計算機在材料科學中的應用課程改革與應用型人才教學實踐研究

郝玉成，張全爭，林文海，秦廣超

(合肥學院，合肥 230601)

進入21世紀信息技術革命時代，計算機科學與技術已經在日常生產生活的各個方面得到了廣泛應用。隨著人們對新物質、新材料等的迫切需求，使得計算機科學與技術在材料科學領域中的應用日益廣泛。材料科學與工程正在由單一的理論-實驗型基礎研究向與先進理論模擬算法和人工智能(AI)手段交叉融合的方向發展。當前，計算機科學與技術在材料科學學科中主要應用于以下幾個方面：算法優化及高性能的模擬軟件應用于新材料的研發；材料學科相關專業數據處理、分析以及繪圖軟件；高通量計算與人工智能(機器學習)在材料科學中的應用。其中，前兩個方向在各個材料學科的分支領域應用更加廣泛，而高通量計算與人工智能尚處于起步開發階段，這些新的概念和國際研究前沿趨勢需要高校重點關注，未來會成為拓展學生學術視野的主要研究課題。

受益于材料科學領域的計算機軟硬件、數據庫和人工智能技術的飛速發展，擔負培養適應新時代社會的應用型人才和科學研究雙重任務的高校需要認識到計算機在材料科學中的應用課程在專業課中的重要性[1-2]，讓材料學科相關專業的大學生具備了解、理解掌握和應用相關計算機軟件解決具體問題的方式和方法，這是材料類專業的培養目標之一。此外，逐漸培養學生對建模理論和手段的基本認知，了解新材料的模擬算法和高通量材料基因組[3]概念是下一步培養計算材料學研究生的重要途徑。

近年來開設的計算機在材料科學中的應用這一門課程受到很多國內高等院校材化學院的重視，但并未形成整體統一的課程性質和教學內容，大多數高校對于此門專業基礎課的設置偏重于大學科方向，即對計算機常用的基礎軟件的教學培養方式[4]，對計算機在材料科學中的前沿應用與學術價值較少提及，沒有涵蓋國際國內最新的發展現狀和趨勢。本研究立足于合肥學院能源材料與化工學院開設的計算機在材料科學中的應用這門課程的教學內容與教學形式進行重點研究與探索實踐。

1 計算機在材料科學中的應用課程特點

該課程是一門新課程，基于計算機和材料科學等多個專業交叉融合而成，目標是使學生能夠利用計算機技術解決材料科學領域的主要問題，從而提高學生利用新技術解決專業問題的綜合能力。這門課程的實踐操作性很強，學生需要通過不斷實踐練習才能做到基本掌握相關計算機軟件的操作和使用。課程內容編排和設置非常靈活，具體專業可根據自身特點進行調整[5]。本研究實踐教學重點是以無機非金屬材料工程專業為例進行的，包括辦公軟件Office、數據處理畫圖軟件Origin、分子結構設計及畫圖軟件Diamond、XRD數據分析處理軟件Jade和Match、圖像圖形編輯軟件Photoshop、文獻管理軟件EndNote等。這些內容在其他材料類專業相關學科的課程中都具有重要意義，具有廣泛的實用性，可以在其他相關課程的傳統理論教學中穿插使用計算機在材料科學中的應用這門課程的知識，形成交叉整合，以提高教學質量和效果。

傳統教學模式課程與當今較為流行的網絡課程交叉整合已成為趨勢，基本方法如下：在構建網絡課程的過程中，可以將使用計算機在材料科學中的應用這門課程的相關軟件處理其他課程例題的視頻錄制下來，在具體例題處理過程中給學生講解軟件的功能、操作和應用。在其他相關的一些課程學習過程中，要求學生使用所學軟件進行數據分析、處理以及圖譜的繪制和輸出，明確數據處理規范和繪圖的基本要求，具體建設方法以廣泛使用的Origin軟件為例說明。Origin軟件被廣泛應用于實驗設計、材料合成及測試實驗的數據處理與分析，根據數據自身的特征，采用Origin軟件繪制輸出的圖譜是學術論文或研究報告中表述實證的最重要方式之一，在課程內容設置上所占比例較大，像物理化學、無機化學、分析化學及有機合成實驗等課程內容中會選擇比較有代表性的實驗數據作為案例，可以將使用Origin軟件進行實驗數據處理的教學視頻錄制下來，視頻內容的難度形成由易到難，由淺入深的難度梯度，然后模擬論文中繪制的標準圖譜。此方法以問題為導向，以論文撰寫為抓手，促進學生學習，高質量完成教學任務。

2 課程教學過程中存在的問題

計算機技術的應用促進了材料科學的飛速發展，也逐漸為了生物、化學、材料等相關學科的教學提供了有力工具。計算機具有強大的分析和處理數據功能，在新物質的設計與合成、性能表征、性能測試與分析、應用研究與開發等領域被廣泛應用，但材料科學的教學過程還是以傳統教學方式為主，重理論輕實踐，忽略了計算機數據處理工具的重要性，學生感覺課程非常抽象，難以理解。PPT教學手段的使用在課程中起到了部分模像直觀的作用，但這種形式受限于課堂講授，鍛煉的是教師的綜合能力，沒有發揮以學生為中心的突出優勢，學生學習了計算機的理論知識，而應用計算機的實踐性沒有得到充分體現。如果以培養應用型人才為目標，就要針對性地鍛煉學生去發現問題，通過思考分析問題，進而采用有效的工具將問題解決。

