郁亞娟，郭興明，陳人杰

(北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 100081)

1 前 言

面對(duì)全球性的新型冠狀病毒肺炎疫情和國(guó)際局勢(shì)動(dòng)蕩及挑戰(zhàn)，中國(guó)人民切身體會(huì)到，唯有緊密團(tuán)結(jié)在黨中央周圍，自力更生，依靠自己的醫(yī)療、科技和工業(yè)實(shí)力，才能實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)建設(shè)，這也對(duì)人才培養(yǎng)提出了更加緊迫的需求。材料科學(xué)與工程專業(yè)面臨著激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，迫切需要進(jìn)行教育教學(xué)改革，以達(dá)到“具備國(guó)際化水平和本土化技術(shù)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算是現(xiàn)代材料科學(xué)研究的三大手段，其中計(jì)算模擬方法在未來(lái)的材料研究中將顯示出越來(lái)越大的應(yīng)用潛力?？砂延?jì)算材料學(xué)(computational materials science)理解為用計(jì)算機(jī)模擬、預(yù)測(cè)來(lái)做材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是安全、節(jié)約、高效[1]。了解和掌握材料計(jì)算和模擬的基本知識(shí)已成為現(xiàn)代材料研究人員必備的技能之一[2]。計(jì)算材料學(xué)一系列課程，在北京理工大學(xué)材料學(xué)院對(duì)應(yīng)的本科課程是《計(jì)算材料學(xué)》，碩士研究生課程是《新能源材料多尺度模擬與計(jì)算》，博士生課程是《能源及環(huán)境材料設(shè)計(jì)計(jì)算與建?！?。

新工科(Emerging Engineering Education)的內(nèi)涵是以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開(kāi)放式的特征[3]。顯然，計(jì)算材料學(xué)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)符合新工科的培養(yǎng)目標(biāo)。在我國(guó)現(xiàn)有條件下，如何發(fā)展和掌握這類科學(xué)計(jì)算的新技術(shù)，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有很大的意義[4]。同時(shí)，培養(yǎng)計(jì)算材料學(xué)的相關(guān)人才，也有利于促進(jìn)我國(guó)材料工業(yè)生產(chǎn)水平，促進(jìn)效率提升和成本降低[5]。

2011年底，美國(guó)提出了材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative，MGI)，目標(biāo)是把新材料研發(fā)周期減半并降低研發(fā)成本，以期增強(qiáng)美國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)于同年底在北京召開(kāi)了主題為“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”的香山科學(xué)會(huì)議，會(huì)議決定選擇鋰離子電池材料作為代表性示范材料之一，計(jì)劃將材料基因工程手段應(yīng)用于鋰離子電池研發(fā)[6]。北京理工大學(xué)材料學(xué)院的新能源材料方向研究處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，尤其是對(duì)鋰離子電池等儲(chǔ)能材料的研發(fā)開(kāi)展較為深入。針對(duì)新能源材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的國(guó)家戰(zhàn)略需求，我們開(kāi)設(shè)的計(jì)算材料學(xué)課程將新能源材料的模擬和計(jì)算作為課程教學(xué)實(shí)踐的重點(diǎn)之一。

2019年，美國(guó)能源部宣布，將調(diào)整“利用高性能計(jì)算促進(jìn)能源創(chuàng)新”計(jì)劃，為美國(guó)在能源、計(jì)算和工業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)水平領(lǐng)跑全球助力[7]。面對(duì)這樣激烈的國(guó)際行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)材料工業(yè)絕不能坐以待斃，應(yīng)該積極行動(dòng)，從培養(yǎng)人才入手，在各大高校的新能源材料研究方面積蓄力量。具體到計(jì)算材料學(xué)課程教學(xué)而言，就是要全面加速培養(yǎng)新能源材料模擬計(jì)算方面的人才，使我國(guó)的新能源材料研發(fā)迎頭趕上國(guó)際先進(jìn)水平，進(jìn)一步立足于世界材料工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)之列。

