白 靜，沈洪濤，金 淼

（東北大學(xué)秦皇島分校 資源與材料學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

計算材料學(xué)是一門新興學(xué)科。當(dāng)前，隨著計算機科學(xué)在新材料研究領(lǐng)域的興起，計算機技術(shù)與材料領(lǐng)域交叉應(yīng)用可以為廣大材料科技工作者提供一種更加便捷的虛擬環(huán)境。顯然，在這種大環(huán)境下，復(fù)雜煩瑣的常規(guī)批量式實驗手段已不再具有優(yōu)勢。因此，傳統(tǒng)的基于實驗的研發(fā)理念和模式必須有所改變，“理論預(yù)測+實驗驗證”的新模式應(yīng)運而生［1］，計算材料學(xué)將成為未來材料科技工作者的必備知識之一。

如今，中國高等教育越來越趨向于國際化。近十年來，國內(nèi)各重點工科高等院校紛紛遴選出一批課程用于開展以英語為主要課堂教學(xué)語言的雙語教學(xué)改革［2-4］。實施雙語教學(xué)不僅可以深化學(xué)科課程的學(xué)習(xí)，還可以開闊學(xué)科視野和學(xué)習(xí)前沿知識［5-7］。東北大學(xué)秦皇島分校的“計算材料學(xué)”課程從開設(shè)伊始就按照雙語教學(xué)設(shè)計，理論教學(xué)和計算案例均使用英文材料，旨在培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合能力。

“計算材料學(xué)”課程是一門專業(yè)選修課，選課學(xué)生為材料科學(xué)與工程專業(yè)和功能材料專業(yè)本科生。通過對“計算材料學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，可以加深對材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和反應(yīng)機理的認識，通過分析計算結(jié)果可以引導(dǎo)實驗，理性地設(shè)計實驗，進而達到節(jié)省研發(fā)時間、降低成本的目的［8-12］。課程主要講授計算材料學(xué)中原子和分子尺度模擬的常用方法、核心理論知識與科學(xué)前沿進展，并結(jié)合材料研究中的實際例子說明具體方法的運用。學(xué)完本課程后，學(xué)生對材料設(shè)計中涉及的多尺度模擬會有較深入的理解，在掌握有關(guān)第一性原理計算的相關(guān)理論后，選取合適的計算方法和參數(shù)，可以實現(xiàn)應(yīng)用第一性原理計算分析設(shè)計材料的性質(zhì)。

本課程立足國家需求、學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)目標，注重專業(yè)知識與創(chuàng)新融合的創(chuàng)新型、復(fù)合型人才培養(yǎng)要求。同時，本課程連接材料科學(xué)基礎(chǔ)理論與研究實際，利用多尺度模擬方法計算材料的性質(zhì)，讓抽象概念更直觀。

一、雙語授課的教學(xué)現(xiàn)狀

我國的大學(xué)雙語教育在全國范圍內(nèi)推廣了十幾年，雙語教學(xué)使中國高等教育更加與國際接軌。然而在實施的過程中出現(xiàn)了一些問題亟須解決，例如，對相關(guān)的課程資源的建設(shè)不足，對雙語的教學(xué)模式流于形式，學(xué)生聽課效果一般等。

（一）雙語教學(xué)教師資源不足

雙語教學(xué)的授課方式，不僅要求授課教師掌握專業(yè)知識，同時對于授課教師專業(yè)英語水平要求也非常高，這使得能夠承擔(dān)雙語教學(xué)的教師人數(shù)不足。學(xué)術(shù)能力強、經(jīng)驗豐富的材料專業(yè)教師，往往受到傳統(tǒng)教學(xué)方式的制約，其不足主要體現(xiàn)在英語的聽說和口語表達方面。職業(yè)英語教師的英語閱讀、寫作、翻譯、聽力和口語的能力都很強，但由于沒有材料科學(xué)的專業(yè)知識的背景，造成講授時難以很好地把握“計算材料學(xué)”課程的重點難點和實際應(yīng)用，無法有效地進行“計算材料學(xué)”課程雙語教學(xué)。

