淺談《計算機在材料科學中的應用》的教改方案

劉敬成

[摘 要]隨著計算機技術的不斷發展壯大，計算機在材料科學中的應用越發普遍和顯著。開設計算機在材料科學中的應用課程能讓材料科學專業學生適應現代新材料研究，融入社會新潮。不同高校由于材料科學的具體研究方向不一，因而課程內容都依據專業特色而設置，結合自身專業特點，從教學方法、教學內容以及實驗教學三方面對計算機在材料科學中的應用課程進行教改方案的探討。

[關鍵詞]計算機 材料科學 虛擬課題 教改方案

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）18-0159-02一、引言

在當今社會中，計算機在社會發展中顯示了其強有力的推動作用。隨著計算機技術的不斷發展壯大，計算機在材料科學中的應用也越發普遍和顯著，如信息檢索、數據分析和圖像處理、計算模擬、材料組分和結構分析等等。對大學高等教育而言，開設計算機在材料科學中的應用課程是為了讓學生初步掌握計算機在材料科學應用中的方法、步驟和應用領域等，從而促進專業課的學習。

結合我校高分子材料與工程專業的特點以及畢業生需進行的畢業設計環節，在高分子材料科學的學習研究過程中需要涉及多種軟件的應用，最基本的包括文獻檢索、實驗方案的設計、數據分析、圖形處理等等，而這些都離不開計算機技術。在書本式教育和多媒體PPT教育為基礎的理論教學模式下，教學效果并不是十分理想。在往屆的教學質量反饋中，多數學生反映單純的理論教學形式枯燥、效果不良，一旦涉及實際應用往往束手無策，其原因是眾多軟件的學習除了需要了解基本的理論知識外，更重要的是要反復的上機練習以熟悉各種軟件的操作，形成更為扎實的操作意識，而很多學生做不到這一點。因而如何更好的讓學生理解、吸收、掌握眾多軟件的基本操作并活用到今后的學習、科研或工作中，這是大學教育所要思考的地方。

教育部頒布的新課程標準明確提出了“提高科學素養，在課堂中開展探索性學習的理念，提倡通過探索式教學，培養學生的自主科學探索能力，加強學生對科學本質的認識”。

二、教學方案的設計

（一）教學方法設計

為提高教學效果，在計算機在材料科學中的應用這門課程中，首先將課堂搬到備有多媒體設備的機房。多媒體技術具有良好的直觀性、形象性和趣味性等特點，是教學的一大幫手，能進一步將課堂內容的理論教學與實際操作同步進行，更好的讓學生學習、吸收課程內容。在課程設計中，引入虛擬課題作為教學方案，將多種軟件的使用和課題的研究思路結合起來，以課題研究思路為教學的基本大綱路線，按步驟在各個環節中引入所需的常用軟件，從而將計算機作為理論教學和實際應用的緩沖結合點，通過虛擬課題的方法將學生在課堂所學的理論知識融會貫通，為實際課題研究以及論文寫作奠定基礎。

（二）教學內容設計

課程規劃上主要以虛擬課題的相關文獻為案例，通過探討課題的研究思路和方法，研究過程中所需要處理的問題等，循序漸進，逐漸介紹文獻檢索、實驗設計（chemical office）、數據分析（IR，NMR）、圖形處理（Origin，Adobe Photoshop）等等，為畢業論文的展開做鋪墊。教學內容具體如下：

1.首先確立學生所感興趣的研究方向或課題，并以此對學生進行簡單的分組，以方便后期進行更多的教學互動。在此過程中向學生介紹常見搜索引擎，如Google，Yahoo，百度等，這些常用搜索引擎可以較為方便的提供一定的信息。而常用數據庫，如中國知網（CNKI），萬方數據庫，ScienceDirect，RSC，ACS，Wiley-Blackwell等，借助簡單的檢索字段，包括Any Field（全文）、Title（篇名）、Abstract（文摘）、Author's Name（作者姓名）、Journal Title（期刊名稱）等可以檢索到相關研究論文文獻，讓學生帶著自身目的去學習、掌握、運用諸多數據庫進行文獻檢索。

2.當課題資料的收集結束之后，設想課題如何進行，設計一定的實驗方案。該過程中利用chemical office是較為普遍的一款應用軟件、可以滿足各種分子結構的設計、反應方程式的設計、基本示意圖的設計以及核磁結構的模擬分析。具體教學內容以虛擬課題中的文獻相關圖譜為案例，通過對文獻圖譜的剖析，讓教學更為直觀，同時上機模擬作圖，加深印象和增強操作熟練度，并且鼓勵設計新的設計路線，如反應合成路線、實驗基本示意圖等。

