新工科背景下《計算機在材料科學中的應用》課程教學改革探索

張國尚 馮日寶 紀朝輝

摘 要：隨著人工智能、大數據、新材料等為代表的新科技革命和產業變革的到來，迫切需要對傳統工科進行升級改造和工程創新。在新工科建設的背景下，文章從教學內容更新優化、融通線上線下兩個空間并密切聯系工程實踐、結果過程相結合考核方式等方面，對《計算機在材料科學中的應用》課程進行改革，通過利用現代網絡技術構建以學生為中心的面向工程實踐的教育生態，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：新工科；計算機應用；材料科學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼： A 文章編號：1673-8454（2018）24-0063-03

一、引言

以人工智能、大數據、新材料為代表的新一輪科技革命和產業革命正在世界范圍內加速進行，各國在新興產業領域的競爭日益加劇，我國因此推出了創新驅動發展、“中國制造2025”、“互聯網+”等重大戰略部署。新技術、新產業的發展要求工程技術人才具有更高的創新產業能力和跨業界知識整合能力?！队嬎銠C在材料科學中的應用》是計算機和材料兩個學科交叉形成的課程。隨著信息技術的迅猛發展以及新材料的不斷涌現，現有傳統教學中存在的教學內容老化、師生互動較少、考核方式不能很好反映學生應用計算機解決材料領域工程問題能力等問題日益突出。

學校材料類畢業生絕大多數從事與民航機務維修相關的工作，隨著人工智能、大數據、云計算等新技術及復合材料為代表的新材料在民航中的應用，面向未來民航技術發展的人才培養亟需改革。本課程在“打破學科壁壘、越過專業藩籬、打通本研隔斷、消除校企隔閡、喚醒師生淡漠”的新工科教學理念指引下[1]，通過互聯網構建以學生為中心的面向工程實踐的教育生態，從教學內容、教學方法及考核方式進行了改革探索，培養了一批為民航強國建設所需的具有創新思維工程能力、良好的質量意識和團隊精神的復合型人才。

二、結合專業課程體系和計算機技術發展，進行教學內容有機融合

1.計算機類課程整合

2012版及之前的專業教學體系中，計算機類課程包括《大學計算機基礎》《VB語言程序設計》《材料應用軟件實習》《計算機在材料科學中的應用》和《計算機在材料科學中的應用課程設計》?！洞髮W計算機基礎》和《VB語言程序設計》為全校公共課，講述有關計算機的基礎知識和程序設計?！恫牧蠎密浖嵙暋窞閷嵺`課，要求掌握Photoshop、Origin軟件在圖形圖像方面的應用?！队嬎銠C在材料科學中的應用》講述計算機在文獻檢索、數值計算、材料設計、材料制造等方面的應用?！队嬎銠C在材料科學中的應用課程設計》只有一個利用有限元軟件進行工程分析的模塊。隨著當代學生計算機水平的提高，《材料應用軟件實習》已沒必要單獨作為一門課程開設，其內容連同大數據、云計算、3D打印等新技術在《計算機在材料科學中的應用》課程中講述。相應的《計算機在材料科學中的應用》教學內容調整為計算機文獻檢索與文獻管理、數學建模與計算機求解、計算機輔助材料設計（分子動力學、正交設計）、計算機輔助制造與工程分析（計算機控制、3D打印、有限元、有限差分）、大數據與人工智能、計算機繪圖與圖像處理（Catia、Origin、Matlab、Photoshop、Image J）六個模塊。此外，《計算機在材料科學中的應用課程設計》更名為《計算機輔助材料課程設計》，內容由原來的單一有限元模塊擴充為第一性原理材料設計、3D打印、零部件結構有限元分析、介觀材料設計與模擬、分子動力學材料設計與模擬五個模塊，學生選做其中的一個模塊進行實踐及考核，學時由原來的40學時調整為60學時。

2.廣度與深度結合，密切聯系工程實際

原來的材料庫數據庫與人工神經網絡章節擴充為大數據與人工智能模塊，引入材料基因組計劃、大數據、人工智能等概念，啟發學生思考可以借助于材料基因組計劃積累的大數據運用人工智能來開發新材料，以及結合天氣情況、航班信息等大數據基于人工智能預測航班延誤情況。

