劉翠霞，呂志剛，馬志軍

(西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021)

《計算材料學(xué)》[1]是一門采用計算科學(xué)研究材料科學(xué)內(nèi)容的新興交叉學(xué)科，可以設(shè)計材料的組成和結(jié)構(gòu)，預(yù)測材料的性能，并解釋材料內(nèi)部變化的機理?！队嬎悴牧蠈W(xué)》涉及的學(xué)科較多，包括材料學(xué)科、數(shù)學(xué)學(xué)科、物理學(xué)科、化學(xué)學(xué)科和計算機學(xué)科等?！队嬎悴牧蠈W(xué)》可以有效地將材料科學(xué)中的理論知識與實驗過程有機聯(lián)系在一起，因此對《計算材料學(xué)》教學(xué)模式的探索，可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，挖掘材料內(nèi)部機理，為科研道路奠定基礎(chǔ)。

1 《計算材料學(xué)》的教學(xué)現(xiàn)狀

《計算材料學(xué)》課程具有學(xué)科跨度大、理論知識深、操作能力強的特點，在《計算材料學(xué)》課程授課過程中，出現(xiàn)如下問題：①缺乏《計算材料學(xué)》優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。②授課方法過于局限，學(xué)生興趣不高，課堂效果不好，只是課堂的講授很難讓學(xué)生理解《計算材料學(xué)》的精髓；③短時間內(nèi)學(xué)生接受困難，因為《計算材料學(xué)》囊括多學(xué)科理論知識，概括性及動手性都較強。需要學(xué)生對知識消化吸收并運用。 ④《計算材料學(xué)》實踐條件的欠缺很難保證教學(xué)效果。針對《計算材料學(xué)》教學(xué)過程中遇到的問題，根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗和方法，結(jié)合此課程的具體問題，提出一系列的改革措施。

1.1 《計算材料學(xué)》的改革措施和方法

在《計算材料學(xué)》的教學(xué)改革中，運用了基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-based Education，縮寫為OBE)，其中心思想是基于產(chǎn)出推出的教育模式，根據(jù)目標(biāo)確定學(xué)習(xí)的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法，單刀直入，切中要害，時間短，卻能把最精髓的內(nèi)容學(xué)會。在OBE的教育模式下，學(xué)生很快就能將學(xué)到的知識運用，體會到成功。相比于從最基礎(chǔ)的學(xué)起，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情[2-3]。因此，本文結(jié)合學(xué)生學(xué)完《計算材料學(xué)》的應(yīng)用情況，采用OBE的教學(xué)教育模式，對整個課程進(jìn)行了建設(shè)。目前，已經(jīng)初步嘗試對此課程進(jìn)行了OBE教育模式的探索，取得了一定的效果。

2 《計算材料學(xué)》的改革內(nèi)容

在OBE教學(xué)模式的理論指導(dǎo)下，以產(chǎn)出為導(dǎo)向[4]，結(jié)合《計算材料學(xué)》的教學(xué)實際，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步優(yōu)化，采用先進(jìn)的教學(xué)手段，改進(jìn)教學(xué)方法，開發(fā)新的考核模式，提高《計算材料學(xué)》的教學(xué)質(zhì)量。

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

在OBE的教育理念下，根據(jù)學(xué)生將要參與課題的目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。常用的《計算材料學(xué)》研究方法包括第一性原理、量子化學(xué)理論、分子動力學(xué)、蒙特卡洛、元胞自動機、相場法、有限元等[5]。如果按照方法進(jìn)行講授，會讓學(xué)生感覺零散沒有章法可循，勢必會對《計算材料學(xué)》產(chǎn)生很亂很雜的感覺。因此我們在教學(xué)內(nèi)容上首先進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)各研究方法特點及教學(xué)實際情況，按照尺度進(jìn)行分類，包括納觀尺度、微觀尺度、宏觀尺度三個尺度，在這三種尺度中，各選擇一個具有代表性的模塊開展教學(xué)。通過這種分類，可以將教學(xué)內(nèi)容分模塊進(jìn)行，并將相關(guān)方法融入其中進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生會由原來的一頭霧水到現(xiàn)在有模塊可以抓，會感覺有目標(biāo)了，學(xué)習(xí)自然會更有效果。

