新工科背景下產(chǎn)學研融合模式的計算材料學系列課程改革與實踐

摘" 要：新工科背景下，現(xiàn)有的計算材料學課程教育模式已無法完全滿足社會發(fā)展對應用型人才的高要求，課程的改革與創(chuàng)新勢在必行。文章分析了高等教育中計算材料學系列課程面臨的困境與難題，提出了以產(chǎn)學研融合為引導的一系列改革措施，指出課程應以發(fā)展基礎(chǔ)理論與實踐應用兼具的創(chuàng)新型人才為目標，從而滿足社會發(fā)展的需求。

關(guān)鍵詞：計算材料學；新工科；產(chǎn)學研融合；課程改革

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）35-0142-04

新工科教育是在繼承傳統(tǒng)教育優(yōu)勢的改良升級，具備立德樹人的文化內(nèi)涵和多元發(fā)展的建設理念，適應當前新時代社會背景下的人才培養(yǎng)和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。［1］新時代背景下，新技術(shù)、新材料、新能源不斷發(fā)展，在各大前沿工業(yè)領(lǐng)域得到改進與應用，專業(yè)技術(shù)的推進也趨向于融合發(fā)展、去單一化，面對新形勢與新需求，新時代領(lǐng)域下的人才教育培養(yǎng)應當具備新工科的創(chuàng)新性、協(xié)調(diào)性、應用性等特征。在強化建設新工科發(fā)展的過程中，教育部提出強化協(xié)同育人，構(gòu)建產(chǎn)學研深度融合的新機制。［2］產(chǎn)學研融合模式的本質(zhì)是緊密結(jié)合科研、教育、生產(chǎn)三方，推進科研突破，培養(yǎng)多元人才，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，達到互助互利的良性循環(huán)。產(chǎn)學研融合的教育模式在拓展教育教學模式、提升校企合作質(zhì)量、開發(fā)新材料生產(chǎn)方面具有巨大的作用。

計算材料學是新時代背景下基于新型、高效的“數(shù)據(jù)+計算+實驗”的材料設計模式而迅速發(fā)展起來的一門學科。［3］計算材料學涉及材料學、物理化學、計算機等學科，在材料結(jié)構(gòu)與性能預測、新材料開發(fā)與設計等領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。目前計算材料學課程由于涉及的學科門類廣泛、概念與數(shù)學公式抽象晦澀，對于初學者難以理解和掌握，傳統(tǒng)的教育模式已經(jīng)無法完全滿足學科發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求。新工科背景下，材料學科研人員對材料計算和模擬具備一定的了解與掌握已逐漸成為一種趨勢，結(jié)合教育與生產(chǎn)實際以促進學科的發(fā)展與應用勢在必行。

一、高等院校計算材料學系列課程面臨的困境分析

（一）課程開設面向范圍窄，教育模式單一化

目前計算材料學系列課程主要是面向研究生開放，并且由于計算材料學涉及材料學、物理化學、計算機等眾多學科，相關(guān)的基礎(chǔ)理論和算法內(nèi)容豐富，尤其是部分內(nèi)容還需要有量子力學、固體物理以及密度泛函理論等相關(guān)知識的儲備，導致計算材料學課程的門檻與難度較高。［4］在計算材料學課程的傳統(tǒng)教育模式中，課程內(nèi)容大致分為教師面向?qū)W生的講授、教師課堂提問、小組討論和課后作業(yè)練習，這種傳統(tǒng)單一的課堂模式存在很多局限性，再加上計算材料學的課程內(nèi)容中有大量復雜的數(shù)學公式與計算推導，很難調(diào)動學生的學習興趣，整體的教學效果難免不盡如人意。

在新工科背景下，計算機在材料領(lǐng)域發(fā)揮著難以忽視的作用，無論是本科生還是研究生，具備一定的計算材料學的知識對他們的專業(yè)學習以及以后的科研或職業(yè)規(guī)劃都有幫助。同樣地，材料計算模擬與計算設計已經(jīng)在材料開發(fā)、性能預測等領(lǐng)域與實驗相結(jié)合，發(fā)揮出“1+1＞2”的作用。材料計算學系列課程早已不僅局限于專門從事材料計算領(lǐng)域研究的科研工作者，學習材料計算學的課程對于各個材料領(lǐng)域的研究人員都有一定的幫助。對計算材料學系列課程進行教育改革，降低計算材料學系列課程的難度與門檻，提高材料科研人員對計算材料學系列課程的興趣與熱情至關(guān)重要。