傳統(tǒng)的計(jì)算材料學(xué)課程，包含大量的理論性概念知識(shí)、復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和高階的理論推導(dǎo)。如果采用單純面對(duì)面授課方法和傳統(tǒng)課件傳遞形式，很難長(zhǎng)久抓住學(xué)生的注意力，反而會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感到吃力、學(xué)習(xí)積極性下降，無(wú)法達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)[8]，極大限制了學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)。因此，對(duì)計(jì)算材料學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革勢(shì)在必行。

“混合式教學(xué)法”，是具有中國(guó)特色的一種教學(xué)方法，特指教師經(jīng)過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)，使得學(xué)生發(fā)生了混合式學(xué)習(xí)行為[9]?；旌鲜浇虒W(xué)將線上的數(shù)字化在線教育與線下的課堂教學(xué)相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性，并借助在線教育資源與信息技術(shù)促進(jìn)課程教學(xué)，以達(dá)到更加有效的學(xué)習(xí)效果[10]。在計(jì)算材料學(xué)系列課程教學(xué)中采用混合式教學(xué)法，是該課程改革的重要導(dǎo)向，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

2 計(jì)算材料學(xué)系列課程改革的目標(biāo)

計(jì)算材料學(xué)涉及材料、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)等學(xué)科，相關(guān)的基礎(chǔ)理論和算法內(nèi)容豐富，特別是要求具備量子力學(xué)、固體物理及密度泛函理論等相關(guān)知識(shí)[11]。計(jì)算材料學(xué)主要包括兩方面內(nèi)容：一是對(duì)現(xiàn)有材料的計(jì)算模擬，即從實(shí)驗(yàn)到模型；二是對(duì)未來(lái)材料進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)并用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，即從模型到實(shí)驗(yàn)。無(wú)論是走哪條路徑，都要求掌握充分的理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)，也就是要實(shí)現(xiàn)“兩條腿走路”。

計(jì)算材料學(xué)系列課程改革的目標(biāo)，就是要培養(yǎng)兼顧材料理論與計(jì)算設(shè)計(jì)兩方面能力的復(fù)合型人才，通過(guò)人才競(jìng)爭(zhēng)去爭(zhēng)奪新材料領(lǐng)域各個(gè)學(xué)科方向的領(lǐng)先地位和知識(shí)產(chǎn)權(quán)[12]。為了突出計(jì)算材料學(xué)的培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)，我們主要強(qiáng)調(diào)在該系列課程教學(xué)中重點(diǎn)完成以下兩個(gè)教學(xué)改革目標(biāo)：

(1)教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)在課前、課中和課后進(jìn)行計(jì)算材料學(xué)的混合式教學(xué)，完成計(jì)算材料學(xué)有關(guān)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)能源與環(huán)境材料的微結(jié)構(gòu)特征和系統(tǒng)模型，講述相關(guān)的材料設(shè)計(jì)理論、模型構(gòu)建及評(píng)價(jià)方法，幫助學(xué)生了解能源與環(huán)境材料設(shè)計(jì)計(jì)算與建模方面的基礎(chǔ)理論、基本方法和發(fā)展前沿，掌握建模的相關(guān)方法和軟件工具，并獲得一定的實(shí)際運(yùn)用和操作實(shí)踐能力，最后，學(xué)生能進(jìn)行初步的能源及環(huán)境材料設(shè)計(jì)計(jì)算與建模的實(shí)踐應(yīng)用。

(2)學(xué)科人才培養(yǎng)目標(biāo)

為高技術(shù)所需新材料的研制培養(yǎng)人才，希冀此類人才能夠熟練掌握和應(yīng)用計(jì)算材料學(xué)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段，能在未來(lái)新型材料與新技術(shù)發(fā)明方面，發(fā)揮前瞻性價(jià)值，為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)做出重要貢獻(xiàn)。

