前沿問題

課程知識量大、內(nèi)容繁雜，且具有前瞻性。隨著計算技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的新材料、新工藝、新方法被研發(fā)應(yīng)用，但授課內(nèi)容提及前沿學(xué)術(shù)問題的計算機應(yīng)用較少，造成教學(xué)內(nèi)容未能有效結(jié)合學(xué)科前沿的知識發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生知識結(jié)構(gòu)偏窄、守舊，難以滿足新時代解決復(fù)雜材料問題的新需求。

（三）教學(xué)方式上重講授灌輸輕實踐操作

課程整體課時相對有限，導(dǎo)致教師為了滿足課程的內(nèi)容要求出現(xiàn)填鴨式教學(xué)，而這種教學(xué)方式往往缺少互動，課堂仍以是“教師為中心”。這種教學(xué)方式枯燥，學(xué)生易產(chǎn)生反感心理，使教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)期。學(xué)生普遍反應(yīng)對該課程涉及的一些應(yīng)用性很強的軟件掌握并不理想，缺乏靈活的運用能力。

（四）教學(xué)目標(biāo)上重知識傳授輕思政育人

目前該課程側(cè)重關(guān)注專業(yè)理論學(xué)習(xí)，大部分教師在課堂講授中以知識和技能傳授為主，沒有有意識地對學(xué)生進(jìn)行思政教育，且課程思政內(nèi)容融入不深，沒有新穎性、時代性。學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)局限于掌握專業(yè)知識，不明確課程思政的教育意義，缺乏學(xué)習(xí)積極性和熱情。

二、“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程“四位一體”教學(xué)模式構(gòu)建

桂林理工大學(xué)無機非金屬材料工程專業(yè)開設(shè)的“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程分為理論授課（10學(xué)時）與上機實踐授課（14學(xué)時）兩部分，共計24學(xué)時。該課程主要介紹計算機用于材料建模及設(shè)計、數(shù)據(jù)處理和圖像分析、科技論文繪圖等。本文在原有課程體系的基礎(chǔ)上，借鑒先進(jìn)教學(xué)理念，提出“四位一體”“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)模式（如下圖所示），從育人目標(biāo)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方式、評價標(biāo)準(zhǔn)等方面對該課程教學(xué)進(jìn)行改革，以務(wù)實教育為主線，注重過程與方法、知識與技能的考核，以務(wù)“虛”教育為兩翼，強化學(xué)生情感態(tài)度與價值觀的評價，把務(wù)實與務(wù)“虛”有機結(jié)合起來，培養(yǎng)情智同步發(fā)展的應(yīng)用研究型人才。

三、“四位一體”教學(xué)模式在“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程中的實施策略

（一）厚植理論基礎(chǔ)，開展研究型、探究式教學(xué)

當(dāng)前“計算機實驗”已成為傳統(tǒng)實驗的一個重要技術(shù)手段，相應(yīng)的計算機軟件已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)研究和實踐教學(xué)[5]。對于電子原子層面的問題，一般采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，如Materials Studio（MS）、Quantum Espresso、VASP軟件等。課堂中引入MS進(jìn)行教學(xué)，開展無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能預(yù)測。

1.注重應(yīng)用，強調(diào)實踐

（1）DFT對學(xué)生的物理基礎(chǔ)要求較高，理論模型也不易理解。因此，將DFT串聯(lián)，采用故事教學(xué)法進(jìn)行概述講解。從薛定諤方程出發(fā)，介紹適用于非均勻電子系統(tǒng)的DFT，導(dǎo)出包括多粒子體系中交換和關(guān)聯(lián)效應(yīng)的單電子自洽方程組（Kohn-Sham方程），再引入交互關(guān)聯(lián)泛函和贗勢，構(gòu)成單電子近似的現(xiàn)代理論依據(jù)。該部分使學(xué)生對DFT的理論基礎(chǔ)有了初步了解。（2）結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，介紹MS的基本功能、操作、使用，并通過具體科研實例講解如何用MS進(jìn)行建模和計算。同時，通過上機操作完成從模型建立到性能預(yù)測，再到處理數(shù)據(jù)及分析全過程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運用計算機解決科研和生產(chǎn)實際問題的能力，從而提高教學(xué)效果。

