基于混合式教學法的計算材料學系列課程教改實踐

郁亞娟，郭興明，陳人杰

(北京理工大學材料學院，北京 100081)

1 前 言

面對全球性的新型冠狀病毒肺炎疫情和國際局勢動蕩及挑戰，中國人民切身體會到，唯有緊密團結在黨中央周圍，自力更生，依靠自己的醫療、科技和工業實力，才能實現社會主義現代化強國建設，這也對人才培養提出了更加緊迫的需求。材料科學與工程專業面臨著激烈的國際競爭，迫切需要進行教育教學改革，以達到“具備國際化水平和本土化技術”的人才培養目標。

實驗、理論和計算是現代材料科學研究的三大手段，其中計算模擬方法在未來的材料研究中將顯示出越來越大的應用潛力?？砂延嬎悴牧蠈W(computational materials science)理解為用計算機模擬、預測來做材料科學實驗，其優點是安全、節約、高效[1]。了解和掌握材料計算和模擬的基本知識已成為現代材料研究人員必備的技能之一[2]。計算材料學一系列課程，在北京理工大學材料學院對應的本科課程是《計算材料學》，碩士研究生課程是《新能源材料多尺度模擬與計算》，博士生課程是《能源及環境材料設計計算與建?！?。

新工科(Emerging Engineering Education)的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略性、創新性、系統化、開放式的特征[3]。顯然，計算材料學領域的人才培養符合新工科的培養目標。在我國現有條件下，如何發展和掌握這類科學計算的新技術，對國家的經濟建設有很大的意義[4]。同時，培養計算材料學的相關人才，也有利于促進我國材料工業生產水平，促進效率提升和成本降低[5]。

2011年底，美國提出了材料基因組計劃(Materials Genome Initiative，MGI)，目標是把新材料研發周期減半并降低研發成本，以期增強美國的國際競爭力。我國于同年底在北京召開了主題為“材料科學系統工程”的香山科學會議，會議決定選擇鋰離子電池材料作為代表性示范材料之一，計劃將材料基因工程手段應用于鋰離子電池研發[6]。北京理工大學材料學院的新能源材料方向研究處于國內領先水平，尤其是對鋰離子電池等儲能材料的研發開展較為深入。針對新能源材料開發領域的國家戰略需求，我們開設的計算材料學課程將新能源材料的模擬和計算作為課程教學實踐的重點之一。

2019年，美國能源部宣布，將調整“利用高性能計算促進能源創新”計劃，為美國在能源、計算和工業領域的研發水平領跑全球助力[7]。面對這樣激烈的國際行業競爭，我國材料工業絕不能坐以待斃，應該積極行動，從培養人才入手，在各大高校的新能源材料研究方面積蓄力量。具體到計算材料學課程教學而言，就是要全面加速培養新能源材料模擬計算方面的人才，使我國的新能源材料研發迎頭趕上國際先進水平，進一步立足于世界材料工業競爭之列。

傳統的計算材料學課程，包含大量的理論性概念知識、復雜的數學公式和高階的理論推導。如果采用單純面對面授課方法和傳統課件傳遞形式，很難長久抓住學生的注意力，反而會導致學生在學習過程中感到吃力、學習積極性下降，無法達到預期教學目標[8]，極大限制了學科發展和人才培養。因此，對計算材料學課程的教學內容和教學模式的改革勢在必行。

“混合式教學法”，是具有中國特色的一種教學方法，特指教師經過教學設計，使得學生發生了混合式學習行為[9]。混合式教學將線上的數字化在線教育與線下的課堂教學相結合，強調以學生為中心，充分發揮學生作為學習主體的積極性、主動性、創造性，并借助在線教育資源與信息技術促進課程教學，以達到更加有效的學習效果[10]。在計算材料學系列課程教學中采用混合式教學法，是該課程改革的重要導向，有利于提高學生學習效率，增強學習效果。

