CoCalc云平臺輔助的計算材料學(xué)教學(xué)探索與實踐

文艷偉　　李浩博　　單斌　　杜純

［摘 要］含有編程類知識的理工科課程的教學(xué)往往會遇到程序環(huán)境配置繁、代碼調(diào)試難、知識點與代碼脫節(jié)、師生交互性差等問題。針對計算材料學(xué)課程項目研究式教學(xué)存在的難點，課程教學(xué)團隊借助CoCalc云平臺，并結(jié)合線下教學(xué)的模式，解決了實踐環(huán)境配置、代碼調(diào)試、師生互動等教學(xué)環(huán)節(jié)問題，激發(fā)了學(xué)生利用便捷的云平臺展開探究性學(xué)習(xí)的興趣，完成了互融式教學(xué)設(shè)計，變晦澀、抽象和枯燥的學(xué)習(xí)為直觀、形象和有趣的學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗感和獲得感，為理工科實踐類課程的教學(xué)提供了新思路、新模式。

［關(guān)鍵詞］CoCalc云平臺；計算材料學(xué)；興趣；效率；互動

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）16-0037-05

計算材料學(xué)是以計算機為工具，應(yīng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法，對材料科學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值分析與研究，對材料性質(zhì)及過程進(jìn)行數(shù)值模擬的新興學(xué)科，是研究材料問題的一種新方法。計算材料學(xué)課程是華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的一門專業(yè)核心必修課程，國內(nèi)眾多高校，例如浙江大學(xué)、中國科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)也開設(shè)了該課程。該課程主要教會學(xué)生以小組合作的形式，利用計算機模擬探究材料的多種物理化學(xué)性質(zhì)，深入理解材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的聯(lián)系，對學(xué)生專業(yè)知識體系的完善、創(chuàng)新研究能力的提升，以及團隊精神、探索精神的培養(yǎng)具有極其重要的作用。

計算材料學(xué)課程涉及量子力學(xué)、固體物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、計算機程序設(shè)計等知識，概念繁多，對學(xué)生的專業(yè)知識、技術(shù)能力、探索技能要求較高，是一門技巧性較強的實踐性課程。模擬原理抽象、程序代碼枯燥、缺少直觀形象的認(rèn)識是學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的攔路虎，再加上部分學(xué)生缺乏充足的實踐參與學(xué)習(xí)體驗，導(dǎo)致其容易喪失學(xué)習(xí)興趣?！罢n堂上似懂非懂，結(jié)課項目無從下手”是計算材料學(xué)教學(xué)過程中一種比較普遍的現(xiàn)象。針對程序類的實踐性課程，人們在教學(xué)方法、手段、考核方式等方面進(jìn)行了一系列探索。在國內(nèi)外云平臺蓬勃發(fā)展的背景下，教育資源在管理和配置上具有低成本、靈活性、互動性等優(yōu)勢，因此云計算輔助教學(xué)管理模式在高校教學(xué)實踐中逐漸興起[1-2]。尤其是對計算機類基礎(chǔ)課程，云平臺教學(xué)在細(xì)化時間粒度、獲取雙向?qū)W習(xí)效果方面有明顯的成效[3-5]。劉思宇等人[6]借助華為ModelArts云平臺，探索了計算機視覺教學(xué)案例，讓學(xué)生可以在由易到難的實驗過程中多角度、漸進(jìn)式、由淺入深地掌握計算機視覺領(lǐng)域的基礎(chǔ)工程方法。李斌[7]基于華為DevCloud對軟件項目的實訓(xùn)課程進(jìn)行了實踐，通過人工智能軟件的運用全面提升了學(xué)生的軟件工程能力。開源中國（OSChina）推出了針對高校的代碼托管服務(wù)平臺Gitee高校版，提供了班級/團隊管理的方式，以支持教師、助教、學(xué)生多角色權(quán)限，并方便分組進(jìn)行項目合作編程。盧華燈等人[8]在項目式教學(xué)中使用Gitee進(jìn)行了理實一體化迭代式教學(xué)探索，降低了學(xué)生理論學(xué)習(xí)與代碼實踐切換的難度，記錄了學(xué)生編程實踐過程，提高了巡堂指導(dǎo)的效果。