3 采用混合式教學(xué)法的實(shí)踐

3.1 課程模塊設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)模塊、線上模塊、研究性模塊

針對(duì)計(jì)算材料學(xué)系列課程改革的主要課程模塊設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括3個(gè)模塊：一是傳統(tǒng)教學(xué)模塊，就是基于傳統(tǒng)的教學(xué)樓/教室內(nèi)的教師-學(xué)生面對(duì)面的教學(xué)形式，這是一種最基本的傳統(tǒng)教學(xué)模式，作為教師和學(xué)生直接溝通的渠道予以保留；二是線上學(xué)習(xí)模塊，是通過(guò)樂(lè)學(xué)平臺(tái)、雨課堂、企業(yè)微信群等各類線上平臺(tái)，便于教師和學(xué)生分享學(xué)習(xí)資料、視頻、課件，也便于師生隨時(shí)就學(xué)習(xí)問(wèn)題進(jìn)行討論和溝通；三是研究性教學(xué)模塊，是基于計(jì)算材料學(xué)系列課程具有的突出科學(xué)研究特色，而新增的一個(gè)教學(xué)模塊，通過(guò)這一模塊，可以幫助學(xué)生深入有關(guān)計(jì)算材料學(xué)方向的科研項(xiàng)目(虛擬項(xiàng)目或?qū)嶋H項(xiàng)目)，從科研項(xiàng)目中適應(yīng)性學(xué)習(xí)，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生實(shí)際工作能力的目標(biāo)。

圖1 計(jì)算材料學(xué)系列課程的教學(xué)模塊組成設(shè)計(jì)和功能Fig.1 The design and function of the teaching modules for series of courses on computational materials science

3.2 課程設(shè)計(jì)：線上線下混合式教學(xué)法

混合式教學(xué)法是具有中國(guó)特色的教學(xué)模式。在混合式教學(xué)法實(shí)施過(guò)程中，教師與學(xué)生的職責(zé)和角色都發(fā)生了重大變化，不但強(qiáng)調(diào)教師的“傳授知識(shí)”功能，而且更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的角色定位?；旌鲜浇虒W(xué)模式中，教師主要作為教學(xué)的組織者、課堂的引導(dǎo)者及學(xué)習(xí)的協(xié)助者，幫助學(xué)生探究問(wèn)題、構(gòu)建知識(shí)體系；學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主要實(shí)踐者，在教師的指導(dǎo)下完成課堂任務(wù)的學(xué)習(xí)，反饋學(xué)習(xí)的體驗(yàn)。利用學(xué)生的反饋信息，教師能夠及時(shí)調(diào)整具體的教學(xué)方法和教學(xué)進(jìn)度，避免出現(xiàn)教師單一灌輸、學(xué)生被動(dòng)接受的消極教學(xué)效果。這樣的教學(xué)模式，顯然是優(yōu)于傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)效果的，但也不是單純的“學(xué)生中心”論，而是把教師和學(xué)生有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到“教學(xué)相長(zhǎng)”的目標(biāo)。

混合式教學(xué)法強(qiáng)調(diào)的是線上線下教學(xué)有序地混合，“教師主導(dǎo)、學(xué)生主體”是其最重要的形式[13]。我們針對(duì)計(jì)算材料學(xué)系列課程設(shè)計(jì)了混合式教學(xué)模式，其所謂“混合式教學(xué)”，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：第一，線上線下教學(xué)方式的混合；第二，傳統(tǒng)教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)方式的混合；第三，理論教學(xué)和科研實(shí)踐之間的混合運(yùn)用；第四，教學(xué)課件和虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)等多媒體教學(xué)形式的混合。

實(shí)際教學(xué)中，要求學(xué)生在線上預(yù)先學(xué)習(xí)，讓學(xué)生預(yù)先通過(guò)移動(dòng)學(xué)習(xí)媒介(例如雨課堂、慕課、樂(lè)學(xué)平臺(tái)等)學(xué)習(xí)老師提前發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)、輔助性資料和引導(dǎo)性案例等，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容具備初步理解，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行消化和吸收，同時(shí)把預(yù)習(xí)中產(chǎn)生的問(wèn)題帶來(lái)教室，以便有針對(duì)性地聽(tīng)老師講解[14]。各類線上平臺(tái)是移動(dòng)環(huán)境下交互教學(xué)全新時(shí)代的移動(dòng)教學(xué)助手，它們能為混合式教學(xué)提供很好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)[15]。

