《計算材料學》課程的翻轉課堂教學改革與實踐

甘祥來，周耐根，杜國平

（南昌大學 材料科學與工程學院，江西 南昌）

一 引言

計算材料學是近三四十年誕生的一門交叉學科，它是基于物理學、材料科學、化學等學科的相關理論，利用高效的數值計算方法，借助高速的現代計算機，對材料結構性能關系進行研究并指導材料設計研發的一門前沿學科。采用計算材料學中的方法，可對材料進行多尺度（不同的空間尺度和時間尺度）模擬研究，深入揭示材料的結構性能關系，因此，計算材料學中建立的方法成為材料研發的一種強有力手段。隨著科技的發展，對材料的性能和研發速度提出了越來越高的要求，希望用更短的時間開發出性能更為優異的材料，然而傳統“炒菜式”的材料研發方法很難滿足這種現實需求。2011年美國總統奧巴馬宣布啟動一項名為“材料基因組計劃”的項目，其中的一個核心內容就是利用現代材料計算技術助力新材料的研發。隨后，包括中國在內的多個國家相繼設立了類似的項目來提升其材料研發能力，這些項目的設立更加突顯了計算材料學在新材料研發中的重要作用?！队嬎悴牧蠈W》課程是在計算材料學學科背景下，為本科生或研究生開設的一門重要課程，旨在讓學生掌握現代材料計算原理、方法和技術，培養復合型材料研究人才。然而，由于《計算材料學》課程橫跨學科多、涵蓋知識廣、理論實踐并重等特點，給教學帶來了很大的難度，很多高校反映該課程的教學效果不佳。對于不同高校，導致《計算材料學》課程教學效果不佳的原因有差別，但是仔細分析發現主要原因有三點：其一，由于該課程涉及的學科多知識廣，學生普遍存在畏難心里，一個直接表現就是在科研訓練和本科畢業論文選題時很少人選擇與材料計算相關的研究課題；其二，傳統課堂偏重理論的教學模式不太適合《計算材料學》這種對理論和實踐要求都很高的課程；其三，該課程教學內容較多，在教學大綱規定的課時內很難進行系統深入講解，更別說在課堂安排實踐教學內容。

為提高《計算材料學》這門課的教學效果，多所高校的一線教學老師針對他們所在學校的實際情況提出了多種教學改革措施并進行了教改實踐[1-4]。針對課程重視度不夠、教學內容和教學方式不合理、師資力量欠缺的問題，陳逸凡等人提出增加學分比重和課時，合理制定教學內容和方法，加大教師專業素質培養力度等教改措施[1]。湛永鐘提出在授課過程中通過融入學科發展歷史來提高學生的興趣[2]。結合教學實際，沈洪濤等人提出優化教學內容、改進教學方法、推行研究性教學等教改方式[3]。在綜合分析導致《計算材料學》這門課程教學效果不佳的三個主要原因和我校的具體情況后，我們教學團隊提出翻轉課堂的教改方案。翻轉課堂教學法是將傳統課堂上的常規教學內容錄制成視頻上傳到云端，學生根據自身的基礎和學習習慣在課外時間自主學習視頻內容，同時，老師收集整理各種相關資源放在網上供學生拓展學習；課堂上，教師進行答疑并組織學生開展各種研討和合作式的實踐學習活動，引導學生應用所學知識解決問題，提高認知水平[5]。選擇翻轉課堂這種教學模式作為教改方案原因如下，首先，傳統課堂的常規教學內容錄制成教學視頻有利于學生利用課余時間靈活學習，解決了課時緊張的問題，也避免了傳統課堂無法重聽的缺點；其次，利用翻轉課堂教學模式老師有比較充足的時間在課堂組織答疑，也有較多的時間安排實踐教學活動；再次，本教學團隊的成員長期利用計算材料學的方法開展研究工作，具有豐富的實踐經驗，可為翻轉課堂上學生的實踐活動提供全方位多層級的指導，而且學院購置了筆記本電腦和計算服務器，可為實踐教學活動提供硬件支持。翻轉課堂教學模式解決了《計算材料學》課程在采用傳統課堂教學時所遇到的理論和實踐無法兼顧、課時緊張這兩大難題，利用翻轉課堂教學模式對《計算材料學》課程進行教學改革有望較大幅度地提高教學效果。

