工程教育認(rèn)證下《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》教學(xué)改革與探索*

張 強

(天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384)

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，已成為國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。材料科學(xué)是研究材料的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能以及它們之間的相互關(guān)系，集物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)等多學(xué)科于一體的科學(xué)。材料科學(xué)是一門與工程技術(shù)密不可分的應(yīng)用科學(xué)。其主要培養(yǎng)從事新型材料的研究和開發(fā)、材料的制備、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高級工程技術(shù)人才。

2016年，中國正式成為華盛頓協(xié)議的成員，華盛頓協(xié)議是國際公認(rèn)的工程科技人才質(zhì)量認(rèn)證體系。它標(biāo)志著中國工程教育專業(yè)認(rèn)證體系正式與國際工程教育專業(yè)認(rèn)證體系相結(jié)合?！叭A盛頓協(xié)議”旨在建立國際公認(rèn)的工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，推動同等標(biāo)準(zhǔn)，共同提高工程教育專業(yè)素質(zhì)，為國際鑒定專業(yè)工程師提供平臺[1-2]。國際工程教育專業(yè)認(rèn)證有助于整合國際工程教育的先進教學(xué)理念。推動中國工程教育專業(yè)的進一步改革和發(fā)展，提高工科院校的教學(xué)質(zhì)量。落實到人才培養(yǎng)的根本任務(wù)，工程教育專業(yè)認(rèn)證下的教學(xué)改革可以為培養(yǎng)素質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理、支撐引領(lǐng)的工程技術(shù)人才提供重要支撐與途徑。人工智能、大數(shù)據(jù)、新材料等技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為工程技術(shù)人才提出了更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨學(xué)科復(fù)合型能力要求[3]。在材料科學(xué)與工程學(xué)科培養(yǎng)計劃中，課程《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》是一門兼具理論性和實踐性，融合計算機技術(shù)和材料科學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)的跨學(xué)科的重要專業(yè)課程。計算機技術(shù)已被應(yīng)用于材料的設(shè)計與開發(fā)、新工藝方案的設(shè)計與優(yōu)化、材料結(jié)構(gòu)分析、模型構(gòu)建與計算機模擬、材料數(shù)據(jù)分析與結(jié)果可視化等材料學(xué)科領(lǐng)域的諸多方面。本課程的學(xué)習(xí)可為材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的相關(guān)實驗方案設(shè)計、實踐環(huán)節(jié)的鍛煉以及畢業(yè)論文或設(shè)計的順利進行提供重要基礎(chǔ)。該課程的學(xué)習(xí)將使學(xué)生利用計算機技術(shù)解決材料科學(xué)理論學(xué)習(xí)和實際問題。 為將來進一步學(xué)習(xí)深造或進入崗位實踐夯實工具及理論基礎(chǔ)。課程《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》要求學(xué)生將扎實的理論知識與熟練的計算機應(yīng)用技能相結(jié)合。改革和探索課程的教學(xué)過程和方法非常重要[4-5]。因此，迫切需要進一步調(diào)整，優(yōu)化和改革課程的目標(biāo)定位，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。滿足工程教育認(rèn)證下材料科學(xué)與工程人才培養(yǎng)的實際需要。

1 精準(zhǔn)定位課程目標(biāo)

作為專業(yè)教育的靈魂，培養(yǎng)目標(biāo)直接決定著人才培養(yǎng)的目標(biāo)和方向。培養(yǎng)目標(biāo)總體描述了學(xué)生畢業(yè)五年左右能夠達到的職業(yè)成就。目標(biāo)的設(shè)置要契合就業(yè)需求，同時兼顧學(xué)生職業(yè)生涯的長期可持續(xù)發(fā)展。天津理工大學(xué)功能材料專業(yè)是天津市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)，以顯示材料與光電器件教育部重點實驗室和天津市光電顯示材料與器件重點實驗室為依托。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，本專業(yè)將人才培養(yǎng)目標(biāo)定位為適應(yīng)我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中信息與能源相關(guān)的功能材料研究和制造業(yè)所需應(yīng)用型高級專門人才需求，具有優(yōu)良的德法修養(yǎng)與溝通能力、較強的團隊意識、社會責(zé)任感、創(chuàng)新意識；掌握專業(yè)知識、應(yīng)用能力和終身學(xué)習(xí)的意識；能夠運用材料、物理以及光電子信息等多學(xué)科交叉基礎(chǔ)知識并借助現(xiàn)代技術(shù)工具研究、分析和解決功能材料制備、應(yīng)用工程問題，從事材料學(xué)的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)、工藝設(shè)計、材料方案選擇、設(shè)備設(shè)計與調(diào)試、生產(chǎn)與運營管理等工作的優(yōu)秀應(yīng)用型人才。

《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》是天津理工大學(xué)功能材料專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課程之一。在工程教育認(rèn)證背景下，本課程以專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為指導(dǎo)，從服務(wù)就業(yè)、繼續(xù)學(xué)習(xí)深造兩方面出發(fā)，回溯制定了課程目標(biāo)，為功能材料專業(yè)高質(zhì)量人才培養(yǎng)提供了重要支撐。本課程的課程目標(biāo)具體設(shè)置如下 ：