有關大數據思想在材料中應用的工程案例中，列舉了我國加入WTO初期由于鐵路貨運超載引起的輪轂裂紋管理例子。當時我國由于入世后經濟迅猛發展導致鐵路運輸能力嚴重不足，若不超載運輸大量企業將無法正常生產，而超載后火車輪轂出現了大量裂紋對安全運行帶來嚴重危脅。當時國內外輪轂產能都無法在3年內換掉產生明顯裂紋的輪轂，3年后由于新建鐵路線路的投產超載問題將得以緩解，同時輪轂產能的提高將可以換掉存在問題的輪轂。因此，關鍵問題是在超載情況下如何保證帶裂紋輪轂3年內不發生安全問題。該問題的解決運用了大數據的思想，派人員到主要的鐵路中心城市統計輪轂裂紋分布及尺寸并監測裂紋擴展情況，2個月后收集到大量數據，對這些數據統計分析并基于斷裂力學理論對輪轂的剩余壽命進行預測，得出低于某一尺寸的裂紋3年內安全不予更換，高于此尺寸的逐漸更換，3年后所有存在明顯裂紋的輪轂更換完畢。實踐證明，該方法有效解決了帶缺陷部件預期壽命內安全管理問題，產生了巨大的經濟效益。

3.結合課外實踐活動及畢業設計，個性化和一體化培養

材料類專業大部分學生參加了大學生創新創業項目，項目中常需要運用計算機進行信息檢索、處理數據、繪制圖表、預測性能，學生可以提前選修相關內容，針對具體問題也可以得到相應指導。一些學生因此對計算機應用產生了濃厚興趣，畢業設計也選擇了相關題目，這種一體化的教學模式使學生有更多的時間運用計算機解決材料中的工程問題，計算機應用能力提高較快。

4.加強民航精神教育

我國目前運行的民用航空器基本從國外引進，用戶手冊及更改通知一般可通過內部網絡獲取，在轉化為工作單時一定要反復求證、準確無誤。例如，1999年12月27日國內某航空公司一架波音747飛機在北京首都機場維修時從客艙中后部天花板冒出濃煙。調查發現工作單誤將“去除”漆層翻譯成了“清潔”漆層，同時漏檢了漏裝墊片的情況，導致了重大民航不安全事件[2]。通過這樣的例子培養學生一絲不茍的工作作風，使學生深刻意識到從事民航工作“細節決定成敗”。

三、運用多種教學模式和手段，培養計算機思維能力和工程創新能力

1.融通線上和線下兩個空間，課堂講授與課下自學相結合

本課程總學時為36學時，課堂上無法深入講授全部內容，同時傳統的以教師為中心的“傳道、授業、解惑”的教學模式也難以激發學生潛能，因此發展新工科需要向以學生為中心的“悟道、求業、生惑”的新境界轉變[3]。教師課堂上講授主要內容，啟發學生思考，將其余內容及課件、作業、重點難點微視頻等發布到學校Bb平臺上供學生課下隨時隨地學習，并通過Bb平臺、微信等與任課教師進行交流。

2.設計教學案例，培養計算思維

2006年，美國卡內基·梅隆大學（CMU）計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）提出了計算思維（Computational Thinking，CT）概念，其本質是抽象（Abstraction）和自動化（Automation）[4]。陳國良院士結合中國大學計算機教育解釋了“計算機思維”，提出“以計算思維為導向”的目標[5]。北京航空航天大學艾明晶等提出大學計算機應定位于以計算思維為核心，以計算機知識為背景，使學生理解典型的計算思維，掌握基于計算技術/計算機的問題求解思路與方法，培養學生應用計算思維和計算工具分析和處理專業領域實際問題的能力[6]。

