《計(jì)算材料學(xué)》課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革與實(shí)踐

甘祥來，周耐根，杜國(guó)平

（南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌）

一 引言

計(jì)算材料學(xué)是近三四十年誕生的一門交叉學(xué)科，它是基于物理學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的相關(guān)理論，利用高效的數(shù)值計(jì)算方法，借助高速的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能關(guān)系進(jìn)行研究并指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)研發(fā)的一門前沿學(xué)科。采用計(jì)算材料學(xué)中的方法，可對(duì)材料進(jìn)行多尺度（不同的空間尺度和時(shí)間尺度）模擬研究，深入揭示材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，因此，計(jì)算材料學(xué)中建立的方法成為材料研發(fā)的一種強(qiáng)有力手段。隨著科技的發(fā)展，對(duì)材料的性能和研發(fā)速度提出了越來越高的要求，希望用更短的時(shí)間開發(fā)出性能更為優(yōu)異的材料，然而傳統(tǒng)“炒菜式”的材料研發(fā)方法很難滿足這種現(xiàn)實(shí)需求。2011年美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)一項(xiàng)名為“材料基因組計(jì)劃”的項(xiàng)目，其中的一個(gè)核心內(nèi)容就是利用現(xiàn)代材料計(jì)算技術(shù)助力新材料的研發(fā)。隨后，包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家相繼設(shè)立了類似的項(xiàng)目來提升其材料研發(fā)能力，這些項(xiàng)目的設(shè)立更加突顯了計(jì)算材料學(xué)在新材料研發(fā)中的重要作用?！队?jì)算材料學(xué)》課程是在計(jì)算材料學(xué)學(xué)科背景下，為本科生或研究生開設(shè)的一門重要課程，旨在讓學(xué)生掌握現(xiàn)代材料計(jì)算原理、方法和技術(shù)，培養(yǎng)復(fù)合型材料研究人才。然而，由于《計(jì)算材料學(xué)》課程橫跨學(xué)科多、涵蓋知識(shí)廣、理論實(shí)踐并重等特點(diǎn)，給教學(xué)帶來了很大的難度，很多高校反映該課程的教學(xué)效果不佳。對(duì)于不同高校，導(dǎo)致《計(jì)算材料學(xué)》課程教學(xué)效果不佳的原因有差別，但是仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)主要原因有三點(diǎn)：其一，由于該課程涉及的學(xué)科多知識(shí)廣，學(xué)生普遍存在畏難心里，一個(gè)直接表現(xiàn)就是在科研訓(xùn)練和本科畢業(yè)論文選題時(shí)很少人選擇與材料計(jì)算相關(guān)的研究課題；其二，傳統(tǒng)課堂偏重理論的教學(xué)模式不太適合《計(jì)算材料學(xué)》這種對(duì)理論和實(shí)踐要求都很高的課程；其三，該課程教學(xué)內(nèi)容較多，在教學(xué)大綱規(guī)定的課時(shí)內(nèi)很難進(jìn)行系統(tǒng)深入講解，更別說在課堂安排實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

為提高《計(jì)算材料學(xué)》這門課的教學(xué)效果，多所高校的一線教學(xué)老師針對(duì)他們所在學(xué)校的實(shí)際情況提出了多種教學(xué)改革措施并進(jìn)行了教改實(shí)踐[1-4]。針對(duì)課程重視度不夠、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式不合理、師資力量欠缺的問題，陳逸凡等人提出增加學(xué)分比重和課時(shí)，合理制定教學(xué)內(nèi)容和方法，加大教師專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)力度等教改措施[1]。湛永鐘提出在授課過程中通過融入學(xué)科發(fā)展歷史來提高學(xué)生的興趣[2]。結(jié)合教學(xué)實(shí)際，沈洪濤等人提出優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、推行研究性教學(xué)等教改方式[3]。在綜合分析導(dǎo)致《計(jì)算材料學(xué)》這門課程教學(xué)效果不佳的三個(gè)主要原因和我校的具體情況后，我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)提出翻轉(zhuǎn)課堂的教改方案。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法是將傳統(tǒng)課堂上的常規(guī)教學(xué)內(nèi)容錄制成視頻上傳到云端，學(xué)生根據(jù)自身的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)習(xí)慣在課外時(shí)間自主學(xué)習(xí)視頻內(nèi)容，同時(shí)，老師收集整理各種相關(guān)資源放在網(wǎng)上供學(xué)生拓展學(xué)習(xí)；課堂上，教師進(jìn)行答疑并組織學(xué)生開展各種研討和合作式的實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題，提高認(rèn)知水平[5]。選擇翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式作為教改方案原因如下，首先，傳統(tǒng)課堂的常規(guī)教學(xué)內(nèi)容錄制成教學(xué)視頻有利于學(xué)生利用課余時(shí)間靈活學(xué)習(xí)，解決了課時(shí)緊張的問題，也避免了傳統(tǒng)課堂無法重聽的缺點(diǎn)；其次，利用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式老師有比較充足的時(shí)間在課堂組織答疑，也有較多的時(shí)間安排實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)；再次，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)的成員長(zhǎng)期利用計(jì)算材料學(xué)的方法開展研究工作，具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可為翻轉(zhuǎn)課堂上學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)提供全方位多層級(jí)的指導(dǎo)，而且學(xué)院購(gòu)置了筆記本電腦和計(jì)算服務(wù)器，可為實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)提供硬件支持。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式解決了《計(jì)算材料學(xué)》課程在采用傳統(tǒng)課堂教學(xué)時(shí)所遇到的理論和實(shí)踐無法兼顧、課時(shí)緊張這兩大難題，利用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式對(duì)《計(jì)算材料學(xué)》課程進(jìn)行教學(xué)改革有望較大幅度地提高教學(xué)效果。