2 計算材料學系列課程改革的目標

計算材料學涉及材料、物理、化學、數學以及計算機等學科，相關的基礎理論和算法內容豐富，特別是要求具備量子力學、固體物理及密度泛函理論等相關知識[11]。計算材料學主要包括兩方面內容：一是對現有材料的計算模擬，即從實驗到模型；二是對未來材料進行計算機設計并用實驗來驗證，即從模型到實驗。無論是走哪條路徑，都要求掌握充分的理論和實驗知識，也就是要實現“兩條腿走路”。

計算材料學系列課程改革的目標，就是要培養兼顧材料理論與計算設計兩方面能力的復合型人才，通過人才競爭去爭奪新材料領域各個學科方向的領先地位和知識產權[12]。為了突出計算材料學的培養優勢，我們主要強調在該系列課程教學中重點完成以下兩個教學改革目標：

(1)教學目標

通過在課前、課中和課后進行計算材料學的混合式教學，完成計算材料學有關的理論教學和實踐教學目標。針對能源與環境材料的微結構特征和系統模型，講述相關的材料設計理論、模型構建及評價方法，幫助學生了解能源與環境材料設計計算與建模方面的基礎理論、基本方法和發展前沿，掌握建模的相關方法和軟件工具，并獲得一定的實際運用和操作實踐能力，最后，學生能進行初步的能源及環境材料設計計算與建模的實踐應用。

(2)學科人才培養目標

為高技術所需新材料的研制培養人才，希冀此類人才能夠熟練掌握和應用計算材料學的理論基礎和技術手段，能在未來新型材料與新技術發明方面，發揮前瞻性價值，為我國社會經濟發展和國防建設做出重要貢獻。

3 采用混合式教學法的實踐

3.1 課程模塊設計：傳統模塊、線上模塊、研究性模塊

針對計算材料學系列課程改革的主要課程模塊設計如圖1所示，主要包括3個模塊：一是傳統教學模塊，就是基于傳統的教學樓/教室內的教師-學生面對面的教學形式，這是一種最基本的傳統教學模式，作為教師和學生直接溝通的渠道予以保留；二是線上學習模塊，是通過樂學平臺、雨課堂、企業微信群等各類線上平臺，便于教師和學生分享學習資料、視頻、課件，也便于師生隨時就學習問題進行討論和溝通；三是研究性教學模塊，是基于計算材料學系列課程具有的突出科學研究特色，而新增的一個教學模塊，通過這一模塊，可以幫助學生深入有關計算材料學方向的科研項目(虛擬項目或實際項目)，從科研項目中適應性學習，從而達到鍛煉學生實際工作能力的目標。

圖1 計算材料學系列課程的教學模塊組成設計和功能Fig.1 The design and function of the teaching modules for series of courses on computational materials science

3.2 課程設計：線上線下混合式教學法

混合式教學法是具有中國特色的教學模式。在混合式教學法實施過程中，教師與學生的職責和角色都發生了重大變化，不但強調教師的“傳授知識”功能，而且更加強調學生作為學習主體的角色定位?；旌鲜浇虒W模式中，教師主要作為教學的組織者、課堂的引導者及學習的協助者，幫助學生探究問題、構建知識體系；學生作為學習活動的主要實踐者，在教師的指導下完成課堂任務的學習，反饋學習的體驗。利用學生的反饋信息，教師能夠及時調整具體的教學方法和教學進度，避免出現教師單一灌輸、學生被動接受的消極教學效果。這樣的教學模式，顯然是優于傳統的“填鴨式”教學效果的，但也不是單純的“學生中心”論，而是把教師和學生有機地聯系起來，達到“教學相長”的目標。

混合式教學法強調的是線上線下教學有序地混合，“教師主導、學生主體”是其最重要的形式[13]。我們針對計算材料學系列課程設計了混合式教學模式，其所謂“混合式教學”，主要體現在以下4個方面：第一，線上線下教學方式的混合；第二，傳統教學和翻轉課堂式教學方式的混合；第三，理論教學和科研實踐之間的混合運用；第四，教學課件和虛擬現實(virtual reality，VR)技術等多媒體教學形式的混合。

