科研訓練在電動力學和計算化學跨學科協同能力培養中教學過程設計

嚴 冬，田 甜，劉 兵，陳 麗

(長春大學 理學院，吉林長春 130022)

本文說明了一種跨學科協同培養的科研訓練方法，依托于吉林省重點實驗室長春大學材料設計和量子模擬實驗室所提供的計算資源和軟件資源，在相關科研單位的支持下，搭建了一套協同教學的計算機應用平臺，該平臺提供了電動力學和計算化學共存并相互融合的實驗教學內容。給出了協同教學的課程體系建設、教學方法以及教學效能評估方法。本文的結果對面向創新的科研能力培養提供了一個較為成熟的案例。

在現代教學體系中，電動力學和計算化學分屬于物理和化學倆個大的學科分支，彼此之間幾乎是獨立的。但是深入的了解物理和化學的歷史，以及從事物理和化學交叉學科的學者，對于這兩個學科之間的聯系體會是深刻的［1］。電動力學和量子力學可以為化學的分子動力學，結構分析以及分析化學提供理論基礎。而化學為這些理論提供了應用目標。因此，在物理和化學甚至是材料科學之間，建立協同教學方法，不僅可以促進學生學習的積極性和擴大學生的知識范圍，而且對于培養具有跨學科研究的能力有著巨大的促進作用，從而為面向創新性驅動的國家培養更多的人才［2－3］。在物理和化學之間其實早就存在一個很重要的橋梁，就是計算機技術。物理教學過程中計算機的仿真實驗，在很大程度上能夠解決學生對于理論性較強，需要較高的抽象思維能力的學科是一種積極的促進力量。電動力學顯然對學生的抽象能力和理論推導能力有著很高的要求。以往教學過程中，公式的結果的展示是個大問題，平面圖像和靜態圖像，使得電動力學的結果可能變得更加的晦澀難懂。計算科學技術可以使用專業計算軟件，例如描述基礎的電磁場的MaxWell或者描述高頻電磁場和高頻器件設計的HFSS，也可以使用matlab或者mathematics等編程軟件，很容易把三維的或者在思維空間中的圖像展示出來［4］。在我們的教學實踐中，教學效果反饋良好，學生的更容易掌握，很大程度上促進了電動力學的教學。然而在教學過程中，我們還發現一個問題，電動力學這樣的基礎性學科，缺乏應用目標，學生在學習了理論后，并不能深刻理解這些理論的價值，因此學科成就感較差。因此需要為這樣的學科提供引用目標。需要考慮和借鑒化學、信息科學、材料學等其它的學科中成熟的應用案例，來設計電動力學的應用目標，提升學科的價值。

1 跨學科協同科研訓練的課程群建設

本項目所研究的課題是在吉林省重點實驗室長春大學材料設計和量子模擬實驗室現有的計算機環境下進行的，實驗室有高性能服務器兩臺，客戶端129臺。我們在前期課程開發的基礎上，部署了C++、MATLAB和mathmatics以及Python科學計算環境。計算資源豐富，能夠滿足兩個教學班同時進行復雜的計算任務。在此基礎上我們課題組首先選擇了計算化學學科中成熟的計算方法，與吉林大學、青島科技大學的相關單位合作設計了相關的課程體系，選取了集中應用較為廣泛，與電動力學、量子力學結合較為緊密的計算化學方法，例如蒙塔卡羅法、從頭算法、密度泛函法、遺傳算法和蟻群算法，對化學材料中的力學特征、化學特征進行了計算表征。首先考慮了計算化學方向的跨接，主要原因在于幾乎相同的計算平臺，理論基礎，另外計算資源豐富。探索性課題較多，更為貼近物理專業學生的知識水平。當然該平臺不僅僅適合物理專業的本科生 教學，而且也能夠滿足化學、材料類的學生的學習要求。

表1 課程群實驗內容設置(兩線表即可)

課程中的實驗設置，充分考慮了跨專業中的實驗理論的一致性，例如求解電動力學中的麥克斯韋方程，本質上就是求解微分方程組，薛定諤方程的求解也具有類似的微分結構，因此兩者之間的具有內在的銜接關系。經典的蒙塔卡羅方法和量子蒙塔卡洛算法一脈相承，應用的目標不同，兩者之間的差別甚微。

2 跨學科協同科研訓練的教學方法的設計

課程群實驗設計打破了常規的大學課堂教學的方式，以解決實際應用為主要的目標。強調基本算法的重要性，以數值分析算法為基礎，掌握更為復雜的蒙塔卡洛算法、遺傳算法等應用廣泛的算法，以解決實際問題為導向，引導學生自由探索和解決新問題。

盡管我們設置我們設置了基礎實驗，但基礎實驗的目標僅僅是引導學生逐步掌握計算方法。學生能夠設計基本的算法，并能夠靈活應用成熟的計算軟件如HFSS和Gaussion軟件包。從而掌握計算科學在電動力學和化學中的應用能力。但是探索性實驗，實際上是開放性課題。學生需要閱讀相關論文，發現一個新的應用方向。綜合利用以上手段來解決該問題。在教師的帶領和幫助下，逐步實現科研新方向與基礎的分析軟件接軌的能力。講授過程中采用指導老師制度，每個導師指導10名以內的學生。導師負責組織學生對課題的調研和討論。學期末統一采用答辯制度，對學生的學習進行考核。

3 跨學科協同科研訓練的教學過程設計

教學過程中，我們采用邊講授邊回饋，回饋周期以一個學期為評估期，聘請教學和科研有豐富經驗的老師和同行進行答辯和評議。充分采集學生的建議和意見，不斷的修正和豐富教學內容。

4 跨學科協同科研訓練的教學效能分析

教學效能我們采用以下指標進行:(1)學生的滿意度，采用調查問卷的形式對每一屆學生進行統計;(2)追蹤畢業生的畢業情況，特別是考研學生所在單位的評價和學生的自評情況;(3)課程所設計的內容創新性評估，關注本課程的答辯成績和答辯評語。

5 結論

本文我們提出的電動力學和計算化學跨學科協同能力培養教學體系和教學方法，依托吉林省重點實驗室長春大學材料設計和量子模擬實驗室豐富的計算資源和軟件資源。開發了跨學科系統教學的實驗體系，該教學體系尚處于實驗階段，所以無法直接評估它的優劣，但從目前授課情況來看，學生的積極性有了很大的提高。我們也認識到了該教學體系需要在實際教學過程中不斷的完善和改進。但從教學內容和教學方法上，我們提出了跨學科協同教學的方法，并初步建立了教學體系和教學手段，以及教學效能驗證方法。