文艷偉 李浩博 單斌 杜純
[摘 要]含有編程類知識的理工科課程的教學(xué)往往會遇到程序環(huán)境配置繁、代碼調(diào)試難、知識點(diǎn)與代碼脫節(jié)、師生交互性差等問題。針對計(jì)算材料學(xué)課程項(xiàng)目研究式教學(xué)存在的難點(diǎn),課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)借助CoCalc云平臺,并結(jié)合線下教學(xué)的模式,解決了實(shí)踐環(huán)境配置、代碼調(diào)試、師生互動等教學(xué)環(huán)節(jié)問題,激發(fā)了學(xué)生利用便捷的云平臺展開探究性學(xué)習(xí)的興趣,完成了互融式教學(xué)設(shè)計(jì),變晦澀、抽象和枯燥的學(xué)習(xí)為直觀、形象和有趣的學(xué)習(xí),提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感和獲得感,為理工科實(shí)踐類課程的教學(xué)提供了新思路、新模式。
[關(guān)鍵詞]CoCalc云平臺;計(jì)算材料學(xué);興趣;效率;互動
[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437(2023)16-0037-05
計(jì)算材料學(xué)是以計(jì)算機(jī)為工具,應(yīng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法,對材料科學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值分析與研究,對材料性質(zhì)及過程進(jìn)行數(shù)值模擬的新興學(xué)科,是研究材料問題的一種新方法。計(jì)算材料學(xué)課程是華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的一門專業(yè)核心必修課程,國內(nèi)眾多高校,例如浙江大學(xué)、中國科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)也開設(shè)了該課程。該課程主要教會學(xué)生以小組合作的形式,利用計(jì)算機(jī)模擬探究材料的多種物理化學(xué)性質(zhì),深入理解材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的聯(lián)系,對學(xué)生專業(yè)知識體系的完善、創(chuàng)新研究能力的提升,以及團(tuán)隊(duì)精神、探索精神的培養(yǎng)具有極其重要的作用。
計(jì)算材料學(xué)課程涉及量子力學(xué)、固體物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等知識,概念繁多,對學(xué)生的專業(yè)知識、技術(shù)能力、探索技能要求較高,是一門技巧性較強(qiáng)的實(shí)踐性課程。模擬原理抽象、程序代碼枯燥、缺少直觀形象的認(rèn)識是學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的攔路虎,再加上部分學(xué)生缺乏充足的實(shí)踐參與學(xué)習(xí)體驗(yàn),導(dǎo)致其容易喪失學(xué)習(xí)興趣?!罢n堂上似懂非懂,結(jié)課項(xiàng)目無從下手”是計(jì)算材料學(xué)教學(xué)過程中一種比較普遍的現(xiàn)象。針對程序類的實(shí)踐性課程,人們在教學(xué)方法、手段、考核方式等方面進(jìn)行了一系列探索。在國內(nèi)外云平臺蓬勃發(fā)展的背景下,教育資源在管理和配置上具有低成本、靈活性、互動性等優(yōu)勢,因此云計(jì)算輔助教學(xué)管理模式在高校教學(xué)實(shí)踐中逐漸興起[1-2]。尤其是對計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程,云平臺教學(xué)在細(xì)化時間粒度、獲取雙向?qū)W習(xí)效果方面有明顯的成效[3-5]。劉思宇等人[6]借助華為ModelArts云平臺,探索了計(jì)算機(jī)視覺教學(xué)案例,讓學(xué)生可以在由易到難的實(shí)驗(yàn)過程中多角度、漸進(jìn)式、由淺入深地掌握計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的基礎(chǔ)工程方法。李斌[7]基于華為DevCloud對軟件項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行了實(shí)踐,通過人工智能軟件的運(yùn)用全面提升了學(xué)生的軟件工程能力。開源中國(OSChina)推出了針對高校的代碼托管服務(wù)平臺Gitee高校版,提供了班級/團(tuán)隊(duì)管理的方式,以支持教師、助教、學(xué)生多角色權(quán)限,并方便分組進(jìn)行項(xiàng)目合作編程。盧華燈等人[8]在項(xiàng)目式教學(xué)中使用Gitee進(jìn)行了理實(shí)一體化迭代式教學(xué)探索,降低了學(xué)生理論學(xué)習(xí)與代碼實(shí)踐切換的難度,記錄了學(xué)生編程實(shí)踐過程,提高了巡堂指導(dǎo)的效果。