二 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式及組織實(shí)施

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式存在多方面的優(yōu)點(diǎn)，但是在運(yùn)用時(shí)能否發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)達(dá)到良好的教學(xué)效果則取決于整個(gè)教學(xué)過程中各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和實(shí)施情況[6]。錄制高質(zhì)量的教學(xué)視頻是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式取得良好教學(xué)效果的先決條件?！队?jì)算材料學(xué)》課程涉及的計(jì)算模擬方法較多，包括分子動(dòng)力學(xué)、第一性原理、有限元等，每一種模擬方法所涉及的分支理論也較多，針對(duì)課程的這些特點(diǎn)，制定以下視頻內(nèi)容設(shè)計(jì)原則：專題教學(xué)、精簡(jiǎn)理論、建立框架、以計(jì)算流程為主線展開教學(xué)內(nèi)容。按照該原則設(shè)計(jì)視頻教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更容易理解和掌握各種模擬方法的核心思想和基本原理。錄制好的視頻上傳到云端，學(xué)生可以靈活安排時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。針對(duì)視頻教學(xué)內(nèi)容設(shè)定一些鞏固練習(xí)，檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

翻轉(zhuǎn)課堂的組織是決定教改成效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，視頻教學(xué)側(cè)重的是理論部分，而《計(jì)算材料學(xué)》是一門理論和實(shí)踐并重的課程，特別是多年的教學(xué)科研經(jīng)歷使我們意識(shí)到很多學(xué)生因?yàn)槿鄙倌M實(shí)踐的訓(xùn)練即使理論扎實(shí)也很難靈活開展模擬實(shí)驗(yàn)，因此，本次教改將注重培養(yǎng)實(shí)踐能力確定為翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)和課堂組織的指導(dǎo)思想。從通過翻轉(zhuǎn)課堂鞏固視頻教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生分析解決問題的實(shí)踐能力這個(gè)落腳點(diǎn)出發(fā)，確立了以視頻教學(xué)內(nèi)容答疑、建模和數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)、模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及軟件操作三方面作為翻轉(zhuǎn)課堂的主要內(nèi)容。具體實(shí)施時(shí)，以問題式教學(xué)的方式組織學(xué)生分組開展實(shí)踐活動(dòng)，這不僅能鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，也有利于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、溝通交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