（二）可供選用的雙語教材數(shù)量較少

計算材料學(xué)適用于本科生階段的教材很少，且基本是各高校教師按照教學(xué)大綱編寫的，不能完全適用于我校學(xué)生教學(xué)，例如所選計算實例等不適合我院材料類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)等。同時，受教材出版周期限制，內(nèi)容更新較慢。目前，普通高校在選用雙語教材時，往往會依據(jù)實際需要確保其教學(xué)的有效性，獲取途徑有三種：一是直接引入原版教材，二是各高校通過聘請國內(nèi)知名高校教授編寫教材，三是與外國知名高校合作編寫中外合作教材。國外的原版教科書，能最大限度地反映出國外尖端的技術(shù)，能夠與世界的尖端科研相結(jié)合，但其價格很高，同時專業(yè)類科目的教材種類和數(shù)量都比較少；我國高校編寫的教材一般是根據(jù)課程大綱編寫的，基本能適應(yīng)目前專業(yè)學(xué)生的基本需求。不過，在語言表達上漢語和英語會存在差異，這容易對語言理解產(chǎn)生偏差，引起歧義。

（三）學(xué)生英語水平有限

學(xué)生的基礎(chǔ)英語水平和專業(yè)英語詞匯積累直接影響雙語教學(xué)的效果。目前，相對于筆試，學(xué)生的實際聽說能力有限，加之平時缺少一個能夠進行英語交際的語言學(xué)習(xí)環(huán)境，所以英語的實際應(yīng)用能力總體不足。在雙語課中，由于自身的專業(yè)素養(yǎng)和英語能力的限制，導(dǎo)致了教師和學(xué)生在進行雙語教學(xué)的時候，往往要耗費更多的時間和精力。

二、“計算材料學(xué)”雙語教學(xué)模式探索

（一）明確雙語教學(xué)目標

利用雙語教學(xué)的方式，學(xué)生能夠更好地在漢語與英語兩種語言環(huán)境中學(xué)習(xí)、理解和有效地掌握這門學(xué)科的精髓。首先，要求學(xué)生對“計算材料學(xué)”課程所包含的基本內(nèi)容進行充分理解掌握，其次，通過雙語教學(xué)全面提升整體素質(zhì)，提升專業(yè)前沿學(xué)科知識的學(xué)習(xí)能力。在雙語教學(xué)過程中，以學(xué)科的特殊性為核心，而語言僅僅是內(nèi)容的載體、表現(xiàn)形式和溝通手段。在此基礎(chǔ)上需要說明的是，雙語教學(xué)改變的是教學(xué)形式，而不能改變教學(xué)本質(zhì)，應(yīng)該以課程內(nèi)容為中心，以專業(yè)知識為主體。

（二）創(chuàng)新教學(xué)模式

實施雙語教育的目的是讓學(xué)生更好地理解掌握國內(nèi)外計算材料學(xué)知識，進而更好地運用英語進行材料領(lǐng)域的溝通、運用和研究。

作為一名教師，應(yīng)注意對雙語教材的理解，在課堂上運用更加靈活的方法來激發(fā)學(xué)生的積極性。例如，在課程安排上，教師必須明確自己的教學(xué)目的，充分掌握國際最新的學(xué)科知識，在課堂上能夠合理、高效地開展教學(xué)，確保在充分掌握學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，合理、科學(xué)地安排講課內(nèi)容。例如，我們在教學(xué)內(nèi)容中融合了教師的科研方向——新型功能材料：Ni-Mn基磁控形狀記憶合金，該材料的優(yōu)異功能特性均與其可逆馬氏體相變有關(guān)。因此，通過計算材料的奧氏體母相和馬氏體相的能量差，得到馬氏體相變的熱力學(xué)驅(qū)動力，進而預(yù)測該材料的馬氏體相變溫度，并可以計算奧氏體母相和馬氏體相的各種物理性質(zhì)。

