新工科背景下《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程教學(xué)改革探索

張國尚 馮日寶 紀(jì)朝輝

摘 要：隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、新材料等為代表的新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的到來，迫切需要對傳統(tǒng)工科進(jìn)行升級改造和工程創(chuàng)新。在新工科建設(shè)的背景下，文章從教學(xué)內(nèi)容更新優(yōu)化、融通線上線下兩個(gè)空間并密切聯(lián)系工程實(shí)踐、結(jié)果過程相結(jié)合考核方式等方面，對《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程進(jìn)行改革，通過利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建以學(xué)生為中心的面向工程實(shí)踐的教育生態(tài)，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新工科；計(jì)算機(jī)應(yīng)用；材料科學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1673-8454（2018）24-0063-03

一、引言

以人工智能、大數(shù)據(jù)、新材料為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命正在世界范圍內(nèi)加速進(jìn)行，各國在新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競爭日益加劇，我國因此推出了創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略部署。新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求工程技術(shù)人才具有更高的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)能力和跨業(yè)界知識整合能力。《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》是計(jì)算機(jī)和材料兩個(gè)學(xué)科交叉形成的課程。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展以及新材料的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有傳統(tǒng)教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容老化、師生互動較少、考核方式不能很好反映學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決材料領(lǐng)域工程問題能力等問題日益突出。

學(xué)校材料類畢業(yè)生絕大多數(shù)從事與民航機(jī)務(wù)維修相關(guān)的工作，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)及復(fù)合材料為代表的新材料在民航中的應(yīng)用，面向未來民航技術(shù)發(fā)展的人才培養(yǎng)亟需改革。本課程在“打破學(xué)科壁壘、越過專業(yè)藩籬、打通本研隔斷、消除校企隔閡、喚醒師生淡漠”的新工科教學(xué)理念指引下[1]，通過互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建以學(xué)生為中心的面向工程實(shí)踐的教育生態(tài)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式進(jìn)行了改革探索，培養(yǎng)了一批為民航強(qiáng)國建設(shè)所需的具有創(chuàng)新思維工程能力、良好的質(zhì)量意識和團(tuán)隊(duì)精神的復(fù)合型人才。

二、結(jié)合專業(yè)課程體系和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合

1.計(jì)算機(jī)類課程整合

2012版及之前的專業(yè)教學(xué)體系中，計(jì)算機(jī)類課程包括《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》《VB語言程序設(shè)計(jì)》《材料應(yīng)用軟件實(shí)習(xí)》《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》和《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程設(shè)計(jì)》。《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》和《VB語言程序設(shè)計(jì)》為全校公共課，講述有關(guān)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識和程序設(shè)計(jì)?！恫牧蠎?yīng)用軟件實(shí)習(xí)》為實(shí)踐課，要求掌握Photoshop、Origin軟件在圖形圖像方面的應(yīng)用?！队?jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》講述計(jì)算機(jī)在文獻(xiàn)檢索、數(shù)值計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、材料制造等方面的應(yīng)用?！队?jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程設(shè)計(jì)》只有一個(gè)利用有限元軟件進(jìn)行工程分析的模塊。隨著當(dāng)代學(xué)生計(jì)算機(jī)水平的提高，《材料應(yīng)用軟件實(shí)習(xí)》已沒必要單獨(dú)作為一門課程開設(shè)，其內(nèi)容連同大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、3D打印等新技術(shù)在《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程中講述。相應(yīng)的《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為計(jì)算機(jī)文獻(xiàn)檢索與文獻(xiàn)管理、數(shù)學(xué)建模與計(jì)算機(jī)求解、計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)（分子動力學(xué)、正交設(shè)計(jì)）、計(jì)算機(jī)輔助制造與工程分析（計(jì)算機(jī)控制、3D打印、有限元、有限差分）、大數(shù)據(jù)與人工智能、計(jì)算機(jī)繪圖與圖像處理（Catia、Origin、Matlab、Photoshop、Image J）六個(gè)模塊。此外，《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程設(shè)計(jì)》更名為《計(jì)算機(jī)輔助材料課程設(shè)計(jì)》，內(nèi)容由原來的單一有限元模塊擴(kuò)充為第一性原理材料設(shè)計(jì)、3D打印、零部件結(jié)構(gòu)有限元分析、介觀材料設(shè)計(jì)與模擬、分子動力學(xué)材料設(shè)計(jì)與模擬五個(gè)模塊，學(xué)生選做其中的一個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)踐及考核，學(xué)時(shí)由原來的40學(xué)時(shí)調(diào)整為60學(xué)時(shí)。

