“材料先進計算”力學本研一體課程建設探索與實踐

［摘 要］ 本研一體專業課建設是深化人才供給側改革的關鍵任務，是深化本研貫通培養體系建設的重要組成。因此，以“材料先進計算”課程為依托，基于其建設過程中的成果和經驗，探討了如何以培養跨學科、跨專業的素養與能力為目標進行課程建設，同時，分析了在理工類專業課中進行有效思政建設的具體途徑與方法，以期為同類型力學專業課的本研一體化改革提供參考和借鑒。

［關鍵詞］ 本研一體；跨專業跨學科；創新型人才；課程建設；思政元素

［基金項目］ 2023年度北京交通大學校級教改項目“‘材料先進計算’專業核心課程建設”

［作者簡介］ 湯笑之（1985—），男，遼寧沈陽人，博士，北京交通大學物理科學與工程學院副教授，碩士生導師，主要從事新型材料強度韌性的微觀機理研究；郭雅芳（1969—），女，湖南湘潭人，博士，北京交通大學物理科學與工程學院教授，博士生導師，主要從事新型材料的強度韌性微觀機理研究；山美娟（1991—），女，陜西西安人，博士，北京交通大學物理科學與工程學院講師，碩士生導師，主要從事先進復合材料和結構的失效機理及強度分析方法研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）28-0005-05 ［收稿日期］ 2023-06-17

引言

2020年9月，國務院學位委員會辦公室發布的《研究生核心課程指南》為力學專業制定了10門研究生核心課程，包括“連續介質力學”“計算力學”“高等固體力學”等。這些課程夯實了研究生教育的基礎。面對日新月異的科研環境，研究生課程與前沿科研課題的銜接成為日趨重要的問題。對于如何在一線科研活動中發揮力學基礎知識的作用，學生需要有更加清晰明確的了解。中國科學院院士、中國學位與研究生教育學會會長楊衛等［1］指出：我國研究生教育面臨挑戰，如何把“政產學研用”交織形成一個有效的螺旋體是目前非常關鍵的問題。另外，2018年9月，教育部發布的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》提出，要建設高水平本科教育，提高專業建設質量，適應新時代對人才的多樣化需求。在本科階段強化科研育人功能成為當前高等教育的大背景、大趨勢［2］。值得注意的是，在研究型大學中，本科生升學具有逐年普及的趨勢，因此，探索建構本研一體的人才培養體系逐漸成為國內許多大學的重要任務之一。本研一體培養體系要求高校在課程開設與建設上放開思路、大膽創新，協同推進研究生和本科生教育改革，探索與時俱進的學術型人才培養模式［3］。

“材料先進計算”是北京交通大學物理科學與工程學院新開設的一門專業課，其前身是“多尺度計算方法”研究生課程。這門課程著眼于在實際科研問題的解決中探討力學、物理、化學、數學等不同學科之間基礎知識的融匯。建設這門課程有兩個目的：一是將課上的專業知識與平日科研活動中的具體課題緊密聯結，幫助研究生更快地掌握科研工具，更順利地進入科學研究當中；二是在本研一體培養模式下，幫助本科生了解基礎知識的應用途徑、理解不同學科知識之間的聯系，使他們獲得完整且細致的“通識教育+專業教育”。所以，本文以“材料先進計算”課程的建設為例，探討了基于以上兩個目標的本研一體課程建設方法與途徑，分析了如何在力學專業學科的本碩博貫通人才培養體系中實踐科研育人理念、強化通識教育、注重交叉通融、聯系理論實際，并且將理論與實踐相結合，分析了此類專業課程的思政建設方式。

一、課程建設的必要性與課程屬性

在高等教育改革的大背景下，人才培養質量是重要的議題。很多高校都在探索并施行本研一體或本研貫通的培養模式。這一模式的特點是遴選出有志于學術研究的學生，打通本、碩、博三個培養階段，依托獨立學院或者優勢專業，進行創新型、復合型、應用型人才培養［4］。這一模式支持學生早進課題、早進團隊，以研究促教學，以教學育研究，走精英化的培養之路。2020年，北京交通大學召開新工科建設研討會指出，如今新一輪科技革命和產業變革加速演進，我們的教育也隨之處在取得關鍵突破的歷史關口，本碩博貫通的培養方案以及本研貫通的課程體系等的落地實施對于北京交通大學的“四通模式”人才培養體系的建設至關重要。為了實現這一目標，本研一體模式下的課程應具備傳統專業課并不顯著具備的幾個突出特點：（1）支持專業知識的交叉滲透，幫助學生在已學不同學科的基礎知識之間建立聯結；（2）闡明這些基礎知識在解決實際科研問題時的應用方式，幫助學生從收獲式被動學習模式過渡到探索式主動學習模式。具備上述特點課程的設立，是對傳統專業的升級和改造，更是保證“高峰”“高原”拔尖人才的有效培養［5］。為此，我們對“材料先進計算”課程做了如下規劃。

