基于OBE教育理念的《計算材料學》創新教育模式探索*

劉翠霞，呂志剛，馬志軍

(西安工業大學，陜西 西安 710021)

《計算材料學》[1]是一門采用計算科學研究材料科學內容的新興交叉學科，可以設計材料的組成和結構，預測材料的性能，并解釋材料內部變化的機理。《計算材料學》涉及的學科較多，包括材料學科、數學學科、物理學科、化學學科和計算機學科等。《計算材料學》可以有效地將材料科學中的理論知識與實驗過程有機聯系在一起，因此對《計算材料學》教學模式的探索，可以培養學生理論聯系實際的能力，挖掘材料內部機理，為科研道路奠定基礎。

1 《計算材料學》的教學現狀

《計算材料學》課程具有學科跨度大、理論知識深、操作能力強的特點，在《計算材料學》課程授課過程中，出現如下問題：①缺乏《計算材料學》優質的教學資源。②授課方法過于局限，學生興趣不高，課堂效果不好，只是課堂的講授很難讓學生理解《計算材料學》的精髓；③短時間內學生接受困難，因為《計算材料學》囊括多學科理論知識，概括性及動手性都較強。需要學生對知識消化吸收并運用。 ④《計算材料學》實踐條件的欠缺很難保證教學效果。針對《計算材料學》教學過程中遇到的問題，根據多年教學經驗和方法，結合此課程的具體問題，提出一系列的改革措施。

1.1 《計算材料學》的改革措施和方法

在《計算材料學》的教學改革中，運用了基于學習產出的教育模式(Outcomes-based Education，縮寫為OBE)，其中心思想是基于產出推出的教育模式，根據目標確定學習的內容和學習方法，單刀直入，切中要害，時間短，卻能把最精髓的內容學會。在OBE的教育模式下，學生很快就能將學到的知識運用，體會到成功。相比于從最基礎的學起，更能激發學生學習的熱情[2-3]。因此，本文結合學生學完《計算材料學》的應用情況，采用OBE的教學教育模式，對整個課程進行了建設。目前，已經初步嘗試對此課程進行了OBE教育模式的探索，取得了一定的效果。

2 《計算材料學》的改革內容

在OBE教學模式的理論指導下，以產出為導向[4]，結合《計算材料學》的教學實際，對教學內容進一步優化，采用先進的教學手段，改進教學方法，開發新的考核模式，提高《計算材料學》的教學質量。

2.1 優化教學內容

在OBE的教育理念下，根據學生將要參與課題的目標，優化教學內容。常用的《計算材料學》研究方法包括第一性原理、量子化學理論、分子動力學、蒙特卡洛、元胞自動機、相場法、有限元等[5]。如果按照方法進行講授，會讓學生感覺零散沒有章法可循，勢必會對《計算材料學》產生很亂很雜的感覺。因此我們在教學內容上首先進行優化。根據各研究方法特點及教學實際情況，按照尺度進行分類，包括納觀尺度、微觀尺度、宏觀尺度三個尺度，在這三種尺度中，各選擇一個具有代表性的模塊開展教學。通過這種分類，可以將教學內容分模塊進行，并將相關方法融入其中進行教學。學生會由原來的一頭霧水到現在有模塊可以抓，會感覺有目標了，學習自然會更有效果。

在講授納觀尺度時可以融入兩個方法，如第一性原理計算方法和量子化學計算方法。其中第一性原理方法具有代表性，在此方法中，基本不需要經驗參數，根據物質本征的物理常數，可以計算出物質基態的基本性質，具有較深遠的物理意義。由于不需要輸入經驗參數，只需要輸入原子構型，確定目標任務，設置計算精度，得到的結構卻與實際較接近，因此此理論受到人們的極大關注。學習納觀尺度的知識后，學生掌握了原子電子尺度的微觀機理，可以根據自己的專業方向進行練習。

在講授微觀尺度時可以融入分子動力學，蒙特卡洛模擬，元胞自動機等方法，分子動力學可以處理的原子數遠遠大于第一性原理。它的主要依據來源于牛頓力學，主要是抽取一些典型分子作為樣本，對其運動狀態進行模擬。這其中代表性分子的尋找就非常關鍵，可以采用蒙特卡洛方法尋找這些具有代表性的分子，蒙特卡洛方法主要是采用一定規則的隨機數，進行蒙特卡洛積分，確定典型分子體系。對于那些由于計算過于復雜而難以得到解析解或者根本沒有解析解的問題，蒙特卡羅模擬是一種有效的求出數值解的方法。通過學習這其中的一種方法，學生可以了解微觀尺度的材料內部反應的機理，從而根據自己課題組的具體問題選擇具體方法。

