材料类专业四位一体教学模式分析

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摘要:本文针对高校课程改革的迫切需求及该课程在教学中存在的现实问题，尝试对“计算机在材料科学中的应用”这门课程的教学进行改革，提出“四位一体”教学模式和该模式的具体实施策略。将研究型探究式教学、线上线下体验教学、前沿知识教学和课程思政教学四个方面在教学实施中进行有机整合，使该课程在教学中实现教、学、做、评的融合，有利于学生厚植理论基础、启发创新思维、拓展学科视野、树立文化自信，助力应用研究型人才培养。

关键词:计算机;材料科学;四位一体;教学模式

随着计算机模拟技术的快速发展，材料科学研究已经从传统的试错法逐步走向多元化、多尺度化研究［1-2］，材料研发模式的变革对人才培养提出了新的挑战。因此，国内各高等院校认识到“计算机在材料科学中的应用”课程的重要性［3-4］。该课程是材料类专业本科生的一门专业必修课程，其目的是为了培养学生运用计算机进行材料科学研究和解决材料工程领域实际问题的能力，提升学生创新精神和科技探索能力。然而，在教学过程中存在重理论轻实践、教学模式单一、前沿性不足、思政育人单调等问题。在新工科背景下，迫切需要进行教育教学改革，不断提升学生利用计算机技术工具分析和解决问题的能力，进而提高课程教学效果。

一、当下“计算机在材料科学中的应用”课程教学存在的问题

“计算机在材料科学中的应用”课程涉及的理论知识面较广，是融合计算机技术和材料科学学科基础的跨学科课程。课程对该专业学生的发展具有重要奠基作用，因此这门课程的教学质量日益受到重视。但因各个高校学科设置和师资力量不同，该课程教学主要采用传统的理论授课的形式进行，通过对这门课程教学过程的调研，发现在教学中还存在以下问题。

(一)教学观念上重理论轻实践

目前大多数高校对于该课程的设置偏重理论方向，缺乏针对专业知识方面的培养，疏忽了实践操作能力的培养，甚至以理论教学替代实践教学等。使学生不易理解理论知识，甚至易感觉到枯燥无味，久而久之，学生就会失去对该门课程的积极性和主动性。

(二)教学内容上重教材知识轻前沿问题

课程知识量大、内容繁杂，且具有前瞻性。随着计算技术的快速发展，越来越多的新材料、新工艺、新方法被研发应用，但授课内容提及前沿学术问题的计算机应用较少，造成教学内容未能有效结合学科前沿的知识发展，导致学生知识结构偏窄、守旧，难以满足新时代解决复杂材料问题的新需求。

(三)教学方式上重讲授灌输轻实践操作

课程整体课时相对有限，导致教师为了满足课程的内容要求出现填鸭式教学，而这种教学方式往往缺少互动，课堂仍以是“教师为中心”。这种教学方式枯燥，学生易产生反感心理，使教学效果达不到预期。学生普遍反应对该课程涉及的一些应用性很强的软件掌握并不理想，缺乏灵活的运用能力。

(四)教学目标上重知识传授轻思政育人

目前该课程侧重关注专业理论学习，大部分教师在课堂讲授中以知识和技能传授为主，没有有意识地对学生进行思政教育，且课程思政内容融入不深，没有新颖性、时代性。学生学习目标局限于掌握专业知识，不明确课程思政的教育意义，缺乏学习积极性和热情。

二、“计算机在材料科学中的应用”课程“四位一体”教学模式构建

桂林理工大学无机非金属材料工程专业开设的“计算机在材料科学中的应用”课程分为理论授课(10学时)与上机实践授课(14学时)两部分，共计24学时。该课程主要介绍计算机用于材料建模及设计、数据处理和图像分析、科技论文绘图等。本文在原有课程体系的基础上，借鉴先进教学理念，提出“四位一体”“计算机在材料科学中的应用”课程教学模式(如下图所示)，从育人目标、教学目标、教学方式、评价标准等方面对该课程教学进行改革，以务实教育为主线，注重过程与方法、知识与技能的考核，以务“虚”教育为两翼，强化学生情感态度与价值观的评价，把务实与务“虚”有机结合起来，培养情智同步发展的应用研究型人才。

