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摘要:本文針對高校課程改革的迫切需求及該課程在教學中存在的現實問題，嘗試對“計算機在材料科學中的應用”這門課程的教學進行改革，提出“四位一體”教學模式和該模式的具體實施策略。將研究型探究式教學、線上線下體驗教學、前沿知識教學和課程思政教學四個方面在教學實施中進行有機整合，使該課程在教學中實現教、學、做、評的融合，有利于學生厚植理論基礎、啟發創新思維、拓展學科視野、樹立文化自信，助力應用研究型人才培養。

關鍵詞:計算機;材料科學;四位一體;教學模式

隨著計算機模擬技術的快速發展，材料科學研究已經從傳統的試錯法逐步走向多元化、多尺度化研究［1-2］，材料研發模式的變革對人才培養提出了新的挑戰。因此，國內各高等院校認識到“計算機在材料科學中的應用”課程的重要性［3-4］。該課程是材料類專業本科生的一門專業必修課程，其目的是為了培養學生運用計算機進行材料科學研究和解決材料工程領域實際問題的能力，提升學生創新精神和科技探索能力。然而，在教學過程中存在重理論輕實踐、教學模式單一、前沿性不足、思政育人單調等問題。在新工科背景下，迫切需要進行教育教學改革，不斷提升學生利用計算機技術工具分析和解決問題的能力，進而提高課程教學效果。

一、當下“計算機在材料科學中的應用”課程教學存在的問題

“計算機在材料科學中的應用”課程涉及的理論知識面較廣，是融合計算機技術和材料科學學科基礎的跨學科課程。課程對該專業學生的發展具有重要奠基作用，因此這門課程的教學質量日益受到重視。但因各個高校學科設置和師資力量不同，該課程教學主要采用傳統的理論授課的形式進行，通過對這門課程教學過程的調研，發現在教學中還存在以下問題。

(一)教學觀念上重理論輕實踐

目前大多數高校對于該課程的設置偏重理論方向，缺乏針對專業知識方面的培養，疏忽了實踐操作能力的培養，甚至以理論教學替代實踐教學等。使學生不易理解理論知識，甚至易感覺到枯燥無味，久而久之，學生就會失去對該門課程的積極性和主動性。

(二)教學內容上重教材知識輕前沿問題

課程知識量大、內容繁雜，且具有前瞻性。隨著計算技術的快速發展，越來越多的新材料、新工藝、新方法被研發應用，但授課內容提及前沿學術問題的計算機應用較少，造成教學內容未能有效結合學科前沿的知識發展，導致學生知識結構偏窄、守舊，難以滿足新時代解決復雜材料問題的新需求。

(三)教學方式上重講授灌輸輕實踐操作

課程整體課時相對有限，導致教師為了滿足課程的內容要求出現填鴨式教學，而這種教學方式往往缺少互動，課堂仍以是“教師為中心”。這種教學方式枯燥，學生易產生反感心理，使教學效果達不到預期。學生普遍反應對該課程涉及的一些應用性很強的軟件掌握并不理想，缺乏靈活的運用能力。

(四)教學目標上重知識傳授輕思政育人

目前該課程側重關注專業理論學習，大部分教師在課堂講授中以知識和技能傳授為主，沒有有意識地對學生進行思政教育，且課程思政內容融入不深，沒有新穎性、時代性。學生學習目標局限于掌握專業知識，不明確課程思政的教育意義，缺乏學習積極性和熱情。

二、“計算機在材料科學中的應用”課程“四位一體”教學模式構建

桂林理工大學無機非金屬材料工程專業開設的“計算機在材料科學中的應用”課程分為理論授課(10學時)與上機實踐授課(14學時)兩部分，共計24學時。該課程主要介紹計算機用于材料建模及設計、數據處理和圖像分析、科技論文繪圖等。本文在原有課程體系的基礎上，借鑒先進教學理念，提出“四位一體”“計算機在材料科學中的應用”課程教學模式(如下圖所示)，從育人目標、教學目標、教學方式、評價標準等方面對該課程教學進行改革，以務實教育為主線，注重過程與方法、知識與技能的考核，以務“虛”教育為兩翼，強化學生情感態度與價值觀的評價，把務實與務“虛”有機結合起來，培養情智同步發展的應用研究型人才。