首先，“材料先進計算”課程將囊括四部分精心設計的內容。這四部分內容分別是：固體力學中偏微分方程、原子分子模擬方法、介觀宏觀模擬方法、時間空間多尺度模擬技術，涉及數值計算方法、金屬物理學、熱力學與統計物理等多門學科基礎知識。這樣的安排打破了傳統學科之間長期存在的束縛和限制。學生在學習的過程中，會了解到已學過的諸多基礎專業知識是如何在具體科研活動中相互結合的。在如今的科研活動中，多學科交叉與前沿學術研究緊密聯系，多學科融合與滲透是保證科研活動正常進行的前提，所以，要想圍繞力學專業進行本研一體培養模式的建設，教學內容安排必然指向多學科融合課程的設立?！安牧舷冗M計算”課程中的多學科、跨學科融合見圖1。

其次，“材料先進計算”課程四部分內容中所針對的具體講授對象包括：第一性原理計算、分子動力學模擬、蒙特卡洛模擬、動力學蒙特卡洛方法、位錯動力學、有限元計算模擬、元動力學、超動力學、原子-有限元方法、“準連續”方法等目前先進的計算模擬技術。針對這些具體講授對象，““材料先進計算”課除了要對各技術的理論基礎做詳細介紹以外，還將輔以介紹對應的軟件或代碼應用技巧，以及腳本的編寫指南等實際操作涉及的內容（見圖2）。這些屬于實踐操作部分，可以達到以科研帶動教學的目的。無論是研究生階段還是本科生階段的學生，都可以在一個個小而具體的科學問題解決過程中，體會到學科知識的融合與知識邊界的拓展，切身體會到舊的知識如何催生出新的知識。希望這個過程可以真正地將被動式學習轉化為探索式學習，讓學生可以更加深刻地記住課堂上的基礎知識，將抽象的書面信息在腦海中替代為現實世界的具體現象及規律。如此一來，不僅研究生階段的學生在面對更大的科研課題時會發現自己真正掌握了更多的工具，變得更有信心，而且本科生階段的學生也會對理論知識與實際問題的聯結方式有更深的體會，會更早更快地適應未來將要從事的科研活動。所以，“材料先進計算”課程內容安排將兼顧知識和能力的縱橫雙向發展，幫助學生的專業知識技能實現由通到專的順利過渡。這樣的教學效果是“材料先進計算”課程將要實現的重要任務。

“材料先進計算”課程屬性雖然是專業選修課，但是承載了許多新時代教育培養體系的關鍵任務。從本科生階段到研究生階段，從專業傳統基礎到學科交叉共融，從書本抽象概念到實踐具體經驗，它具備牽一發而動全身的培養邏輯主線。同時，在需要古老的力學學科為新時代力學專業建設提供動力的背景下，類似“材料先進計算”這樣的新型課程的設立是保證學科充滿活力、契合專業改革需求、促進高等教育現代化、支撐高素質實用型人才培養的前提條件與必經之路。

二、課程建設面臨的問題與解決思路及實踐

“材料先進計算”課程雖然前身是“多尺度算法”，但是必須脫胎于“多尺度算法”，著力于跨學科基礎知識的融會貫通，而非單純地、獨立地羅列性講授若干算法。并且，這門課的講授要服務于本研一體教學培養體系，著重于基礎知識之間聯系的通俗易懂、條理清晰，不能讓大量的跨學科講授使得本科生有畏難情緒，同時，要精心選取適合的科研課題案例，既不會太大，使分析困難執行困難，也不會太小，難以調動學生的好奇心和積極性，最終目標是使研究生能夠體會到技術方法與實際問題之間的銜接。

對于基礎知識通會貫通的問題，我們的解決辦法是從具體計算模擬方法的角度梳理不同學科基礎知識之間的聯系，并將這些聯系作為講授時的邏輯脈絡。課程的講授仍然從科學史的角度、從回答科學問題的需求角度出發，通過上述脈絡，將不同的學科基礎知識串聯起來，將不同學科知識視為同一自然規律的不同視角解答，在合理的假設和簡化前提下對同一物理過程的“模型化”描述（見圖3）。以此避免僅講授方法而不注重背后學科知識聯系的問題，從而對本科生消化知識有強烈的啟發性，對研究生攻克難題有切實的可行性。