2.廣度與深度結(jié)合，密切聯(lián)系工程實(shí)際

原來的材料庫數(shù)據(jù)庫與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)章節(jié)擴(kuò)充為大數(shù)據(jù)與人工智能模塊，引入材料基因組計(jì)劃、大數(shù)據(jù)、人工智能等概念，啟發(fā)學(xué)生思考可以借助于材料基因組計(jì)劃積累的大數(shù)據(jù)運(yùn)用人工智能來開發(fā)新材料，以及結(jié)合天氣情況、航班信息等大數(shù)據(jù)基于人工智能預(yù)測航班延誤情況。

有關(guān)大數(shù)據(jù)思想在材料中應(yīng)用的工程案例中，列舉了我國加入WTO初期由于鐵路貨運(yùn)超載引起的輪轂裂紋管理例子。當(dāng)時(shí)我國由于入世后經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展導(dǎo)致鐵路運(yùn)輸能力嚴(yán)重不足，若不超載運(yùn)輸大量企業(yè)將無法正常生產(chǎn)，而超載后火車輪轂出現(xiàn)了大量裂紋對安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重危脅。當(dāng)時(shí)國內(nèi)外輪轂產(chǎn)能都無法在3年內(nèi)換掉產(chǎn)生明顯裂紋的輪轂，3年后由于新建鐵路線路的投產(chǎn)超載問題將得以緩解，同時(shí)輪轂產(chǎn)能的提高將可以換掉存在問題的輪轂。因此，關(guān)鍵問題是在超載情況下如何保證帶裂紋輪轂3年內(nèi)不發(fā)生安全問題。該問題的解決運(yùn)用了大數(shù)據(jù)的思想，派人員到主要的鐵路中心城市統(tǒng)計(jì)輪轂裂紋分布及尺寸并監(jiān)測裂紋擴(kuò)展情況，2個(gè)月后收集到大量數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析并基于斷裂力學(xué)理論對輪轂的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，得出低于某一尺寸的裂紋3年內(nèi)安全不予更換，高于此尺寸的逐漸更換，3年后所有存在明顯裂紋的輪轂更換完畢。實(shí)踐證明，該方法有效解決了帶缺陷部件預(yù)期壽命內(nèi)安全管理問題，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.結(jié)合課外實(shí)踐活動及畢業(yè)設(shè)計(jì)，個(gè)性化和一體化培養(yǎng)

材料類專業(yè)大部分學(xué)生參加了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目中常需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息檢索、處理數(shù)據(jù)、繪制圖表、預(yù)測性能，學(xué)生可以提前選修相關(guān)內(nèi)容，針對具體問題也可以得到相應(yīng)指導(dǎo)。一些學(xué)生因此對計(jì)算機(jī)應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚興趣，畢業(yè)設(shè)計(jì)也選擇了相關(guān)題目，這種一體化的教學(xué)模式使學(xué)生有更多的時(shí)間運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決材料中的工程問題，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力提高較快。