實際教學中，要求學生在線上預先學習，讓學生預先通過移動學習媒介(例如雨課堂、慕課、樂學平臺等)學習老師提前發布的學習任務、輔助性資料和引導性案例等，促進學生對課程內容具備初步理解，對知識點進行消化和吸收，同時把預習中產生的問題帶來教室，以便有針對性地聽老師講解[14]。各類線上平臺是移動環境下交互教學全新時代的移動教學助手，它們能為混合式教學提供很好的網絡教學平臺[15]。

為了加強學習效果，教師會對預習內容在課堂上做一個小測驗，以便鞏固預習效果。在課程教學過程中，教師會盡量融匯最新的教學設計理念，給出較新的教學設計方案[16]，教學內容包括國際上最新的材料設計方向、最先進的材料計算軟件等。在課堂上還將針對學生學術水平特點，給出幾個大方向的科研任務，鼓勵學生基于教學內容進一步開發科研、創新創業課題，并在課程后期提交一個研究報告，這是延長課程、進行科研實踐教學的良好途徑。通過基于混合式教學法的課程學習，學生可以熟悉計算材料學的有關理論、算法、軟件、算例等，為后續參與新能源材料的模擬和計算研究夯實基礎。

此外，教師還會采用一些新技術來加強教學效果。比如，通過采集圖像、制作動畫、制作VR影像等，來展現材料的立體特征、物化特性等,由此可以提高學生對材料的深刻理解。在部分課程教學過程中，采用了VR技術，如在講述物質的尺度問題時，選用了VR技術來展現從宇宙宏觀到納米甚至更小量級的尺度。在展示材料微觀結構時，VR技術可以讓學生置身其中，感覺好像真地看到了分子結構一樣[17]，這對于激發學生學習興趣起到了很好的作用。

3.3 研究性教學模式

計算材料學也是材料科學研究的熱點領域，適合于進行研究性教學[18]。傳統的材料研制方法以試錯法為主，即利用現有材料相關的理論與知識經驗，通過調整材料成分和制備工藝，對數量巨大的樣品進行制備、表征、測試和檢驗等流程，最終找到滿足需求的材料。

材料基因工程技術將傳統的實驗篩選方法與高通量計算和大數據技術相結合，通過物理模型、數學計算和材料學原理等方法預測材料的組成、結構和性質，使新材料研發從完全經驗型向理論預測型轉變，是材料研發模式的一次革命性突破[19]。美國于2011年啟動材料基因組計劃，中國于2015年啟動國家重點研發計劃材料基因工程專項。

材料模擬和設計是材料基因工程的重要組成部分，其目標是通過理論模擬和計算完成先進材料的“按需設計”并實現數字化制造，包括材料計算軟件研發、材料結構和性能的預測和優化、新材料的分子設計等研究內容[20]。在計算材料學系列課程的教學過程中，引入基于科研的研究性教學模式，通過科研項目把課程關聯起來，引導學生主動學習、參與科研。在鉆研科研項目算例和案例的過程中，學生自主性驅動自我學習過程，同時參與團隊合作，與教師討論問題，通過從科研項目選題到完成的全過程，培養學生的素質、知識和技能。

我國材料基因組計劃的目標是變革材料研發理念和模式，實現新材料研發的“理論預測+實驗驗證”新模式，突破關鍵材料核心技術，為實現“中國制造2025”做出貢獻[21]。因此，計算材料學系列課程改革也應該面向這一目標，加強對新材料的理論計算和模擬、預測功能。

以鋰離子電池無機固體電解質材料的研發為例，其科研目標是提高鋰離子電池的安全性和能量密度。在科研探索中，我們引導學生利用材料基因組的思想將計算、數據庫與實驗結合，提高無機固體電解質材料的研發和優化速度，設計優化目標包括高的電導率、良好的機械性能、對環境以及電池正負極的穩定性等。

