計算材料學課程的教學改革與實踐

湛永鐘+聶娜+黃金芳+柳帥+楊文超+湯宏群

[摘 要]計算材料學是材料類專業學生學習材料設計的基本原理、將材料學專業理論與實踐有效地結合起來的一門重要課程。然而由于課程本身的特點以及其他客觀的因素，學生在學習過程中容易出現畏難、興趣不高等的現象。我們結合教學實踐，提出緊密聯系課程的起源與發展過程對該課程進行綜合教學改革的思路，通過引入新型課堂模式，講述課程起源、發展及其與其他學科的交叉，分析該課程知識的實際應用等方面的案例來激發學生的學習興趣及熱情，提高課程的教學效果。

[關鍵詞]計算材料學；綜合教學；課程起源

[中圖分類號] G40-011 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

計算材料學是一門正快速發展的材料科學與計算機科學交叉的新興學科，它能夠利用相應計算方法對材料的組成、結構、性能進行設計與模擬；廣泛涉及材料、物理、計算機、數學、化學等多門學科。[1]可以說，計算材料學是材料學理論和實驗的橋梁連接。[2]學習計算材料學能讓學生進行模擬實驗，使學生養成在制備材料前從理論上設計新材料并預測其性質的良好思路。

作為材料類專業的重要課程，我們在教學過程中存在著不少的問題：1.具有計算材料學研究背景的師資力量欠缺；2.授課方法單一、枯燥，課堂效果不好；3.實踐條件的欠缺很難保證教學效果。為了提高計算材料學課程的教學質量，使學生更好地掌握材料設計和性能預測的基本能力，我們結合存在的問題和教學改革的實踐，對計算材料學的課程教學提出一些改革方法。

二、了解起源，培養興趣

計算材料學是一門十分抽象、理論性極強的課程，書中理論眾多并伴隨著數不清的陌生的符號、公式和注釋，這往往讓學生在學習過程中望而卻步。傳統的計算材料學教學通常是讓學生在課后反復操練習題，以至可以靈活應用這些公式定律來解題。結果不言而喻，學生往往知其然，而不知其所以然，很難提起學習的興趣。因此，授之以魚，還得授之以漁，在教學過程中追本溯源，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學生創造的思維和方法顯得更為重要。

計算材料學不僅蘊含著復雜的變量、方程和實驗方法等知識，而且還充滿了疑問，這些疑問把學生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計算材料教學中將課程重點和難點融為一體，可以在不知不覺中起到“潤物細無聲”的獨特效果。

計算材料學課程教改的目標是轉變教學理念，讓學生懂得計算模擬的起源、材料計算設計的基本方法和基本內容以及與之相關的計算材料的前沿知識，引入與之相關的計算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養，培養其科學的態度、方法和精神。

三、引入拋錨式教學模式，提高課堂質量

拋錨式教學也稱實例式教學，是由美國溫特貝爾特大學匹波迪教育學院開發的一種教學模式。其要求學生在某種類型個案的實際環境中去感受和體驗問題，而不是聽經驗的間接介紹和講解。真實的感受案例或情境，可以激發學生興趣，引導學生觀察和思考，形成一種探索與研究的習慣。

根據課程的特點，適當選擇講述一些有關課程的起源與發展的案例，使其自然地融入課堂。再結合教材內容“見縫插針”，讓學生理解重要定理、公式是怎么來的，為什么要這么命名，相關定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學生產生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導學生對知識點進行深入的學習和挖掘。

以本課程中的量子力學基礎為例，詳細介紹量子力學的發展歷程可以讓學生更好地理解量子力學的基本意義和它對于學好計算材料學的重要作用。如利用信息技術創設一個量子力學發展歷程的故事或一段經歷，用一根主線將求解量子力學波函數問題融入情境故事或經歷中，使學生趟著主線求解復雜的問題。見表1：[3] [4]