（二）課程內(nèi)容重理論、輕實踐，未與行業(yè)對接

與高校中其他傳統(tǒng)學科的培養(yǎng)模式類似，材料計算領(lǐng)域的人才培養(yǎng)存在著重理論、輕實踐的問題，教育過程中缺乏用于科研或工業(yè)中的實踐性教學。［5］計算材料學課程的學科人才培養(yǎng)目標應同時強調(diào)理論與實踐兩部分，目前，許多課程將重點放在材料模擬基礎(chǔ)理論、研究方法以及評估上，忽略了學生對材料設計的實踐與應用。占比較少的實踐環(huán)節(jié)也往往是計算模型階段的機械重復或驗證，僅僅停留在學校層面，這種培養(yǎng)模式明顯滯后于如今的新形勢，難以達到提高學生實踐能力的效果。［6］高校教師通常將重點放在科研領(lǐng)域，這與工業(yè)化應用具有一定差異性，且由于教師專注的領(lǐng)域較為有限，無法滿足在對不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)W生培養(yǎng)過程中的各種計算模擬方法的實踐與應用。［7］

新工科背景下，培養(yǎng)材料領(lǐng)域的高新技術(shù)人才，需做到理論依據(jù)與實際應用的共同掌握，只有“兩手抓”的復合應用型人才，才能在未來新材料技術(shù)的設計研發(fā)與工業(yè)化推廣中發(fā)揮價值?？贪寤慕虒W方案早已無法迎合當下的新形勢，人才培養(yǎng)過程與工業(yè)企業(yè)對接，迎合社會發(fā)展的需要，實施合理的理論基礎(chǔ)與實踐應用相結(jié)合的培養(yǎng)方法具有深遠意義。

二、高等院校計算材料學系列課程教育改革與實踐

（一）加強系列課程重視程度，提升課程面向范圍，改革教學方法

新工科背景下，材料科研人員具備一定的材料計算理論并擁有能在實際科研中應用的能力已成為廣泛趨勢，解決計算材料學課程開設范圍與面向群體窄、學習門檻高的問題已刻不容緩，必須加大高校對于計算材料學課程的重視程度。對許多高校的材料類專業(yè)學生而言，研究生教學過程中計算材料學系列課程學分學時占比都較小，本科生教學過程中就更小。以重慶大學材料科學與工程學院為例，本科生開設的有關(guān)材料計算的專業(yè)課程中僅有一門“計算材料學導論”，研究生也僅有“計算材料學”與“建筑材料計算與模擬”兩門專業(yè)選修課。

在本科階段就開設簡單的計算材料學系列課程與配套有關(guān)的如固體物理學等的基礎(chǔ)課程，讓本科學生能夠?qū)Σ牧嫌嬎泐I(lǐng)域有一定的認識，對其專業(yè)認知的完善和科研道路的開展都有巨大的幫助。因而設置更多學分學時在計算材料學系列及配套課程上很有必要。

作為一門多學科交叉的專業(yè)課程，提升教學質(zhì)量，降低教學門檻，從而讓更多領(lǐng)域的學生學得明白、學得感興趣，才能讓更多人有機會在材料計算這一領(lǐng)域深耕。許多教師在教授基礎(chǔ)的計算材料學課程時過于講究面面俱到，運用大量煩瑣的方程求解與公式推導，可能會使得教學內(nèi)容駁雜而枯燥影響教學效果。在實際教學過程中，面對來自不同研究領(lǐng)域的學生，基礎(chǔ)理論的講解應該以基本的理解和發(fā)散思維為主，加以直觀的視頻動畫展示甚至實踐上機操作，避免枯燥的填鴨式灌輸，從而加強學生的理解并激發(fā)學習興趣。