為了加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，教師會(huì)對(duì)預(yù)習(xí)內(nèi)容在課堂上做一個(gè)小測(cè)驗(yàn)，以便鞏固預(yù)習(xí)效果。在課程教學(xué)過(guò)程中，教師會(huì)盡量融匯最新的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，給出較新的教學(xué)設(shè)計(jì)方案[16]，教學(xué)內(nèi)容包括國(guó)際上最新的材料設(shè)計(jì)方向、最先進(jìn)的材料計(jì)算軟件等。在課堂上還將針對(duì)學(xué)生學(xué)術(shù)水平特點(diǎn)，給出幾個(gè)大方向的科研任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生基于教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步開(kāi)發(fā)科研、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題，并在課程后期提交一個(gè)研究報(bào)告，這是延長(zhǎng)課程、進(jìn)行科研實(shí)踐教學(xué)的良好途徑。通過(guò)基于混合式教學(xué)法的課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以熟悉計(jì)算材料學(xué)的有關(guān)理論、算法、軟件、算例等，為后續(xù)參與新能源材料的模擬和計(jì)算研究夯實(shí)基礎(chǔ)。

此外，教師還會(huì)采用一些新技術(shù)來(lái)加強(qiáng)教學(xué)效果。比如，通過(guò)采集圖像、制作動(dòng)畫、制作VR影像等，來(lái)展現(xiàn)材料的立體特征、物化特性等,由此可以提高學(xué)生對(duì)材料的深刻理解。在部分課程教學(xué)過(guò)程中，采用了VR技術(shù)，如在講述物質(zhì)的尺度問(wèn)題時(shí)，選用了VR技術(shù)來(lái)展現(xiàn)從宇宙宏觀到納米甚至更小量級(jí)的尺度。在展示材料微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，VR技術(shù)可以讓學(xué)生置身其中，感覺(jué)好像真地看到了分子結(jié)構(gòu)一樣[17]，這對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣起到了很好的作用。

3.3 研究性教學(xué)模式

計(jì)算材料學(xué)也是材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，適合于進(jìn)行研究性教學(xué)[18]。傳統(tǒng)的材料研制方法以試錯(cuò)法為主，即利用現(xiàn)有材料相關(guān)的理論與知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整材料成分和制備工藝，對(duì)數(shù)量巨大的樣品進(jìn)行制備、表征、測(cè)試和檢驗(yàn)等流程，最終找到滿足需求的材料。

材料基因工程技術(shù)將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)篩選方法與高通量計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)物理模型、數(shù)學(xué)計(jì)算和材料學(xué)原理等方法預(yù)測(cè)材料的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使新材料研發(fā)從完全經(jīng)驗(yàn)型向理論預(yù)測(cè)型轉(zhuǎn)變，是材料研發(fā)模式的一次革命性突破[19]。美國(guó)于2011年啟動(dòng)材料基因組計(jì)劃，中國(guó)于2015年啟動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃材料基因工程專項(xiàng)。

材料模擬和設(shè)計(jì)是材料基因工程的重要組成部分，其目標(biāo)是通過(guò)理論模擬和計(jì)算完成先進(jìn)材料的“按需設(shè)計(jì)”并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造，包括材料計(jì)算軟件研發(fā)、材料結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測(cè)和優(yōu)化、新材料的分子設(shè)計(jì)等研究?jī)?nèi)容[20]。在計(jì)算材料學(xué)系列課程的教學(xué)過(guò)程中，引入基于科研的研究性教學(xué)模式，通過(guò)科研項(xiàng)目把課程關(guān)聯(lián)起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、參與科研。在鉆研科研項(xiàng)目算例和案例的過(guò)程中，學(xué)生自主性驅(qū)動(dòng)自我學(xué)習(xí)過(guò)程，同時(shí)參與團(tuán)隊(duì)合作，與教師討論問(wèn)題，通過(guò)從科研項(xiàng)目選題到完成的全過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)、知識(shí)和技能。

