交叉學科的OBE教學探究：《計算機在材料科學與工程中的應用》教學設計

李 煜

（深圳大學材料學院 廣東·深圳 518060）

在人工智能、大數據、新材料等技術與產業蓬勃發展的背景下，工程技術人才培養模式亟須轉型為跨學科復合型人才的培養范式。[1]國際工程教育專業認證有助于整合國際工程教育的先進教學理念，推動中國工程教育與國際華盛頓協議相結合。落實到人才培養的根本任務，工程教育專業認證下的教學改革可以為培養素質優良、結構合理、支撐引領的工程技術人才提供重要支撐與途徑。結合當前教育發展形勢和交叉學科課程的稟賦特征，筆者在強調交叉學科課程[2]特色差異化教學的基礎上，探究了如何貫徹OBE理念的“計算機在材料科學中的應用”課程的優化設計。

1 交叉學科存在的問題與教學難點

目前，《計算機在材料科學中的應用課程》因為涉及計算機、軟件、數學算法和材料學科的多維深度交叉，在教學方面存在的客觀難度。

首先，計算機（軟件、算法）在材料科學與工程中應用涵蓋從材料成分、結構設計、合成制備到加工，幾乎與材料學院所有的專業課程有交集。然而在相關的專業課程中缺失相關的反向聯動，造成本門課程的教學相對孤立性。同時廣泛的交叉點形成過于分散的課程體系，不利于形成系統的印象與感知，容易導致學生對課程印象淺薄，收獲感較低。多知識體系框架且相互割裂的局面造成了本課程授課的困難，也對交叉學科課程的矩陣-模塊化應用型教學設置提出了迫切需求。

再次，計算機學科的教學依賴實踐型教學（如上機實驗、實操案例等），在教學資源上對服務器、機房、軟件等硬件資源具有極高的依賴性。從學生的角度，在沒有親自上機操作軟件、建模與提交計算參數、處理計算結果的實戰經驗時，難以理解抽象與復雜的計算機模擬算法。因此從課程平臺建設的角度，需要學校、學院的經費支持與工作站、服務器配置。

2 教學設計與探索

鑒于上述兩大課程特點，交叉學科授課難度大，既需要教學平臺支撐與課程建設，也需要教學團隊的組建并苦練內功，依據課程的理論性與實踐性，分別開設理論課與實驗課，進行課程重點內容模塊化梳理，形成知識矩陣化、強脈絡的教學設計。結合成果導向教育（Outcome based education，以下簡稱“OBE”）的時代背景，遵從以成果為導向、以學生為中心、持續改進的工程教育認證三大核心理念[3-4]。本文將在課程設置與結構方面展開較為系統的論述。

首先，本課程在材料專業課程體系中較為孤立，缺乏專業背景鋪墊，后續缺乏相關專業課程的深化與呼應。如何使得學生建立對該課程內容的接納、理解與深度認知，如何避免在課程結束后被學生迅速淡忘成為匆匆過客，是本課程建設與改革的重大難題。筆者基于課程改革與教學實踐，總結了以下幾個方面的課程改革與設計策略。

作為我國材料專業與國際教育體制接軌的必要環節，《計算機在材料科學與工程中的應用》應當提高課程比重，如開設獨立的實驗課與理論課，通過突出強化實踐性的實驗課，并協同理論課程的交互支撐，有利于實現學生對課程知識的立體印象。應充分考慮課程內容的復雜性，將課程知識點劃分為幾個方陣模塊，由具有相關專業背景與學術背景的教師進行授課。如圖1所示的三個層次有利于材料設計的分類，同時材料多尺度模擬的未來趨勢也是以打通上述三個層次計算的模擬為導向的，而機器學習在其中起到了不可或缺的作用。

圖1：《計算機在材料科學與工程中的應用》課程模塊設置

理論課的課堂教學強調案例教學，以多個具體材料問題的計算模擬案例展開論述，不僅有利于引入具體的應用場景，消化課程理論部分的抽象性，同時可以讓學生培養解決問題的思維方式，并認同計算材料學的作用與價值。在教學實踐中，通過學生課堂上組織、討論建模方案與主要模擬參數的設置，增加學生的實踐環節，避免教師單方面的紙上談兵而學生置身事外的片面教學。理論課程如何增加學生的互動與參與是保證課程質量、提高學生學習投入與效果的關鍵。在學生考核方面，應該設計激勵性與約束性并存的考核方案來鞭策學生（表1）。

表1：課堂考核方式及分數分布

從培養人才的角度，本課程理論課和實驗課的根本目的應當協同致力于培養學生對具體材料問題的模擬解決能力。因此在教學設置上，不能以偏概全的進行理論知識的紙上談兵，更應該注重對計算工具的選擇、應用與結果的分析、利用與評價，能夠判斷模擬結果的可靠性與局限性，能否針對具體問題調整計算模擬的方案與參數。因此在各知識體系不能平行用力，而是針對重點模塊進行大案例探討與計算示范，并結合計算結果進行對比、分析。這里的案例教學要求教師在理論課上充分調用計算軟硬件資源進行模擬示范，彌補純理論課在應用能力上培養的短板。必要的時候，教師可以自帶安裝有建模軟件的筆記本電腦，在課堂上遠程登錄工作站進行教學演示。與之相比，僅通過PPT或者錄制的微視頻播放教學效果往往低于預期。因為該方案過于依賴學生的課前學習[5]，缺乏必要的步驟停頓與學生互動環節，高估了學生的自學能動性與積極性。

在教學中應該以問題為導向，把材料領域的計算模擬工具的選擇權交給學生，在特定的材料問題下由學生思考如何選擇模擬工具與方法。以往的教學中在給定了軟件的前提下講解計算流程與主要參數，難免流于模式化，千篇一律缺乏因地制宜的應用型探究。對學生解決實際問題的能力培養是極度不利的。同樣的，在獲得計算數據后，如何科學利用計算結果進行分析、綜合評價對問題解決的程度與局限性也是以往教學中容易忽略的環節。筆者發現在前期教學中，學生可以建模并提交計算，但是對于結果缺乏判斷力。對于模擬結果的批判性思考（critical thinking）是建立學生基于模擬工具進行材料研究思維的關鍵一環。

3 結語

以上，筆者以《計算機在材料科學與工程中的應用》課程為代表討論了交叉學科新型專業課的教學難點與教學設計，通過理論課與實驗課的交互聯動與重案例、強模塊化的教學方案，提高學術對不同層次的計算模擬工具的清晰認知與應用能力，從而培養出新時代下具有計算機算法、軟件與材料科學交叉學科的新型高科技應用型人才。