筆者在試用過程中發(fā)現(xiàn)，Gitee平臺支持的編程語言有限，沒有集成如Python、Linux等的編程環(huán)境，這使計算材料學(xué)的程序教學(xué)嚴(yán)重受限，學(xué)生也無法在線調(diào)試，體驗感較差；作業(yè)批改與課程考核大多通過在線評測系統(tǒng)進(jìn)行，學(xué)生僅能提交代碼、查看評測結(jié)果，而不能與教師或其他同學(xué)在線協(xié)作，課程交互性有待提高。CoCalc是一個基于Web的協(xié)作平臺，自2013年問世以來，已被美國的加州大學(xué)洛杉磯分校、佐治亞理工學(xué)院，英國的牛津大學(xué)等世界一流大學(xué)用于生物信息學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、密碼學(xué)等數(shù)百門課程的教學(xué)實踐。例如，哈佛大學(xué)的數(shù)學(xué)課程使用CoCalc提供給學(xué)生實時訪問計算工具，并可協(xié)作完成作業(yè)和項目；加州大學(xué)伯克利分校的計算機科學(xué)課程使用CoCalc為學(xué)生提供一個用于編碼、測試和協(xié)作項目的平臺。目前，我國主流云計算運營商尚未推出能夠?qū)崿F(xiàn)同類功能的教育產(chǎn)品。計算材料學(xué)課程教學(xué)團隊首次將CoCalc云計算平臺引入國內(nèi)課堂教學(xué)，進(jìn)行了一系列有意義的探索，解決了學(xué)生在配置程序環(huán)境、代碼調(diào)試、作業(yè)反饋等環(huán)節(jié)的難題；通過理論教學(xué)與代碼實踐迭代式教學(xué)，改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，提高了教學(xué)效率。CoCalc云平臺使用的便捷，極大激發(fā)了學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)的興趣，使綜合教學(xué)效果大幅度提升。

一、CoCalc平臺簡介與課程實施

CoCalc集成了Python、R等程序設(shè)計語言及配套的眾多科學(xué)計算包和Jupyter Notebook、Nbgrader、LaTeX等輔助工具，具有模塊豐富、網(wǎng)頁操作簡單、在線協(xié)作便捷等優(yōu)點，能夠很好地滿足計算材料學(xué)課程所需計算、繪圖能力的要求，為實踐編程類課程教學(xué)改革提供了新的平臺與契機。CoCalc平臺集成了Python常用的Numpy、Scipy、Matplotlib、PyTorch、Pymatgen等科學(xué)計算包，體系完善，能滿足基本計算、機器學(xué)習(xí)、材料結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)可視化等多樣的需求，為開展面向互聯(lián)網(wǎng)時代、項目探索式代碼類課程的開放、共享式云平臺教學(xué)模式探索提供了契機。

課程教學(xué)團隊依托CoCalc平臺對計算材料學(xué)的教學(xué)模式進(jìn)行了改革探索，整個實施過程包含四個環(huán)節(jié)：課堂教學(xué)、課后實踐、項目探索、成果展示及考核，如圖1所示。課堂教學(xué)包括分子動力學(xué)基本知識點、代碼實現(xiàn)以及課堂演示，課后實踐包括課后作業(yè)、編程及可視化練習(xí)，這兩部分是課程的基礎(chǔ)，是對學(xué)生基本理論知識和編程能力的訓(xùn)練。然后學(xué)生分組選擇感興趣的材料模擬小課題開展項目探索，這一過程由教師對課題難度、深度進(jìn)行把關(guān)，選題問題明確且有意義，既能激發(fā)學(xué)生的探索興趣，又能鍛煉學(xué)生的科研能力。通過這一環(huán)節(jié)的鍛煉，學(xué)生基礎(chǔ)知識的牢固程度和科研能力都會提升至一個新臺階。最后一個環(huán)節(jié)是小組將科研成果進(jìn)行分析整理，通過PPT在課堂上向所有同學(xué)展示；由其他小組學(xué)生對匯報小組的成果進(jìn)行評分，鼓勵大家思考、提問和討論；學(xué)生再完善課題研究成果并撰寫規(guī)范的科研論文，由教師進(jìn)行批閱。學(xué)生成績采用多元化的方式進(jìn)行評價，包括課堂表現(xiàn)（占10%，由教師打分）、課后作業(yè)（占20%，由助教打分）、匯報評分（占35%，由學(xué)生打分）和論文評分（占35%，由學(xué)生打分）。