我國(guó)材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)是變革材料研發(fā)理念和模式，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)的“理論預(yù)測(cè)+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”新模式，突破關(guān)鍵材料核心技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”做出貢獻(xiàn)[21]。因此，計(jì)算材料學(xué)系列課程改革也應(yīng)該面向這一目標(biāo)，加強(qiáng)對(duì)新材料的理論計(jì)算和模擬、預(yù)測(cè)功能。

以鋰離子電池?zé)o機(jī)固體電解質(zhì)材料的研發(fā)為例，其科研目標(biāo)是提高鋰離子電池的安全性和能量密度。在科研探索中，我們引導(dǎo)學(xué)生利用材料基因組的思想將計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，提高無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料的研發(fā)和優(yōu)化速度，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)包括高的電導(dǎo)率、良好的機(jī)械性能、對(duì)環(huán)境以及電池正負(fù)極的穩(wěn)定性等。

我們選擇課題組在材料基因工程方面的最新研究成果作為研究性教學(xué)的范例。例如，課題組針對(duì)新型缺陷結(jié)構(gòu)的Co0.85Se納米片電極，應(yīng)用一種基于密度泛函方法的從頭算量子力學(xué)程序CASTEP模塊，計(jì)算揭示了缺陷作用下的空位傳輸機(jī)理和電子能帶結(jié)構(gòu)演化，剖析了電子能帶結(jié)構(gòu)變化對(duì)其電子電導(dǎo)率提升的重要影響，并闡明了Na+在缺陷結(jié)構(gòu)中的傳輸能壘降低與局部電子結(jié)構(gòu)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示,為可控缺陷形成及其作用機(jī)制的研究提供了重要的理論依據(jù)[22]。此范例可為學(xué)生提供CASTEP軟件模塊的體驗(yàn)學(xué)習(xí)。

此外，課題組針對(duì)新設(shè)計(jì)的聚多巴胺修飾功能隔膜，應(yīng)用DMol3模塊研究了聚多巴胺材料對(duì)于各種多硫化物的捕獲能力；闡明了基于電荷的不對(duì)稱分布引起強(qiáng)靜電作用力的“捕硫機(jī)制”，提出了含有孤對(duì)電子的雜原子強(qiáng)化“捕硫能力”的新概念；結(jié)合經(jīng)典的分子力學(xué)動(dòng)力學(xué)模塊Forcite Plus計(jì)算證明了強(qiáng)聚合物鏈間相互作用可以有效抑制多硫化物穿梭的內(nèi)在機(jī)制[23]，如圖3所示。此范例可為學(xué)生提供DMol3模塊的體驗(yàn)學(xué)習(xí)。

總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)多數(shù)學(xué)者支持高校圖書館社會(huì)化服務(wù)，只是在實(shí)施上存在差異，認(rèn)為需要視各高校圖書館的實(shí)際情況進(jìn)行有條件的實(shí)施，如果不分高校類型全部實(shí)行一刀切，則可能影響高校圖書館服務(wù)教學(xué)與科研基本職能的正常發(fā)揮.

4 課前、課中和課后應(yīng)用形式

混合式教學(xué)模式是中國(guó)特色高等教育的一個(gè)創(chuàng)新和特色，它并不是徹底地把課堂遷移到網(wǎng)上從而簡(jiǎn)化教師工作，更不是“線上”與“線下”的簡(jiǎn)單機(jī)械相加，而是通過(guò)課前導(dǎo)學(xué)、線上自主學(xué)習(xí)、課堂重點(diǎn)難點(diǎn)講解、課后線上線下深度討論等方式，建立以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體的“學(xué)生自主模式”，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的能力，從而取得最好的學(xué)習(xí)效果。針對(duì)計(jì)算材料學(xué)系列課程，基于混合式教學(xué)法，設(shè)計(jì)了課程的課前、課中、課后學(xué)習(xí)流程，如圖4所示。

