徐京城　修慧欣　邱碧薇

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)生解決實際工程問題的能力。“材料計算與模擬”是一門專業(yè)性很強、理論與實踐并重、偏向于理科的材料類專業(yè)課程，文章謹以多年“材料計算與模擬”課程教學(xué)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，探討符合工程教育理念的理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式和方法。

關(guān)鍵詞：工程教育;“材料計算與模擬”;實踐教學(xué)

工程教育專業(yè)認證的標(biāo)準(zhǔn)是用以學(xué)生為中心、以輸出為導(dǎo)向、持續(xù)改進的原則，將學(xué)生畢業(yè)五年后的職業(yè)和專業(yè)成就作為最終目標(biāo)，對學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍和支持條件等七個方面進行評估和評價，并促使不斷進行改進。工程教育理念與以往傳統(tǒng)教育理念的最大區(qū)別在于，工程教育以學(xué)生為中心，重視能力的培養(yǎng)和提升;傳統(tǒng)教育則以教師為中心，側(cè)重知識的教授。工程教育理念的貫徹和落實對專業(yè)課程的教學(xué)提出了很多要求，需要其對教學(xué)大綱、教學(xué)方法、考核形式等內(nèi)容以工程教育的理念進行相應(yīng)調(diào)整和修改，側(cè)重于學(xué)生能力的培養(yǎng)（類似于早前提出的素質(zhì)教育）。

工程教育理念尤其對類似于“材料計算與模擬”等專業(yè)課程的教學(xué)提出了很大的挑戰(zhàn)。上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院“材料計算與模擬”專業(yè)課程承接于“計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用”課程，主要教學(xué)內(nèi)容為分子動力學(xué)和量子力學(xué)計算方法在材料科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和基本實踐操作。雖然近年來此課程按照“以人為本”的開放式、多樣化、遞進式的培養(yǎng)模式，以工程應(yīng)用教育為導(dǎo)向，以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)，但是從課程內(nèi)涵來講，此課程屬于偏理科類專業(yè)課程。工程教育理念側(cè)重于學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)和提升，其中很重要一點是評估學(xué)生對復(fù)雜工程問題的分析和解決能力。這對理科性質(zhì)專業(yè)課程的教學(xué)提出了很大挑戰(zhàn)，需要授課教師對課程目標(biāo)、教學(xué)方法等進行適當(dāng)?shù)牟鸾?，并實現(xiàn)理科教學(xué)內(nèi)容與工程實踐能力的契合。

本文謹在材料基因組工程、工程教育專業(yè)認證背景下，基于多年“材料計算與模擬”專業(yè)課程的教學(xué)和科研工作基礎(chǔ)，探討理論計算模擬與工程實踐能力相結(jié)合的工程教育教學(xué)方法。

一、課程目標(biāo)及對畢業(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問題的基礎(chǔ)理論與方法?！安牧嫌嬎闩c模擬”專業(yè)課程主要內(nèi)容為原子分子尺度的理論計算模擬，涉及的理論方法主要為量子力學(xué)和分子動力學(xué)方法。其中，量子力學(xué)方法較為深奧，分子動力學(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)較為簡單。考慮工程教育理念側(cè)重工程實踐能力的培養(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算流程。

（2）針對復(fù)雜工程問題，能夠有效地運用工程圖學(xué)語言、計算機輔助設(shè)計工具，提出改進或解決方案。如何將工程實際中的復(fù)雜工程問題通過理論計算模擬提出改進或指導(dǎo)意見是本課程期望的終極目標(biāo)。其中，如何培養(yǎng)學(xué)生通過思考和分析，將工程實際問題分解為理論計算問題并選擇合適的計算方法、計算參數(shù)和條件，將是本課程最重要的課程目標(biāo)。

（3）能夠正確運用現(xiàn)代工程工具、技術(shù)與資源對材料科學(xué)與復(fù)雜工程問題進行預(yù)測與模擬。工程教育背景下的課程側(cè)重實踐能力的培養(yǎng)，本課程的實踐內(nèi)容主要是利用計算服務(wù)器或集群進行材料科學(xué)領(lǐng)域的計算模擬。其中，如何使用國家超級計算中心集群（如上海超算、深圳超算）進行高性能計算，并利用科學(xué)計算軟件進行結(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

本課程堅持理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式，不斷提高實踐教學(xué)的比重，目前理論教學(xué)與實踐教學(xué)部分各占一半。承接自過去以教為主的教學(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，然后進行上機實踐操作和練習(xí)。在工程教育理念的背景下，實踐能力的培養(yǎng)和提升成為課程教學(xué)的重點，同時還要兼顧實踐練習(xí)與相關(guān)理論知識的銜接，本課程提出基礎(chǔ)理論內(nèi)容先行傳授，其他內(nèi)容采用先實踐后理論的教學(xué)方式。

首先，對于必需的相關(guān)課程基礎(chǔ)理論采用課堂講授的教學(xué)方式，在講授期間有意識地向?qū)W生傳遞工程教育的理念。

其次，以較為簡單的實踐案例先進行實踐練習(xí)，使得學(xué)生簡單上手并且產(chǎn)生對本課程的新鮮感和好奇感，結(jié)合基礎(chǔ)理論講解讓學(xué)生對基本理論和操作流程有一定的了解。

最后，從簡單案例出發(fā)，不斷深入，并向?qū)嶋H工程問題靠攏，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)如何將實際工程問題分解為計算模擬可以解決的問題，并通過理論計算與模擬為指導(dǎo)和解決問題提供依據(jù)。

作為持續(xù)改進、教研相輔的體現(xiàn)，“材料計算與模擬”課程所有實踐案例定期根據(jù)最新文獻報道進行更新，保持實踐教學(xué)案例的時效性，同時不斷開發(fā)新的實踐案例及相應(yīng)計算流程?？紤]到實踐練習(xí)與課程課時可能的矛盾或不足，本課程還將所有實踐教學(xué)案例進行視頻錄像，同時將與實踐案例相關(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)生隨時翻看和熟悉。

三、考核方式的改進

工程教育理念下課程側(cè)重點在于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實際工程問題的能力，因此“材料計算與模擬”課程的考核內(nèi)容由原來的基本概念和基礎(chǔ)操作的考核，轉(zhuǎn)變?yōu)榭己藢W(xué)生如何將實際工程問題分解為計算模擬問題、問題分解是否合理、如何利用計算服務(wù)器或超算中心進行計算并分析結(jié)果、如何將計算模擬結(jié)構(gòu)與實際工程問題聯(lián)系起來。在此基礎(chǔ)上，該課程將考核方式由開卷筆試考核改為上機實踐考核，并計劃后續(xù)改為類似于課程設(shè)計的考核方式?，F(xiàn)行上機實踐考核中以工程實踐中出現(xiàn)的問題為題目，適當(dāng)引導(dǎo)并提出問題，由學(xué)生通過計算模擬作答;后續(xù)課程設(shè)計形式的考核中將以較為復(fù)雜的工程實踐問題為主，重在考查學(xué)生利用理論計算模擬工具分析、計算、解決實際問題的完整流程。

在工程教育專業(yè)認證全面展開的背景下，注重培養(yǎng)學(xué)生提煉、分析和解決實際工程問題的能力，這對“材料計算與模擬”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踐教學(xué)的比例、保證實踐教學(xué)案例的持續(xù)更新、切實培養(yǎng)學(xué)生的動手能力等問題還需要不斷的教學(xué)探索和經(jīng)驗積累。

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作者簡介：徐京城（1983—），男，山東濰坊人，助理研究員，博士，從事材料計算與模擬方向的教學(xué)和科研工作。