(1)熟練運用多種材料學(xué)相關(guān)軟件，將物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多方面的知識聯(lián)系起來，為學(xué)生開展材料科學(xué)畢業(yè)論文或設(shè)計、進一步學(xué)習(xí)深造或從事相關(guān)崗位工作夯實基礎(chǔ)。

(2)了解各類材料、化學(xué)、物理相關(guān)模擬軟件，運用材料科學(xué)基礎(chǔ)知識和物理學(xué)、電子及光電子信息科學(xué)等多學(xué)科交叉知識，為學(xué)生解決功能材料的實際應(yīng)用提供性能預(yù)測、結(jié)構(gòu)分析等數(shù)據(jù)支持，設(shè)計/開發(fā)滿足特定需求的功能材料，培養(yǎng)學(xué)生參與材料學(xué)相關(guān)工作的實踐應(yīng)用能力。

(3)熟練運用計算機常用軟件和儀器分析測試軟件，為學(xué)生參加工作提供良好的實踐平臺。

2 導(dǎo)向性教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

工程教育專業(yè)認(rèn)證體系下，每門課程都需要說明課程學(xué)習(xí)對人才培養(yǎng)要求達成度的具體作用。本課程的基本教學(xué)思路是鞏固基礎(chǔ)，開闊視野，將學(xué)科交叉融合落到實處。在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，以學(xué)生就業(yè)或深造的需求為導(dǎo)向，結(jié)合國際先進的教學(xué)體系，合理優(yōu)化內(nèi)容體系，課程內(nèi)容具有明顯的學(xué)科交叉性質(zhì)，包括材料學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科知識。將“材料科學(xué)基礎(chǔ)、功能材料概論、無機化學(xué)、有機化學(xué)、高分子化學(xué)、現(xiàn)代分析檢測技術(shù)”等相關(guān)課程知識與各類材料、化學(xué)、物理相關(guān)模擬分析軟件應(yīng)用的知識體系高度融合，體現(xiàn)課程在覆蓋面、關(guān)注度和學(xué)科交叉性方面的考量，調(diào)整優(yōu)化課程教學(xué)大綱，同時調(diào)整相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)課程從目標(biāo)大綱設(shè)計、教學(xué)過程到課程考核評價等全過程的深度優(yōu)化。

3 教學(xué)過程設(shè)計優(yōu)化

在工程專業(yè)教育認(rèn)證的背景下，以學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展為導(dǎo)向的培養(yǎng)理念要求教學(xué)過程以學(xué)生的知識學(xué)習(xí)、技能掌握與素質(zhì)提升為指引。因此本課程設(shè)置與過程設(shè)計的根本出發(fā)點與落腳點就在于夯實學(xué)生理論知識的基礎(chǔ)上，進一步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機技術(shù)進行材料學(xué)科實際問題解決的能力，在課程進行過程中啟發(fā)其進行知識融合和學(xué)科交叉的意識與創(chuàng)新能力。如何有效提高課堂教學(xué)效率是教學(xué)過程設(shè)計優(yōu)化中必須考慮的問題。其中，如何激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動機，促進學(xué)生積極學(xué)習(xí)的主動性，保持學(xué)習(xí)的連續(xù)性和一致性是當(dāng)務(wù)之急。 在功能材料學(xué)生培養(yǎng)計劃中，《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》是一門具有明顯跨學(xué)科性質(zhì)的專業(yè)課程，教師在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)過程方面進行了一定的改革和探索。

3.1 教學(xué)設(shè)計

《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括計算機技術(shù)在材料選擇與設(shè)計、工藝過程設(shè)計與優(yōu)化、材料數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與數(shù)值模擬計算、材料性能參數(shù)設(shè)置與對比模擬分析以及材料數(shù)據(jù)分析于結(jié)果可視化等。綜合考慮內(nèi)容覆蓋面與課時分配的基礎(chǔ)上，本課程立足功能材料專業(yè)高質(zhì)量人才培養(yǎng)要求，從服務(wù)就業(yè)、繼續(xù)學(xué)習(xí)深造兩方面出發(fā)回溯制定的課程目標(biāo)出發(fā)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，具體的，主要包括如下方面：

(1)以課程內(nèi)容教學(xué)為藍(lán)本，啟發(fā)多學(xué)科交叉融合的思路。按照教學(xué)大綱的調(diào)整與優(yōu)化，加強計算機技術(shù)在材料選擇與設(shè)計、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與數(shù)值模擬以及材料數(shù)據(jù)分析與可視化中的應(yīng)用等章節(jié)知識的教學(xué)，融入各類材料、化學(xué)、物理相關(guān)模擬與分析軟件的應(yīng)用實例。將本課程與各類材料、化學(xué)、物理、計算機等相關(guān)學(xué)科的關(guān)聯(lián)關(guān)系及各學(xué)科交叉融合在材料學(xué)科問題解決中的重要作用融入課程教學(xué)體系之中，啟發(fā)學(xué)生解決問題的新思路，進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。以應(yīng)用與實踐為導(dǎo)向，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和實例分析過程中體味借助計算機模擬與分析技術(shù)解決材料學(xué)科問題的思路和方法，潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生通過多學(xué)科知識交叉融合以解決材料學(xué)科問題的意識與能力。