2.充分體現(xiàn)科教融合

教師將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，以理論引申、教學(xué)案例等方式進(jìn)行教學(xué)，豐富更新教學(xué)內(nèi)容。教師通過提出科學(xué)問題，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生利用MS進(jìn)行科學(xué)研究和探索。例如，利用MS建立缺陷模型，對其進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到基態(tài)能量和晶格參數(shù)，進(jìn)行性能預(yù)測，分析缺陷對PbTiO3電子結(jié)構(gòu)、介電性能、光學(xué)性質(zhì)等影響。教師給出科學(xué)問題和解決思路，學(xué)生獨立思考整個過程，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力和創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的求知欲望。

（二）啟發(fā)創(chuàng)新思維，采用線上線下體驗教學(xué)

“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”涉及的理論知識廣、實踐性強，非常適合開展線上線下體驗式教學(xué)，通過將“教”和“學(xué)”適當(dāng)分離，可拓展教學(xué)的時間和空間，提高學(xué)生的主動性和參與度。開展線上線下體驗教學(xué)，需將現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織和設(shè)計。一是課前自主學(xué)習(xí)。教師分解知識點，錄制微視頻或收集網(wǎng)絡(luò)資源，并安排學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生帶著學(xué)習(xí)任務(wù)（隨堂測驗、作業(yè)或思考）在線完成各章節(jié)的基本理論知識、軟件介紹和基本操作等學(xué)習(xí)，以保證學(xué)生線上學(xué)習(xí)的效率。二是課堂互動講授。教師精心設(shè)計課堂教學(xué)活動，有針對性地對各章知識點進(jìn)行總結(jié)串講。學(xué)生在掌握知識基礎(chǔ)的前提下，帶著疑問進(jìn)行研討，有助于其鞏固、轉(zhuǎn)化并靈活運用線上知識。三是課后開放探索。教師布置一些相關(guān)的開放性課題，學(xué)生課后完成開放性課題研究，并觀看教師共享的講解視頻，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力和創(chuàng)新思維，實現(xiàn)“學(xué)、教、做互動”體驗式教學(xué)。課程考核設(shè)置比例為：總成績100分=平時成績（線上學(xué)習(xí)20%+課堂表現(xiàn)20%）+開放性課題成績（60%）。通過設(shè)計多元化課程考核方式，注重過程考核和能力考核，盡量使分?jǐn)?shù)客觀反映該課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和體驗式教學(xué)的效果。

以“計算機技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)和圖像處理”一章為例，利用錄制微視頻形成線上課程，線上課程內(nèi)容囊括材料數(shù)據(jù)處理的基本理論、Origin軟件的應(yīng)用、基本功能和使用，要求學(xué)生提前完成軟件的安裝并預(yù)習(xí)初步學(xué)習(xí)軟件的基本功能，以便開展課堂教學(xué)和操作指導(dǎo)。課堂重點介紹曲線擬合和線性插值法，并通過實踐上機操作講授Origin在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用實例，供學(xué)生進(jìn)行有針對性的學(xué)習(xí)和討論。課后根據(jù)教師的實驗數(shù)據(jù)，要求學(xué)生繪制雙Y軸的粒徑分布圖和某薄膜材料的電滯回線圖，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，尤其是畢業(yè)設(shè)計（論文）有關(guān)的材料數(shù)據(jù)的處理與分析。

（三）拓展學(xué)科視野，引入前沿知識教學(xué)

