基于工程教育理念的材料計算與模擬實踐教學探索

徐京城　修慧欣　邱碧薇

摘 要：工程教育理念下的本科工科專業(yè)教學要求側(cè)重于培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。“材料計算與模擬”是一門專業(yè)性很強、理論與實踐并重、偏向于理科的材料類專業(yè)課程，文章謹以多年“材料計算與模擬”課程教學經(jīng)驗為基礎(chǔ)，探討符合工程教育理念的理論與實踐相結(jié)合的教學方式和方法。

關(guān)鍵詞：工程教育;“材料計算與模擬”;實踐教學

工程教育專業(yè)認證的標準是用以學生為中心、以輸出為導向、持續(xù)改進的原則，將學生畢業(yè)五年后的職業(yè)和專業(yè)成就作為最終目標，對學生、培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍和支持條件等七個方面進行評估和評價，并促使不斷進行改進。工程教育理念與以往傳統(tǒng)教育理念的最大區(qū)別在于，工程教育以學生為中心，重視能力的培養(yǎng)和提升;傳統(tǒng)教育則以教師為中心，側(cè)重知識的教授。工程教育理念的貫徹和落實對專業(yè)課程的教學提出了很多要求，需要其對教學大綱、教學方法、考核形式等內(nèi)容以工程教育的理念進行相應調(diào)整和修改，側(cè)重于學生能力的培養(yǎng)（類似于早前提出的素質(zhì)教育）。

工程教育理念尤其對類似于“材料計算與模擬”等專業(yè)課程的教學提出了很大的挑戰(zhàn)。上海理工大學材料科學與工程學院“材料計算與模擬”專業(yè)課程承接于“計算機在材料科學與工程中的應用”課程，主要教學內(nèi)容為分子動力學和量子力學計算方法在材料科學領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和基本實踐操作。雖然近年來此課程按照“以人為本”的開放式、多樣化、遞進式的培養(yǎng)模式，以工程應用教育為導向，以培養(yǎng)卓越工程師為目標，但是從課程內(nèi)涵來講，此課程屬于偏理科類專業(yè)課程。工程教育理念側(cè)重于學生工程應用能力的培養(yǎng)和提升，其中很重要一點是評估學生對復雜工程問題的分析和解決能力。這對理科性質(zhì)專業(yè)課程的教學提出了很大挑戰(zhàn)，需要授課教師對課程目標、教學方法等進行適當?shù)牟鸾?，并實現(xiàn)理科教學內(nèi)容與工程實踐能力的契合。

本文謹在材料基因組工程、工程教育專業(yè)認證背景下，基于多年“材料計算與模擬”專業(yè)課程的教學和科研工作基礎(chǔ)，探討理論計算模擬與工程實踐能力相結(jié)合的工程教育教學方法。

一、課程目標及對畢業(yè)要求的支撐

（1）理解并恰當研究、分析材料科學與工程領(lǐng)域?qū)嶋H問題的基礎(chǔ)理論與方法?！安牧嫌嬎闩c模擬”專業(yè)課程主要內(nèi)容為原子分子尺度的理論計算模擬，涉及的理論方法主要為量子力學和分子動力學方法。其中，量子力學方法較為深奧，分子動力學方法因與經(jīng)典牛頓力學聯(lián)系緊密，相比量子力學較為簡單?？紤]工程教育理念側(cè)重工程實踐能力的培養(yǎng)，故在基礎(chǔ)理論方法部分將課程目標設(shè)置為了解基本理論方法的概念和基本計算流程。

（2）針對復雜工程問題，能夠有效地運用工程圖學語言、計算機輔助設(shè)計工具，提出改進或解決方案。如何將工程實際中的復雜工程問題通過理論計算模擬提出改進或指導意見是本課程期望的終極目標。其中，如何培養(yǎng)學生通過思考和分析，將工程實際問題分解為理論計算問題并選擇合適的計算方法、計算參數(shù)和條件，將是本課程最重要的課程目標。

