基于工程教育理念的材料计算与模拟实践教学探索

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　　摘 要：工程教育理念下的本科工科专业教学要求侧重于培养学生解决实际工程问题的能力。“材料计算与模拟”是一门专业性很强、理论与实践并重、偏向于理科的材料类专业课程，文章谨以多年“材料计算与模拟”课程教学经验为基础，探讨符合工程教育理念的理论与实践相结合的教学方式和方法。
　　关键词：工程教育;“材料计算与模拟”;实践教学
　　工程教育专业认证的标准是用以学生为中心、以输出为导向、持续改进的原则，将学生毕业五年后的职业和专业成就作为最终目标，对学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍和支持条件等七个方面进行评估和评价，并促使不断进行改进。工程教育理念与以往传统教育理念的最大区别在于，工程教育以学生为中心，重视能力的培养和提升;传统教育则以教师为中心，侧重知识的教授。工程教育理念的贯彻和落实对专业课程的教学提出了很多要求，需要其对教学大纲、教学方法、考核形式等内容以工程教育的理念进行相应调整和修改，侧重于学生能力的培养（类似于早前提出的素质教育）。
　　工程教育理念尤其对类似于“材料计算与模拟”等专业课程的教学提出了很大的挑战。上海理工大学材料科学与工程学院“材料计算与模拟”专业课程承接于“计算机在材料科学与工程中的应用”课程，主要教学内容为分子动力学和量子力学计算方法在材料科学领域的基础理论和基本实践操作。虽然近年来此课程按照“以人为本”的开放式、多样化、递进式的培养模式，以工程应用教育为导向，以培养卓越工程师为目标，但是从课程内涵来讲，此课程属于偏理科类专业课程。工程教育理念侧重于学生工程应用能力的培养和提升，其中很重要一点是评估学生对复杂工程问题的分析和解决能力。这对理科性质专业课程的教学提出了很大挑战，需要授课教师对课程目标、教学方法等进行适当的拆解，并实现理科教学内容与工程实践能力的契合。
　　本文谨在材料基因组工程、工程教育专业认证背景下，基于多年“材料计算与模拟”专业课程的教学和科研工作基础，探讨理论计算模拟与工程实践能力相结合的工程教育教学方法。
　　一、课程目标及对毕业要求的支撑
　　（1）理解并恰当研究、分析材料科学与工程领域实际问题的基础理论与方法。“材料计算与模拟”专业课程主要内容为原子分子尺度的理论计算模拟，涉及的理论方法主要为量子力学和分子动力学方法。其中，量子力学方法较为深奥，分子动力学方法因与经典牛顿力学联系紧密，相比量子力学较为简单。考虑工程教育理念侧重工程实践能力的培养，故在基础理论方法部分将课程目标设置为了解基本理论方法的概念和基本计算流程。
　　（2）针对复杂工程问题，能够有效地运用工程图学语言、计算机辅助设计工具，提出改进或解决方案。如何将工程实际中的复杂工程问题通过理论计算模拟提出改进或指导意见是本课程期望的终极目标。其中，如何培养学生通过思考和分析，将工程实际问题分解为理论计算问题并选择合适的计算方法、计算参数和条件，将是本课程最重要的课程目标。
　　（3）能够正确运用现代工程工具、技术与资源对材料科学与复杂工程问题进行预测与模拟。工程教育背景下的课程侧重实践能力的培养，本课程的实践内容主要是利用计算服务器或集群进行材料科学领域的计算模拟。其中，如何使用国家超级计算中心集群（如上海超算、深圳超算）进行高性能计算，并利用科学计算软件进行结果分析，是本课程的重要课程目标之一。
　　二、教学方式的改进
　　本课程坚持理论与实践相结合的教学方式，不断提高实践教学的比重，目前理论教学与实践教学部分各占一半。承接自过去以教为主的教学理念，本课程目前的主要教学方式还是先讲授相关理论内容，然后进行上机实践操作和练习。在工程教育理念的背景下，实践能力的培养和提升成为课程教学的重点，同时还要兼顾实践练习与相关理论知识的衔接，本课程提出基础理论内容先行传授，其他内容采用先实践后理论的教学方式。
　　首先，对于必需的相关课程基础理论采用课堂讲授的教学方式，在讲授期间有意识地向学生传递工程教育的理念。
　　其次，以较为简单的实践案例先进行实践练习，使得学生简单上手并且产生对本课程的新鲜感和好奇感，结合基础理论讲解让学生对基本理论和操作流程有一定的了解。
　　最后，从简单案例出发，不断深入，并向实际工程问题靠拢，引导学生不断深入思考，著重于引导学生了解和练习如何将实际工程问题分解为计算模拟可以解决的问题，并通过理论计算与模拟为指导和解决问题提供依据。
　　作为持续改进、教研相辅的体现，“材料计算与模拟”课程所有实践案例定期根据最新文献报道进行更新，保持实践教学案例的时效性，同时不断开发新的实践案例及相应计算流程。考虑到实践练习与课程课时可能的矛盾或不足，本课程还将所有实践教学案例进行视频录像，同时将与实践案例相关的理论内容关键词以字幕的形式添加到录像中，便于学生随时翻看和熟悉。
　　三、考核方式的改进
　　工程教育理念下课程侧重点在于培养学生分析、解决实际工程问题的能力，因此“材料计算与模拟”课程的考核内容由原来的基本概念和基础操作的考核，转变为考核学生如何将实际工程问题分解为计算模拟问题、问题分解是否合理、如何利用计算服务器或超算中心进行计算并分析结果、如何将计算模拟结构与实际工程问题联系起来。在此基础上，该课程将考核方式由开卷笔试考核改为上机实践考核，并计划后续改为类似于课程设计的考核方式。现行上机实践考核中以工程实践中出现的问题为题目，适当引导并提出问题，由学生通过计算模拟作答;后续课程设计形式的考核中将以较为复杂的工程实践问题为主，重在考查学生利用理论计算模拟工具分析、计算、解决实际问题的完整流程。
　　在工程教育专业认证全面展开的背景下，注重培养学生提炼、分析和解决实际工程问题的能力，这对“材料计算与模拟”这一类型的专业课程的教学提出了很大的挑战。如何合理分配理论和实践教学的比例、保证实践教学案例的持续更新、切实培养学生的动手能力等问题还需要不断的教学探索和经验积累。
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　　作者简介：徐京城（1983—），男，山东潍坊人，助理研究员，博士，从事材料计算与模拟方向的教学和科研工作。
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