對于服務于本研一體教學培養體系的問題，我們的處理方式是為本科生和研究生設立不同的作業體系及考核模式。同時，對選課的研究生學生做科研背景調查，掌握他們目前在研課題的大致方向，以便有針對性地布置科研案例。由于本研一體教學培養體系的建立是一個長久但急迫的過程，課程教研組須與選課學生及培養體系中其他專業課授課教研組保持長期且頻繁的溝通交流，善用學生的反饋以完善課程目標的達成，善用專家同行們的建議以提高本課程在體系中的融合度。

除此之外，該課程面臨的細節問題包括：（1）由于課程涉及多個學科知識，會存在拿來就用公式及定理，無法充分詳細地解釋其來源的情況，這對于習慣了數學推導的學生較為難以適應；（2）對于多尺度方法的介紹和講解，很難做到不使用一些較為抽象的描述，這些描述對于習慣了做題解題、很少在不同學科之間進行宏觀比較的學生來說較難以理解，需要學生跳出單個學科的框架，從一定的高度上理解不同學科的“世界觀”；（3）不同計算模擬方法所用的代碼或程序都有各自獨特的運行方式及要求，如果顧及課時而設立簡單的問題，將參數固定化，容易變成較為形式化的課堂流程；但是若要細致地設定不同的參數，通過橫向對比說明參數的作用，那必然將花費很多課時在介紹及計算上，容易造成學生的分神。

在2022—2023學年的第二個學期，我們已經開始講授這門課，并依照上述規劃進行了實踐。對于前面所述的三個細節問題，分別嘗試了以下的解決思路：（1）雖然不可避免地省略了部分公式的推導過程，但是對于重要的、起到銜接作用的公式仍然盡量講透，把公式的來龍去脈和前提假設以及物理量的明確含義清晰地呈現出來。對于那些相對次要的公式，則讓學生當場手推量綱的正確性，以加強其記憶并促進他們對于物理量之間關系的思考。（2）在幻燈片演示中大量使用了貫穿多個學科共有知識點的對比和類比，從感性認識入手，逐步過渡到催生理性認識。同時，給予了適量的動畫和精簡的實例，盡量從學生已知的傳統計算模擬方法的實例中引申出共性問題，逐漸拔高他們對復雜問題、對模擬計算手段局限性的認知高度，幫助他們建立“學術世界觀”。（3）對于較為簡單的實例操作，我們借鑒了對分課堂的教學理念，要求學生當堂完成，并進行小組討論，然后全班交流；對于較為復雜的實例操作，我們借鑒了BOPPPS模式教學理念［6］，將實例的全部流程及數據結果分析作為Participatory Learning部分的內容，并將其一分為二，70%置于課下，30%置于課上。這樣既達到了系統訓練的目的，也達到了舉一反三、促進思考的目的，在有限的課時內盡量調動學生的能動性，增大他們的參與度。

這門課已經進行過一輪教學實踐，學生的反饋良好，表示這是第一次可以集中學習不同的計算模擬方法，以及它們背后的理論基礎及理論聯系，對于今后以及目前的科研活動、課題解決很有裨益。更重要地，這是他們第一次被觸發了較為高視角的思考，脫離了機械的認知和被動的學習，結合科技發展史認識到了人類對自然規律完美描述的無限逼近。但是，由于是第一次開課，學生也提出了許多可以改進的地方。

三、課程思政元素的規劃

通過對力學專業相關課程思政建設的詳細調研，我們發現有多所高校已積極開展針對既有傳統專業基礎課程的思政建設，涉及教學目標的調整、教學大綱的改進、教學內容的修訂等具體舉措。對于“材料先進計算”這門新開設的專業課來說，思政建設的便利之處在于沒有固有的和遺留的各方面限制，可以從一開始就將課程思政融入教學的具體實施當中，并且有著很多前人的經驗可以借鑒。另外，這門課的思政建設難點也存在于我們對這門課的期望，即技術細節很多，基礎知識的融合講解也很消耗課時。在保證教學質量和課時有限的前提下，要確保沒有生搬硬套和強行灌輸，是這門課思政建設亟須解決和克服的問題。

楊慶生等［7］指出，力學課程的教學與課程思政建設應相互支撐和相互促進，課程教學與課程思政可以協同建設并不斷深化。張柯等［8］指出，思政教學的目標可以涵蓋理想信念、家國情懷、學科素養和工匠精神，可以借助情景類比、熱點事件、歷史回溯和科學家故事等多種融入方式實現思政教育目標與專業教學內容的有機融合。金嘉暉等［9］指出，面向貫通式人才培養的立體化課程思政建設需要立體化的教學模式，通過層層遞進由點到面的方式與本研一體化的教學進行銜接。