筆者在試用過程中發(fā)現(xiàn),Gitee平臺支持的編程語言有限,沒有集成如Python、Linux等的編程環(huán)境,這使計(jì)算材料學(xué)的程序教學(xué)嚴(yán)重受限,學(xué)生也無法在線調(diào)試,體驗(yàn)感較差;作業(yè)批改與課程考核大多通過在線評測系統(tǒng)進(jìn)行,學(xué)生僅能提交代碼、查看評測結(jié)果,而不能與教師或其他同學(xué)在線協(xié)作,課程交互性有待提高。CoCalc是一個基于Web的協(xié)作平臺,自2013年問世以來,已被美國的加州大學(xué)洛杉磯分校、佐治亞理工學(xué)院,英國的牛津大學(xué)等世界一流大學(xué)用于生物信息學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、密碼學(xué)等數(shù)百門課程的教學(xué)實(shí)踐。例如,哈佛大學(xué)的數(shù)學(xué)課程使用CoCalc提供給學(xué)生實(shí)時訪問計(jì)算工具,并可協(xié)作完成作業(yè)和項(xiàng)目;加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程使用CoCalc為學(xué)生提供一個用于編碼、測試和協(xié)作項(xiàng)目的平臺。目前,我國主流云計(jì)算運(yùn)營商尚未推出能夠?qū)崿F(xiàn)同類功能的教育產(chǎn)品。計(jì)算材料學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)首次將CoCalc云計(jì)算平臺引入國內(nèi)課堂教學(xué),進(jìn)行了一系列有意義的探索,解決了學(xué)生在配置程序環(huán)境、代碼調(diào)試、作業(yè)反饋等環(huán)節(jié)的難題;通過理論教學(xué)與代碼實(shí)踐迭代式教學(xué),改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn),提高了教學(xué)效率。CoCalc云平臺使用的便捷,極大激發(fā)了學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)的興趣,使綜合教學(xué)效果大幅度提升。
一、CoCalc平臺簡介與課程實(shí)施
CoCalc集成了Python、R等程序設(shè)計(jì)語言及配套的眾多科學(xué)計(jì)算包和Jupyter Notebook、Nbgrader、LaTeX等輔助工具,具有模塊豐富、網(wǎng)頁操作簡單、在線協(xié)作便捷等優(yōu)點(diǎn),能夠很好地滿足計(jì)算材料學(xué)課程所需計(jì)算、繪圖能力的要求,為實(shí)踐編程類課程教學(xué)改革提供了新的平臺與契機(jī)。CoCalc平臺集成了Python常用的Numpy、Scipy、Matplotlib、PyTorch、Pymatgen等科學(xué)計(jì)算包,體系完善,能滿足基本計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、材料結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)可視化等多樣的需求,為開展面向互聯(lián)網(wǎng)時代、項(xiàng)目探索式代碼類課程的開放、共享式云平臺教學(xué)模式探索提供了契機(jī)。
課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托CoCalc平臺對計(jì)算材料學(xué)的教學(xué)模式進(jìn)行了改革探索,整個實(shí)施過程包含四個環(huán)節(jié):課堂教學(xué)、課后實(shí)踐、項(xiàng)目探索、成果展示及考核,如圖1所示。課堂教學(xué)包括分子動力學(xué)基本知識點(diǎn)、代碼實(shí)現(xiàn)以及課堂演示,課后實(shí)踐包括課后作業(yè)、編程及可視化練習(xí),這兩部分是課程的基礎(chǔ),是對學(xué)生基本理論知識和編程能力的訓(xùn)練。然后學(xué)生分組選擇感興趣的材料模擬小課題開展項(xiàng)目探索,這一過程由教師對課題難度、深度進(jìn)行把關(guān),選題問題明確且有意義,既能激發(fā)學(xué)生的探索興趣,又能鍛煉學(xué)生的科研能力。通過這一環(huán)節(jié)的鍛煉,學(xué)生基礎(chǔ)知識的牢固程度和科研能力都會提升至一個新臺階。最后一個環(huán)節(jié)是小組將科研成果進(jìn)行分析整理,通過PPT在課堂上向所有同學(xué)展示;由其他小組學(xué)生對匯報(bào)小組的成果進(jìn)行評分,鼓勵大家思考、提問和討論;學(xué)生再完善課題研究成果并撰寫規(guī)范的科研論文,由教師進(jìn)行批閱。學(xué)生成績采用多元化的方式進(jìn)行評價(jià),包括課堂表現(xiàn)(占10%,由教師打分)、課后作業(yè)(占20%,由助教打分)、匯報(bào)評分(占35%,由學(xué)生打分)和論文評分(占35%,由學(xué)生打分)。