第一階段：課前

在課前階段，教師的任務(wù)是首先組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)，完成教學(xué)目標(biāo)和大綱的設(shè)計(jì)，提交教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)日歷。隨后，制作視頻課件，將知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)等，通過(guò)文字、圖像、聲音、動(dòng)畫等多種媒體手段，進(jìn)行生動(dòng)、形象、準(zhǔn)確地講授。同時(shí)，探索網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，提高信息傳輸量，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的深度與廣度[24]。采用混合式教學(xué)法，在課前階段需要教師付出大量的時(shí)間進(jìn)行教學(xué)準(zhǔn)備，尤其是教學(xué)視頻的錄制和后期加工，需要教師和教研組人員盡量根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)需要，做好課程教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)工作，要用豐富的教學(xué)資源，吸引學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、提前學(xué)習(xí)，以便加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

圖2 CoSe和Co0.85Se的晶體結(jié)構(gòu)(a)、總態(tài)密度(density of states, DOS)和分態(tài)密度(partial density of states, PDOS)譜(b)、電子密度分布(electron density distribution,EDD)圖(c)；在擬定傳輸路徑中單個(gè)Na+的遷移能壘和Na+在CoSe和Co0.85Se中沿空位路徑的遷移軌跡(d)[22]Fig.2 Crystal structures (a), DOS and PDOS spectra (b), EDD diagrams (c) of CoSe and Co0.85Se; the calculated migration energy barriers of the single Na+ ions along the described paths and schematic illustration of possible Na+ ion diffusion trajectories in CoSe and Co0.85Se through the vacancy site (d)[22]

第二階段：課中

因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)在線上平臺(tái)預(yù)習(xí)了課程知識(shí)，因此到了課中階段，也就是在課堂上，教師不必再重復(fù)理論知識(shí)點(diǎn)，只需要把學(xué)生遇到的問(wèn)題解答清楚，并根據(jù)課堂小測(cè)驗(yàn)的結(jié)果，重點(diǎn)強(qiáng)化一下學(xué)生們知識(shí)掌握的弱點(diǎn)部分即可[25]。教師根據(jù)學(xué)習(xí)反饋的具體情況，可以在課中進(jìn)行點(diǎn)評(píng)與指導(dǎo)，從而幫助學(xué)生鞏固知識(shí)要點(diǎn)。教師還可以針對(duì)當(dāng)前計(jì)算材料學(xué)的前沿問(wèn)題，準(zhǔn)備一些拓展知識(shí)點(diǎn)和熱點(diǎn)新聞，例如當(dāng)前國(guó)際儲(chǔ)能領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，與學(xué)生分享和討論，加深學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解與記憶。在課程的后半階段，要求學(xué)生參與研究性教學(xué)，并進(jìn)行Seminar匯報(bào)。此處Seminar可以理解為“研討會(huì)”的意思，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，從事開(kāi)創(chuàng)性課題研究或深入課題學(xué)習(xí)，教師和學(xué)生在課堂上面對(duì)面地討論學(xué)生的科研報(bào)告和研究進(jìn)展。此時(shí)的Seminar應(yīng)該是比workshop所進(jìn)行的科普類探討更深層次的研究性討論形式，即在課中，利用后半部分的課堂教學(xué)時(shí)間，學(xué)生根據(jù)自己分配到的科研任務(wù)，到講臺(tái)上分享他們進(jìn)行的科學(xué)研究(包括材料模擬和計(jì)算、軟件應(yīng)用探索等)，且分享形式可多樣化，PPT、視頻、動(dòng)畫、直接演講均可。

