材料基因組計劃背景下的“材料計算與模擬”教學探索

徐京城

摘 要：在材料基因組計劃的大背景下，對“材料計算與模擬”課程進行教學改革是符合學科發(fā)展趨勢的必然舉措。本文以開展多年的“材料計算與模擬”課程教學實踐為例，針對學科大背景下的計算模擬實踐類課程教學特點進行探討，提出了一套實踐與理論相結(jié)合、偏重實踐教學的教學方式。

關(guān)鍵詞：材料基因組；“材料計算與模擬”；教學探索

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

本文旨在通過總結(jié)教學實踐中出現(xiàn)的問題與經(jīng)驗，尋找不足，探索一套計算材料學理論和實踐相結(jié)合的有效教學模式。探索理論與實踐的有效結(jié)合，是計算材料學教學的必備，也是材料基因組計劃的背景需要。

一、“材料計算與模擬”課程特點

“材料計算與模擬”是面向材料科學與工程專業(yè)本科三年級學生開設(shè)的專業(yè)課程，教學內(nèi)容主要包括計算材料學的基本概念和尺度分類、常用材料結(jié)構(gòu)建模方法、分子動力學方法理論和實踐、密度泛函理論和實踐、蒙特·卡羅方法等。

具體來說，該課程具有以下特點。

（1）多學科交叉：該課程涉及的理論基礎(chǔ)知識融合材料學、物理、化學、統(tǒng)計學等學科知識，還包括生物、電子、機械等方面的知識。

（2）課程培養(yǎng)目標明確：該課程是在材料基因組計劃大背景下開設(shè)的，旨在培養(yǎng)具有材料基因組計劃視野、具備一定材料計算設(shè)計實踐能力的卓越工程師。

（3）實踐與理論相結(jié)合：類似課程均采用理論與實踐教學相結(jié)合的教學方式，但該課程更加偏向于實踐教學部分，在實踐教學中穿插講解基本理論知識。

（4） 課程覆蓋面廣：課程內(nèi)容涉及經(jīng)典分子動力學方法、密度泛函理論、蒙特·卡羅方法等多尺度計算模擬方法，可應用于納米材料、金屬材料、高分子材料、半導體材料等諸多領(lǐng)域。

二、實踐與理論相結(jié)合的教學方式

長期以來，涉及計算機應用的課程均采用理論與實踐相結(jié)合的教學方式，通常的做法是先講授基礎(chǔ)理論知識，然后再進行上機實踐練習，以理論教學為主，以實踐練習為輔。此教學方式的不足之處在于現(xiàn)有材料計算模擬軟件實際應用操作與其內(nèi)在基礎(chǔ)理論知識有一定程度的脫節(jié)，更像是“黑匣子”，學生在實踐過程中難以運用理論知識解決實際問題。該課程在教學過程中，更側(cè)重于實踐教學環(huán)節(jié)，同時引入慕課等新的教學模式作為補充。

（1） 以實踐教學為主，以理論教學為輔。該課程目標在于培養(yǎng)學生的材料計算模擬實踐動手能力，因此在教學內(nèi)容的安排上側(cè)重于上機實踐課程。通過簡單案例的演示及實踐操作，使學生對材料計算模擬過程有一個大致了解，針對實踐過程中各個操作部分涉及的基本原理知識進行講解，并對整個知識點進行串聯(lián)梳理。學生對整個計算過程熟悉后，教師再不斷增大案例難度和理論深度。整個教學過程的重點在于讓學生熟練掌握現(xiàn)有材料計算模擬軟件平臺的使用方法，理解操作背后的基本原理。

（2）不斷更新豐富教學實踐案例。目前“材料計算與模擬”領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論基本已經(jīng)定型，應用分子動力學、密度泛函理論等基本理論的實踐案例也有很多。本課程的實踐教學不再以固定案例作為教材，而是根據(jù)最新材料對計算文獻不斷地進行更新，保證實踐教學案例的先進性和實用性，同時補充當前材料基因組計劃涉及的知識點，做到實踐教學的與時俱進。

（3） 引入慕課作為課堂教學的補充。在材料計算與模擬教學過程中，不同學生的理解力不同。慕課的引入可使學生根據(jù)各自的學習程度進行課后學習，便于學生掌握理論知識點和實踐操作。

總之，在材料基因組計劃的教學背景下，培養(yǎng)和強化學生在材料計算與模擬方面的實踐動手能力是大勢所趨。調(diào)整理論和實踐教學內(nèi)容比例，不斷豐富實踐案例，引入慕課等新教學模式，都有利于提高“材料計算與模擬”課程的教學質(zhì)量。在材料基因組大背景下，“材料計算與模擬”課程的教學改革仍處于探索階段，需要長時間不斷加以改進，積累經(jīng)驗。但我們相信，堅持以人為本，將實踐應用作為最終目標，堅持改進教學環(huán)節(jié)中的每個細節(jié)，提升“材料計算與模擬”課程的教學效果。

參考文獻：

[1]趙繼成.材料基因組計劃簡介[J]. 自然雜志，2014，36（2）：89-104.

[2]孫英雋.慕課背景下高校教學模式的新問題探討[J].上海理工大學學報（社會科學版），2015，37（3）： 260-264.