計算材料學多學科交叉的課程特色與新工科的背景，使計算材料學十分適合研究性教學。［8］課程可以包含各種數(shù)值計算方法及其在研究中的實際應用，教師可以基于科學前沿和企業(yè)實際生產(chǎn)中碰到的難題，設計一系列不同內(nèi)容的研究性問題供學生討論和分析，這種充滿探索和創(chuàng)新的產(chǎn)學研教學模式能快速培養(yǎng)學生的分析研究與處理問題的能力，能夠加深學生對材料設計和模擬這一領(lǐng)域的理解。

（二）構(gòu)建基于深度校企合作產(chǎn)學研融合協(xié)同育人的課程教育模式

產(chǎn)學研融合是工業(yè)企業(yè)、高校與科研機構(gòu)三者的結(jié)合，本質(zhì)上是科研、教育、經(jīng)濟三者的有機融合，能夠?qū)崿F(xiàn)科研、教育與生產(chǎn)在資源和功能上的集聚。企業(yè)是產(chǎn)業(yè)與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的主要推動力，企業(yè)的走向與市場的變化、區(qū)域的發(fā)展息息相關(guān)，企業(yè)有能力、有動力分析市場動態(tài)，把握新技術(shù)研究與應用的方向。［9］高校與科研機構(gòu)作為知識創(chuàng)新的奠基性力量，承擔著人才培養(yǎng)，理論革新等重要使命，其擁有的多年積累的科研經(jīng)驗與大量儲備科研人才，在社會經(jīng)濟效益的發(fā)展中同樣具有不可估量的作用。［9］

材料計算早已不僅停留在科研和校園層面，一大批工業(yè)企業(yè)同樣擁有龐大的模擬隊伍與計算經(jīng)驗?；诒姸噍^為成熟的商業(yè)化軟件，例如，功能材料計算領(lǐng)域的Nanodcal、RESCU、VASP，結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的ANSYS、ABAQUS等，有不少企業(yè)甚至能為高校實驗組提供第一性原理和分子動力學等計算服務。還有一些企業(yè)自建模擬團隊，為材料研發(fā)和電池設計等提供助力。這些都證明工業(yè)企業(yè)的模擬計算已經(jīng)具備強大的實力，而且往往更加具備創(chuàng)造力和生產(chǎn)力。高校在計算材料學的課程教育中，可以通過深度校企合作，將企業(yè)的實際需求融入教學中，讓學生在學習過程中就能夠接觸到實際問題，并在解決這些問題的過程中學習和掌握相關(guān)知識和技能，共同推進人才培養(yǎng)，實現(xiàn)協(xié)同育人。例如，針對材料性能預測與優(yōu)化，工業(yè)企業(yè)、高校與科研機構(gòu)可以進行緊密合作。工業(yè)企業(yè)可以提供實際生產(chǎn)中遇到的具體問題以及相應的實驗數(shù)據(jù)和測試結(jié)果，這些實際數(shù)據(jù)和問題可以作為課程案例，幫助學生更好地理解計算材料學的實際應用。高校和科研機構(gòu)可以組織專業(yè)教師和科研人員，針對工業(yè)企業(yè)提出的具體問題，進行理論分析和模擬研究。通過建立數(shù)學模型、進行數(shù)值計算和模擬實驗，探究材料性能的內(nèi)在規(guī)律，預測材料的性能表現(xiàn)，為工業(yè)企業(yè)的實際生產(chǎn)提供理論支持和指導，同時也能促進科研與生產(chǎn)的良性互動。在合作過程中，各方共同制訂教材內(nèi)容和教學方法，共同進行科學研究，加強實踐教學環(huán)節(jié)，提高學生的實際操作能力和問題解決能力。還可以定期組織學術(shù)交流和研討活動，邀請企業(yè)專家、高校教師和科研人員共同參與，分享最新的研究成果和實踐經(jīng)驗，促進學術(shù)與產(chǎn)業(yè)的深度融合。工業(yè)企業(yè)、科研機構(gòu)與高校進行合作，共同解決實際問題，不僅可以推動科技的進步，也可以為學生提供實踐機會，讓他們在實際工作中提升自己的能力。最后，這種模式還可以通過設立獎學金、提供實習等方式，吸引優(yōu)秀的學生參與科研工作，為企業(yè)和科研機構(gòu)輸送高質(zhì)量的人才。