三、“四位一体”教学模式在“计算机在材料科学中的应用”课程中的实施策略

(一)厚植理论基础，开展研究型、探究式教学

当前“计算机实验”已成为传统实验的一个重要技术手段，相应的计算机软件已广泛应用于材料科学研究和实践教学［5］。对于电子原子层面的问题，一般采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，如MaterialsStudio(MS)、QuantumEspresso、VASP软件等。课堂中引入MS进行教学，开展无机非金属材料的结构设计和性能预测。1．注重应用，强调实践(1)DFT对学生的物理基础要求较高，理论模型也不易理解。因此，将DFT串联，采用故事教学法进行概述讲解。从薛定谔方程出发，介绍适用于非均匀电子系统的DFT，导出包括多粒子体系中交换和关联效应的单电子自洽方程组(Kohn-Sham方程)，再引入交互关联泛函和赝势，构成单电子近似的现代理论依据。该部分使学生对DFT的理论基础有了初步了解。(2)结合理论教学内容，介绍MS的基本功能、操作、使用，并通过具体科研实例讲解如何用MS进行建模和计算。同时，通过上机操作完成从模型建立到性能预测，再到处理数据及分析全过程的学习，培养学生运用计算机解决科研和生产实际问题的能力，从而提高教学效果。2．充分体现科教融合教师将科研成果转化为教学内容，以理论引申、教学案例等方式进行教学，丰富更新教学内容。教师通过提出科学问题，引导和鼓励学生利用MS进行科学研究和探索。例如，利用MS建立缺陷模型，对其进行几何结构优化，得到基态能量和晶格参数，进行性能预测，分析缺陷对PbTiO3电子结构、介电性能、光学性质等影响。教师给出科学问题和解决思路，学生独立思考整个过程，进而培养学生的实践操作能力和创新思维，激发学生的求知欲望。

(二)启发创新思维，采用线上线下体验教学

“计算机在材料科学中的应用”涉及的理论知识广、实践性强，非常适合开展线上线下体验式教学，通过将“教”和“学”适当分离，可拓展教学的时间和空间，提高学生的主动性和参与度。开展线上线下体验教学，需将现有的教学内容进行重新组织和设计。一是课前自主学习。教师分解知识点，录制微视频或收集网络资源，并安排学习任务。学生带着学习任务(随堂测验、作业或思考)在线完成各章节的基本理论知识、软件介绍和基本操作等学习，以保证学生线上学习的效率。二是课堂互动讲授。教师精心设计课堂教学活动，有针对性地对各章知识点进行总结串讲。学生在掌握知识基础的前提下，带着疑问进行研讨，有助于其巩固、转化并灵活运用线上知识。三是课后开放探索。教师布置一些相关的开放性课题，学生课后完成开放性课题研究，并观看教师共享的讲解视频，培养学生科学研究能力和创新思维，实现“学、教、做互动”体验式教学。课程考核设置比例为:总成绩100分=平时成绩(线上学习20%+课堂表现20%)+开放性课题成绩(60%)。通过设计多元化课程考核方式，注重过程考核和能力考核，尽量使分数客观反映该课程教学目标的达成情况，提升学生学习的积极性和体验式教学的效果。以“计算机技术用于材料数据和图像处理”一章为例，利用录制微视频形成线上课程，线上课程内容囊括材料数据处理的基本理论、Origin软件的应用、基本功能和使用，要求学生提前完成软件的安装并预习初步学习软件的基本功能，以便开展课堂教学和操作指导。课堂重点介绍曲线拟合和线性插值法，并通过实践上机操作讲授Origin在数据处理中的应用实例，供学生进行有针对性的学习和讨论。课后根据教师的实验数据，要求学生绘制双Y轴的粒径分布图和某薄膜材料的电滞回线图，培养学生数据处理和分析的能力，为后续课程的学习奠定基础，尤其是毕业设计(论文)有关的材料数据的处理与分析。

