淺談“卓越計劃”背景下計算機在材料科學中的應用課程教學改革

歐平 齊亮 鄧同生 王和斌 張迎暉

摘 要：根據“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）的人才培養要求，本文針對當前計算機在材料科學中的應用課程教學中存在的問題，從教材建設、教學方法、實踐教學以及教師培訓等方面探討了具體的教學改革思路，以期能夠不斷提高該課程的教學效果。

關鍵詞：卓越計劃；計算機；材料科學；教學改革

計算機技術已成為現代材料科學研究中必不可少的有力工具，對推動材料科學的發展產生了深遠的影響。計算機在材料科學中的應用是材料類本科生的一門重要的專業課程，對學生后續學習其他專業課程、進行畢業設計或論文以及未來的就業或深造都能提供必要的幫助。因此，在國家“卓越計劃”背景下針對該課程當前教學中存在的問題進行改革，將會對實現“卓越計劃”旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才的目標具有重要意義。

一、 計算機在材料科學中的應用課程教學當前存在的問題

（一） 課程教材內容建設不足

我校計算機在材料科學中的應用課程總共為32學時，其中課堂教學18學時，上機實驗14學時。該課程屬于專業技術課，側重于在材料科學理論的基礎上如何應用計算機來解決實際的材料科學問題，要求做到材料科學理論與計算機專業軟件之間的有機結合。由于課程屬于交叉學科的范疇，涉及的專業領域廣泛以及需要講述的專業軟件較多，因此編寫一本恰當的教材將會對學生能較好地學習該課程具有非常重要的作用。然而，目前該課程的大部分教材有些過于注重介紹計算機和抽象的數學理論，而且也沒能很好地把材料科學、數學以及計算機等多學科的專業知識融合起來，偏離了計算機在材料科學中的“應用”這條主線。這就造成了許多學生在學習課程內容時，感覺一會是在學習數學知識，一會又是在學習材料科學知識，再另一會又是在學習計算機和軟件知識，從而不能很好體會到材料科學理論與計算機專業軟件之間有機結合的精髓。此外，該課程的大部分教材也沒有配套相應的上機實驗指導教材，教師在有限的上機實驗課時間內往往都是簡單介紹一下相關專業軟件的應用后出幾道題讓學生自行摸索練習。但是，許多專業軟件功能豐富、操作復雜，沒有相應的上機實驗指導教材會讓學生學習起來感到很費勁和迷茫，容易喪失學習的積極性，同時也不利于學生課后對軟件進行自主學習。

（二） 教學方法單一

計算機在材料科學中的應用是應用性和實踐性很強的一門課程，需要培養學生獨立的思考和動手能力才能真正地理解和掌握材料科學理論與計算機專業軟件之間的內在聯系。然而，當前的教學模式主要是以教師在講臺上講解為主，教師根據教材內容利用傳統的多媒體教學方式對學生進行“填鴨式”教學，忽略了學生在教學中的主體地位，使得學生只能被動地成為接受知識的機器。這種教學模式沒能體現本課程應用性和實踐性強的特點，而把大量抽象的基礎理論和計算機軟件操作知識一味地對學生進行灌輸，這樣會容易讓學生感到枯燥乏味，從而喪失對課程學習的好奇心和興趣。此外，“填鴨式”的教學模式還會造成學生只知道跟著教師走，缺乏問題意識，不利于培養學生的獨立思考和創新能力，這將不能很好適應材料科學研究和工程實踐的需要，不利于實現“卓越計劃”的人才培養目標。

（三） 專業軟件資源不完備

目前，許多學校的機房雖然有足夠的計算機供學生進行上機實驗，但是卻缺乏相應正版的大型專業軟件安裝資源。這種現狀的原因主要是由于許多材料類專業軟件如有限元軟件ANSYS、熱力學計算軟件Thermo-calc等價格高昂，在經費有限的情況下，使得學校難以承擔其昂貴的購買費用來滿足大規模的上機實驗教學需求。因而在上機實驗教學中，部分專業軟件只能使用試用的或者教學的版本，當中有許多重要的軟件功能不能實現，極大地影響了教師的軟件講解和學生上機實驗的教學效果。而且，專業軟件資源的制約也不利于鼓勵學生在課后根據自己的興趣來結合一些專業實踐問題到機房來利用軟件進行探索，以不斷提高對軟件的應用水平。