在整個課程設(shè)計(jì)中,課堂演示、課后實(shí)踐以及項(xiàng)目探索這三個環(huán)節(jié)難度較大,如何將知識點(diǎn)與代碼直觀、有機(jī)地結(jié)合與展示,如何構(gòu)建便捷的實(shí)踐環(huán)境與學(xué)生互動,項(xiàng)目探索如何利用最新的互聯(lián)網(wǎng)或人工智能工具等,都是程序類工科課程面臨的重要問題。在教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)引入CoCalc云平臺,解決了學(xué)生在課程教學(xué)中實(shí)踐環(huán)境構(gòu)建、知識點(diǎn)呈現(xiàn)、作業(yè)互動和項(xiàng)目探索等關(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題,促使教學(xué)效率顯著提升,學(xué)生體驗(yàn)和反饋良好?;谠撈脚_,本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過庖丁解牛式的分解讓學(xué)生高度參與完整的分子動力學(xué)程序編寫和模擬,通過可視化圖形展示模擬結(jié)果,有力地揭示了材料計(jì)算模擬的機(jī)理、材料體系的物理規(guī)律,有助于學(xué)生形成形象思維與系統(tǒng)思維,并為構(gòu)建材料科學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域正確深刻的理性認(rèn)識奠定基礎(chǔ)。
二、CoCalc平臺教學(xué)優(yōu)勢分析
(一)體驗(yàn)式教學(xué)激發(fā)學(xué)生興趣
計(jì)算材料學(xué)課程的教學(xué)難點(diǎn)在于如何將分子動力學(xué)的知識要點(diǎn)與枯燥的程序代碼聯(lián)系起來。分子動力學(xué)模擬原理抽象、程序代碼枯燥,缺乏直觀形象的展示,導(dǎo)致學(xué)生容易喪失學(xué)習(xí)興趣。因此,必須加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn),大幅增加學(xué)生的參與度和成就感。成熟的分子動力學(xué)軟件如LAMMPS模擬功能強(qiáng)大,但是程序代碼復(fù)雜、數(shù)量過萬行,不適合用于教學(xué)呈現(xiàn)。本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)以二維平面內(nèi)氬氣分子動力學(xué)模擬為例,采用庖丁解牛式的教學(xué)方式,引導(dǎo)學(xué)生通過自主編程的形式,通過簡單的Python代碼逐一完成晶體建模、勢函數(shù)定義、周期性邊界條件控制、積分算法等分子動力學(xué)模擬,最后通過主程序迭代完成簡單、完整的分子動力學(xué)模擬程序pymd,如圖2所示。圖2標(biāo)識了整個分子動力學(xué)模擬的功能模塊、課堂教學(xué)的知識點(diǎn)、簡潔的模塊式代碼。通過該設(shè)計(jì),讓學(xué)生能夠提綱挈領(lǐng),了解分子動力學(xué)模擬的流程和各模塊功能;精準(zhǔn)定位每個知識點(diǎn)—分子動力學(xué)要素在模擬中的角色,然后精細(xì)化到各個知識點(diǎn)的編程實(shí)現(xiàn)。學(xué)生通過重組各模塊完成一個完整的分子動力學(xué)模擬程序,運(yùn)行自己編寫的程序,獲得了滿滿的成就感,對計(jì)算材料方法的認(rèn)識有了質(zhì)的提升。CoCalc平臺為這一教學(xué)設(shè)計(jì)提供了良好的運(yùn)行條件。尤其是在知識點(diǎn)與代碼關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié),Jupyter Notebook為學(xué)生提供了便捷的網(wǎng)頁式程序編寫和調(diào)試功能,集成的Matplotlib功能包能對學(xué)生的代碼進(jìn)行實(shí)時畫圖顯示,執(zhí)行后就可以得到直觀的輸出結(jié)果。如圖3所示,代碼的實(shí)時運(yùn)行和輸出給出了直觀形象的二維晶格建模結(jié)構(gòu)、諧振子跳蛙算法的速度和位移分析。教師在課堂上鼓勵學(xué)生動手修改程序,實(shí)現(xiàn)無序二維晶格建模、速度Verlet算法、多體勢函數(shù)定義等功能。在學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生通過閱讀及修改代碼,動手動腦、實(shí)踐知識,提升分析和設(shè)計(jì)能力,既加深了對課堂上介紹的分子動力學(xué)公式的理解,又激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。