在整個課程設(shè)計中，課堂演示、課后實踐以及項目探索這三個環(huán)節(jié)難度較大，如何將知識點與代碼直觀、有機地結(jié)合與展示，如何構(gòu)建便捷的實踐環(huán)境與學(xué)生互動，項目探索如何利用最新的互聯(lián)網(wǎng)或人工智能工具等，都是程序類工科課程面臨的重要問題。在教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)引入CoCalc云平臺，解決了學(xué)生在課程教學(xué)中實踐環(huán)境構(gòu)建、知識點呈現(xiàn)、作業(yè)互動和項目探索等關(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，促使教學(xué)效率顯著提升，學(xué)生體驗和反饋良好?；谠撈脚_，本課程教學(xué)團隊通過庖丁解牛式的分解讓學(xué)生高度參與完整的分子動力學(xué)程序編寫和模擬，通過可視化圖形展示模擬結(jié)果，有力地揭示了材料計算模擬的機理、材料體系的物理規(guī)律，有助于學(xué)生形成形象思維與系統(tǒng)思維，并為構(gòu)建材料科學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域正確深刻的理性認(rèn)識奠定基礎(chǔ)。

二、CoCalc平臺教學(xué)優(yōu)勢分析

（一）體驗式教學(xué)激發(fā)學(xué)生興趣

計算材料學(xué)課程的教學(xué)難點在于如何將分子動力學(xué)的知識要點與枯燥的程序代碼聯(lián)系起來。分子動力學(xué)模擬原理抽象、程序代碼枯燥，缺乏直觀形象的展示，導(dǎo)致學(xué)生容易喪失學(xué)習(xí)興趣。因此，必須加強學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，大幅增加學(xué)生的參與度和成就感。成熟的分子動力學(xué)軟件如LAMMPS模擬功能強大，但是程序代碼復(fù)雜、數(shù)量過萬行，不適合用于教學(xué)呈現(xiàn)。本課程教學(xué)團隊以二維平面內(nèi)氬氣分子動力學(xué)模擬為例，采用庖丁解牛式的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生通過自主編程的形式，通過簡單的Python代碼逐一完成晶體建模、勢函數(shù)定義、周期性邊界條件控制、積分算法等分子動力學(xué)模擬，最后通過主程序迭代完成簡單、完整的分子動力學(xué)模擬程序pymd，如圖2所示。圖2標(biāo)識了整個分子動力學(xué)模擬的功能模塊、課堂教學(xué)的知識點、簡潔的模塊式代碼。通過該設(shè)計，讓學(xué)生能夠提綱挈領(lǐng)，了解分子動力學(xué)模擬的流程和各模塊功能；精準(zhǔn)定位每個知識點—分子動力學(xué)要素在模擬中的角色，然后精細(xì)化到各個知識點的編程實現(xiàn)。學(xué)生通過重組各模塊完成一個完整的分子動力學(xué)模擬程序，運行自己編寫的程序，獲得了滿滿的成就感，對計算材料方法的認(rèn)識有了質(zhì)的提升。CoCalc平臺為這一教學(xué)設(shè)計提供了良好的運行條件。尤其是在知識點與代碼關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)，Jupyter Notebook為學(xué)生提供了便捷的網(wǎng)頁式程序編寫和調(diào)試功能，集成的Matplotlib功能包能對學(xué)生的代碼進(jìn)行實時畫圖顯示，執(zhí)行后就可以得到直觀的輸出結(jié)果。如圖3所示，代碼的實時運行和輸出給出了直觀形象的二維晶格建模結(jié)構(gòu)、諧振子跳蛙算法的速度和位移分析。教師在課堂上鼓勵學(xué)生動手修改程序，實現(xiàn)無序二維晶格建模、速度Verlet算法、多體勢函數(shù)定義等功能。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過閱讀及修改代碼，動手動腦、實踐知識，提升分析和設(shè)計能力，既加深了對課堂上介紹的分子動力學(xué)公式的理解，又激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。CoCalc平臺的使用，幫助學(xué)生通過代碼把看似單調(diào)的公式應(yīng)用于實際材料體系的計算分析中，通過動手操作，學(xué)生能體驗到成功的喜悅，從而增強學(xué)習(xí)自信，將材料專業(yè)知識與計算機技術(shù)結(jié)合起來，破除了對計算材料學(xué)的消極畏難情緒和陌生感。在2022—2023學(xué)年的教學(xué)實踐中，有多個學(xué)生小組選擇編寫基于Python的分子動力學(xué)程序作為結(jié)課項目，如將課程中的二維分子動力學(xué)模擬程序拓展至三維晶體結(jié)構(gòu)，運用自學(xué)的機器學(xué)習(xí)工具PyTorch等進(jìn)行簡單的高通量計算，對材料模擬數(shù)據(jù)展開綜合分析。因此，CoCalc平臺的引入激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和研究創(chuàng)造激情，使教學(xué)效果顯著提升。