我們選擇課題組在材料基因工程方面的最新研究成果作為研究性教學的范例。例如，課題組針對新型缺陷結構的Co0.85Se納米片電極，應用一種基于密度泛函方法的從頭算量子力學程序CASTEP模塊，計算揭示了缺陷作用下的空位傳輸機理和電子能帶結構演化，剖析了電子能帶結構變化對其電子電導率提升的重要影響，并闡明了Na+在缺陷結構中的傳輸能壘降低與局部電子結構變化的對應關系，如圖2所示,為可控缺陷形成及其作用機制的研究提供了重要的理論依據[22]。此范例可為學生提供CASTEP軟件模塊的體驗學習。

此外，課題組針對新設計的聚多巴胺修飾功能隔膜，應用DMol3模塊研究了聚多巴胺材料對于各種多硫化物的捕獲能力；闡明了基于電荷的不對稱分布引起強靜電作用力的“捕硫機制”，提出了含有孤對電子的雜原子強化“捕硫能力”的新概念；結合經典的分子力學動力學模塊Forcite Plus計算證明了強聚合物鏈間相互作用可以有效抑制多硫化物穿梭的內在機制[23]，如圖3所示。此范例可為學生提供DMol3模塊的體驗學習。

總的來說，我國多數學者支持高校圖書館社會化服務，只是在實施上存在差異，認為需要視各高校圖書館的實際情況進行有條件的實施，如果不分高校類型全部實行一刀切，則可能影響高校圖書館服務教學與科研基本職能的正常發揮.

4 課前、課中和課后應用形式

混合式教學模式是中國特色高等教育的一個創新和特色，它并不是徹底地把課堂遷移到網上從而簡化教師工作，更不是“線上”與“線下”的簡單機械相加，而是通過課前導學、線上自主學習、課堂重點難點講解、課后線上線下深度討論等方式，建立以學生為學習主體的“學生自主模式”，培養學生獨立思考、自主學習的能力，從而取得最好的學習效果。針對計算材料學系列課程，基于混合式教學法，設計了課程的課前、課中、課后學習流程，如圖4所示。

第一階段：課前

在課前階段，教師的任務是首先組織教學團隊，完成教學目標和大綱的設計，提交教學內容和教學日歷。隨后，制作視頻課件，將知識點的重點、難點、疑點等，通過文字、圖像、聲音、動畫等多種媒體手段，進行生動、形象、準確地講授。同時，探索網絡教學模式，提高信息傳輸量，強化教學內容的深度與廣度[24]。采用混合式教學法，在課前階段需要教師付出大量的時間進行教學準備，尤其是教學視頻的錄制和后期加工，需要教師和教研組人員盡量根據學生學習需要，做好課程教學資源庫的建設工作，要用豐富的教學資源，吸引學生主動學習、提前學習，以便加強學習效果。

圖2 CoSe和Co0.85Se的晶體結構(a)、總態密度(density of states, DOS)和分態密度(partial density of states, PDOS)譜(b)、電子密度分布(electron density distribution,EDD)圖(c)；在擬定傳輸路徑中單個Na+的遷移能壘和Na+在CoSe和Co0.85Se中沿空位路徑的遷移軌跡(d)[22]Fig.2 Crystal structures (a), DOS and PDOS spectra (b), EDD diagrams (c) of CoSe and Co0.85Se; the calculated migration energy barriers of the single Na+ ions along the described paths and schematic illustration of possible Na+ ion diffusion trajectories in CoSe and Co0.85Se through the vacancy site (d)[22]

第二階段：課中

因為學生已經在線上平臺預習了課程知識，因此到了課中階段，也就是在課堂上，教師不必再重復理論知識點，只需要把學生遇到的問題解答清楚，并根據課堂小測驗的結果，重點強化一下學生們知識掌握的弱點部分即可[25]。教師根據學習反饋的具體情況，可以在課中進行點評與指導，從而幫助學生鞏固知識要點。教師還可以針對當前計算材料學的前沿問題，準備一些拓展知識點和熱點新聞，例如當前國際儲能領域的最新研究進展，與學生分享和討論，加深學生對學科知識的理解與記憶。在課程的后半階段，要求學生參與研究性教學，并進行Seminar匯報。此處Seminar可以理解為“研討會”的意思，學生在教師的指導下，從事開創性課題研究或深入課題學習，教師和學生在課堂上面對面地討論學生的科研報告和研究進展。此時的Seminar應該是比workshop所進行的科普類探討更深層次的研究性討論形式，即在課中，利用后半部分的課堂教學時間，學生根據自己分配到的科研任務，到講臺上分享他們進行的科學研究(包括材料模擬和計算、軟件應用探索等)，且分享形式可多樣化，PPT、視頻、動畫、直接演講均可。