三、“四位一體”教學模式在“計算機在材料科學中的應用”課程中的實施策略

(一)厚植理論基礎，開展研究型、探究式教學

當前“計算機實驗”已成為傳統實驗的一個重要技術手段，相應的計算機軟件已廣泛應用于材料科學研究和實踐教學［5］。對于電子原子層面的問題，一般采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，如MaterialsStudio(MS)、QuantumEspresso、VASP軟件等。課堂中引入MS進行教學，開展無機非金屬材料的結構設計和性能預測。1．注重應用，強調實踐(1)DFT對學生的物理基礎要求較高，理論模型也不易理解。因此，將DFT串聯，采用故事教學法進行概述講解。從薛定諤方程出發，介紹適用于非均勻電子系統的DFT，導出包括多粒子體系中交換和關聯效應的單電子自洽方程組(Kohn-Sham方程)，再引入交互關聯泛函和贗勢，構成單電子近似的現代理論依據。該部分使學生對DFT的理論基礎有了初步了解。(2)結合理論教學內容，介紹MS的基本功能、操作、使用，并通過具體科研實例講解如何用MS進行建模和計算。同時，通過上機操作完成從模型建立到性能預測，再到處理數據及分析全過程的學習，培養學生運用計算機解決科研和生產實際問題的能力，從而提高教學效果。2．充分體現科教融合教師將科研成果轉化為教學內容，以理論引申、教學案例等方式進行教學，豐富更新教學內容。教師通過提出科學問題，引導和鼓勵學生利用MS進行科學研究和探索。例如，利用MS建立缺陷模型，對其進行幾何結構優化，得到基態能量和晶格參數，進行性能預測，分析缺陷對PbTiO3電子結構、介電性能、光學性質等影響。教師給出科學問題和解決思路，學生獨立思考整個過程，進而培養學生的實踐操作能力和創新思維，激發學生的求知欲望。

(二)啟發創新思維，采用線上線下體驗教學

“計算機在材料科學中的應用”涉及的理論知識廣、實踐性強，非常適合開展線上線下體驗式教學，通過將“教”和“學”適當分離，可拓展教學的時間和空間，提高學生的主動性和參與度。開展線上線下體驗教學，需將現有的教學內容進行重新組織和設計。一是課前自主學習。教師分解知識點，錄制微視頻或收集網絡資源，并安排學習任務。學生帶著學習任務(隨堂測驗、作業或思考)在線完成各章節的基本理論知識、軟件介紹和基本操作等學習，以保證學生線上學習的效率。二是課堂互動講授。教師精心設計課堂教學活動，有針對性地對各章知識點進行總結串講。學生在掌握知識基礎的前提下，帶著疑問進行研討，有助于其鞏固、轉化并靈活運用線上知識。三是課后開放探索。教師布置一些相關的開放性課題，學生課后完成開放性課題研究，并觀看教師共享的講解視頻，培養學生科學研究能力和創新思維，實現“學、教、做互動”體驗式教學。課程考核設置比例為:總成績100分=平時成績(線上學習20%+課堂表現20%)+開放性課題成績(60%)。通過設計多元化課程考核方式，注重過程考核和能力考核，盡量使分數客觀反映該課程教學目標的達成情況，提升學生學習的積極性和體驗式教學的效果。以“計算機技術用于材料數據和圖像處理”一章為例，利用錄制微視頻形成線上課程，線上課程內容囊括材料數據處理的基本理論、Origin軟件的應用、基本功能和使用，要求學生提前完成軟件的安裝并預習初步學習軟件的基本功能，以便開展課堂教學和操作指導。課堂重點介紹曲線擬合和線性插值法，并通過實踐上機操作講授Origin在數據處理中的應用實例，供學生進行有針對性的學習和討論。課后根據教師的實驗數據，要求學生繪制雙Y軸的粒徑分布圖和某薄膜材料的電滯回線圖，培養學生數據處理和分析的能力，為后續課程的學習奠定基礎，尤其是畢業設計(論文)有關的材料數據的處理與分析。