二 翻轉課堂教學模式及組織實施

翻轉課堂教學模式存在多方面的優點，但是在運用時能否發揮其優勢達到良好的教學效果則取決于整個教學過程中各環節的設計和實施情況[6]。錄制高質量的教學視頻是翻轉課堂教學模式取得良好教學效果的先決條件?！队嬎悴牧蠈W》課程涉及的計算模擬方法較多，包括分子動力學、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，針對課程的這些特點，制定以下視頻內容設計原則：專題教學、精簡理論、建立框架、以計算流程為主線展開教學內容。按照該原則設計視頻教學內容，學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，學生可以靈活安排時間進行自主學習。針對視頻教學內容設定一些鞏固練習，檢驗學生的學習效果。

翻轉課堂的組織是決定教改成效的關鍵環節，視頻教學側重的是理論部分，而《計算材料學》是一門理論和實踐并重的課程，特別是多年的教學科研經歷使我們意識到很多學生因為缺少模擬實踐的訓練即使理論扎實也很難靈活開展模擬實驗，因此，本次教改將注重培養實踐能力確定為翻轉課堂內容設計和課堂組織的指導思想。從通過翻轉課堂鞏固視頻教學內容、提高學生分析解決問題的實踐能力這個落腳點出發，確立了以視頻教學內容答疑、建模和數據處理程序設計、模擬實驗方案設計及軟件操作三方面作為翻轉課堂的主要內容。具體實施時，以問題式教學的方式組織學生分組開展實踐活動，這不僅能鍛煉學生的實踐能力，也有利于提高學生的自主學習能力、溝通交流能力和團隊協作能力。

翻轉課堂上，首先收集學生觀看教學視頻后存留的問題并逐一進行解答，通過答疑幫助學生掃清學習道路上的理論障礙，為組織實踐教學夯實基礎；根據學生的問題老師也能更準確地把握教學難點，下一輪教學能做到更有針對性。建模和數據處理程序設計部分主要是為培養學生的程序編寫能力而設計的，程序編寫能力是進行材料計算模擬研究人員的一項基本能力，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建和數據處理方面的個性化需求。目前，很多利用計算材料學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，普遍采用一些免費或收費的軟件進行模型構建和模擬數據的后處理分析，這使他們在面對一些現有軟件無法處理的問題時一籌莫展，研究工作也往往因此而停滯不前。大學的使命不是培訓操作工人，而是培養具有獨立思維和解決復雜問題能力的綜合性人才。在課程的學習過程中培養學生自己動手編程解決問題的意識和能力非常重要，為此，翻轉課堂上設計一些難度適中的模型構建問題和數據處理問題讓學生分組進行編程解決。如讓學生編程構建高熵合金樣品模型、石墨烯樣品模型、鈣鈦礦樣品模型等，這些問題既與所學知識緊密聯系又能反映當前材料研究的前沿，對于提高學生運用知識的能力和學習興趣非常重要。根據老師提出的問題，學生通過組內討論或文獻查閱的方式確定解決思路并協作完成程序編寫，整個問題的解決需要學生調用多方面的知識和能力。以石墨烯樣品的構建為例，學生需要通過文獻查閱弄清楚石墨烯的結構和晶胞參數，利用晶體結構的基礎知識確定石墨烯的單胞并計算出屬于該單胞的原子的坐標，在編程構建模型時要考慮如何滿足周期性邊界條件。通過這些建模實踐，學生能領會到建模的核心要點，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”，以后如果要構建更復雜的模型他們也不會感到無從下手。問題解決后，各組需要制作PPT匯報其解決思路并呈現所構建的模型。老師根據其匯報結果和過程表現進行點評，指出他們在解決問題時出現的一些錯誤，進一步教授他們編程建模的一般性原則、方法和思維方式，并強化他們編程解決問題的意識。這種編程意識和思維方式才是我們真正希望學生通過編程實踐獲得的東西。

