工程教育的材料計(jì)算與模擬實(shí)踐教學(xué)

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摘要：工程教育理念下的本科工科專業(yè)教學(xué)要求側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。“材料計(jì)算與模擬”是一門專業(yè)性很強(qiáng)、理論與實(shí)踐并重、偏向于理科的材料類專業(yè)課程，文章謹(jǐn)以多年“材料計(jì)算與模擬”課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，探討符合工程教育理念的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式和方法。

關(guān)鍵詞：工程教育；“材料計(jì)算與模擬”；實(shí)踐教學(xué)工程教育教學(xué)方法。

一、課程目標(biāo)及對(duì)畢業(yè)要求的支撐

（1）理解并恰當(dāng)研究、分析材料科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題的基礎(chǔ)理論與方法。“材料計(jì)算與模擬”專業(yè)課程主要內(nèi)容為原子分子尺度的理論計(jì)算模擬，涉及的理論方法主要為量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)方法。其中，量子力學(xué)方法較為深?yuàn)W，分子動(dòng)力學(xué)方法因與經(jīng)典牛頓力學(xué)聯(lián)系緊密，相比量子力學(xué)較為簡(jiǎn)單。考慮工程教育理念側(cè)重工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，故在基礎(chǔ)理論方法部分將課程目標(biāo)設(shè)置為了解基本理論方法的概念和基本計(jì)算流程。（2）針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題，能夠有效地運(yùn)用工程圖學(xué)語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，提出改進(jìn)或解決方案。如何將工程實(shí)際中的復(fù)雜工程問(wèn)題通過(guò)理論計(jì)算模擬提出改進(jìn)或指導(dǎo)意見(jiàn)是本課程期望的終極目標(biāo)。其中，如何培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)思考和分析，將工程實(shí)際問(wèn)題分解為理論計(jì)算問(wèn)題并選擇合適的計(jì)算方法、計(jì)算參數(shù)和條件，將是本課程最重要的課程目標(biāo)。（3）能夠正確運(yùn)用現(xiàn)代工程工具、技術(shù)與資源對(duì)材料科學(xué)與復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)與模擬。工程教育背景下的課程側(cè)重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，本課程的實(shí)踐內(nèi)容主要是利用計(jì)算服務(wù)器或集群進(jìn)行材料科學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算模擬。其中，如何使用國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心集群（如上海超算、深圳超算）進(jìn)行高性能計(jì)算，并利用科學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)果分析，是本課程的重要課程目標(biāo)之一。

二、教學(xué)方式的改進(jìn)

本課程堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，不斷提高實(shí)踐教學(xué)的比重，目前理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)部分各占一半。承接自過(guò)去以教為主的教學(xué)理念，本課程目前的主要教學(xué)方式還是先講授相關(guān)理論內(nèi)容，然后進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐操作和練習(xí)。在工程教育理念的背景下，實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提升成為課程教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)還要兼顧實(shí)踐練習(xí)與相關(guān)理論知識(shí)的銜接，本課程提出基礎(chǔ)理論內(nèi)容先行傳授，其他內(nèi)容采用先實(shí)踐后理論的教學(xué)方式。首先，對(duì)于必需的相關(guān)課程基礎(chǔ)理論采用課堂講授的教學(xué)方式，在講授期間有意識(shí)地向?qū)W生傳遞工程教育的理念。其次，以較為簡(jiǎn)單的實(shí)踐案例先進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)，使得學(xué)生簡(jiǎn)單上手并且產(chǎn)生對(duì)本課程的新鮮感和好奇感，結(jié)合基礎(chǔ)理論講解讓學(xué)生對(duì)基本理論和操作流程有一定的了解。最后，從簡(jiǎn)單案例出發(fā)，不斷深入，并向?qū)嶋H工程問(wèn)題靠攏，引導(dǎo)學(xué)生不斷深入思考，著重于引導(dǎo)學(xué)生了解和練習(xí)如何將實(shí)際工程問(wèn)題分解為計(jì)算模擬可以解決的問(wèn)題，并通過(guò)理論計(jì)算與模擬為指導(dǎo)和解決問(wèn)題提供依據(jù)。作為持續(xù)改進(jìn)、教研相輔的體現(xiàn)，“材料計(jì)算與模擬”課程所有實(shí)踐案例定期根據(jù)最新文獻(xiàn)報(bào)道進(jìn)行更新，保持實(shí)踐教學(xué)案例的時(shí)效性，同時(shí)不斷開(kāi)發(fā)新的實(shí)踐案例及相應(yīng)計(jì)算流程。考慮到實(shí)踐練習(xí)與課程課時(shí)可能的矛盾或不足，本課程還將所有實(shí)踐教學(xué)案例進(jìn)行視頻錄像，同時(shí)將與實(shí)踐案例相關(guān)的理論內(nèi)容關(guān)鍵詞以字幕的形式添加到錄像中，便于學(xué)生隨時(shí)翻看和熟悉。

三、考核方式的改進(jìn)

工程教育理念下課程側(cè)重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，因此“材料計(jì)算與模擬”課程的考核內(nèi)容由原來(lái)的基本概念和基礎(chǔ)操作的考核，轉(zhuǎn)變?yōu)榭己藢W(xué)生如何將實(shí)際工程問(wèn)題分解為計(jì)算模擬問(wèn)題、問(wèn)題分解是否合理、如何利用計(jì)算服務(wù)器或超算中心進(jìn)行計(jì)算并分析結(jié)果、如何將計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)際工程問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。在此基礎(chǔ)上，該課程將考核方式由開(kāi)卷筆試考核改為上機(jī)實(shí)踐考核，并計(jì)劃后續(xù)改為類似于課程設(shè)計(jì)的考核方式。現(xiàn)行上機(jī)實(shí)踐考核中以工程實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題為題目，適當(dāng)引導(dǎo)并提出問(wèn)題，由學(xué)生通過(guò)計(jì)算模擬作答；后續(xù)課程設(shè)計(jì)形式的考核中將以較為復(fù)雜的工程實(shí)踐問(wèn)題為主，重在考查學(xué)生利用理論計(jì)算模擬工具分析、計(jì)算、解決實(shí)際問(wèn)題的完整流程。在工程教育專業(yè)認(rèn)證全面展開(kāi)的背景下，注重培養(yǎng)學(xué)生提煉、分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，這對(duì)“材料計(jì)算與模擬”這一類型的專業(yè)課程的教學(xué)提出了很大的挑戰(zhàn)。如何合理分配理論和實(shí)踐教學(xué)的比例、保證實(shí)踐教學(xué)案例的持續(xù)更新、切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力等問(wèn)題還需要不斷的教學(xué)探索和經(jīng)驗(yàn)積累。

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作者：徐京城 修慧欣 邱碧薇 單位：上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院