此外，我們通過互動的方法來引導(dǎo)學(xué)生參與到課堂的討論和演講中，培養(yǎng)其對學(xué)科知識的學(xué)習(xí)興趣，指導(dǎo)他們用英語思維與語言進行交流和學(xué)習(xí)。教師和學(xué)生之間的互動不僅能使學(xué)生更好地掌握更多的專業(yè)技能，還能提升學(xué)生在語言交際中的溝通能力。在完成了講授工作后，與學(xué)生進行有效的溝通和交流，發(fā)現(xiàn)存在的問題并提出相應(yīng)的改進方案，形成良性循環(huán)確保雙語教學(xué)模式持續(xù)進行。

要想提升教學(xué)效果，就必須要創(chuàng)新教學(xué)模式，促進現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)實踐有機結(jié)合。在優(yōu)化課堂設(shè)計的同時，讓單一授課模式下枯燥乏味的課堂煥發(fā)生機。我院結(jié)合本校實際，開展研究型教學(xué)，探索小組學(xué)習(xí)模式。注重理論與實際緊密結(jié)合，通過分析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)方法分析解決具體問題。研究內(nèi)容為材料性質(zhì)計算及參數(shù)優(yōu)化，具體課題有半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度計算、材料彈性常數(shù)計算、低指數(shù)表面及吸附性質(zhì)計算等，學(xué)生也可以根據(jù)興趣自行查閱文獻選題。首先，分組設(shè)計計算，2～3名學(xué)生為一組，各組學(xué)生分工合作，以表面吸附案例為例進行說明：每組要完成的主要任務(wù)有晶體表面模型構(gòu)建、表面能量計算、計算參數(shù)優(yōu)化等。然后，以小組為單位將完成好的課題以PPT的形式在課堂上進行講述。選出課堂表現(xiàn)優(yōu)秀的5名學(xué)生擔(dān)任評委，模擬畢業(yè)設(shè)計答辯過程。針對出現(xiàn)的問題，通過學(xué)生和教師的共同討論，提出建議。對于答辯過程中出現(xiàn)的問題，先進行完善后再最終提交報告，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

此外，精選優(yōu)質(zhì)講座視頻，推薦給學(xué)生觀看。例如國際著名催化專家J.K.N?rskov教授題為“Catalysis for Sustainable Production of Fuels and Chemicals”的講座，從最基本的量子力學(xué)角度來模擬電子和材料的性質(zhì)，設(shè)計用于可持續(xù)能源和環(huán)境保護的新型功能材料，從中可學(xué)習(xí)理論計算輔助設(shè)計太陽能轉(zhuǎn)化材料相關(guān)的知識，更重要的是能學(xué)習(xí)科學(xué)家提出與解決問題的思路。

（三）及時更新院校雙語教材

計算材料學(xué)相關(guān)的英文教材一般更新較快而且質(zhì)量比較高，因此我們在教學(xué)中參閱了大量的英文教材編寫了全英文講義并逐年更新，并結(jié)合英文期刊文章中典型的計算案例，課堂教學(xué)和課后作業(yè)的相關(guān)材料也均采用英文形式，授課形式為中英文授課的雙語教學(xué)形式?，F(xiàn)已形成完整的英語講義、中英文雙語教學(xué)大綱和PPT等系列教學(xué)資料。除此之外，計算材料學(xué)涉及的模擬軟件（如CASTEP、VASP等）和幫助文件均為英文，學(xué)生通過閱讀英文講義學(xué)習(xí)第一性原理計算方法，進而查閱最新英文學(xué)術(shù)期刊學(xué)習(xí)計算案例。在大學(xué)期間適當(dāng)與國際材料學(xué)研究熱點接軌，這對以后的學(xué)習(xí)和工作有相當(dāng)大的好處，也有利于日后快速融入國際學(xué)術(shù)氛圍。