在講授宏觀尺度時可以融入相場法、有限元分析等[6]。相場法主要的物理基礎是Ginzburg-Landau理論，通過建立具有特定物理機制的擴散、有序化勢和熱力學驅動等微分方程，隨后采用編程求解微分方程，獲得整個體系的某一時刻某一空間的瞬時狀態。有限元方法在求解時，一般采用對整個問題區域進行分解，把每個子區域都簡化成一個獨立的單元(三角形、四邊形、六邊形)，這些微小單元采用節點進行連接，每個單元被設置成相應的性質，描述變形狀態和過程，可以通過不同單元的性質將整個工程結構的性質整合在一起，從而得到整個工程結構的性質。

2.2 改進教學方法與教學手段

(1)理論和實驗一體化

《計算材料學》課程實踐性很強，將理論與材料研究中的問題相聯系，對于材料中的某一問題，采用激發學生興趣的方法，提出多種方法，讓學生從中選出最適合的一種或幾種，對這一問題進行計算分析，在此基礎上，推演其他規律和機理，就具有正確性。在教學過程中，將學生視為主題，材料研究作為目標，針對這一目標，展開方法的選擇和實踐，教師在其中起到引導的作用，真正做到教和學同步進行。學生真正體會到融入課堂的樂趣，教學效果較好。

(2)團隊協作法

團隊協作是保證科研繼續進行的基本條件，培養學生良好的團隊協作能力非常重要，學生根據自己的研究方向，自行尋找組員，可以三個或四個同學一組，可以是一個尺度的學習，也可以是跨尺度的學習，但要結合在一起，體現團隊協作能力。

(3)實驗項目驅動法

學生根據自己的分組情況，確定學習內容和方向，選擇合適的軟件入手，以軟件為載體，進行學習。學生根據具體實驗項目為主線，展開軟件和內容的分析，學生在實驗過程中需要建立結構模型、設置任務參數、分析結果數據。教師根據學生的實驗項目內容，分析其深度和廣度，列出提綱，給學生指引方向，項目驅動法教學體現在OBE教學模式，激發了學生學習的熱情。

(4)開展研究性教學

《計算材料學》的主要教學對象是研究生，開展從實驗項目入手的研究性教學，將理論與實際緊密結合在一起，通過分析和學習材料研究中的具體問題，引導學生應用《計算材料學》方法分析解決問題。

(5)采用翻轉課堂

學生確定好組員和內容后，展開對軟件的學習，帶著問題來上課，進行翻轉式授課，主要以討論及操作為主，學生在教師的正確引導下，一邊討論，一邊學習。教師隨時關注學生的講解并對難點進行講授。這樣只要一組同學研究了某問題，共享后，全班同學都理解了此問題，起到事半功倍的效果[7]。

(6)創新考核方式

《計算材料學》課程需要實踐操作，需要學生在實踐中分析理論知識。單純的課堂試卷不能體現學生的真實水平，因此創新考核方式[8]，探索最能體現學生能力的方式，采用翻轉課堂進行討論式教學，總分100分，課堂講授30%，制作ppt水平10%、討論課參與度占20%，團隊協作能力占10%，考試占30%。

3 《計算材料學》的改革特色

在傳統的《計算材料學》教學過程中，學生在課后完成相應的練習題，雖然學生掌握了對應的公式，但讓學生感覺枯燥，學習興趣不高。因此，在OBE的教育模式下[9]，制定目標，授之以魚，還得授之以漁，讓學生看到魚在哪里，在目標導向的作用下學會追本溯源，根據上面的改革內容及方法，讓學生以某一計算案例為任務，依托某一軟件，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學生創造的思維和方法。

4 《計算材料學》的改革效果

在具體授課過程中，確定組數和組內人數，每組人數控制在5人以內，組員根據自己的課題方向或者感興趣的內容，確定自己的任務和使用的軟件，組內成員每人要有側重點，可以利用一個軟件解決所有問題，也可以用不同軟件，但必須體現團結協作。圖1是翻轉課堂中部分學生的講課圖，制作了ppt，并進行細致講解，有的組是一個一個組員講，有的組是兩個人一起上去講，風格多樣，不僅體現了學生掌握《計算材料學》的相關知識，也體現在學生制作ppt、講解內容、團結協作等方面的能力。真正學到了這門課的內容。對于每個學生的講解，其他學生積極發言提問，教師在中間起到協調和引導的作用，將知識引導更寬廣的方向，學生普遍反應在這門課上學到了知識。

圖1 學生上課講解實例

5 結 語

采用OBE教學模式對《計算材料學》進行創新改革，以產出為導向，結合教學實際，對教學內容進行優化，對教學方法和教學手段進行改革，對課程考核方式進行創新，調動起學生的積極性，讓《計算材料學》這門十分抽象、理論性極強的課程變成有興趣、愿意去創新的課程。學生反應在這門課程的學習中不僅學到了深入理解了計算材料學的基本知識，還鍛煉的制作ppt、獨立講解及團隊協作的能力，因此，計算材料學的課程改革具有一定的示范作用，可以在同類型課程中進行推廣。