文志勤 王鳴澤 李 優(yōu) 鄒正光 吳 一

（桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用是材料學(xué)科的一門重要專業(yè)必修課程，它有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)課知識(shí)的理解并轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，同時(shí)夯實(shí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)，提升科研能力。在全面推進(jìn)新工科建設(shè)的大背景下，無(wú)論是學(xué)生還是教師都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)代大學(xué)生需要擁有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，才能適應(yīng)新工科教育改革的新要求， 材料類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論和工藝時(shí)，需掌握用計(jì)算機(jī)來(lái)解決材料科學(xué)中的問(wèn)題。但這門課程本身具有知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)、內(nèi)容偏多等特點(diǎn)，在高校目前的教學(xué)模式下很難有效地開(kāi)展。如何對(duì)高校的教學(xué)模式進(jìn)行改革， 培養(yǎng)出滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展所需的具有極強(qiáng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用和實(shí)踐能力并且可以獨(dú)立解決材料工程中所面臨的一系列棘手問(wèn)題的新一代材料人，成為當(dāng)前的重要任務(wù)?；诟玫刈寣W(xué)生主動(dòng)的接受課堂知識(shí)以便于更好地掌握實(shí)踐技能，本文以計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用課程為例，將多模態(tài)理論應(yīng)用在教學(xué)育人的全過(guò)程。

1 多模態(tài)理論的意涵

多模態(tài)理論在某種意義上是人類通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)以及嗅覺(jué)五種感知能力跟外部環(huán)境之間進(jìn)行的互動(dòng)。這也符合著名語(yǔ)言學(xué)家顧曰國(guó)教授的理論，人類是通過(guò)感覺(jué)器官同外界進(jìn)行交流的。由此誕生了不同的交際模式：?jiǎn)文B(tài)和多模態(tài)。傳統(tǒng)單模態(tài)是學(xué)生通過(guò)一種或兩種模態(tài)感知文化知識(shí)，獲得文化信息。而多模態(tài)理論是將多種感官，如聲音、圖像以及動(dòng)作等，融合在一起獲取文化知識(shí)和信息。相比于單模態(tài)理論下的教材中心、課堂中心、教師中心的傳統(tǒng)教育體系。多模態(tài)理論教學(xué)模式更注重在平等的原則下，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手為主的學(xué)習(xí)形式。因此，多模態(tài)理論的教學(xué)模式是一種通過(guò)建構(gòu)學(xué)習(xí)共同體，明確主題、學(xué)生參與及自主學(xué)習(xí)，成員間互相交流、討論和分享以促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力?；诖?，將視、聽(tīng)、說(shuō)的多模態(tài)理論應(yīng)用于課程教學(xué)，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有利于營(yíng)造自由開(kāi)放的課堂環(huán)境，擺脫傳統(tǒng)課堂死氣沉沉的教學(xué)氛圍，使學(xué)生更好更快的走入課堂獲取知識(shí)。

2 計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用課程教學(xué)現(xiàn)狀以及教學(xué)模式探索

2.1 計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用課程教學(xué)現(xiàn)狀

由于該課程知識(shí)覆蓋面廣泛、理論性強(qiáng)、深度和難度大，在目前高校的應(yīng)試教育的模式下，該課程教學(xué)中仍存在許多問(wèn)題。一是課程內(nèi)容多，且前沿知識(shí)相對(duì)匱乏；二是課程教學(xué)重理論輕實(shí)踐，科教育人體現(xiàn)不足；三是教學(xué)模式單一，教學(xué)方法缺乏理論指導(dǎo)，以“學(xué)生為中心”的理念不凸顯。這就使學(xué)生很難真正將理論和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，嚴(yán)重影響了課程的育人效果。因此，如何讓學(xué)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)方法來(lái)解決材料領(lǐng)域的一系列問(wèn)題， 將計(jì)算軟件和材料的實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來(lái)，成為當(dāng)前課程改革的方向和重點(diǎn)。

2.2 計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用課程教學(xué)模式探索2.2.1 豐富教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)科教融合