(三)拓展学科视野，引入前沿知识教学

在课程教学中需将教材内容与前沿知识衔接，丰富教学内容，以适应“计算机在材料科学中的应用”的理论和实践不断发展的需求。教师应注重文献与时政知识的积累，不断补充和更新与该课程有关的前沿知识到教学素材库。如在“绪论”部分，介绍材料基因方法在锂电池材料、钙钛矿型光伏材料、热电材料等一系列材料设计中的应用［6］;在材料设计这一章中介绍第一性原理计算在新材料设计中的应用，展示高通量计算筛选新材料的强大功能，使学生了解材料科学的新兴领域，深化“理论+实验+计算”的材料设计理念，培养学生的科学兴趣，提升学生综合素养。

(四)树立文化自信，融入课程思政教学

结合“计算机在材料科学中的应用”课程性质和特点，发掘该课程中的思政元素，将思政教育融入教学内容。在阐明“计算机在材料科学中的应用”的基本原理和相关实践操作的基础上，通过“感官冲击→道理讲解→心理反应→思政升华”模式，将课程背景和理论知识有机融入社会主义核心价值观，并在实践教学过程中，采用“案例法”“讨论法”等教学手段进行科学精神和创新精神教育，使学生树立坚定的理想信念和丰富的人文修养。以“计算机模拟技术用于材料设计”一章为例。在讲授计算机在材料模拟发展中的作用时，列举由中国国防科学技术大学自主研制的超级计算机，其第二代系统———“天河二号”成为2013年全球最快超级计算机。在讲授计算机模拟技术———主要是第一性原理理论基础的时候，引入香港大学姚望教授对自旋电子学和自旋量子计算做出的重要贡献及其荣获2014年度全球华人物理与天文学会亚洲成就奖。通过视频及图文并茂的形式，将抽象理论具体化，通过感官冲击，使学生领会到科学家敢于探索、潜心钻研的高尚情操，了解我国在计算材料领域所做出的国际贡献，进一步增强科技自信、文化自信和民族自信。在讲MS实例操作时，结合近年来国内科学家在《Nature》《Sci-ence》《科学通报》等国内外期刊发表的文献进行科研实例教学。在布置开放性课题时，要求学生查阅相关性强且质量高的文献进行分组讨论，再结合所学知识独立完成课题。并且把分组讨论和课题所涉及的思政内容作为德育考核，评价学生的情感态度与价值观，使评价机制做到虚实结合。

结语

随着超级计算机、量子计算、新材料等先进技术的快速发展，“计算机在材料科学中的应用”也正发生极大转变。传统的教学内容和方式需要不断改革以满足人工智能时代的发展需求，提出“四位一体”教学模式，从研究型探究式教学、线上线下体验教学、前沿知识教学和课程思政教学四个方面进行课程教学改革，突出课程的设计性、研究性、探索性，实现教、学、做、评的融合，重点培养学生知识应用能力、实践能力、创新精神和文化自信。同时，为后续课程的学习做打下基础，尤其是毕业设计(论文)提供方法和途径，也为高校应用研究型人才培养提供实践依据。

参考文献:

［1］朱后禹，匙玉华，赵联明．哌啶在MoP表面C—N键断裂反应实验设计［J］．实验室研究与探索，2019，38(09):34-37．

［2］张鹏，赵丕琪，侯东帅．计算机在材料科学与工程中的应用［M］．北京:化学工业出版社，2018．

［3］陈小虎，屈华昌，邵波．教学应用型本科院校的办学理念及其路径选择［J］．中国大学教学，2005(02):58-60．

［4］刘敬成．浅谈《计算机在材料科学中的应用》的教改方案［J］．大学教育，2014(18):159-160．

［5］张茂林，李智敏，施建章．相对介电常数测试与模拟计算结合研究［J］．实验技术与管理，2017，34(01):41-43．

［6］钱旭，田子奇．材料基因方法在材料设计中的应用［J］．数据与计算发展前沿，2020，2(01):128-141．

作者：文志勤 覃月弯 李优 邹正光 单位：桂林理工大学材料科学与工程学院 桂林理工大学教务处