CoCalc平臺的使用,幫助學(xué)生通過代碼把看似單調(diào)的公式應(yīng)用于實(shí)際材料體系的計(jì)算分析中,通過動手操作,學(xué)生能體驗(yàn)到成功的喜悅,從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)自信,將材料專業(yè)知識與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來,破除了對計(jì)算材料學(xué)的消極畏難情緒和陌生感。在2022—2023學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐中,有多個學(xué)生小組選擇編寫基于Python的分子動力學(xué)程序作為結(jié)課項(xiàng)目,如將課程中的二維分子動力學(xué)模擬程序拓展至三維晶體結(jié)構(gòu),運(yùn)用自學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)工具PyTorch等進(jìn)行簡單的高通量計(jì)算,對材料模擬數(shù)據(jù)展開綜合分析。因此,CoCalc平臺的引入激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和研究創(chuàng)造激情,使教學(xué)效果顯著提升。
(二)云平臺優(yōu)勢助力提升教學(xué)效率
計(jì)算材料學(xué)課程開設(shè)之初,僅由教師在課堂講授相關(guān)理論知識,學(xué)生實(shí)踐機(jī)會少、理解深度淺。在之后幾年時間里,本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)探索了多種方式,希望為學(xué)生提供一個方便、穩(wěn)定的實(shí)踐環(huán)境。如編寫安裝指南,讓學(xué)生在自己電腦上安裝Linux系統(tǒng)、MATLAB、Python等計(jì)算軟件,在一定程度上提高了課程的實(shí)踐性。但是,這些軟件占用空間大、配置過程煩瑣,對于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生,教師需要大量的時間進(jìn)行指導(dǎo)。實(shí)際執(zhí)行過程中,電腦環(huán)境的差異也可能影響安裝效果。例如,安裝Python時,不同電腦的設(shè)置或軟件版本不同,運(yùn)行過程中易出現(xiàn)軟件包缺失的錯誤,造成了諸多麻煩。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),學(xué)生花費(fèi)在系統(tǒng)安裝、環(huán)境配置上的平均時間超過十小時,嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)體驗(yàn)。
本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐環(huán)節(jié)引入基于網(wǎng)頁云計(jì)算服務(wù)的CoCalc平臺,保證了集成環(huán)境和軟件的一致性,免除了軟件安裝配置的環(huán)節(jié);每位學(xué)生都可免費(fèi)注冊賬號、加入課堂,擁有獨(dú)自的工作空間用于代碼存儲及運(yùn)行。即注冊即用的模式,使得學(xué)生可以將更多的時間和精力用于課程學(xué)習(xí),大幅度提高了教學(xué)效率。
此外,CoCalc平臺還具有完善的課程管理工具,可以較好地輔助教學(xué),其共享和開放性可以進(jìn)一步助力教學(xué)效率的提升。圖4所示為管理員登錄界面,CoCalc平臺建立課程后,主目錄包含了.course文件,記錄了選課學(xué)生的名單,可以向名單中的每位學(xué)生共享課件、發(fā)布作業(yè);Assignments里存放作業(yè)練習(xí);Handouts可存放課件PPT、交互特性編寫代碼示例文件或作業(yè)。云平臺上每位學(xué)生賬號下都會有獨(dú)立的Assignments和Handouts文件夾,學(xué)生可以直接在網(wǎng)頁運(yùn)行代碼、查看結(jié)果,并嘗試修改,保證互不影響。作業(yè)系統(tǒng)可以自動收取作業(yè)、利用Nbgrader工具自動批改、對作業(yè)進(jìn)行批注及一鍵下發(fā),節(jié)省了教師逐一查看、驗(yàn)證代碼的時間。對學(xué)生而言,由于作業(yè)文件內(nèi)置了程序輸入輸出樣例,學(xué)生在線運(yùn)行代碼過程中可實(shí)時運(yùn)行了解自己的代碼是否正確,錯誤一目了然,節(jié)省了反復(fù)上傳代碼、等待在線評測平臺驗(yàn)證、驗(yàn)證失敗后手動定位錯誤的時間。學(xué)生使用后普遍給予了積極反饋:“使用CoCalc平臺后不用自己下載軟件,注冊和操作也很方便”“能夠比較快地發(fā)現(xiàn)自己寫得有沒有錯、錯的地方在哪,上面還有老師提供的例子”等。
(三) 云平臺的協(xié)作性增強(qiáng)了師生的互動