4.加強(qiáng)民航精神教育

我國目前運(yùn)行的民用航空器基本從國外引進(jìn)，用戶手冊及更改通知一般可通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)獲取，在轉(zhuǎn)化為工作單時(shí)一定要反復(fù)求證、準(zhǔn)確無誤。例如，1999年12月27日國內(nèi)某航空公司一架波音747飛機(jī)在北京首都機(jī)場維修時(shí)從客艙中后部天花板冒出濃煙。調(diào)查發(fā)現(xiàn)工作單誤將“去除”漆層翻譯成了“清潔”漆層，同時(shí)漏檢了漏裝墊片的情況，導(dǎo)致了重大民航不安全事件[2]。通過這樣的例子培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的工作作風(fēng)，使學(xué)生深刻意識到從事民航工作“細(xì)節(jié)決定成敗”。

三、運(yùn)用多種教學(xué)模式和手段，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)思維能力和工程創(chuàng)新能力

1.融通線上和線下兩個(gè)空間，課堂講授與課下自學(xué)相結(jié)合

本課程總學(xué)時(shí)為36學(xué)時(shí)，課堂上無法深入講授全部內(nèi)容，同時(shí)傳統(tǒng)的以教師為中心的“傳道、授業(yè)、解惑”的教學(xué)模式也難以激發(fā)學(xué)生潛能，因此發(fā)展新工科需要向以學(xué)生為中心的“悟道、求業(yè)、生惑”的新境界轉(zhuǎn)變[3]。教師課堂上講授主要內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生思考，將其余內(nèi)容及課件、作業(yè)、重點(diǎn)難點(diǎn)微視頻等發(fā)布到學(xué)校Bb平臺上供學(xué)生課下隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，并通過Bb平臺、微信等與任課教師進(jìn)行交流。

2.設(shè)計(jì)教學(xué)案例，培養(yǎng)計(jì)算思維

2006年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）提出了計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）概念，其本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動化（Automation）[4]。陳國良院士結(jié)合中國大學(xué)計(jì)算機(jī)教育解釋了“計(jì)算機(jī)思維”，提出“以計(jì)算思維為導(dǎo)向”的目標(biāo)[5]。北京航空航天大學(xué)艾明晶等提出大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)定位于以計(jì)算思維為核心，以計(jì)算機(jī)知識為背景，使學(xué)生理解典型的計(jì)算思維，掌握基于計(jì)算技術(shù)/計(jì)算機(jī)的問題求解思路與方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維和計(jì)算工具分析和處理專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力[6]。

然而培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)思維卻很困難，因?yàn)橛?jì)算機(jī)涉及的程序執(zhí)行、系統(tǒng)調(diào)用等活動具有非物理特征，無法被感知。通過設(shè)計(jì)既體現(xiàn)人的思考過程又有計(jì)算機(jī)思維的典型案例來幫助學(xué)生掌握計(jì)算思維[7]。如設(shè)計(jì)了爐墻傳熱工程問題，將該問題抽象為一維穩(wěn)態(tài)傳熱問題，通過建立傳熱學(xué)方程直接解方程或編寫計(jì)算機(jī)程序用數(shù)值方法求解，也可建立幾何模型利用有限差分/有限元軟件求解，最后與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證分析的合理性。通過該問題引導(dǎo)學(xué)生通過簡化、轉(zhuǎn)換、抽象、分解、建模、算法等計(jì)算思維方法，將復(fù)雜的工程問題轉(zhuǎn)化為一系列簡單的子問題并構(gòu)建模型求解，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力。

