面向工程問題采用項目式教學提升課程獲得感

湯富領 李俊琛 盧學峰 薛紅濤 任軍強

[摘 要]計算材料學是一門適用于材料科學與工程學科本科生的新興學科交叉課程，材料計算與設計是其后續的研究生課程。它們知識面廣且具有鮮明的操作實踐性，傳統授課方式不盡如人意。在新行為主義學習理論指導下，面向工程問題，采用分層次項目式教學方法展開教學以提升學生課程獲得感。該文詳述其教學過程。

[關鍵詞]面向工程問題;項目式教學;新行為主義;計算材料學;課程獲得感

[中圖分類號] G434[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）44-0-02[收稿日期] 2020-05-09

計算材料學[1]是材料科學與工程學科的一門新興學科交叉課程，材料計算與設計是其后續的研究生課程，它們以計算機（軟件）為工具學習和研究材料的成分、結構和性能間的相關關系，并逐漸成為材料學科重要的專業課。課程涉及豐富的物理、化學和材料學基礎理論知識，研究方法多元、實驗操作技能應用性強，強調知識與技能的交叉和融合，具有很強的實用性和趣味性。授課時既需要在短時間內把豐富的知識傳授給學生，又要讓學生掌握扎實的操作實踐技能，尤其是要培養學生工程認證理念下解決復雜工程問題的能力;但受課時限制，這些要求很難完成，對傳統授課方式提出了挑戰[2]。

一、傳統授課模式不能適應操作性強的新興交叉學科課程

涉及的課程有兩個特點。“知”的方面的特點是涉及物理、化學、材料學和計算機等多個學科，知識體系量大面廣，要求學生以近現代物理、化學知識為基礎，從已習得的材料學基本理論出發，掌握材料有限元分析、分子動力學、第一性原理計算和Monte-Carlo模擬的基本原理、程序步驟和輸出數據的科學與工程意義。“行”的方面的特點是操作實踐性強。第一個特點是一般新興交叉學科課程所共有的，第二個特點是很多工科專業課所具有的。這門課程的兩個特點使得傳統教學方法很難在較短的課時內（32或48課時）達到教學目的。

面對上述問題，為進一步提升教學效果，提高學生的材料計算實踐能力，同時滿足社會對材料設計人才的需求和學生進一步深造的期望，根據課程上述“知”“行”兩個方面的特征，對近兩屆學生逐步實施項目式教學[3]。按照本學科一以貫之的知行合一的教育理念，我們取用“新行為主義”（Neobehaviorism）學習理論對課程的導向、教學方法和教學內容進行重新思索和建構。

二、新行為主義學習理論背景下的項目式教學

在新行為主義學習理論指導下[4]，項目式教學是這樣展開的：教師采用在研的工程或科研項目，抽取并設置面向工程的真實問題，教師為學生設計學習行為、操作行為及正確標準，引導學生形成自我協調且獨立的工作意識;學生按照教師的要求一步步自主執行，直至學生在材料學領域形成清晰、正確、甚至條件反射地提出問題、分析問題和解決問題的整體思路。學生的知識和技能，不僅是在課堂上通過授課獲得，而且是在真實的操作環境下通過不斷的練習和糾錯得到。教師對學生分組，強調組內和組間的共同學習和協作研究，在組內通過學生自我分工、協作和鼓勵，從而完成學習與實踐任務[2]。

三、面向工程實際問題項目式教學的實踐探索

實施項目式教學，要調配好以下諸教學要素之間的關系：教師（課程組）—課時分配—項目選擇—目標確定—任務分解—學生分組—資源分配—報告撰寫[3]。

1.組建有實踐經驗的教學團隊。面向工程實際問題的項目式教學對授課教師（課程組）提出了更高的要求，不僅要在講授課堂上將知識清晰、完整地傳授給學生，教師自身還需具有很強的科研項目操作能力和實踐性課堂管控能力。

2.選擇在研的實際科研項目。為了激發學生的學習與科研興趣，應選擇時代感較強的科研項目;用于教學的科研項目要大小合適、難度適當，容易對工作任務進行分解。以本案為例，我們選擇的是與中國航天科技集團公司510研究所合作進行的“超高溫抗氧化涂層膜系設計仿真分析與優化”項目（編號：201762001000745），主要探討航天飛機或衛星發動機尾氣過流拉法爾噴管的抗氧化層材料選擇和結構設計。學生看到他們的課程項目能學以致用，非常感興趣，就愿意參與到項目式教學中來。