產(chǎn)學研融合協(xié)同育人的模式能夠有效地幫助高校培養(yǎng)應用創(chuàng)新型人才，也是在相應的生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生一定社會經(jīng)濟效益的途徑。創(chuàng)新應用型人才的培養(yǎng)需要高校與企業(yè)深度聯(lián)合，兩者共同構(gòu)建和規(guī)劃合理的合作模式，讓學生能得到實踐實訓，讓企業(yè)得到發(fā)展進步。學生能夠在企業(yè)實習實操，企業(yè)專家也可以傳授經(jīng)驗，使學生能夠更好地滿足社會發(fā)展的需求，成為創(chuàng)新能力強、能力高的應用型人才。校企合作時可以以科研項目為依托，以實際任務為切入點，在同時滿足高校和企業(yè)共同需求的基礎(chǔ)上，給予學生將理論應用于實踐的社會環(huán)境，保證做好對人才的針對性培養(yǎng)，有助于推進產(chǎn)學研深度融合，促進學術(shù)與產(chǎn)業(yè)的良性互動與發(fā)展，還能實現(xiàn)對工業(yè)企業(yè)和科研機構(gòu)高質(zhì)量人才的輸送，達成優(yōu)質(zhì)人才培養(yǎng)和工業(yè)生產(chǎn)進步的良性循環(huán)。

三、計算材料學系列課程助力人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新

要實現(xiàn)新工科背景下產(chǎn)學研融合的教育改革，必須要改革目前高校重理論、輕實踐的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式。無論是科研成果的進步還是市場經(jīng)濟的發(fā)展，都對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應用型人才有巨大的需求，高校需以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為導向，加大對應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)力度，改變教師長期重學術(shù)理論而忽視實踐應用的觀念和現(xiàn)狀。企業(yè)與高校具有營利性目標的差異，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為導向，同時指向應用型人才的模板，能夠整合高校與企業(yè)的資源協(xié)同推進應用型人才的培養(yǎng)。［10］

計算材料學系列課程由于涉及學科廣泛，學習內(nèi)容復雜，傳統(tǒng)單向教育模式捉襟見肘，人才培養(yǎng)效果不盡如人意，亟須改革教學方式。通過加強課程重視程度，構(gòu)建協(xié)同育人的培養(yǎng)模式，以實現(xiàn)計算材料學系列課程的改革與實踐，這種產(chǎn)學研模式的教育探索不僅能夠?qū)崿F(xiàn)計算材料學人才培養(yǎng)的革新，更能夠為其他專業(yè)的教學改革提供借鑒和參考。如何將理論與實踐相結(jié)合、如何開展校企合作、如何設置課程和評價學生表現(xiàn)等方面，都可以為其他課程改革提供一定指導。作為涉及材料科學、物理學、數(shù)學等多個學科領(lǐng)域的課程，計算材料學系列課程通過教學改革可以培養(yǎng)具有跨學科背景的復合型人才，適應現(xiàn)代新工科背景下的需要。與企業(yè)聯(lián)動的實踐教學環(huán)節(jié)提高了學生的實踐應用能力，培養(yǎng)高水平應用型人才，學術(shù)與產(chǎn)業(yè)的深度融合讓學生理論實踐兩手抓，更好地適應工業(yè)發(fā)展的實際需求。學生可以在實際項目中運用所學知識，提高解決實際問題的能力，這種培養(yǎng)模式也可以為其他實踐性強的專業(yè)提供借鑒。

從產(chǎn)學研融合的角度出發(fā)，高校和科研機構(gòu)能夠與企業(yè)、社會聯(lián)動，更著眼于具體實踐和泛用性，實現(xiàn)科研成果與教學內(nèi)容對接，市場變化與研究方向配合，人才培養(yǎng)與企業(yè)需要相聯(lián)動的利好循環(huán)。材料類本科生和研究生在進行課題研究時基本只在實驗室完成，而實驗室與實際工業(yè)環(huán)境差異巨大，在實驗室進行的工藝流程和得到的實驗結(jié)果可能與在實際工業(yè)中的大相徑庭，無論是學術(shù)性研究的進步還是專業(yè)性人才的培養(yǎng)，最終都需要落實于實際的工業(yè)應用，因而高校與實際工業(yè)生產(chǎn)對接，實現(xiàn)理論指導和社會實踐的共同培養(yǎng)，才能造就出創(chuàng)新性研究性復合的應用型人才。