充分吸收和汲取以上思政建設及其他力學專業相關思政建設的經驗，我們在“材料先進計算”課程思政建設中做了如下安排：（1）針對所講述的多種先進計算模擬技術，提煉與我國科學家或者華裔科學家有關的光輝事跡與杰出貢獻，在課堂講述中予以滲透，讓學生切身體會到前沿科技的發展與中華民族偉大復興是同一步調的，以切實增強民族自豪感與國家自信心。（2）通過將科研生活、人生歷練中的事例與很多普適的學術定理及規律做對比，潛移默化地幫助學生樹立正確的積極向上的世界觀、人生觀與價值觀，使學生抓住生活中事情的本質，不被現象所迷惑，做到舉一反三地處理生活和學習中的難題。（3）基于所講授內容聯系國家正在開展或者已經取得的重大項目和工程，使學生對自身的學習產生緊迫感和使命感，讓學生具有為國為家的抱負，以及勇攀時代高峰、在科研領域做弄潮兒的勇氣。

通過一學期的嘗試，我們在思政領域獲得了較為積極和成功的反饋。不少學生反映，這門課為他們打開了視野，拓寬了知識面，更激發了他們從事科學研究的積極性，增強了其獻身科研事業的信心。同時，我們在教學過程中及時地邀請學生對思政內容進行了反饋，教研組針對學生的反饋調整了思政教育的頻次、程度與內容，做到不斷深化、與時俱進。

結語

本文以“先進材料計算”課程為載體，提出了課程建設的思路。首先，通過精心選取先進的計算模擬方法，將多門基礎學科知識在講授中融會貫通，做到通過跨學科的專業培養模式為精尖人才的成長鋪路；其次，以細致安排的實例講解與操作為科研育人、探索式學習模式提供環境和動力，將理論與實踐有機結合，將通識教育與專業教育融為一體。這兩方面的構建會幫助“先進材料計算”課程成為本研一體培養模式下非常有用的一環。同時，更重要的是，本課程應用多種手段將思政教育作為課堂教學的靈魂、課程改革的指引，不斷地探索出一條適合本碩博貫通鏈條下專業課程思政建設的途徑?！跋冗M材料計算”這門新開課程已取得的成果和經驗，以及它未來的走向，都將為類似力學專業課程建設提供幫助和借鑒。

參考文獻

［1］楊衛，王孫禺，吳小林，等.改革工科研究生教育著力培養卓越工程師［J］.學位與研究生教育，2023（1）：1-15.

［2］王文東，龐明，閻龍，等.“本研一體”課程建設實施路徑與實踐案例［J］.高教學刊，2023，9（1）：102-105.

［3］宣勇，張鵬.走出學科危機：教育現代化進程中的大學學科建設［J］.華東師范大學學報（教育科學版），2021，39（3）：48-58.

［4］史靜寰，黃雨恒.本研一體，科教融合：研究型大學提高人才培養質量的重要途徑［J］.高等理科教育，2020（3）：29-34.

［5］史靜寰，陳樂.構建“本研一體”“雙一流”高校人才培養模式［J］.中國高等教育，2019（1）：23-26.

［6］郭春霞，董俊哲.新工科背景下BOPPPS教學模式在材料力學課程中的應用探究［J］.創新創業理論研究與實踐，2022，5（13）：179-181.

［7］楊慶生，葉紅玲，杜家政，等.基礎力學課程教學與課程思政的協同建設與實踐［J］.力學與實踐，2021，43（6）：955-958.

［8］張柯，劉偉，王佩艷，等.基礎力學實驗課程思政體系建構與教學實踐：以工程力學實驗課程為例［J］.高教學刊，2023，9（13）：192-196.

［9］金嘉暉，吳巍煒，東方，等.面向貫通式人才培養的立體化課程思政建設［J］.計算機教育，2023（4）：69-73.

Exploration and Practice of the Integrated Course Construction of “Advanced Computing of Materials”

TANG Xiao-zhi， GUO Ya-fang， SHAN Mei-juan， SHUI Guo-shuang

（School of Physical Science and Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： The construction of integrated professional courses in this research is the key task of deepening the reform of talent supply side， and is an important component of deepening the construction of training system. Therefore， based on the advanced computing course of materials， based on its achievements and experience in the construction process， this paper discusses how to carry out the course construction with the goal of cultivating interdisciplinary and interprofessional literacy and ability. At the same time， it also analyzes the specific ways and methods of effective ideological and political construction in the professional courses of science and technology. It provides reference for the integration reform of the same type of mechanics professional courses.

Key words： research integration; interdisciplinary; curriculum construction; ideological and political elements; innovative talents