3 基于應用型人才培養的教學過程改革措施

將信息化技術手段充分運用到計算機技術在材料科學中的應用這門課程的教與學各個環節。將傳統的教師講授型改革為“教師簡單講授+示范-學生學習反饋+操作型”，轉變教學思路，將傳統的以教師講授為中心變為以學生學習為中心，通過適當改變教學方法不斷激發學生內在的學習興趣，讓學生以興趣為出發點，充分發揮學生自主學習的主觀能動性，使教與學的效率得到實質提升。

課前。要求學生充分預習本節課要學習的內容，提出自己的問題和對相應計算機操作軟件的認知及自己的看法，提前讓學生自主分析對應課程內容相應的重難點，這樣在進行課上學習時更加具有針對性，能夠提高課上學習效率。

課中。對基礎知識要做到詳細講解，讓學生做到基本掌握，有針對性地調動學生使用計算機工具的主觀能動性，有意識地培養學生善于動腦思考解決問題的基本能力。要以科研論文寫作為抓手，在平時講解分析測試數據時，先講解基本原理，然后引入具體數據生成的操作要領，逐步培養學生使用計算機工具的良好習慣和主觀思想?？梢园阎腔塾嬎銠C實驗室作為教學場地，合理設計教學過程，通過操作演示及學生實戰反饋的形式進行實時互動，并充分利用翻轉課堂打造以學生為中心的學習過程。

課后。要求學生對本節課所學到的計算機分析軟件知識對特定數據進行獨立分析作圖，以鞏固所學到的新工具操作流程。要對考核過程做出改革，嘗試采用多種方式考核制，即“考勤+課上操作實例+課下作業完成情況+期末考試實操試題”。利用多元化的考核機制能夠激發學生學習的自主能力，使學生更注重學習過程本身，回歸教與學的本真。

以合肥學院為例，應用型人才培養是學校辦學主要定位之一，課程的學習要緊跟當前國際國內前沿，將教學環節按時間分配比例設置為理論部分和實踐部分，理論和實踐相結合，使學生充分認識到該課程在材料學領域應用的廣泛性，初步掌握計算機工具在材料科研領域應用的基本原理，通過消化吸收內化為自己對知識運用的方法和能力。

以合肥學院能源材料與化工學院無機非金屬材料工程專業為研究對象，要求學生基本理解并初步掌握Office、Origin、CrystalMaker、Photoshop、Match2.0、Mercury及EndNote等材料分析軟件與文獻文檔管理軟件在材料科學中的應用。所采用的具體數據均來自學生課下參與教師科研課題實驗得來的真實數據，讓學生通過課程學習進行實踐中的數據分析，全流程增加學生的參與感、獲得感及成就感，為無機非金屬材料工程專業的學生今后走上研究生學術生涯或大學畢業走向相關工作崗位打下堅實的專業基礎。

合肥學院具有智慧計算機實驗室，可充分利用其軟硬件平臺優勢。教師可以采用云主機對客戶端學生機進行實時操控，學生機可以接收到教師機上軟件的操作演示。學生端計算機上安裝有與教學相應的軟件，當學生們學習完教師的操作演示之后，可直接在本機上進行相應的操作實驗練習，從而提高學生發現問題、主動使用計算機工具分析問題和解決問題的能力，教師要在操作過程中對學生加以指導。

4 解決的問題及具體效果

(1)與時俱進，逐步完善傳統教學模式，充分利用當下先進的信息化技術手段深入到課堂教與學過程的各個環節，提高教與學的效率效果，讓學生學得開心，教師教得舒心；(2)適當超前化教學，激發學生的好奇心和學習興趣。例如，教師將自己的研究成果(科研論文、專利或產品)呈現給學生，簡單講述完成一篇學術論文所需的各個環節，并重點強調數據收集及分析環節；(3)執行嚴格的課程考核制度，激發學生內在學習動力的同時輔以嚴格的課程考核紀律要求，考核采用考勤+課上操作實例+課下作業+期末考試的形式，對學生學習成績進行綜合考評，避免期末前進行突擊性學習；(4)興趣是學生學習的源動力，要積極培養學生學習興趣，提高學生出勤率。通過內驅力的指引，學生學習效率將大大提高，課堂表現會更加活躍。同時，要充分利用現有的通信工具和手段，如建立微信(QQ)學習交流群，依托群平臺形成實時反饋，師生同學之間可以進行實時交流或答疑，群策群力，激發同學之間、師生之間的互動和交流，使微信(QQ)群成為實實在在的學習交流群；(5)教師通過使用現代化的信息手段不斷改革創新并學習新知識，使得理論教學與操作實踐的結合更加緊密，進而提高教學質量，實現了教與學的良性互動；(6)通過改革考核的方式方法，學生在課程學習結束后，最終綜合成績均有了一定程度的提高，其中50%以上的學生在綜合應用能力測試方面達到80分或80分以上，實質性降低了綜合測評的不及格率，從根本上提高學生的學習能力、創新能力及應用知識的綜合能力，使學生在綜合素質方面獲得全方位提升。

5 結語

材料科學作為我國新時代三大戰略性學科之一，一直是備受關注的焦點。計算機在材料科學中的應用為各大高校材化學院的學生提供了一個典型的學科交叉和學習應用型課程的機會，提高了學生們在材料學科學習中的熱情和興趣，理論與實踐相結合的課程屬性也使得學生們體會到了學以致用的樂趣和意義。計算機在材料科學中的應用這門課程通過改革創新打造了計算機科學和材料科學學科深度交叉融合同步發展的新局面。