翻轉(zhuǎn)課堂上，首先收集學(xué)生觀看教學(xué)視頻后存留的問題并逐一進(jìn)行解答，通過答疑幫助學(xué)生掃清學(xué)習(xí)道路上的理論障礙，為組織實(shí)踐教學(xué)夯實(shí)基礎(chǔ)；根據(jù)學(xué)生的問題老師也能更準(zhǔn)確地把握教學(xué)難點(diǎn)，下一輪教學(xué)能做到更有針對(duì)性。建模和數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)部分主要是為培養(yǎng)學(xué)生的程序編寫能力而設(shè)計(jì)的，程序編寫能力是進(jìn)行材料計(jì)算模擬研究人員的一項(xiàng)基本能力，只有具備較好的程序編寫能力才能滿足模擬過程中模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)處理方面的個(gè)性化需求。目前，很多利用計(jì)算材料學(xué)方法開展材料研究的科研人員缺乏最基本的程序編寫能力，普遍采用一些免費(fèi)或收費(fèi)的軟件進(jìn)行模型構(gòu)建和模擬數(shù)據(jù)的后處理分析，這使他們?cè)诿鎸?duì)一些現(xiàn)有軟件無法處理的問題時(shí)一籌莫展，研究工作也往往因此而停滯不前。大學(xué)的使命不是培訓(xùn)操作工人，而是培養(yǎng)具有獨(dú)立思維和解決復(fù)雜問題能力的綜合性人才。在課程的學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手編程解決問題的意識(shí)和能力非常重要，為此，翻轉(zhuǎn)課堂上設(shè)計(jì)一些難度適中的模型構(gòu)建問題和數(shù)據(jù)處理問題讓學(xué)生分組進(jìn)行編程解決。如讓學(xué)生編程構(gòu)建高熵合金樣品模型、石墨烯樣品模型、鈣鈦礦樣品模型等，這些問題既與所學(xué)知識(shí)緊密聯(lián)系又能反映當(dāng)前材料研究的前沿，對(duì)于提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和學(xué)習(xí)興趣非常重要。根據(jù)老師提出的問題，學(xué)生通過組內(nèi)討論或文獻(xiàn)查閱的方式確定解決思路并協(xié)作完成程序編寫，整個(gè)問題的解決需要學(xué)生調(diào)用多方面的知識(shí)和能力。以石墨烯樣品的構(gòu)建為例，學(xué)生需要通過文獻(xiàn)查閱弄清楚石墨烯的結(jié)構(gòu)和晶胞參數(shù)，利用晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)確定石墨烯的單胞并計(jì)算出屬于該單胞的原子的坐標(biāo)，在編程構(gòu)建模型時(shí)要考慮如何滿足周期性邊界條件。通過這些建模實(shí)踐，學(xué)生能領(lǐng)會(huì)到建模的核心要點(diǎn)，也能掌握建模的一般流程，這有利于消除他們的“編程恐懼癥”，以后如果要構(gòu)建更復(fù)雜的模型他們也不會(huì)感到無從下手。問題解決后，各組需要制作PPT匯報(bào)其解決思路并呈現(xiàn)所構(gòu)建的模型。老師根據(jù)其匯報(bào)結(jié)果和過程表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出他們?cè)诮鉀Q問題時(shí)出現(xiàn)的一些錯(cuò)誤，進(jìn)一步教授他們編程建模的一般性原則、方法和思維方式，并強(qiáng)化他們編程解決問題的意識(shí)。這種編程意識(shí)和思維方式才是我們真正希望學(xué)生通過編程實(shí)踐獲得的東西。

模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及軟件操作部分主要是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)和操作模擬工具的能力，對(duì)從事材料計(jì)算的研究人員而言，方案設(shè)計(jì)能力是其靈魂，而軟件操作能力則是其那雙“靈巧的手”，這兩種能力的培養(yǎng)對(duì)于塑造能獨(dú)立、靈活開展模擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生至關(guān)重要。利用計(jì)算模擬方法進(jìn)行材料研究，首先，需要根據(jù)所研究問題的本質(zhì)特點(diǎn)選擇合適的模擬方法并制定科學(xué)的模擬方案，然后利用相關(guān)軟件開展模擬。而模擬方法的恰當(dāng)選擇和模擬方案的科學(xué)設(shè)計(jì)又是建立在研究人員對(duì)各種模擬方法的深入了解和對(duì)所研究問題細(xì)致分析的基礎(chǔ)上。不合理的模擬方案直接導(dǎo)致錯(cuò)誤的模擬結(jié)果，這種錯(cuò)誤結(jié)果不僅沒法讓科研人員獲取到有價(jià)值的信息，很多時(shí)候還會(huì)把他們引向錯(cuò)誤的方向，成為材料模擬研究中最致命的問題。在教改之前，我們通過課堂提問或課后作業(yè)的形式考查了學(xué)生的模擬方案設(shè)計(jì)能力。結(jié)果表明，由于缺乏實(shí)踐鍛煉，學(xué)生很難設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的模擬方案。因此，在翻轉(zhuǎn)課堂，將結(jié)合學(xué)生的興趣選擇一些經(jīng)典的材料問題組織學(xué)生對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分組設(shè)計(jì)并利用相關(guān)軟件開展模擬，以提高學(xué)生模擬方案的設(shè)計(jì)能力和模擬軟件的操作能力。如讓學(xué)生設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算鐵的熔點(diǎn)、點(diǎn)缺陷形成能、生長(zhǎng)速率等，這些材料問題是學(xué)生所熟知的，實(shí)驗(yàn)的模擬方案設(shè)計(jì)難度適中，是翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的較好選材。以計(jì)算鐵熔點(diǎn)模擬實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)為例，學(xué)生首先需要確定所采用的模擬方法（如分子動(dòng)力學(xué)模擬方法）；其次，需要根據(jù)已掌握的知識(shí)或通過文獻(xiàn)查閱提出熔點(diǎn)計(jì)算方法（如固液共存法）并從原理上對(duì)其合理性和計(jì)算精度進(jìn)行評(píng)估；再次，根據(jù)熔點(diǎn)計(jì)算方法設(shè)計(jì)模擬方案，包括鐵原子間相互作用勢(shì)函數(shù)的選擇，鐵樣品初始模型的尺寸設(shè)定和構(gòu)建，邊界條件的設(shè)置及模擬系綜的選擇，模擬流程的設(shè)計(jì)等；最后，按照設(shè)計(jì)的模擬方案利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算鐵的熔點(diǎn)。一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)完整方案的設(shè)計(jì)實(shí)施對(duì)于學(xué)生深入理解模擬方法和整個(gè)模擬流程意義重大，在模擬方案的設(shè)計(jì)實(shí)施過程中知識(shí)不再是頭腦中空洞的公式和符號(hào)，而成了解決實(shí)際問題的有力武器，很多抽象的概念也變得具體可感，對(duì)于學(xué)生而言模擬方案設(shè)計(jì)無疑是一個(gè)很好的知識(shí)應(yīng)用場(chǎng)景。任務(wù)完成后，各小組撰寫PPT報(bào)告匯報(bào)其所設(shè)計(jì)的模擬方案及模擬結(jié)果。在整個(gè)實(shí)踐活動(dòng)過程中，老師只提出問題，提供咨詢，點(diǎn)評(píng)過程和結(jié)果；針對(duì)模擬方案和模擬結(jié)果存在問題的小組，帶領(lǐng)其成員分析原因并指導(dǎo)他們修正方案。這種全過程參與并能得到及時(shí)反饋和指導(dǎo)的實(shí)踐活動(dòng)是學(xué)生掌握計(jì)算材料學(xué)不同模擬方法的最佳途徑，這種實(shí)踐活動(dòng)也能最大限度地發(fā)揮老師的作用，不僅教授學(xué)生知識(shí)也將長(zhǎng)期模擬實(shí)踐過程中積累下來的豐富經(jīng)驗(yàn)傳授給他們。對(duì)于那些提前完成的小組，根據(jù)其意愿可以適當(dāng)增加任務(wù)，也鼓勵(lì)他們根據(jù)自己的興趣愛好自設(shè)問題開展探究性的實(shí)踐研究活動(dòng)，在這個(gè)過程中老師對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)，因此，實(shí)踐活動(dòng)階段也更有利于開展個(gè)性化教學(xué)，實(shí)現(xiàn)因材施教，讓每個(gè)學(xué)生盡可能得到充分發(fā)展。