在課程教學(xué)中需將教材內(nèi)容與前沿知識銜接，豐富教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”的理論和實踐不斷發(fā)展的需求。教師應(yīng)注重文獻(xiàn)與時政知識的積累，不斷補充和更新與該課程有關(guān)的前沿知識到教學(xué)素材庫。如在“緒論”部分，介紹材料基因方法在鋰電池材料、鈣鈦礦型光伏材料、熱電材料等一系列材料設(shè)計中的應(yīng)用[6];在材料設(shè)計這一章中介紹第一性原理計算在新材料設(shè)計中的應(yīng)用，展示高通量計算篩選新材料的強大功能，使學(xué)生了解材料科學(xué)的新興領(lǐng)域，深化“理論+實驗+計算”的材料設(shè)計理念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)興趣，提升學(xué)生綜合素養(yǎng)。

（四）樹立文化自信，融入課程思政教學(xué)

結(jié)合“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程性質(zhì)和特點，發(fā)掘該課程中的思政元素，將思政教育融入教學(xué)內(nèi)容。在闡明“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”的基本原理和相關(guān)實踐操作的基礎(chǔ)上，通過“感官沖擊→道理講解→心理反應(yīng)→思政升華”模式，將課程背景和理論知識有機融入社會主義核心價值觀，并在實踐教學(xué)過程中，采用“案例法”“討論法”等教學(xué)手段進(jìn)行科學(xué)精神和創(chuàng)新精神教育，使學(xué)生樹立堅定的理想信念和豐富的人文修養(yǎng)。

以“計算機模擬技術(shù)用于材料設(shè)計”一章為例。在講授計算機在材料模擬發(fā)展中的作用時，列舉由中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主研制的超級計算機，其第二代系統(tǒng)——“天河二號”成為2013年全球最快超級計算機。在講授計算機模擬技術(shù)——主要是第一性原理理論基礎(chǔ)的時候，引入香港大學(xué)姚望教授對自旋電子學(xué)和自旋量子計算做出的重要貢獻(xiàn)及其榮獲2014年度全球華人物理與天文學(xué)會亞洲成就獎。通過視頻及圖文并茂的形式，將抽象理論具體化，通過感官沖擊，使學(xué)生領(lǐng)會到科學(xué)家敢于探索、潛心鉆研的高尚情操，了解我國在計算材料領(lǐng)域所做出的國際貢獻(xiàn)，進(jìn)一步增強科技自信、文化自信和民族自信。在講MS實例操作時，結(jié)合近年來國內(nèi)科學(xué)家在《Nature》《Science》《科學(xué)通報》等國內(nèi)外期刊發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行科研實例教學(xué)。在布置開放性課題時，要求學(xué)生查閱相關(guān)性強且質(zhì)量高的文獻(xiàn)進(jìn)行分組討論，再結(jié)合所學(xué)知識獨立完成課題。并且把分組討論和課題所涉及的思政內(nèi)容作為德育考核，評價學(xué)生的情感態(tài)度與價值觀，使評價機制做到虛實結(jié)合。

結(jié)語

隨著超級計算機、量子計算、新材料等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”也正發(fā)生極大轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和方式需要不斷改革以滿足人工智能時代的發(fā)展需求，提出“四位一體”教學(xué)模式，從研究型探究式教學(xué)、線上線下體驗教學(xué)、前沿知識教學(xué)和課程思政教學(xué)四個方面進(jìn)行課程教學(xué)改革，突出課程的設(shè)計性、研究性、探索性，實現(xiàn)教、學(xué)、做、評的融合，重點培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用能力、實踐能力、創(chuàng)新精神和文化自信。同時，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做打下基礎(chǔ)，尤其是畢業(yè)設(shè)計（論文）提供方法和途徑，也為高校應(yīng)用研究型人才培養(yǎng)提供實踐依據(jù)。

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基金項目：桂林理工大學(xué)本科教學(xué)改革工程項目（項目編號：2021B49）

*通訊作者：文志勤（1987— ），男，廣西桂林人，博士，桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事有色金屬、功能材料計算研究。