然而培養學生計算機思維卻很困難，因為計算機涉及的程序執行、系統調用等活動具有非物理特征，無法被感知。通過設計既體現人的思考過程又有計算機思維的典型案例來幫助學生掌握計算思維[7]。如設計了爐墻傳熱工程問題，將該問題抽象為一維穩態傳熱問題，通過建立傳熱學方程直接解方程或編寫計算機程序用數值方法求解，也可建立幾何模型利用有限差分/有限元軟件求解，最后與試驗結果進行對比驗證分析的合理性。通過該問題引導學生通過簡化、轉換、抽象、分解、建模、算法等計算思維方法，將復雜的工程問題轉化為一系列簡單的子問題并構建模型求解，培養學生計算思維能力和創新能力。

3.虛擬仿真和工程實踐結合，培養團隊合作和綜合運用知識能力

材料類學科的核心科學問題是“成分-工藝-組織-性能”間的關系，貫穿于各專業課程中。然而，該科學問題在單一課程中只側重于某一方面，學生很難建立系統概念，更難于將其與工程問題結合起來。民用航空器適航與維修是我校的特色學科方向，開發了相關的虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺材料方向關注民用飛機及發動機結構設計、維修及適航審定中涉及的材料及其力學問題和解決方案。如開發的航空發動機葉片修復這一項目中，涉及的一個重要問題是修復后的葉片如何滿足安全運行要求，即修復后合格與否的判斷依據。要回答此問題，首先要建立所用材料“成分-工藝-組織-性能”特別是力學性能間的關系，這樣就把本課程同《材料力學性能》《材料工程基礎》《航空材料》等內容有機結合起來。

該項目首先通過三維軟件、動畫、視頻等形式使學生了解發動機結構，然后通過操作視頻了解修復方法，再對修復后的典型試件進行了修復工藝-組織-性能相關試驗，獲取斷口、金相試樣、力學性能等信息。學生課下對案例進行分析、建模、求解并與典型試件試驗結果進行對比不斷優化模型，教師通過該平臺針對每個學生遇到的問題答疑并鼓勵其通過查找文獻、團隊合作等方式先自行解決，然后教師進行集中總結及點評。

這種“發散思維+數學建模+科學計算+實驗設計+參數優化+工程實踐+答疑”的教學模式與網絡技術相結合，使教學從課內延伸到課外、以教為主向以學為主轉變，增強了學生自學能力、團隊合作能力和運用專業知識解決復雜工程問題的能力，同時也促進了師生相互了解，為后續成績的科學評定提供了依據。

四、考核方式以結果評價為主向結果過程結合轉變

本課程是一門應用類課程，原有的“平時成績30%（作業、實驗各15%）+期末閉卷考試70%”的方式，使學生平時學習不夠重視、臨考突擊問題嚴重，而且應用計算機解決工程實踐問題的能力很難通過短時間考試評價。改革后成績由占60%的平時成績（作業30%、上機實踐15%、讀書報告15%）、占40%的結課大作業組成，這樣把期末考試壓力分散到日常學習中。結課大作業每人隨機抽取一題，通過查找文獻、建立模型、求解、分析最后得出結論，教師針對大作業內容隨機提出問題然后學生作答。新的考核方式使教師和學生間有更多的互動，能較好地反映學生對課程內容的掌握情況。

通過對該課程的教學改革探索，學生對該課程的重視程度較之前有了較大的提高，反映通過該課程學到了很多知識和分析問題的方法，學生評教分數也較之前有了一定提高。此外，該課程的教學改革也加深了對學生的了解，為提高教學質量指明了方向。

參考文獻：

[1]陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[2]姚紅宇.2006年全國失效分析與安全生產高級研討會論文集[C].北京：中國機械工程學會，2006：61-62.

[3]陸國棟.一流本科是一流大學應有之義[J].中國大學教學，2016（6）：6-8.

[4]Jeannette M.Wing. Computational Thinking [J]. Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[5]陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教學，2011（1）：7-11+32.

[6]艾明晶，李瑩.以計算思維能力培養為核心的大學計算機課程改革[J].計算機教育，2014（5）：5-9.

[7]李瑩.計算思維在計算機課程教學中的貫穿[J].計算機教育，2013（4）：36-39.

（編輯：李曉萍）