材料基因组计划背景下的“材料计算与模拟”教学探索

徐京城

摘 要：在材料基因组计划的大背景下，对“材料计算与模拟”课程进行教学改革是符合学科发展趋势的必然举措。本文以开展多年的“材料计算与模拟”课程教学实践为例，针对学科大背景下的计算模拟实践类课程教学特点进行探讨，提出了一套实践与理论相结合、偏重实践教学的教学方式。

关键词：材料基因组；“材料计算与模拟”；教学探索

中图分类号：G642.0 文献标识码：A

本文旨在通过总结教学实践中出现的问题与经验，寻找不足，探索一套计算材料学理论和实践相结合的有效教学模式。探索理论与实践的有效结合，是计算材料学教学的必备，也是材料基因组计划的背景需要。

一、“材料计算与模拟”课程特点

“材料计算与模拟”是面向材料科学与工程专业本科三年级学生开设的专业课程，教学内容主要包括计算材料学的基本概念和尺度分类、常用材料结构建模方法、分子动力学方法理论和实践、密度泛函理论和实践、蒙特·卡罗方法等。

具体来说，该课程具有以下特点。

（1）多学科交叉：该课程涉及的理论基础知识融合材料学、物理、化学、统计学等学科知识，还包括生物、电子、机械等方面的知识。

（2）课程培养目标明确：该课程是在材料基因组计划大背景下开设的，旨在培养具有材料基因组计划视野、具备一定材料计算设计实践能力的卓越工程师。

（3）实践与理论相结合：类似课程均采用理论与实践教学相结合的教学方式，但该课程更加偏向于实践教学部分，在实践教学中穿插讲解基本理论知识。

（4） 课程覆盖面广：课程内容涉及经典分子动力学方法、密度泛函理论、蒙特·卡罗方法等多尺度计算模拟方法，可应用于纳米材料、金属材料、高分子材料、半导体材料等诸多领域。

二、实践与理论相结合的教学方式

长期以来，涉及计算机应用的课程均采用理论与实践相结合的教学方式，通常的做法是先讲授基础理论知识，然后再进行上机实践练习，以理论教学为主，以实践练习为辅。此教学方式的不足之处在于现有材料计算模拟软件实际应用操作与其内在基础理论知识有一定程度的脱节，更像是“黑匣子”，学生在实践过程中难以运用理论知识解决实际问题。该课程在教学过程中，更侧重于实践教学环节，同时引入慕课等新的教学模式作为补充。

（1） 以实践教学为主，以理论教学为辅。该课程目标在于培养学生的材料计算模拟实践动手能力，因此在教学内容的安排上侧重于上机实践课程。通过简单案例的演示及实践操作，使学生对材料计算模拟过程有一个大致了解，针对实践过程中各个操作部分涉及的基本原理知识进行讲解，并对整个知识点进行串联梳理。学生对整个计算过程熟悉后，教师再不断增大案例难度和理论深度。整个教学过程的重点在于让学生熟练掌握现有材料计算模拟软件平台的使用方法，理解操作背后的基本原理。

（2）不断更新丰富教学实践案例。目前“材料计算与模拟”领域的基础理论基本已经定型，应用分子动力学、密度泛函理论等基本理论的实践案例也有很多。本课程的实践教学不再以固定案例作为教材，而是根据最新材料对计算文献不断地进行更新，保证实践教学案例的先进性和实用性，同时补充当前材料基因组计划涉及的知识点，做到实践教学的与时俱进。

（3） 引入慕课作为课堂教学的补充。在材料计算与模拟教学过程中，不同学生的理解力不同。慕课的引入可使学生根据各自的学习程度进行课后学习，便于学生掌握理论知识点和实践操作。

总之，在材料基因组计划的教学背景下，培养和强化学生在材料计算与模拟方面的实践动手能力是大势所趋。调整理论和实践教学内容比例，不断丰富实践案例，引入慕课等新教学模式，都有利于提高“材料计算与模拟”课程的教学质量。在材料基因组大背景下，“材料计算与模拟”课程的教学改革仍处于探索阶段，需要长时间不断加以改进，积累经验。但我们相信，坚持以人为本，将实践应用作为最终目标，坚持改进教学环节中的每个细节，提升“材料计算与模拟”课程的教学效果。

参考文献：

[1]赵继成.材料基因组计划简介[J]. 自然杂志，2014，36（2）：89-104.

[2]孙英隽.慕课背景下高校教学模式的新问题探讨[J].上海理工大学学报（社会科学版），2015，37（3）： 260-264.