CoCalc平臺具有云協(xié)作特性,該平臺的實(shí)時訪問計(jì)算工具和協(xié)作功能非常適合在課堂上使用。從教的角度來看,教師可以方便地進(jìn)行實(shí)時課堂編程演示,并與學(xué)生一起進(jìn)行交互式討論;從學(xué)的角度來看,學(xué)生可以通過CoCalc平臺實(shí)時訪問代碼和使用計(jì)算工具,進(jìn)行模擬和分析,在課堂上觀察和理解材料的性質(zhì)和行為。尤其是針對項(xiàng)目探索類的課程,學(xué)生與學(xué)生之間可以通過CoCalc平臺的協(xié)作功能一起完成項(xiàng)目,這種互動性提升了學(xué)生的寫作能力。教師可以通過CoCalc平臺的在線評審功能,對學(xué)生的作業(yè)和項(xiàng)目進(jìn)行及時評審,為學(xué)生提供有針對性的反饋和指導(dǎo);可以創(chuàng)建并使用CoCalc平臺的在線練習(xí)和測試來評估學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度與成果,幫助學(xué)生了解他們的強(qiáng)項(xiàng)和弱項(xiàng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式下,當(dāng)學(xué)生遇到困難時,需要發(fā)送代碼截圖或文件給教師請教,卻經(jīng)常遇見反饋不夠及時的問題,代碼較長、問題描述不清晰等更影響了互動的效率。在CoCalc平臺上,教師或助教可以通過看板了解學(xué)生的作業(yè)提交情況,并在需要時直接進(jìn)入學(xué)生的工作空間查看代碼文件,相當(dāng)于“坐”到了學(xué)生的電腦前,可以完整地閱讀學(xué)生的代碼,最后確定問題所在。例如,有學(xué)生在編寫氬氣分子三維分子動力學(xué)Python模擬程序時,發(fā)現(xiàn)原子數(shù)目較多時會出現(xiàn)體系溫度及勢能異常的情況,他們認(rèn)為是勢函數(shù)聲明的問題。本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師通過云平臺直接進(jìn)入學(xué)生的工作空間,分析代碼后發(fā)現(xiàn),問題來源于代碼開頭部分,學(xué)生忽視了計(jì)算機(jī)數(shù)組的有關(guān)特性,導(dǎo)致生成原子坐標(biāo)列表時發(fā)生了溢出錯誤,部分原子坐標(biāo)異常。據(jù)此,教師及時批注了該部分代碼,使學(xué)生在半個小時內(nèi)就調(diào)試并解決了這個問題。CoCalc平臺作為教師和學(xué)生之間的橋梁,增強(qiáng)了師生交互性體驗(yàn),將教與學(xué)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系,做到了教學(xué)相長。
三、CoCalc平臺教學(xué)不足分析
本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在采用CoCalc平臺進(jìn)行計(jì)算材料學(xué)教學(xué)的實(shí)踐中,也總結(jié)了該平臺在課程教學(xué)中的一些不足之處。首先是免費(fèi)試用版的CoCalc平臺為每位用戶提供的云計(jì)算資源有限,代碼在執(zhí)行中會出現(xiàn)卡頓情況,使學(xué)生的使用體驗(yàn)感欠佳。其次,部分學(xué)生反饋Python嵌套式界面和程序結(jié)構(gòu)閱讀起來有些費(fèi)勁,需要一定時間適應(yīng)代碼寫作習(xí)慣。最后,Nbgrader自動評分系統(tǒng)對教師端的使用要求較高,由于Nbgrader評分方式固定,需要教師精心設(shè)計(jì)判分條件。
四、結(jié)語
本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐中借助CoCalc云平臺的集成性、多功能性、易用性和協(xié)作性,探索出直觀形象的互融式教學(xué)設(shè)計(jì),增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn);發(fā)揮平臺的集成性和多功能性優(yōu)勢,解決了學(xué)生配置模擬環(huán)境遇到的各種障礙,節(jié)省了大量學(xué)習(xí)時間,提升了學(xué)習(xí)效率;利用平臺的協(xié)作性幫助學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師實(shí)現(xiàn)共同工作,增強(qiáng)了師生之間、生生之間的交互,激發(fā)了學(xué)生的科研興趣,課程教學(xué)效果得到了顯著提升。本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的實(shí)踐探索希望能為編程類、基于項(xiàng)目導(dǎo)向的高校理工科課程的教學(xué)改革拋磚引玉,借助新興的云平臺技術(shù),變晦澀、抽象和枯燥的學(xué)習(xí)為直觀、形象和有趣的學(xué)習(xí),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)學(xué)生探索創(chuàng)新。
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[責(zé)任編輯:鐘 嵐]