(2)以實際案例為導(dǎo)引，培養(yǎng)學(xué)以致用的意識。借助相關(guān)實際案例，把功能材料專業(yè)的特點融入該課程的教學(xué)實踐中，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)知識與應(yīng)用知識的積極性，培養(yǎng)學(xué)生勤謹(jǐn)治學(xué)，學(xué)以致用的意識。如在講授計算機在新材料中的設(shè)計時，材料與性能之間存在必然的聯(lián)系，如果將各種材料單元結(jié)合設(shè)計出性能優(yōu)良的材料，需要學(xué)生了解材料各單元的基本性能，建立合理的材料模型，并對不同材料選擇與設(shè)計方案進行參數(shù)模擬與性質(zhì)對比，這對于材料的設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用具有重要價值。

(3)教學(xué)學(xué)術(shù)一體，授之以漁。在融入實例演示教學(xué)的基礎(chǔ)上，追蹤學(xué)科前沿，結(jié)合已有研究成果和研究計劃，選取與課程大綱緊密貼合的內(nèi)容融入課堂，將教學(xué)與學(xué)術(shù)有機融合，激發(fā)學(xué)生在掌握課程內(nèi)容和課程學(xué)科交叉特點的基礎(chǔ)上深入探索材料科學(xué)問題并挖掘嶄新可行解決方案的興趣與潛力。并將發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、借助計算機模擬與分析技術(shù)進行問題解決的全過程進行一定的示范與講解，讓學(xué)生在掌握課程知識的同時，體味發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的樂趣，啟發(fā)思路，鞏固知識，熟練技能。

3.2 教學(xué)方法

《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程具有很強的應(yīng)用性和實用性，結(jié)合理論基礎(chǔ)，強調(diào)實際案例教學(xué)與演示，將知識學(xué)習(xí)、技能培養(yǎng)和素質(zhì)提升有機融合，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的意識與能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。具體的教學(xué)方法舉例如下：

(1) 以學(xué)生就業(yè)或深造需求為導(dǎo)向，將個人簡歷的設(shè)計與完善與基礎(chǔ)計算機軟件應(yīng)用相結(jié)合，從課堂典型案例演示與點評到課下簡歷制作，以及模擬面試個人簡介、師生評述在學(xué)生主動參與、積極展示的過程中，引入本課程的其他理論知識講述和應(yīng)用環(huán)節(jié)。結(jié)合功能材料專業(yè)特點，將計算機技術(shù)在材料的選擇與設(shè)計、工藝的設(shè)計與優(yōu)化、數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與數(shù)值模擬、材料方案的參數(shù)對比與模擬分析、材料數(shù)據(jù)的分析與可視化等方面的應(yīng)用通過實際案例的引入，使學(xué)習(xí)內(nèi)容的應(yīng)用與價值具象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。結(jié)合案例分析與應(yīng)用，在激發(fā)學(xué)生解決實際問題的興趣的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)科交叉意識與實踐創(chuàng)新能力。

(2)在多媒體教學(xué)中，結(jié)合貼近課程內(nèi)容的數(shù)據(jù)、文本、影像等資料形式，插入一些具體案例，以動畫形式，從多平面教學(xué)方法向立體化教學(xué)方法轉(zhuǎn)變，使學(xué)生身臨其境，體會到學(xué)習(xí)的樂趣，使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。在教學(xué)實踐中，學(xué)生普遍反映講授內(nèi)容有趣、實用性強，《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程的學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)以致用，用以促學(xué)，教學(xué)相長，教學(xué)質(zhì)量與效果得到了明顯的提升。

4 結(jié) 語

《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程融合了材料學(xué)科、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及計算機技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，學(xué)科交叉的特征明顯。工程教育認(rèn)證體系下，進行該課程的教學(xué)改革與探索，提升其教學(xué)質(zhì)量與效果顯得尤為重要。具體的，在本課程的教學(xué)過程中，以材料科學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)為指引，融入從材料選擇與設(shè)計、工藝過程設(shè)計與優(yōu)化、材料性能測試與對比、數(shù)據(jù)模型構(gòu)建與數(shù)值模擬以及材料數(shù)據(jù)分析與可視化等計算機技術(shù)在材料科學(xué)中的實際應(yīng)用案例，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與組織、教學(xué)過程實踐與創(chuàng)新方面進行了一定的改革與探索，讓學(xué)生學(xué)以致用，用以促學(xué)，教與學(xué)有機統(tǒng)一，相輔相成。讓學(xué)生在知識學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用中體會發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的樂趣，實現(xiàn)材料學(xué)科知識鞏固與計算機技術(shù)應(yīng)用能力的提升，進而為培養(yǎng)材料學(xué)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新意識與實踐能力打下良好基礎(chǔ)。