二、 計算機在材料科學中的應用課程教學改革方案

（一） 加強課程教材內容建設

首先，學校在編寫課程教材時，應緊抓計算機在材料科學中的“應用”這條主線，立足于培養學生利用計算機來解決材料科學實際問題的能力以及創新能力。從方法論的角度出發，在介紹必要的計算機和數學等基礎理論知識之上，應加強與材料科學研究中的典型案例相結合，把材料科學、數學以及計算機等專業知識融合起來，堅持“內容精煉，思路清晰”的原則，淘汰現有教材中知識陳舊的部分，注重對計算機專業軟件在材料科學領域應用的介紹。其次，由于材料類專業具體又可以細分為金屬材料工程、材料成型及控制工程以及無機非金屬材料工程等專業，不同專業甚至在不同學校的同一專業之間對該課程教學的側重點都可能會有所不同，因此要根據各自的專業特點有針對性的編寫教材。最后，編寫與理論教學相配套的上機實驗指導教材，內容應側重于計算機專業軟件功能和操作的說明以及典型的上機練習案例，作為學生上機實驗操作和課后自主上機學習的指導教材。

（二） 優化課程教學方法

在教學中應運用啟發式、問題式以及討論式等多種教學方法，將以學生為主體的教學理念貫穿于整個教學過程當中，加強教師與學生之間的交流互動，克服在傳統的“填鴨式”教學模式中學生只能被動接受知識的弊端。如在課堂教學過程要加強對材料科學研究與工程實踐中典型案例的運用，把抽象、難懂的理論知識與計算機專業軟件有機結合起來，以典型案例為載體，在教師的引導下適時啟發學生、向學生提出問題以及組織學生進行課堂討論，從而激發學生的學習興趣，讓學生學習由被動變為主動，真正成為課堂的主體，從而提升課程的教學效果。此外，該課程教學內容繁多且課堂教學學時相對有限，學生在學習過程中必然會遇到各種各樣的問題，因而可以建立本課程的微信答疑討論群，增強課后教師與學生以及學生與學生之間的交流互動，把課程的課堂教學延伸到課堂之外，鼓勵學生利用網絡等資源進一步學習和了解相關的研究前沿和計算機專業軟件知識，不斷拓寬視野和提升自主學習的積極性。

（三） 努力拓展實踐教學

根據計算機在材料科學中的應用課程應用性和實踐性強的特點，只有努力拓展該課程的實踐教學才能提高學生的計算機專業軟件應用能力和創新意識。因此，學校有關部門應有計劃的加大對學校機房教學條件的投入，逐步改善某些專業軟件資源缺乏的問題，為學生創造一個完備的上機實驗條件。針對上機實驗時間有限的問題，應開放學校機房的上機時間，讓感興趣的學生課后也能夠利用機房進行上機練習。此外，可以鼓勵和支持學生課后加入各類科研課題組充當助手，利用各個課題組的實驗條件參與到科研實際中來，達到以科研促進教學發展的目的。同時，教師在課程的成績評定方式上應注重對學生上機實踐完成情況（包括課堂上機實驗和課后的實踐）的考核，這樣就可以督促學生認真對待上機實踐鍛煉，不斷提高分析和解決材料科學相關領域實際問題的能力。

（四） 制訂教師業務能力培訓計劃

計算機在材料科學中的應用課程所涉及的專業領域廣泛以及需要講述的專業軟件較多，要做好該課程的教學工作，就要求教師必須具有深厚且寬廣的基礎理論功底和較強的專業軟件應用能力。尤其是該課程需要講述的專業軟件較多，雖然許多教師本身在碩博求學階段掌握了較為扎實的專業理論基礎，然而由于個人的研究方向所限，很難對各類專業軟件都能做到樣樣精通。因此，學校要制訂相應的教師業務能力培訓計劃，大力開展教師教學能力培訓，舉辦各類跨學科跨專業的交流學習，鼓勵和支持教師參加各類校內外的學術交流和軟件培訓活動。如鼓勵和支持教師參加全國材料熱力學與動力學研討會對提升教師Thermo-calc軟件的應用能力大有幫助等等。同時，還要加強教師職業道德建設，努力培養一支業務能力強和愛崗敬業的教師隊伍。

總體而言，為了適應國家“卓越計劃”的人才培養要求，就必須對計算機在材料科學中的應用課程的教學內容和方法等方面進行改革，把教與學有機統一起來，突出學生在教學中的主體地位，激發學生的學習動力和興趣，以不斷提高本課程的教學效果，從而有利于培養符合“卓越計劃”要求的高素質人才。

參考文獻：

[1]劉欣梅，劉雪暖，丁傳芹等.“卓越工程師教育培養計劃”的實施[J].石油教育，2011（5）：68-70.

作者簡介：

歐平，齊亮，鄧同生，王和斌，張迎暉，江西省贛州市，江西理工大學材料科學與工程學院。