（二）云平臺優(yōu)勢助力提升教學(xué)效率

計算材料學(xué)課程開設(shè)之初，僅由教師在課堂講授相關(guān)理論知識，學(xué)生實踐機會少、理解深度淺。在之后幾年時間里，本課程教學(xué)團隊探索了多種方式，希望為學(xué)生提供一個方便、穩(wěn)定的實踐環(huán)境。如編寫安裝指南，讓學(xué)生在自己電腦上安裝Linux系統(tǒng)、MATLAB、Python等計算軟件，在一定程度上提高了課程的實踐性。但是，這些軟件占用空間大、配置過程煩瑣，對于計算機基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，教師需要大量的時間進(jìn)行指導(dǎo)。實際執(zhí)行過程中，電腦環(huán)境的差異也可能影響安裝效果。例如，安裝Python時，不同電腦的設(shè)置或軟件版本不同，運行過程中易出現(xiàn)軟件包缺失的錯誤，造成了諸多麻煩。據(jù)不完全統(tǒng)計，學(xué)生花費在系統(tǒng)安裝、環(huán)境配置上的平均時間超過十小時，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)體驗。

本課程教學(xué)團隊在實踐環(huán)節(jié)引入基于網(wǎng)頁云計算服務(wù)的CoCalc平臺，保證了集成環(huán)境和軟件的一致性，免除了軟件安裝配置的環(huán)節(jié)；每位學(xué)生都可免費注冊賬號、加入課堂，擁有獨自的工作空間用于代碼存儲及運行。即注冊即用的模式，使得學(xué)生可以將更多的時間和精力用于課程學(xué)習(xí)，大幅度提高了教學(xué)效率。

此外，CoCalc平臺還具有完善的課程管理工具，可以較好地輔助教學(xué)，其共享和開放性可以進(jìn)一步助力教學(xué)效率的提升。圖4所示為管理員登錄界面，CoCalc平臺建立課程后，主目錄包含了.course文件，記錄了選課學(xué)生的名單，可以向名單中的每位學(xué)生共享課件、發(fā)布作業(yè)；Assignments里存放作業(yè)練習(xí)；Handouts可存放課件PPT、交互特性編寫代碼示例文件或作業(yè)。云平臺上每位學(xué)生賬號下都會有獨立的Assignments和Handouts文件夾，學(xué)生可以直接在網(wǎng)頁運行代碼、查看結(jié)果，并嘗試修改，保證互不影響。作業(yè)系統(tǒng)可以自動收取作業(yè)、利用Nbgrader工具自動批改、對作業(yè)進(jìn)行批注及一鍵下發(fā)，節(jié)省了教師逐一查看、驗證代碼的時間。對學(xué)生而言，由于作業(yè)文件內(nèi)置了程序輸入輸出樣例，學(xué)生在線運行代碼過程中可實時運行了解自己的代碼是否正確，錯誤一目了然，節(jié)省了反復(fù)上傳代碼、等待在線評測平臺驗證、驗證失敗后手動定位錯誤的時間。學(xué)生使用后普遍給予了積極反饋：“使用CoCalc平臺后不用自己下載軟件，注冊和操作也很方便”“能夠比較快地發(fā)現(xiàn)自己寫得有沒有錯、錯的地方在哪，上面還有老師提供的例子”等。

