徐京城

摘 要：在材料基因組計(jì)劃的大背景下，對(duì)“材料計(jì)算與模擬”課程進(jìn)行教學(xué)改革是符合學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)的必然舉措。本文以開展多年的“材料計(jì)算與模擬”課程教學(xué)實(shí)踐為例，針對(duì)學(xué)科大背景下的計(jì)算模擬實(shí)踐類課程教學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行探討，提出了一套實(shí)踐與理論相結(jié)合、偏重實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：材料基因組；“材料計(jì)算與模擬”；教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

本文旨在通過總結(jié)教學(xué)實(shí)踐中出現(xiàn)的問題與經(jīng)驗(yàn)，尋找不足，探索一套計(jì)算材料學(xué)理論和實(shí)踐相結(jié)合的有效教學(xué)模式。探索理論與實(shí)踐的有效結(jié)合，是計(jì)算材料學(xué)教學(xué)的必備，也是材料基因組計(jì)劃的背景需要。

一、“材料計(jì)算與模擬”課程特點(diǎn)

“材料計(jì)算與模擬”是面向材料科學(xué)與工程專業(yè)本科三年級(jí)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)課程，教學(xué)內(nèi)容主要包括計(jì)算材料學(xué)的基本概念和尺度分類、常用材料結(jié)構(gòu)建模方法、分子動(dòng)力學(xué)方法理論和實(shí)踐、密度泛函理論和實(shí)踐、蒙特·卡羅方法等。

具體來說，該課程具有以下特點(diǎn)。

（1）多學(xué)科交叉：該課程涉及的理論基礎(chǔ)知識(shí)融合材料學(xué)、物理、化學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，還包括生物、電子、機(jī)械等方面的知識(shí)。

（2）課程培養(yǎng)目標(biāo)明確：該課程是在材料基因組計(jì)劃大背景下開設(shè)的，旨在培養(yǎng)具有材料基因組計(jì)劃視野、具備一定材料計(jì)算設(shè)計(jì)實(shí)踐能力的卓越工程師。

（3）實(shí)踐與理論相結(jié)合：類似課程均采用理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，但該課程更加偏向于實(shí)踐教學(xué)部分，在實(shí)踐教學(xué)中穿插講解基本理論知識(shí)。

（4） 課程覆蓋面廣：課程內(nèi)容涉及經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法、密度泛函理論、蒙特·卡羅方法等多尺度計(jì)算模擬方法，可應(yīng)用于納米材料、金屬材料、高分子材料、半導(dǎo)體材料等諸多領(lǐng)域。

二、實(shí)踐與理論相結(jié)合的教學(xué)方式

長期以來，涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的課程均采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，通常的做法是先講授基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后再進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐練習(xí)，以理論教學(xué)為主，以實(shí)踐練習(xí)為輔。此教學(xué)方式的不足之處在于現(xiàn)有材料計(jì)算模擬軟件實(shí)際應(yīng)用操作與其內(nèi)在基礎(chǔ)理論知識(shí)有一定程度的脫節(jié)，更像是“黑匣子”，學(xué)生在實(shí)踐過程中難以運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題。該課程在教學(xué)過程中，更側(cè)重于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)引入慕課等新的教學(xué)模式作為補(bǔ)充。

（1） 以實(shí)踐教學(xué)為主，以理論教學(xué)為輔。該課程目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生的材料計(jì)算模擬實(shí)踐動(dòng)手能力，因此在教學(xué)內(nèi)容的安排上側(cè)重于上機(jī)實(shí)踐課程。通過簡單案例的演示及實(shí)踐操作，使學(xué)生對(duì)材料計(jì)算模擬過程有一個(gè)大致了解，針對(duì)實(shí)踐過程中各個(gè)操作部分涉及的基本原理知識(shí)進(jìn)行講解，并對(duì)整個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)梳理。學(xué)生對(duì)整個(gè)計(jì)算過程熟悉后，教師再不斷增大案例難度和理論深度。整個(gè)教學(xué)過程的重點(diǎn)在于讓學(xué)生熟練掌握現(xiàn)有材料計(jì)算模擬軟件平臺(tái)的使用方法，理解操作背后的基本原理。

（2）不斷更新豐富教學(xué)實(shí)踐案例。目前“材料計(jì)算與模擬”領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論基本已經(jīng)定型，應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)、密度泛函理論等基本理論的實(shí)踐案例也有很多。本課程的實(shí)踐教學(xué)不再以固定案例作為教材，而是根據(jù)最新材料對(duì)計(jì)算文獻(xiàn)不斷地進(jìn)行更新，保證實(shí)踐教學(xué)案例的先進(jìn)性和實(shí)用性，同時(shí)補(bǔ)充當(dāng)前材料基因組計(jì)劃涉及的知識(shí)點(diǎn)，做到實(shí)踐教學(xué)的與時(shí)俱進(jìn)。

（3） 引入慕課作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充。在材料計(jì)算與模擬教學(xué)過程中，不同學(xué)生的理解力不同。慕課的引入可使學(xué)生根據(jù)各自的學(xué)習(xí)程度進(jìn)行課后學(xué)習(xí)，便于學(xué)生掌握理論知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐操作。

總之，在材料基因組計(jì)劃的教學(xué)背景下，培養(yǎng)和強(qiáng)化學(xué)生在材料計(jì)算與模擬方面的實(shí)踐動(dòng)手能力是大勢(shì)所趨。調(diào)整理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容比例，不斷豐富實(shí)踐案例，引入慕課等新教學(xué)模式，都有利于提高“材料計(jì)算與模擬”課程的教學(xué)質(zhì)量。在材料基因組大背景下，“材料計(jì)算與模擬”課程的教學(xué)改革仍處于探索階段，需要長時(shí)間不斷加以改進(jìn)，積累經(jīng)驗(yàn)。但我們相信，堅(jiān)持以人為本，將實(shí)踐應(yīng)用作為最終目標(biāo)，堅(jiān)持改進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的每個(gè)細(xì)節(jié)，提升“材料計(jì)算與模擬”課程的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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