(三)拓展學科視野，引入前沿知識教學

在課程教學中需將教材內容與前沿知識銜接，豐富教學內容，以適應“計算機在材料科學中的應用”的理論和實踐不斷發展的需求。教師應注重文獻與時政知識的積累，不斷補充和更新與該課程有關的前沿知識到教學素材庫。如在“緒論”部分，介紹材料基因方法在鋰電池材料、鈣鈦礦型光伏材料、熱電材料等一系列材料設計中的應用［6］;在材料設計這一章中介紹第一性原理計算在新材料設計中的應用，展示高通量計算篩選新材料的強大功能，使學生了解材料科學的新興領域，深化“理論+實驗+計算”的材料設計理念，培養學生的科學興趣，提升學生綜合素養。

(四)樹立文化自信，融入課程思政教學

結合“計算機在材料科學中的應用”課程性質和特點，發掘該課程中的思政元素，將思政教育融入教學內容。在闡明“計算機在材料科學中的應用”的基本原理和相關實踐操作的基礎上，通過“感官沖擊→道理講解→心理反應→思政升華”模式，將課程背景和理論知識有機融入社會主義核心價值觀，并在實踐教學過程中，采用“案例法”“討論法”等教學手段進行科學精神和創新精神教育，使學生樹立堅定的理想信念和豐富的人文修養。以“計算機模擬技術用于材料設計”一章為例。在講授計算機在材料模擬發展中的作用時，列舉由中國國防科學技術大學自主研制的超級計算機，其第二代系統———“天河二號”成為2013年全球最快超級計算機。在講授計算機模擬技術———主要是第一性原理理論基礎的時候，引入香港大學姚望教授對自旋電子學和自旋量子計算做出的重要貢獻及其榮獲2014年度全球華人物理與天文學會亞洲成就獎。通過視頻及圖文并茂的形式，將抽象理論具體化，通過感官沖擊，使學生領會到科學家敢于探索、潛心鉆研的高尚情操，了解我國在計算材料領域所做出的國際貢獻，進一步增強科技自信、文化自信和民族自信。在講MS實例操作時，結合近年來國內科學家在《Nature》《Sci-ence》《科學通報》等國內外期刊發表的文獻進行科研實例教學。在布置開放性課題時，要求學生查閱相關性強且質量高的文獻進行分組討論，再結合所學知識獨立完成課題。并且把分組討論和課題所涉及的思政內容作為德育考核，評價學生的情感態度與價值觀，使評價機制做到虛實結合。

結語

隨著超級計算機、量子計算、新材料等先進技術的快速發展，“計算機在材料科學中的應用”也正發生極大轉變。傳統的教學內容和方式需要不斷改革以滿足人工智能時代的發展需求，提出“四位一體”教學模式，從研究型探究式教學、線上線下體驗教學、前沿知識教學和課程思政教學四個方面進行課程教學改革，突出課程的設計性、研究性、探索性，實現教、學、做、評的融合，重點培養學生知識應用能力、實踐能力、創新精神和文化自信。同時，為后續課程的學習做打下基礎，尤其是畢業設計(論文)提供方法和途徑，也為高校應用研究型人才培養提供實踐依據。

參考文獻:

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［2］張鵬，趙丕琪，侯東帥．計算機在材料科學與工程中的應用［M］．北京:化學工業出版社，2018．

［3］陳小虎，屈華昌，邵波．教學應用型本科院校的辦學理念及其路徑選擇［J］．中國大學教學，2005(02):58-60．

［4］劉敬成．淺談《計算機在材料科學中的應用》的教改方案［J］．大學教育，2014(18):159-160．

［5］張茂林，李智敏，施建章．相對介電常數測試與模擬計算結合研究［J］．實驗技術與管理，2017，34(01):41-43．

［6］錢旭，田子奇．材料基因方法在材料設計中的應用［J］．數據與計算發展前沿，2020，2(01):128-141．

作者：文志勤 覃月彎 李優 鄒正光 單位：桂林理工大學材料科學與工程學院 桂林理工大學教務處