圍繞相關原理、公式如不確定性原理、薛定諤方程等，開發可共享的經驗，展開教學活動，使學生掌握態矢量、波粒二象性和量子測量等概念知識，老師在學生獲得概念知識的初始階段需要提供較多的指導。創造機會使學生擁有更多的自主權進行獨立探究或小組探究，圍繞求解薛定諤方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相關的隱藏或缺失的信息。

運用知識作為問題求解的工具。學生運用相關定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問題的計劃。為此，學生需要先探究一些問題，以確定輔助解決整個問題的補充信息。教師們應該根據實際情況，將計算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學中，使學生有接觸解決實際問題的工具的機會。同時，教師們更需要了解學生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學生的問題求解提供“腳手架”。

制訂一套整合相關原理、公式的教學方案。引導學生們閱讀更多學科知識的內容，共同探究相關的故事，使學生們沉浸在相關的模擬情境中，從而加深對概念知識的理解并整合不同學生的概念知識，在潛移默化中培養學生的知識遷移能力。

共同分享所學內容。學生們將他們對相關原理、公式問題和拓展性問題探究結果呈現出來，從不同角度探討解決綜合問題的策略，深層次地理解學習內容，從而為學習共同體作出貢獻。[4]

四、以史為鑒，培養科學精神

科學精神包括探索精神、求真精神、民主精神、實踐精神和懷疑批判精神等等。中國的應試教育使得廣大學生太相信書本和教師，摧殘了學生批判性思維能力，因此在教學中可結合一些計算材料學的歷史，加強學生批判思維能力的培養。

例如，在計算材料學課堂中引入愛因斯坦對薛定諤、德布羅意等的觀點提出質疑的案例。[5]

愛因斯坦在1924年對泡利反對連續區理論的觀點上發表示了“完全的因果性”的看法，針對玻爾關于輻射的波動在本質上是幾率波的假設而評論：“玻爾關于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性，將對它進行更強有力的保衛。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇。”

愛因斯坦對“量子力學僅可建立在可觀察量的基礎上”這一觀點也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點。

通過學習計算材科料學史，可以引導學生去發現和認識公式、方程的產生。如引導學生思考：從薛定諤方程產生到解決過程中真正創造了些什么？哪些思想、方法代表著薛定諤方程相對于以往的實質進步？科學工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時，成功創造了近似求解的方法，這種方法可以從微擾理論到變分理論再到密度泛函理論，這不僅體現了量子力學理論的一大進步，更體現科學工作者對尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過對計算材料科學史的學習，可以鍛煉學生的創造性思維，同時學習薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無反顧、獻身科學的精神，感受薛定諤治學嚴謹、剛正真誠、淡泊名利的風范和人格魅力。

五、結論

計算材料學作為一門新興科學，是材料類專業人才培養中的重要基礎課程。然而在教學過程中由于師資力量薄弱、教學方法單一、研究對象復雜、實踐條件有限等問題，使學生的學習興趣低下、教學效果不明顯。我們在教學過程中應運用科學發展過程中蘊藏的豐富的教育資源，通過講授學科起源、發展以及應用的案例，使學生了解知識的形成過程，同時引入拋錨式教學模式將一個個真實生動的科學形象，融入日常課堂教學之中，從而提高課堂教學質量。同時，應有意識地加強計算材料學發展史的講授，使知識、原理和規律變得生動而鮮活，更使學生的科學思想、科研方法、科學精神、科學態度和科學素養等得到熏陶和培養。

[ 注 釋 ]

[1] 張躍，谷景華，尚家香.計算材料學基礎[M].北京：航空航天大學出版社，2007.

[2] （德）D·羅伯，項金鐘，吳興惠.計算材料學[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3] 許良英.愛因斯坦文集[M].北京：商務印書館，1977（1）.

[4] （美）J·梅拉H·雷琴堡.量子理論的歷史發展[M].北京：科學出版社，1990.

[5] 劉洋，鐘志賢.論拋錨式教學模式[J].江西教育科研，2005（2）：9-11.

[6] F·洪德著.甄長蔭，徐輔新譯.量子理論的發展[M].北京：高等教育出版社，1994.

[責任編輯：鐘 嵐]