綜合來看，這種問題式實(shí)踐教學(xué)方式既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，還能使他們熟練掌握模擬工具的使用，鍛煉他們的溝通交流協(xié)作能力。本次教改是基于我院《計(jì)算材料學(xué)》課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年的教學(xué)實(shí)踐和材料計(jì)算模擬實(shí)踐提出的，全生參與、多維度訓(xùn)練、系統(tǒng)化培養(yǎng)是本次教學(xué)改革的顯著特點(diǎn)，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展非常重要，這種教改模式也是材料計(jì)算人才培養(yǎng)的科學(xué)路子。

三 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革的實(shí)施效果

針對(duì)《計(jì)算材料學(xué)》這門課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)效果不佳這一現(xiàn)狀，我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式對(duì)其進(jìn)行教學(xué)改革，有效克服了傳統(tǒng)課堂課時(shí)緊張、理論和實(shí)踐無法兼顧等不足，突出了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的中心地位，充分發(fā)揮了老師在教學(xué)活動(dòng)中的能動(dòng)作用。在設(shè)計(jì)視頻教學(xué)內(nèi)容時(shí)提出了專題教學(xué)、精簡(jiǎn)理論、建立框架、以計(jì)算流程為主線展開教學(xué)內(nèi)容的指導(dǎo)原則，設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容時(shí)確立了注重實(shí)踐能力培養(yǎng)的指導(dǎo)思想及問題式教學(xué)和學(xué)生分組實(shí)踐的實(shí)施策略。課程結(jié)束后，我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行了隨機(jī)訪談和問卷調(diào)查，以了解學(xué)生對(duì)教改效果的客觀評(píng)價(jià)。教改實(shí)踐表明，翻轉(zhuǎn)課堂中安排的實(shí)踐活動(dòng)一方面大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，也深化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高了學(xué)生設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)方案和應(yīng)用模擬工具的能力，此外，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、溝通交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也有較大提高。通過翻轉(zhuǎn)課堂，老師更好地實(shí)現(xiàn)了因材施教，促進(jìn)了學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展?？偟膩碇v，教改取得了較好的成效。今后，我們將總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)優(yōu)化教改方案，進(jìn)一步提升《計(jì)算材料學(xué)》課程的教學(xué)效果，為材料計(jì)算人才的培養(yǎng)貢獻(xiàn)自己的力量。