3.設定面向工程實際的科研問題。該項目內容較多，主要任務有：（1）發動機噴口處的噴氣各成分在2500℃高溫下自身的化學穩定性及與抗氧化涂層的反應性分析;（2）氣流的溫度場、壓力場與速度場;（3）高溫下噴管管壁自身的溫度場和應力場;（4）涂層可能的失效機制：剝蝕與化學反應腐蝕;（5）噴管材料結構優化與設計。在這五個任務中，前三個是易于完成的基礎性任務，比較有趣，由本科生完成。第（4）個工作任務理論性強，第（5）個任務工作量大，由研究生來完成。

4.對工程問題進行細致分解。為了達到新行為主義學習理論“教學環境條件刺激→糾正錯誤行為→形成正確行為”[4]的目的，本科生采用操作多物理場耦合軟件Multiple Physics Comsol來研究上述三項具有實際工程背景的問題。對于每項任務，均有如下步驟：（1）建立合適的幾何模型;（2）選擇深刻反映過程本質的物理模型，抓住事物的主要方面與矛盾;（3）選擇合適的計算精度，太粗無法收斂，太細浪費計算資源。第（1）步需要學生有較好的軟件學習能力和操作能力;第（2）步需要學生有扎實的理論知識基礎。研究生使用第一性原理軟件VASP探討相關物理機制并設計材料，要求與上等同。為提高研究生采用外語學習課程和軟件的能力，采用了英文授課。

5.根據學生特點合理分組。上述各任務因分工不同要求由不同特長的本科生或研究生共同完成。分組時學生可自由組合，也要因材施教、適當調配。每一學習組本科生7—8人、研究生3—5人。學生的分組與分工是教師組織教學的一個重要環節，考驗教師對課程任務的深刻理解和對學生的相當了解，是項目式教學成功與否的一個關鍵因素。

6.提供硬件資源學生自主分配。項目是在科研團隊的服務器上完成的，有的研究任務需要比較長時間的大規模并行計算。我們把兩臺小型工作站四周內的計算時間全部交給學生，讓學生自行協商分配計算資源。

7.完成任務撰寫總結報告。各組在分析問題、建立模型和實施模擬計算的過程中，都會遇到很多知識方面的或技術方面的問題，會犯各種各樣的錯誤，課程組教師要根據新行為主義學習理論的要求及時回答問題，糾正學生的錯誤行為[4]。項目任務是在學生不斷試錯、犯錯的過程中完成的，但這些錯誤相對材料實驗的炒菜法而言，時間和經濟成本極低，這是“計算材料學”和“材料計算與設計”課程開課的意義所在，也是學生克服挫折、困難成功后獲得自信之所在。行為主義學習理論是一個比較傳統的、經典的學習理論，在多半個世紀的發展中不斷得到完善和補充[4]。我們的實踐表明，新行為主義學習理論能夠很好地指導材料計算相關的操作實踐性很強的專業課的項目式教學。

四、項目式教學提升教師的教學成就感和學生的課程獲得感

我們認為面向工程實際問題的項目式教學方法符合計算材料學和材料計算與設計的課程特點，符合學生修讀該課程自主認知與實踐規律，也符合新行為主義學習理論對實踐性學習行為的指導要求。我們在課程中面向工程實際問題的項目式教學探索，將給操作實踐性強的新興交叉學科課程的教學組織帶來新的啟迪。

參考文獻

[1]江建國，繆靈，梁培，等.計算材料學：設計實踐方法[M].北京：高等教育出版社，2010，19-43

[2]湛永，聶娜，黃金芳.計算材料學課程的教學改革與實踐[J].大學教育，2016（8）：155-156.

[3]聶晶晶.采用項目式教學模式提升教學效果—以“商業空間設計”課程為例[J].中國大學教學，2017（8）：73-75.

[4]劉圓圓.斯金納的新行為主義對當今思想政治教育的啟示[J].教學理論，2011（14）：5-20.

[5]謝和平.以課堂教學改革為突破口的一流本科教育川大實踐[J].中國大學教學，2018（12）：17-23.

[6]牟蕾，張軍，萬小朋.發揮在線開放課程效能推動“以學生為中心”的教學模式改革[J].中國大學教學， 2017（6）：54-55.