從宏觀上來(lái)講，計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用是一門時(shí)效性很強(qiáng)的課程， 因此必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革。一是整合、豐富教學(xué)內(nèi)容，去除已經(jīng)淘汰的教學(xué)內(nèi)容。例如，數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解方法知識(shí)陳舊，計(jì)算機(jī)模擬部分的蒙特卡洛模擬、元胞自動(dòng)機(jī)、相場(chǎng)法理論性強(qiáng)且本科生較少應(yīng)用該理論解決實(shí)際問(wèn)題， 因此，擯棄該部分的課程內(nèi)容；計(jì)算機(jī)應(yīng)用于材料檢測(cè)與現(xiàn)代材料檢測(cè)方法及其實(shí)驗(yàn)課重疊， 移除該部分內(nèi)容。二是注重前沿知識(shí)的更新，普適前瞻性概念和應(yīng)用實(shí)例。例如，在授課過(guò)程中講授材料基因方法的理念及其在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用；同時(shí)讓學(xué)生課后查閱材料基因方法在計(jì)算材料方面的具體實(shí)例，課上與其他學(xué)生分享這一實(shí)例。這種指向特定的學(xué)習(xí)任務(wù)或?qū)W習(xí)目標(biāo)的多模態(tài)教學(xué)方式，有助于增強(qiáng)師生、生生之間相互交流，人人參與互動(dòng)，分享知識(shí)和資源，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。

在教學(xué)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)科教融合。教師可以通過(guò)增加計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的前沿性和創(chuàng)新性成果對(duì)學(xué)生進(jìn)行普及，并通過(guò)設(shè)計(jì)一些問(wèn)題來(lái)推動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐能力。例如，在講授計(jì)算機(jī)在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用時(shí)，不再以固定案例作為教材，而是查閱最新的文獻(xiàn)進(jìn)行實(shí)例講授，從視覺(jué)上、聽(tīng)覺(jué)上拓寬學(xué)生的知識(shí)面。同時(shí)結(jié)合材料設(shè)計(jì)軟件——Materials Studio 讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作和練習(xí)。既讓學(xué)生掌握相關(guān)的前沿知識(shí)，又注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)在課堂中增強(qiáng)實(shí)操練習(xí)突顯科教育人。課后，布置開(kāi)放課題，讓學(xué)生形成創(chuàng)新小組，利用所學(xué)計(jì)算軟件預(yù)測(cè)材料結(jié)構(gòu)和性能，完成科研問(wèn)題探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)以科研育人的目標(biāo)?；诖耍枚嗄B(tài)理論從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、實(shí)踐等方面靈活完成課程的教學(xué)任務(wù)。

2.2.2 革新教學(xué)方法和手段，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有的課程教學(xué)多采用板書(shū)、PPT 的傳統(tǒng)教學(xué)模式，對(duì)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程來(lái)講已再不適用。如第一性原理的理論方法，學(xué)生們理解起來(lái)很困難，聽(tīng)起來(lái)更是枯燥無(wú)味，若仍采用傳統(tǒng)教學(xué)方法則達(dá)不到預(yù)期效果。因此，采用故事教學(xué)法進(jìn)行概述講解，通過(guò)圖片和視 頻 介 紹 哈 特 里（Hartree）、福 克（Fock）、霍 恩 伯 格（Hohenberg）和科恩（Kohn）等科學(xué)家的事跡和貢獻(xiàn)，進(jìn)一步講解Hartree-Fock 方程、非均勻電子系統(tǒng)的密度泛函理論和求解多體系統(tǒng)基態(tài)的Kohn-Sham 方程，將第一性原理的理論基礎(chǔ)以故事形式串連，讓學(xué)生從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等多個(gè)模態(tài)獲取該理論知識(shí)。同時(shí)，增加第一性原理方法的實(shí)例講授，通過(guò)多模態(tài)互動(dòng)以及感知能力使學(xué)生主動(dòng)思考， 訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力。