3.虛擬仿真和工程實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和綜合運(yùn)用知識能力

材料類學(xué)科的核心科學(xué)問題是“成分-工藝-組織-性能”間的關(guān)系，貫穿于各專業(yè)課程中。然而，該科學(xué)問題在單一課程中只側(cè)重于某一方面，學(xué)生很難建立系統(tǒng)概念，更難于將其與工程問題結(jié)合起來。民用航空器適航與維修是我校的特色學(xué)科方向，開發(fā)了相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該平臺材料方向關(guān)注民用飛機(jī)及發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維修及適航審定中涉及的材料及其力學(xué)問題和解決方案。如開發(fā)的航空發(fā)動機(jī)葉片修復(fù)這一項(xiàng)目中，涉及的一個(gè)重要問題是修復(fù)后的葉片如何滿足安全運(yùn)行要求，即修復(fù)后合格與否的判斷依據(jù)。要回答此問題，首先要建立所用材料“成分-工藝-組織-性能”特別是力學(xué)性能間的關(guān)系，這樣就把本課程同《材料力學(xué)性能》《材料工程基礎(chǔ)》《航空材料》等內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來。

該項(xiàng)目首先通過三維軟件、動畫、視頻等形式使學(xué)生了解發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，然后通過操作視頻了解修復(fù)方法，再對修復(fù)后的典型試件進(jìn)行了修復(fù)工藝-組織-性能相關(guān)試驗(yàn)，獲取斷口、金相試樣、力學(xué)性能等信息。學(xué)生課下對案例進(jìn)行分析、建模、求解并與典型試件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比不斷優(yōu)化模型，教師通過該平臺針對每個(gè)學(xué)生遇到的問題答疑并鼓勵(lì)其通過查找文獻(xiàn)、團(tuán)隊(duì)合作等方式先自行解決，然后教師進(jìn)行集中總結(jié)及點(diǎn)評。

這種“發(fā)散思維+數(shù)學(xué)建模+科學(xué)計(jì)算+實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)+參數(shù)優(yōu)化+工程實(shí)踐+答疑”的教學(xué)模式與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，使教學(xué)從課內(nèi)延伸到課外、以教為主向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了學(xué)生自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和運(yùn)用專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題的能力，同時(shí)也促進(jìn)了師生相互了解，為后續(xù)成績的科學(xué)評定提供了依據(jù)。

四、考核方式以結(jié)果評價(jià)為主向結(jié)果過程結(jié)合轉(zhuǎn)變

本課程是一門應(yīng)用類課程，原有的“平時(shí)成績30%（作業(yè)、實(shí)驗(yàn)各15%）+期末閉卷考試70%”的方式，使學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)不夠重視、臨考突擊問題嚴(yán)重，而且應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決工程實(shí)踐問題的能力很難通過短時(shí)間考試評價(jià)。改革后成績由占60%的平時(shí)成績（作業(yè)30%、上機(jī)實(shí)踐15%、讀書報(bào)告15%）、占40%的結(jié)課大作業(yè)組成，這樣把期末考試壓力分散到日常學(xué)習(xí)中。結(jié)課大作業(yè)每人隨機(jī)抽取一題，通過查找文獻(xiàn)、建立模型、求解、分析最后得出結(jié)論，教師針對大作業(yè)內(nèi)容隨機(jī)提出問題然后學(xué)生作答。新的考核方式使教師和學(xué)生間有更多的互動，能較好地反映學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握情況。

通過對該課程的教學(xué)改革探索，學(xué)生對該課程的重視程度較之前有了較大的提高，反映通過該課程學(xué)到了很多知識和分析問題的方法，學(xué)生評教分?jǐn)?shù)也較之前有了一定提高。此外，該課程的教學(xué)改革也加深了對學(xué)生的了解，為提高教學(xué)質(zhì)量指明了方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸國棟，李拓宇.新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[2]姚紅宇.2006年全國失效分析與安全生產(chǎn)高級研討會論文集[C].北京：中國機(jī)械工程學(xué)會，2006：61-62.

[3]陸國棟.一流本科是一流大學(xué)應(yīng)有之義[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016（6）：6-8.

[4]Jeannette M.Wing. Computational Thinking [J]. Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[5]陳國良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011（1）：7-11+32.

[6]艾明晶，李瑩.以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（5）：5-9.

[7]李瑩.計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的貫穿[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（4）：36-39.

（編輯：李曉萍）