第三階段：課后

圖3 多硫化物與不同隔膜之間的化學作用力和物理吸附量動力學模擬：表面分別吸附與時的碳納米管(carbon nanotubes, CNTs) (a)、羥基化碳納米管(hydroxylated carbon nanotubes, HCNTs) (b)和聚多巴胺(polydopamine, PD) (c)的結構俯視圖，圖中下方為計算得到的相應結合能；聚乙烯(polyethylene, PE)和PD隔膜的自由體積示意圖和硫化物負載量(d)；PE (e)與PD (f)隔膜的硫化物吸附模擬[23]Fig.3 The molecularly chemical binding and physical adsorption of polysulfides on different separators by the dynamic simulation: structure top view of Li2S, LiS, on CNTs (a), HCNTs (b), and PD (c) surfaces, the calculated corresponding binding energy is also shown; schematic diagram for calculating free volume and the average loading of sulfides of PE and PD separators (d); simulation of the sulfides absorption in PE (e) and PD (f) separators[23]

圖4 計算材料學系列課程的教學流程圖Fig.4 The teaching flow chart of series of courses on computational materials science

5 課程考核方式和考核標準

考核的目的是檢驗學生對知識的掌握和能力的提高程度，以便考察教學效果，為將來的教改提供依據。為了更好地評價學生在課程學習、研究性教學過程中的完成效果以及能力增長情況，計算材料學系列課程建立了一種雙向考核模式：一方面是學生評價課程方式，即學生在線提交對課程的評價，提出改進建議，完成自我評價；另一方面是教師評價學生方式，教師在線提交對學生課程作業的評分，完成教師自評。教師對學生的考核結合課堂出勤率、課堂Seminar匯報以及論文報告方面的表現完成情況，其中，課堂出勤率占10%，課堂Seminar匯報占30%，對課堂Seminar匯報的論文總結占60%。

教師評價是整個評價中權重最重的部分，為事后評價。評分系統的建立應努力使結果評價在公正的基礎上更加科學，也能夠為實驗課程及其開放模式的發展提供方向[28]。平時成績由任課教師根據上課出勤、課堂討論發言積極性及課后作業綜合給出。通過課程考核方式的不斷改革，可使學生改進學習方法，全面提高學生能力和素質，激發學生創新思維，使學生理論聯系實踐，解決計算材料學中的實際問題；同時也促使教師不斷總結、探索創新，以考試改革理念為“指揮棒”，進一步改進教學方法，提高教學質量，全面培養學生的綜合能力、實踐能力[29]。

6 結 論

世界范圍內的新能源材料研發競爭激烈，對我國材料科學與工程專業的人才培養提出了更高要求，我國材料界高校和研究院所應加速培養能夠運用計算機和人工智能開發新材料的各類人才[30]。在混合式教學法的實踐嘗試中，我們采用線上線下混合教學、多媒體教學和虛擬現實技術混合等多種教學方式的組合，不僅要求教師向學生傳授知識，還要求學生作為學習主體，以主動參與科學研究作為一種學習形式?；旌鲜浇虒W法可以實現以學生為主體的教學，使學生獨立思考和解決問題的能力得到顯著增強，教學效果得以有效提高，為當今社會培養應用型人才提供保障。采用混合式教學法，結合研究性教學內容，有利于培養學生的自主學習能力，實現人才培養目標；有利于提高教師的專業水平和教學能力；有利于提升材料專業的整體教學質量和辦學水平。