開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)。精選一些網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)課程作為理論和實(shí)踐授課的線上資源庫(kù)。同時(shí)，針對(duì)課程的重難點(diǎn)制作一些與課程相關(guān)的微課，構(gòu)建線上學(xué)習(xí)與線下學(xué)習(xí)相結(jié)合、 理論學(xué)習(xí)與虛擬仿真相結(jié)合、教師演示與學(xué)生動(dòng)手相結(jié)合、真實(shí)接受式學(xué)習(xí)與網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)相結(jié)合、師生間課堂交流與網(wǎng)絡(luò)交流相結(jié)合的混合式教學(xué)模式。一是課前自主學(xué)習(xí)。教師將重要知識(shí)點(diǎn)制作成小視頻， 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提前推送給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)觀看視頻了解即將學(xué)到的新知識(shí)，學(xué)生可以通過(guò)可視化視頻結(jié)合教師的講解從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和互動(dòng)上多模的形式及多個(gè)角度了解、掌握知識(shí)點(diǎn)。二是課堂互動(dòng)講授。教師通過(guò)講授課件以及播放相關(guān)動(dòng)畫(huà)等方法，從視覺(jué)上充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣。并且教師提出知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)問(wèn)題增加課堂交流與互動(dòng)。這種互動(dòng)可以促進(jìn)師生交流， 還能對(duì)教學(xué)內(nèi)容給予評(píng)價(jià)、反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正問(wèn)題。三是課后開(kāi)放探索。教師布置一些相關(guān)的開(kāi)放性課題。學(xué)生課后完成開(kāi)放性課題研究，并觀看教師共享的講解視頻，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力和創(chuàng)新思維。課前預(yù)習(xí)、課上互動(dòng)講解、課后自主探索，三者緊密結(jié)合，使學(xué)生從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感官等多個(gè)模態(tài)吸收相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)“學(xué)、教、做互動(dòng)”體驗(yàn)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。

3 推廣價(jià)值

多模態(tài)教學(xué)方法注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的多個(gè)感官，為學(xué)生營(yíng)造視聽(tīng)說(shuō)課堂的氛圍與環(huán)境，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和知識(shí)掌握的熟練程度，具有推廣價(jià)值。

3.1 以生為本，立德樹(shù)人

計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用課程教學(xué)改革探索中體現(xiàn)了以生為本、立德樹(shù)人的教育理念。教師運(yùn)用以生為本理念采用多模態(tài)教學(xué)方式開(kāi)展教育活動(dòng)，要注重將學(xué)生視為主體，并積極采用因材施教的教育原則，促成學(xué)生的綜合發(fā)展。同時(shí)注重學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，著眼于激發(fā)學(xué)生的興趣，凸顯學(xué)生的主體地位，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、合作探究等多模態(tài)活動(dòng)中切實(shí)感受學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)意識(shí)和學(xué)習(xí)能力，做到“以學(xué)生為中心”培育兼具創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力的優(yōu)秀材料學(xué)子。此外，還要注重灌注德育教育，在課程中融入思政教育，提升學(xué)生愛(ài)國(guó)家、愛(ài)集體的意識(shí)，提升學(xué)生的道德素養(yǎng)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)學(xué)校培養(yǎng)人、發(fā)展人的教育目標(biāo)。

3.2 科教融合，協(xié)同育人

科教育人過(guò)程中， 教師是知識(shí)的轉(zhuǎn)化者、 傳播者、引領(lǐng)者、促進(jìn)者，學(xué)生是知識(shí)的接受者，更是主導(dǎo)者。計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用課程教學(xué)采用科教融合的方式，將教學(xué)與科研融合，可實(shí)現(xiàn)科教促長(zhǎng)。同時(shí)，教師從視、聽(tīng)、說(shuō)、感知、互動(dòng)等多個(gè)模態(tài)進(jìn)行教學(xué)， 讓學(xué)生從多個(gè)角度更深的理解理論并運(yùn)用理論知識(shí)來(lái)解決材料科學(xué)問(wèn)題， 促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力，做到科教協(xié)同育人。

3.3 教學(xué)做一體，多元化育人

采用多模態(tài)理論進(jìn)行計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用教學(xué)，教師將理論或案例以動(dòng)畫(huà)、視頻等方式進(jìn)行講解，并采用線上線下混合的模式進(jìn)行教學(xué)，從課前預(yù)習(xí)、課中互動(dòng)講授、課后探索三個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)化訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生從不同模態(tài)直觀化的接收學(xué)習(xí)內(nèi)容，使學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感知能力、互動(dòng)性上來(lái)增強(qiáng)教學(xué)活動(dòng)，做到“學(xué)、教、做互動(dòng)”一體化教學(xué)，實(shí)現(xiàn)多元化育人。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著新工科建設(shè)全面、深入推進(jìn)，社會(huì)對(duì)運(yùn)用人才提出了更高的需求，有必要對(duì)課程進(jìn)行深入改革與探索。本文以多模態(tài)理論為教學(xué)指導(dǎo)，通過(guò)豐富教學(xué)內(nèi)容、科教融合、革新教學(xué)方法和手段、發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢(shì)等方式從視、聽(tīng)、說(shuō)、感知能力、互動(dòng)能力等多個(gè)模態(tài)對(duì)計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)模式探索，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受能力，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力，從而推動(dòng)課程教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展。