在講授納觀尺度時可以融入兩個方法，如第一性原理計算方法和量子化學(xué)計算方法。其中第一性原理方法具有代表性，在此方法中，基本不需要經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)物質(zhì)本征的物理常數(shù)，可以計算出物質(zhì)基態(tài)的基本性質(zhì)，具有較深遠(yuǎn)的物理意義。由于不需要輸入經(jīng)驗參數(shù)，只需要輸入原子構(gòu)型，確定目標(biāo)任務(wù)，設(shè)置計算精度，得到的結(jié)構(gòu)卻與實際較接近，因此此理論受到人們的極大關(guān)注。學(xué)習(xí)納觀尺度的知識后，學(xué)生掌握了原子電子尺度的微觀機理，可以根據(jù)自己的專業(yè)方向進(jìn)行練習(xí)。

在講授微觀尺度時可以融入分子動力學(xué)，蒙特卡洛模擬，元胞自動機等方法，分子動力學(xué)可以處理的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一性原理。它的主要依據(jù)來源于牛頓力學(xué)，主要是抽取一些典型分子作為樣本，對其運動狀態(tài)進(jìn)行模擬。這其中代表性分子的尋找就非常關(guān)鍵，可以采用蒙特卡洛方法尋找這些具有代表性的分子，蒙特卡洛方法主要是采用一定規(guī)則的隨機數(shù)，進(jìn)行蒙特卡洛積分，確定典型分子體系。對于那些由于計算過于復(fù)雜而難以得到解析解或者根本沒有解析解的問題，蒙特卡羅模擬是一種有效的求出數(shù)值解的方法。通過學(xué)習(xí)這其中的一種方法，學(xué)生可以了解微觀尺度的材料內(nèi)部反應(yīng)的機理，從而根據(jù)自己課題組的具體問題選擇具體方法。

在講授宏觀尺度時可以融入相場法、有限元分析等[6]。相場法主要的物理基礎(chǔ)是Ginzburg-Landau理論，通過建立具有特定物理機制的擴(kuò)散、有序化勢和熱力學(xué)驅(qū)動等微分方程，隨后采用編程求解微分方程，獲得整個體系的某一時刻某一空間的瞬時狀態(tài)。有限元方法在求解時，一般采用對整個問題區(qū)域進(jìn)行分解，把每個子區(qū)域都簡化成一個獨立的單元(三角形、四邊形、六邊形)，這些微小單元采用節(jié)點進(jìn)行連接，每個單元被設(shè)置成相應(yīng)的性質(zhì)，描述變形狀態(tài)和過程，可以通過不同單元的性質(zhì)將整個工程結(jié)構(gòu)的性質(zhì)整合在一起，從而得到整個工程結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。

2.2 改進(jìn)教學(xué)方法與教學(xué)手段

(1)理論和實驗一體化

《計算材料學(xué)》課程實踐性很強，將理論與材料研究中的問題相聯(lián)系，對于材料中的某一問題，采用激發(fā)學(xué)生興趣的方法，提出多種方法，讓學(xué)生從中選出最適合的一種或幾種，對這一問題進(jìn)行計算分析，在此基礎(chǔ)上，推演其他規(guī)律和機理，就具有正確性。在教學(xué)過程中，將學(xué)生視為主題，材料研究作為目標(biāo)，針對這一目標(biāo)，展開方法的選擇和實踐，教師在其中起到引導(dǎo)的作用，真正做到教和學(xué)同步進(jìn)行。學(xué)生真正體會到融入課堂的樂趣，教學(xué)效果較好。

(2)團(tuán)隊協(xié)作法

團(tuán)隊協(xié)作是保證科研繼續(xù)進(jìn)行的基本條件，培養(yǎng)學(xué)生良好的團(tuán)隊協(xié)作能力非常重要，學(xué)生根據(jù)自己的研究方向，自行尋找組員，可以三個或四個同學(xué)一組，可以是一個尺度的學(xué)習(xí)，也可以是跨尺度的學(xué)習(xí)，但要結(jié)合在一起，體現(xiàn)團(tuán)隊協(xié)作能力。

(3)實驗項目驅(qū)動法

學(xué)生根據(jù)自己的分組情況，確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和方向，選擇合適的軟件入手，以軟件為載體，進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生根據(jù)具體實驗項目為主線，展開軟件和內(nèi)容的分析，學(xué)生在實驗過程中需要建立結(jié)構(gòu)模型、設(shè)置任務(wù)參數(shù)、分析結(jié)果數(shù)據(jù)。教師根據(jù)學(xué)生的實驗項目內(nèi)容，分析其深度和廣度，列出提綱，給學(xué)生指引方向，項目驅(qū)動法教學(xué)體現(xiàn)在OBE教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

