材料基因組計劃背景下的“材料計算與模擬”教學探索

徐京城

摘 要：在材料基因組計劃的大背景下，對“材料計算與模擬”課程進行教學改革是符合學科發展趨勢的必然舉措。本文以開展多年的“材料計算與模擬”課程教學實踐為例，針對學科大背景下的計算模擬實踐類課程教學特點進行探討，提出了一套實踐與理論相結合、偏重實踐教學的教學方式。

關鍵詞：材料基因組；“材料計算與模擬”；教學探索

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

本文旨在通過總結教學實踐中出現的問題與經驗，尋找不足，探索一套計算材料學理論和實踐相結合的有效教學模式。探索理論與實踐的有效結合，是計算材料學教學的必備，也是材料基因組計劃的背景需要。

一、“材料計算與模擬”課程特點

“材料計算與模擬”是面向材料科學與工程專業本科三年級學生開設的專業課程，教學內容主要包括計算材料學的基本概念和尺度分類、常用材料結構建模方法、分子動力學方法理論和實踐、密度泛函理論和實踐、蒙特·卡羅方法等。

具體來說，該課程具有以下特點。

（1）多學科交叉：該課程涉及的理論基礎知識融合材料學、物理、化學、統計學等學科知識，還包括生物、電子、機械等方面的知識。

（2）課程培養目標明確：該課程是在材料基因組計劃大背景下開設的，旨在培養具有材料基因組計劃視野、具備一定材料計算設計實踐能力的卓越工程師。

（3）實踐與理論相結合：類似課程均采用理論與實踐教學相結合的教學方式，但該課程更加偏向于實踐教學部分，在實踐教學中穿插講解基本理論知識。

（4） 課程覆蓋面廣：課程內容涉及經典分子動力學方法、密度泛函理論、蒙特·卡羅方法等多尺度計算模擬方法，可應用于納米材料、金屬材料、高分子材料、半導體材料等諸多領域。

二、實踐與理論相結合的教學方式

長期以來，涉及計算機應用的課程均采用理論與實踐相結合的教學方式，通常的做法是先講授基礎理論知識，然后再進行上機實踐練習，以理論教學為主，以實踐練習為輔。此教學方式的不足之處在于現有材料計算模擬軟件實際應用操作與其內在基礎理論知識有一定程度的脫節，更像是“黑匣子”，學生在實踐過程中難以運用理論知識解決實際問題。該課程在教學過程中，更側重于實踐教學環節，同時引入慕課等新的教學模式作為補充。

（1） 以實踐教學為主，以理論教學為輔。該課程目標在于培養學生的材料計算模擬實踐動手能力，因此在教學內容的安排上側重于上機實踐課程。通過簡單案例的演示及實踐操作，使學生對材料計算模擬過程有一個大致了解，針對實踐過程中各個操作部分涉及的基本原理知識進行講解，并對整個知識點進行串聯梳理。學生對整個計算過程熟悉后，教師再不斷增大案例難度和理論深度。整個教學過程的重點在于讓學生熟練掌握現有材料計算模擬軟件平臺的使用方法，理解操作背后的基本原理。

（2）不斷更新豐富教學實踐案例。目前“材料計算與模擬”領域的基礎理論基本已經定型，應用分子動力學、密度泛函理論等基本理論的實踐案例也有很多。本課程的實踐教學不再以固定案例作為教材，而是根據最新材料對計算文獻不斷地進行更新，保證實踐教學案例的先進性和實用性，同時補充當前材料基因組計劃涉及的知識點，做到實踐教學的與時俱進。

（3） 引入慕課作為課堂教學的補充。在材料計算與模擬教學過程中，不同學生的理解力不同。慕課的引入可使學生根據各自的學習程度進行課后學習，便于學生掌握理論知識點和實踐操作。

總之，在材料基因組計劃的教學背景下，培養和強化學生在材料計算與模擬方面的實踐動手能力是大勢所趨。調整理論和實踐教學內容比例，不斷豐富實踐案例，引入慕課等新教學模式，都有利于提高“材料計算與模擬”課程的教學質量。在材料基因組大背景下，“材料計算與模擬”課程的教學改革仍處于探索階段，需要長時間不斷加以改進，積累經驗。但我們相信，堅持以人為本，將實踐應用作為最終目標，堅持改進教學環節中的每個細節，提升“材料計算與模擬”課程的教學效果。

參考文獻：

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