四、結(jié)語

計算材料學是一門多學科交叉、學習內(nèi)容抽象復雜的課程，在如今新工科背景對人才的高要求下，學科教育模式仍在不斷改革與探索中。材料計算的發(fā)展與壯大離不開高校對這一領(lǐng)域人才的培養(yǎng)和重視，提升面向范圍，革新教育方式，能夠激發(fā)更多人的學習興趣，而工業(yè)企業(yè)的實踐應用又能與科研教育產(chǎn)生良性互動，以實際產(chǎn)業(yè)為驅(qū)動，解決實際問題，提升學生的創(chuàng)新應用能力。這種產(chǎn)學研融合的協(xié)同育人教學模式整合了高校、科研機構(gòu)與企業(yè)的資源和優(yōu)勢，有益于激發(fā)學生的學習興趣和探索精神，能夠為社會培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才保駕護航。計算材料學系列課程的改革從課題教育到工業(yè)實踐方面都有足夠的可行性和指導性，在人才培養(yǎng)模式的革新上具備一定的示范作用，能夠在其他專業(yè)課程中推廣。

參考文獻：

［1］ 王亞煦. 新工科建設背景下產(chǎn)學研協(xié)同育人體系的構(gòu)建：以粵港澳大灣區(qū)高校為例［J］. 中國高?？萍迹?022（05）：80-85.

［2］ 吳巖. 勇立潮頭，賦能未來：以新工科建設領(lǐng)跑高等教育變革［J］. 高等工程教育研究，2020（02）：1-5.

［3］ 郭丹，金劍鋒，王明濤，等. 新工科背景下計算材料學實驗教學改革與實踐［J］. 實驗室研究與探索，2022，41（03）：181-186.

［4］ 郁亞娟，郭興明，陳人杰. 基于混合式教學法的計算材料學系列課程教改實踐［J］. 中國材料進展，2021，40（12）：1015-1022.

［5］ 唐延川，陶培靈，沈明學，等. 科教融合教育體系下的創(chuàng)新教學模式探索：以材料科學與工程專業(yè)為例［J］. 教育現(xiàn)代化，2019，6（86）：163-164.

［6］ 楊途才，覃銘，張旭明，等. 金屬材料類專業(yè)的產(chǎn)學研協(xié)同育人模式實踐路徑［J］. 教育現(xiàn)代化，2018，5（38）：10-11.

［7］ 張昂，張庚鋆，蔣斌. 新工科背景下產(chǎn)學研融合與平臺協(xié)同育人模式的構(gòu)建和探索［J］. 中國現(xiàn)代教育裝備，2023（23）：170-172.

［8］ 劉艷俠，孫嘉興，邱巍，等. 研究性教學模式的實踐研究：以《計算材料學》課程為例［J］. 遼寧大學學報（自然科學版），2015，42（04）：330-337.

［9］ 宋磊. 產(chǎn)學研用協(xié)同育人模式驅(qū)動高校教學創(chuàng)新研究［J］. 遼寧科技學院學報，2021，23（05）：31-34.

［10］ 楊樂. 產(chǎn)學研合作背景下應用型人才培養(yǎng)研究［J］. 中國高?？萍?，2018（08）：39-41.

（責任編輯：陳華康）

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目“新時代新工科背景下產(chǎn)學研融合與平臺協(xié)同育人模式研究”（項目編號：2130 46）；重慶大學研究生重點課程建設計劃“計算材料學”（項目編號：20210617）。

作者簡介：張昂（1993—），男，博士，重慶大學材料科學與工程學院副教授，研究方向為材料模擬與仿真；唐雨晨（2000—），男，碩士在讀，重慶大學材料科學與工程學院，研究方向為材料模擬與仿真；蔣斌（1975—），男，博士，重慶大學材料科學與工程學院教授，研究方向為新型鎂合金材料及先進制備加工技術(shù)。