（四）在教學(xué)案例中融入思政元素

以立德樹人為根本任務(wù)，突出國家需求導(dǎo)向，將課程思政理念貫穿“計算材料學(xué)”教學(xué)全過程，深入挖掘課程和教學(xué)方式中蘊含的思想政治教育資源，落實教師育人使命，提升學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)科視野、塑造科學(xué)精神和培養(yǎng)家國情懷。“計算材料學(xué)”是“理、工、做”結(jié)合的專業(yè)課程，注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，激發(fā)學(xué)生科技報國的愛國主義情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

課程思政案例一：氣候變化是全人類的共同挑戰(zhàn)。2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上鄭重宣示：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。吸附和催化轉(zhuǎn)化是二氧化碳減排中的重要環(huán)節(jié)。通過“二氧化碳吸附與催化轉(zhuǎn)化”方向的計算選題，使學(xué)生了解我國是負責(zé)任的國家，以及為應(yīng)對氣候變化所做的努力和貢獻，鼓勵學(xué)生結(jié)合課程知識貢獻智慧和力量。

課程思政案例二：氫能作為清潔、高效、可持續(xù)的二次能源，在全球能源轉(zhuǎn)型方面被寄予厚望，但在制備、儲存和運輸?shù)确矫孢€存在瓶頸。如在運輸方面存在“氫脆”現(xiàn)象，存在對輸配管道和容器產(chǎn)生破壞的潛在風(fēng)險。如何實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟的氫氣儲存，還有很大的努力空間。通過“氫的吸附及在鐵中的擴散”方向的計算選題，學(xué)生了解了氫能是構(gòu)建未來以可再生能源為主的多元能源結(jié)構(gòu)的重要載體，其開發(fā)和利用技術(shù)也成為新一輪世界能源技術(shù)變革的重要方向。

課程思政案例三：磁控形狀記憶合金是一種新型功能材料。目前所用的磁控形狀記憶合金主要成分是Ni-Mn-Ga，其磁致應(yīng)變可達10%。磁控形狀記憶合金不僅具有普通形狀記憶合金大應(yīng)變和高推動力的特點，而且具有響應(yīng)速度快和高效率的優(yōu)點，有望成為智能材料系統(tǒng)中首選的驅(qū)動材料，也有望應(yīng)用在傳感器、表層智能結(jié)構(gòu)、飛機機翼調(diào)控系統(tǒng)和超大功率超聲換能器技術(shù)等方面。通過“Ni-Mn-Ga系列合金相變”方向的計算選題，使學(xué)生了解材料計算在前沿材料研究中的應(yīng)用，提升課程學(xué)習(xí)興趣，增強專業(yè)自信。

通過二氧化碳吸附催化轉(zhuǎn)化、氫吸附擴散、形狀記憶合金設(shè)計等相關(guān)的計算選題，有助于學(xué)生了解國家政策，學(xué)習(xí)材料計算知識，閱讀英文文獻，鍛煉團隊合作，開闊學(xué)科視野，塑造科學(xué)精神，激發(fā)愛國主義情懷。

結(jié)語

隨著當(dāng)前教育國際化程度加深，普遍增設(shè)專業(yè)課程的全英文和雙語教學(xué)是全國高校各類專業(yè)培養(yǎng)方案調(diào)整內(nèi)容之一，這將有助于提高學(xué)生在相應(yīng)專業(yè)領(lǐng)域的英語運用能力?！坝嬎悴牧蠈W(xué)”是一門新興課程，尚處于不斷探索和完善之中。為了順應(yīng)高水平、國際化人才培養(yǎng)要求，突出國家需求導(dǎo)向，適應(yīng)學(xué)科專業(yè)發(fā)展要求，結(jié)合教學(xué)實際，本課程從教學(xué)理念、課程內(nèi)容、課堂教學(xué)、課堂考核等方面進行了教學(xué)改革探索與實踐。只有各方面不懈努力，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提升，才可能切實提高教學(xué)效果，順利實現(xiàn)教學(xué)目標，從而在新材料領(lǐng)域為我國培養(yǎng)出更多更好的科技人才。