（三） 云平臺的協(xié)作性增強了師生的互動

CoCalc平臺具有云協(xié)作特性，該平臺的實時訪問計算工具和協(xié)作功能非常適合在課堂上使用。從教的角度來看，教師可以方便地進(jìn)行實時課堂編程演示，并與學(xué)生一起進(jìn)行交互式討論；從學(xué)的角度來看，學(xué)生可以通過CoCalc平臺實時訪問代碼和使用計算工具，進(jìn)行模擬和分析，在課堂上觀察和理解材料的性質(zhì)和行為。尤其是針對項目探索類的課程，學(xué)生與學(xué)生之間可以通過CoCalc平臺的協(xié)作功能一起完成項目，這種互動性提升了學(xué)生的寫作能力。教師可以通過CoCalc平臺的在線評審功能，對學(xué)生的作業(yè)和項目進(jìn)行及時評審，為學(xué)生提供有針對性的反饋和指導(dǎo)；可以創(chuàng)建并使用CoCalc平臺的在線練習(xí)和測試來評估學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度與成果，幫助學(xué)生了解他們的強項和弱項。傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，當(dāng)學(xué)生遇到困難時，需要發(fā)送代碼截圖或文件給教師請教，卻經(jīng)常遇見反饋不夠及時的問題，代碼較長、問題描述不清晰等更影響了互動的效率。在CoCalc平臺上，教師或助教可以通過看板了解學(xué)生的作業(yè)提交情況，并在需要時直接進(jìn)入學(xué)生的工作空間查看代碼文件，相當(dāng)于“坐”到了學(xué)生的電腦前，可以完整地閱讀學(xué)生的代碼，最后確定問題所在。例如，有學(xué)生在編寫氬氣分子三維分子動力學(xué)Python模擬程序時，發(fā)現(xiàn)原子數(shù)目較多時會出現(xiàn)體系溫度及勢能異常的情況，他們認(rèn)為是勢函數(shù)聲明的問題。本課程教學(xué)團隊教師通過云平臺直接進(jìn)入學(xué)生的工作空間，分析代碼后發(fā)現(xiàn)，問題來源于代碼開頭部分，學(xué)生忽視了計算機數(shù)組的有關(guān)特性，導(dǎo)致生成原子坐標(biāo)列表時發(fā)生了溢出錯誤，部分原子坐標(biāo)異常。據(jù)此，教師及時批注了該部分代碼，使學(xué)生在半個小時內(nèi)就調(diào)試并解決了這個問題。CoCalc平臺作為教師和學(xué)生之間的橋梁，增強了師生交互性體驗，將教與學(xué)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，做到了教學(xué)相長。

三、CoCalc平臺教學(xué)不足分析

本課程教學(xué)團隊在采用CoCalc平臺進(jìn)行計算材料學(xué)教學(xué)的實踐中，也總結(jié)了該平臺在課程教學(xué)中的一些不足之處。首先是免費試用版的CoCalc平臺為每位用戶提供的云計算資源有限，代碼在執(zhí)行中會出現(xiàn)卡頓情況，使學(xué)生的使用體驗感欠佳。其次，部分學(xué)生反饋Python嵌套式界面和程序結(jié)構(gòu)閱讀起來有些費勁，需要一定時間適應(yīng)代碼寫作習(xí)慣。最后，Nbgrader自動評分系統(tǒng)對教師端的使用要求較高，由于Nbgrader評分方式固定，需要教師精心設(shè)計判分條件。

四、結(jié)語

本課程教學(xué)團隊在實踐中借助CoCalc云平臺的集成性、多功能性、易用性和協(xié)作性，探索出直觀形象的互融式教學(xué)設(shè)計，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)體驗；發(fā)揮平臺的集成性和多功能性優(yōu)勢，解決了學(xué)生配置模擬環(huán)境遇到的各種障礙，節(jié)省了大量學(xué)習(xí)時間，提升了學(xué)習(xí)效率；利用平臺的協(xié)作性幫助學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師實現(xiàn)共同工作，增強了師生之間、生生之間的交互，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，課程教學(xué)效果得到了顯著提升。本課程教學(xué)團隊的實踐探索希望能為編程類、基于項目導(dǎo)向的高校理工科課程的教學(xué)改革拋磚引玉，借助新興的云平臺技術(shù)，變晦澀、抽象和枯燥的學(xué)習(xí)為直觀、形象和有趣的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生探索創(chuàng)新。

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］