3.隨著課題探討的深入，課堂內容會不斷涉及結構分析表征，如IR，NMR等。在此，IR，NMR軟件的常規使用與分析，包括常見結構的特征峰和化學位移、峰值面積的積分比較等等都將成為基本的教學內容，讓學生盡可能的認識到在材料科學研究中結構分析的重要性。

4.在眾多的數據處理中，Origin由于功能強大，被公認為是最快、最靈活、使用最容易的工程繪圖軟件。因此教學中需要重點介紹Origin在數據處理中的應用。著重介紹各種圖譜，包括數據的調整、排序、計算，統計和曲線擬合，以及直線圖、散點圖、餅圖、柱狀圖、三維圖表的繪制。以虛擬課題中出現的文獻案例為教學案例，循序漸進，讓學生由簡入難，由粗到細。

5.隨著文獻的閱讀和自我作圖的實踐，學生會發現優秀文獻中的圖譜總是讓人賞心悅目。教學中通過與優秀文獻中圖片處理效果的對比，逐漸提高學生對數據處理的要求。Adobe Photoshop簡稱PS，使用其眾多的編修與繪圖工具，可以有效地進行圖片編輯工作。因而學會將PS的圖片處理功能運用到材料科學研究領域中則會使圖片效果大大提升，做到科學嚴謹又不失觀賞性。

6.當有了出色的研究成果之后，需要的便是如何更好的呈現自身的工作。為此，如何運用PPT技術制作一份精美的論文報告是展現成果的關鍵。鑒于計算機課程的普遍性，相信學生對簡單的PPT制作并不陌生，因而課程內容中轉為更高層次的PPT技術講解，包括論文報告型PPT的一般邏輯思路、PPT中的圖形制作、模板的設計、PPT的美化等等，讓學生能體會到PPT制作對論文結果報告的重要性，提高學生在PPT的制作上的布局和美化意識，為畢業設計環節的PPT制作提前做準備。

（三）實驗內容設計

針對常用化學軟件學習的實踐性、應用性較強的特點，我們將理論教學和實際上機操作設計成同步進行。而同步進行的教學模式能讓學生加深課堂印象，也更有利于學生及時發現自身在軟件操作應用上的盲區，因而能更好的將知識講解和動手操作相結合，起到以點帶面、強化應用的作用。如在講解chemical office作圖時，首先可以讓學生學習模仿，而后鼓勵學生自行設計，更深一步的讓學生去體驗挖掘chemical office中的作圖技巧。

三、教學方案特色

通過虛擬課題的引入，使得本文所提出的教學方案的特色在于：1.課程內容的確立有學生的參與，虛擬課題的選定由學生自主分組確定，逐漸讓學生主導課堂，教師則成為擺渡護航的角色；2.教學內容符合學生所需，為畢業設環節做鋪墊，課題內容設計上更有針對性；3.教學過程中時時刻刻充滿師生的互動，學生在自我的求知欲望下能更好的投入課程學習中，從而營造更好的教學氛圍，以便獲得更優的教學成果。

四、小結

本文結合自身專業特色，提出了基于虛擬課題的教學方案，目的在于讓教學更好的觸及學生所需要和學生所感興趣的領域，從而提高學生學習的興趣、專注度，同時將理論多媒體教學與實際上機操作同步進行，進一步提高課程教學的直觀性和趣味性，以期獲得更好的教學成果。總的來說，改善計算機在材料科學的應用課程的教學是一個系統的工程，對于高分子材料專業的學生來說，如何將計算機知識和高分子專業知識，以及自身所需有機地結合起來具有更加重要的意義。只有將三者有機結合，才能使學校教育真正滿足學生的需求，讓老師教得舒心，學生學得開心。再者，除去教學內容的不斷改善之外，教師對教學的投入度，對學生的關愛度也是教學成功的一個重大因素所在，因而不論是教學內容還是教學態度都將是我們應改善的地方。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 胡紅軍，楊明波.計算機在材料科學中應用課程教學設計[J].鑄造技術，2007（7）：991-993.

[2] 韓強，李濤，趙鳴，等.《計算機在材料科學中的應用》課程改革探討[J].內蒙古教育，2011：20-21.

[3] 竇立巖，汪麗梅.《高分子材料計算機應用基礎》課程改革和探索[J].科技信息，2011（23）：34-35.

[4] 段久芳.淺論探索式教學法在高分子材料教學中的應用[J].科技創新導報，2009（35）：252-253.

[5] 金玉順.多媒體技術在“材料研究方法”教學中的應用[J].中國電力教育，2011（19）：86-88.

[責任編輯：鐘 嵐]