(4)開展研究性教學(xué)

《計算材料學(xué)》的主要教學(xué)對象是研究生，開展從實驗項目入手的研究性教學(xué)，將理論與實際緊密結(jié)合在一起，通過分析和學(xué)習(xí)材料研究中的具體問題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用《計算材料學(xué)》方法分析解決問題。

(5)采用翻轉(zhuǎn)課堂

學(xué)生確定好組員和內(nèi)容后，展開對軟件的學(xué)習(xí)，帶著問題來上課，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)式授課，主要以討論及操作為主，學(xué)生在教師的正確引導(dǎo)下，一邊討論，一邊學(xué)習(xí)。教師隨時關(guān)注學(xué)生的講解并對難點進(jìn)行講授。這樣只要一組同學(xué)研究了某問題，共享后，全班同學(xué)都理解了此問題，起到事半功倍的效果[7]。

(6)創(chuàng)新考核方式

《計算材料學(xué)》課程需要實踐操作，需要學(xué)生在實踐中分析理論知識。單純的課堂試卷不能體現(xiàn)學(xué)生的真實水平，因此創(chuàng)新考核方式[8]，探索最能體現(xiàn)學(xué)生能力的方式，采用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行討論式教學(xué)，總分100分，課堂講授30%，制作ppt水平10%、討論課參與度占20%，團(tuán)隊協(xié)作能力占10%，考試占30%。

3 《計算材料學(xué)》的改革特色

在傳統(tǒng)的《計算材料學(xué)》教學(xué)過程中，學(xué)生在課后完成相應(yīng)的練習(xí)題，雖然學(xué)生掌握了對應(yīng)的公式，但讓學(xué)生感覺枯燥，學(xué)習(xí)興趣不高。因此，在OBE的教育模式下[9]，制定目標(biāo)，授之以魚，還得授之以漁，讓學(xué)生看到魚在哪里，在目標(biāo)導(dǎo)向的作用下學(xué)會追本溯源，根據(jù)上面的改革內(nèi)容及方法，讓學(xué)生以某一計算案例為任務(wù)，依托某一軟件，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學(xué)生創(chuàng)造的思維和方法。

4 《計算材料學(xué)》的改革效果

在具體授課過程中，確定組數(shù)和組內(nèi)人數(shù)，每組人數(shù)控制在5人以內(nèi)，組員根據(jù)自己的課題方向或者感興趣的內(nèi)容，確定自己的任務(wù)和使用的軟件，組內(nèi)成員每人要有側(cè)重點，可以利用一個軟件解決所有問題，也可以用不同軟件，但必須體現(xiàn)團(tuán)結(jié)協(xié)作。圖1是翻轉(zhuǎn)課堂中部分學(xué)生的講課圖，制作了ppt，并進(jìn)行細(xì)致講解，有的組是一個一個組員講，有的組是兩個人一起上去講，風(fēng)格多樣，不僅體現(xiàn)了學(xué)生掌握《計算材料學(xué)》的相關(guān)知識，也體現(xiàn)在學(xué)生制作ppt、講解內(nèi)容、團(tuán)結(jié)協(xié)作等方面的能力。真正學(xué)到了這門課的內(nèi)容。對于每個學(xué)生的講解，其他學(xué)生積極發(fā)言提問，教師在中間起到協(xié)調(diào)和引導(dǎo)的作用，將知識引導(dǎo)更寬廣的方向，學(xué)生普遍反應(yīng)在這門課上學(xué)到了知識。

圖1 學(xué)生上課講解實例

5 結(jié) 語

采用OBE教學(xué)模式對《計算材料學(xué)》進(jìn)行創(chuàng)新改革，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，結(jié)合教學(xué)實際，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，對教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革，對課程考核方式進(jìn)行創(chuàng)新，調(diào)動起學(xué)生的積極性，讓《計算材料學(xué)》這門十分抽象、理論性極強的課程變成有興趣、愿意去創(chuàng)新的課程。學(xué)生反應(yīng)在這門課程的學(xué)習(xí)中不僅學(xué)到了深入理解了計算材料學(xué)的基本知識，還鍛煉的制作ppt、獨立講解及團(tuán)隊協(xié)作的能力，因此，計算材料學(xué)的課程改革具有一定的示范作用，可以在同類型課程中進(jìn)行推廣。