（3）能夠正確運用現(xiàn)代工程工具、技術(shù)與資源對材料科學與復雜工程問題進行預測與模擬。工程教育背景下的課程側(cè)重實踐能力的培養(yǎng)，本課程的實踐內(nèi)容主要是利用計算服務器或集群進行材料科學領(lǐng)域的計算模擬。其中，如何使用國家超級計算中心集群（如上海超算、深圳超算）進行高性能計算，并利用科學計算軟件進行結(jié)果分析，是本課程的重要課程目標之一。

二、教學方式的改進

本課程堅持理論與實踐相結(jié)合的教學方式，不斷提高實踐教學的比重，目前理論教學與實踐教學部分各占一半。承接自過去以教為主的教學理念，本課程目前的主要教學方式還是先講授相關(guān)理論內(nèi)容，然后進行上機實踐操作和練習。在工程教育理念的背景下，實踐能力的培養(yǎng)和提升成為課程教學的重點，同時還要兼顧實踐練習與相關(guān)理論知識的銜接，本課程提出基礎(chǔ)理論內(nèi)容先行傳授，其他內(nèi)容采用先實踐后理論的教學方式。

首先，對于必需的相關(guān)課程基礎(chǔ)理論采用課堂講授的教學方式，在講授期間有意識地向?qū)W生傳遞工程教育的理念。

其次，以較為簡單的實踐案例先進行實踐練習，使得學生簡單上手并且產(chǎn)生對本課程的新鮮感和好奇感，結(jié)合基礎(chǔ)理論講解讓學生對基本理論和操作流程有一定的了解。

最后，從簡單案例出發(fā)，不斷深入，并向?qū)嶋H工程問題靠攏，引導學生不斷深入思考，著重于引導學生了解和練習如何將實際工程問題分解為計算模擬可以解決的問題，并通過理論計算與模擬為指導和解決問題提供依據(jù)。

作為持續(xù)改進、教研相輔的體現(xiàn)，“材料計算與模擬”課程所有實踐案例定期根據(jù)最新文獻報道進行更新，保持實踐教學案例的時效性，同時不斷開發(fā)新的實踐案例及相應計算流程。考慮到實踐練習與課程課時可能的矛盾或不足，本課程還將所有實踐教學案例進行視頻錄像，同時將與實踐案例相關(guān)的理論內(nèi)容關(guān)鍵詞以字幕的形式添加到錄像中，便于學生隨時翻看和熟悉。

三、考核方式的改進

工程教育理念下課程側(cè)重點在于培養(yǎng)學生分析、解決實際工程問題的能力，因此“材料計算與模擬”課程的考核內(nèi)容由原來的基本概念和基礎(chǔ)操作的考核，轉(zhuǎn)變?yōu)榭己藢W生如何將實際工程問題分解為計算模擬問題、問題分解是否合理、如何利用計算服務器或超算中心進行計算并分析結(jié)果、如何將計算模擬結(jié)構(gòu)與實際工程問題聯(lián)系起來。在此基礎(chǔ)上，該課程將考核方式由開卷筆試考核改為上機實踐考核，并計劃后續(xù)改為類似于課程設(shè)計的考核方式。現(xiàn)行上機實踐考核中以工程實踐中出現(xiàn)的問題為題目，適當引導并提出問題，由學生通過計算模擬作答;后續(xù)課程設(shè)計形式的考核中將以較為復雜的工程實踐問題為主，重在考查學生利用理論計算模擬工具分析、計算、解決實際問題的完整流程。

在工程教育專業(yè)認證全面展開的背景下，注重培養(yǎng)學生提煉、分析和解決實際工程問題的能力，這對“材料計算與模擬”這一類型的專業(yè)課程的教學提出了很大的挑戰(zhàn)。如何合理分配理論和實踐教學的比例、保證實踐教學案例的持續(xù)更新、切實培養(yǎng)學生的動手能力等問題還需要不斷的教學探索和經(jīng)驗積累。

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作者簡介：徐京城（1983—），男，山東濰坊人，助理研究員，博士，從事材料計算與模擬方向的教學和科研工作。