模擬實驗方案設計及軟件操作部分主要是培養學生設計模擬實驗和操作模擬工具的能力，對從事材料計算的研究人員而言，方案設計能力是其靈魂，而軟件操作能力則是其那雙“靈巧的手”，這兩種能力的培養對于塑造能獨立、靈活開展模擬實驗的學生至關重要。利用計算模擬方法進行材料研究，首先，需要根據所研究問題的本質特點選擇合適的模擬方法并制定科學的模擬方案，然后利用相關軟件開展模擬。而模擬方法的恰當選擇和模擬方案的科學設計又是建立在研究人員對各種模擬方法的深入了解和對所研究問題細致分析的基礎上。不合理的模擬方案直接導致錯誤的模擬結果，這種錯誤結果不僅沒法讓科研人員獲取到有價值的信息，很多時候還會把他們引向錯誤的方向，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的形式考查了學生的模擬方案設計能力。結果表明，由于缺乏實踐鍛煉，學生很難設計出科學合理的模擬方案。因此，在翻轉課堂，將結合學生的興趣選擇一些經典的材料問題組織學生對模擬實驗進行分組設計并利用相關軟件開展模擬，以提高學生模擬方案的設計能力和模擬軟件的操作能力。如讓學生設計模擬實驗計算鐵的熔點、點缺陷形成能、生長速率等，這些材料問題是學生所熟知的，實驗的模擬方案設計難度適中，是翻轉課堂實踐教學內容的較好選材。以計算鐵熔點模擬實驗的方案設計為例，學生首先需要確定所采用的模擬方法（如分子動力學模擬方法）；其次，需要根據已掌握的知識或通過文獻查閱提出熔點計算方法（如固液共存法）并從原理上對其合理性和計算精度進行評估；再次，根據熔點計算方法設計模擬方案，包括鐵原子間相互作用勢函數的選擇，鐵樣品初始模型的尺寸設定和構建，邊界條件的設置及模擬系綜的選擇，模擬流程的設計等；最后，按照設計的模擬方案利用分子動力學模擬軟件LAMMPS進行模擬，并根據模擬結果計算鐵的熔點。一個模擬實驗完整方案的設計實施對于學生深入理解模擬方法和整個模擬流程意義重大，在模擬方案的設計實施過程中知識不再是頭腦中空洞的公式和符號，而成了解決實際問題的有力武器，很多抽象的概念也變得具體可感，對于學生而言模擬方案設計無疑是一個很好的知識應用場景。任務完成后，各小組撰寫PPT報告匯報其所設計的模擬方案及模擬結果。在整個實踐活動過程中，老師只提出問題，提供咨詢，點評過程和結果；針對模擬方案和模擬結果存在問題的小組，帶領其成員分析原因并指導他們修正方案。這種全過程參與并能得到及時反饋和指導的實踐活動是學生掌握計算材料學不同模擬方法的最佳途徑，這種實踐活動也能最大限度地發揮老師的作用，不僅教授學生知識也將長期模擬實踐過程中積累下來的豐富經驗傳授給他們。對于那些提前完成的小組，根據其意愿可以適當增加任務，也鼓勵他們根據自己的興趣愛好自設問題開展探究性的實踐研究活動，在這個過程中老師對其進行指導，因此，實踐活動階段也更有利于開展個性化教學，實現因材施教，讓每個學生盡可能得到充分發展。

綜合來看，這種問題式實踐教學方式既能提高學生的學習興趣，培養學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作能力。本次教改是基于我院《計算材料學》課程教學團隊多年的教學實踐和材料計算模擬實踐提出的，全生參與、多維度訓練、系統化培養是本次教學改革的顯著特點，對于提高教學質量、促進學生發展非常重要，這種教改模式也是材料計算人才培養的科學路子。

三 翻轉課堂教學改革的實施效果

針對《計算材料學》這門課程傳統課堂教學效果不佳這一現狀，我們教學團隊引入翻轉課堂教學模式對其進行教學改革，有效克服了傳統課堂課時緊張、理論和實踐無法兼顧等不足，突出了學生在學習過程中的中心地位，充分發揮了老師在教學活動中的能動作用。在設計視頻教學內容時提出了專題教學、精簡理論、建立框架、以計算流程為主線展開教學內容的指導原則，設計翻轉課堂內容時確立了注重實踐能力培養的指導思想及問題式教學和學生分組實踐的實施策略。課程結束后，我們對學生進行了隨機訪談和問卷調查，以了解學生對教改效果的客觀評價。教改實踐表明，翻轉課堂中安排的實踐活動一方面大大提高了學生的學習興趣，拓寬了學生的知識面，也深化了學生對知識的理解，提高了學生設計模擬實驗方案和應用模擬工具的能力，此外，學生的自主學習能力、溝通交流能力和團隊協作能力也有較大提高。通過翻轉課堂，老師更好地實現了因材施教，促進了學生的個性化發展?？偟膩碇v，教改取得了較好的成效。今后，我們將總結經驗，繼續優化教改方案，進一步提升《計算材料學》課程的教學效果，為材料計算人才的培養貢獻自己的力量。