第三階段：課后

圖3 多硫化物與不同隔膜之間的化學(xué)作用力和物理吸附量動(dòng)力學(xué)模擬：表面分別吸附與時(shí)的碳納米管(carbon nanotubes, CNTs) (a)、羥基化碳納米管(hydroxylated carbon nanotubes, HCNTs) (b)和聚多巴胺(polydopamine, PD) (c)的結(jié)構(gòu)俯視圖，圖中下方為計(jì)算得到的相應(yīng)結(jié)合能；聚乙烯(polyethylene, PE)和PD隔膜的自由體積示意圖和硫化物負(fù)載量(d)；PE (e)與PD (f)隔膜的硫化物吸附模擬[23]Fig.3 The molecularly chemical binding and physical adsorption of polysulfides on different separators by the dynamic simulation: structure top view of Li2S, LiS, on CNTs (a), HCNTs (b), and PD (c) surfaces, the calculated corresponding binding energy is also shown; schematic diagram for calculating free volume and the average loading of sulfides of PE and PD separators (d); simulation of the sulfides absorption in PE (e) and PD (f) separators[23]

圖4 計(jì)算材料學(xué)系列課程的教學(xué)流程圖Fig.4 The teaching flow chart of series of courses on computational materials science

5 課程考核方式和考核標(biāo)準(zhǔn)

考核的目的是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和能力的提高程度，以便考察教學(xué)效果，為將來(lái)的教改提供依據(jù)。為了更好地評(píng)價(jià)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)、研究性教學(xué)過(guò)程中的完成效果以及能力增長(zhǎng)情況，計(jì)算材料學(xué)系列課程建立了一種雙向考核模式：一方面是學(xué)生評(píng)價(jià)課程方式，即學(xué)生在線提交對(duì)課程的評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)建議，完成自我評(píng)價(jià)；另一方面是教師評(píng)價(jià)學(xué)生方式，教師在線提交對(duì)學(xué)生課程作業(yè)的評(píng)分，完成教師自評(píng)。教師對(duì)學(xué)生的考核結(jié)合課堂出勤率、課堂Seminar匯報(bào)以及論文報(bào)告方面的表現(xiàn)完成情況，其中，課堂出勤率占10%，課堂Seminar匯報(bào)占30%，對(duì)課堂Seminar匯報(bào)的論文總結(jié)占60%。

教師評(píng)價(jià)是整個(gè)評(píng)價(jià)中權(quán)重最重的部分，為事后評(píng)價(jià)。評(píng)分系統(tǒng)的建立應(yīng)努力使結(jié)果評(píng)價(jià)在公正的基礎(chǔ)上更加科學(xué)，也能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)課程及其開(kāi)放模式的發(fā)展提供方向[28]。平時(shí)成績(jī)由任課教師根據(jù)上課出勤、課堂討論發(fā)言積極性及課后作業(yè)綜合給出。通過(guò)課程考核方式的不斷改革，可使學(xué)生改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，全面提高學(xué)生能力和素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，解決計(jì)算材料學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題；同時(shí)也促使教師不斷總結(jié)、探索創(chuàng)新，以考試改革理念為“指揮棒”，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、實(shí)踐能力[29]。

6 結(jié) 論

世界范圍內(nèi)的新能源材料研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)我國(guó)材料科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高要求，我國(guó)材料界高校和研究院所應(yīng)加速培養(yǎng)能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)和人工智能開(kāi)發(fā)新材料的各類人才[30]。在混合式教學(xué)法的實(shí)踐嘗試中，我們采用線上線下混合教學(xué)、多媒體教學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)混合等多種教學(xué)方式的組合，不僅要求教師向?qū)W生傳授知識(shí)，還要求學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，以主動(dòng)參與科學(xué)研究作為一種學(xué)習(xí)形式?；旌鲜浇虒W(xué)法可以實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)，使學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力得到顯著增強(qiáng)，教學(xué)效果得以有效提高，為當(dāng)今社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供保障。采用混合式教學(xué)法，結(jié)合研究性教學(xué)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)；有利于提高教師的專業(yè)水平和教學(xué)能力；有利于提升材料專業(yè)的整體教學(xué)質(zhì)量和辦學(xué)水平。