以创新能力培养为核心的计算材料学实验室探索与建设

2020-09-29李邵仁鲁效庆郭文跃

实验技术与管理 2020年7期

李邵仁，鲁效庆，郭文跃，张军

（中国石油大学（华东）材料科学与工程学院，山东青岛 266580）

高等院校实验室的重要职能包含推行创新教育、培养创新思维和科研基本素质。专业实验室是高等院校实验室的重要组成部分，对学生提供系统的实验培训，循序渐进提高学生的观察能力、分析能力、判断能力，激发学生学习基础知识的热情，重点培育学生基本科研素养和创新思维[1-2]。专业实验室是培育创新型人才的前沿阵地，实施素质教育的重要场所。

中国石油大学（华东）材料物理与化学系努力贯彻国家的教育方针，根据本科专业培养需要，不断提高实验教学水平，确保完成实验教学任务，积极开展科学研究，加强以创新能力培养为核心的专业实验室建设，将科研的思维融入实验教学中，突破传统的以教师演示型教学、学生验证型学习的模式，推进研究型教学，培养创新性人才[3-4]。本文以材料物理与化学系建设创新能力培养为核心的计算材料学实验室为例，探讨高校专业实验室的建设与实践。

1 计算材料学实验室建设

近年来，随着计算机技术的高速发展，一门以高性能计算机为硬件基础，涉及物理、化学、材料学等多门学科知识的新兴交叉学科——计算材料学正在快速发展。通过模拟计算可以从微观到宏观多尺度分析材料的结构、性能等，并能从微观水平做出合理的理论解释和理论预测[5]。而相对应配套的计算材料学实验，凭借其特定软件的三维界面将材料的微观结构以及性能信息直观形象展现。计算材料学科的高速发展，提升了其在材料研究领域的地位，计算材料学实验也成为材料专业本科实验教学体系的重要部分[6]。计算材料学实验涉及多门基础学科，基础理论知识要求较高，本科开设计算材料学实验课程要有准确的定位、完善的创新性课程体系、完备的软硬件设施配套和规范的运行制度，才能充分发挥研究性的课程优势，培养学生的创新能力和科研素养，做好本科和研究生教育的完美衔接，实现本科和研究生一体化教育。

1.1 计算材料学实验室平台搭建

基于材料学科发展，模拟计算方法在材料学科应用越来越广泛。随着材料物理系计算材料方向专业人才引进，模拟计算方向的科研成果不断涌现，为更好地发挥自身专业特色，培养学生创新思维和基本科研素养，通过前期充分的调研，细致的筹备，于 2011年成立计算材料学实验室，该实验室定位于本科研究型实验教学和创新实验室，实施教学研结合、本硕一体化培养。

计算材料学实验室使用面积约100 m2，分为授课实验室和高性能计算平台室。授课实验室拥有普通计算机40台，网络交换机2台，多媒体教学系统一套，该实验室主要用于本科实验课教学和创新实验设计。高性能计算平台室主要存放高性能计算工作站（含34节点工作站），通过网络提交计算任务，年均工作时间约 7200 h。同时实验室购买有 Materials Studio、Gaussian等软件模块版权，保障实验室成果的顺利发表，实验室总投入资金约260万元。实验室平台硬软件设施不仅能够支撑材料物理和材料化学两专业的本科计算材料学实验教学，而且能让学有余力的学生完成拓展内容和大学生创新项目，以及将有价值的计算结果整理成论文发表。

1.2 计算材料学实验课程体系建立

响应《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》文件中“实现从注重知识传授向更加重视能力和素质培养的转变”“着力培养学生创新精神和创新能力”等精神[7]，材料物理与化学系组织有理论计算科研经验背景的教授、副教授以及经验丰富的实验员组成实验室教学团队。通过对学科发展趋势、学科前沿发展以及学科知识覆盖面，以及其他高校开设、运行等情况详细调研，依据计算材料学实验适于新材料或材料新性能创新研究的课程优势，结合材料专业自身特点、教师科研成果[8-12]以及创新型人才培养目标，综合考虑计算性能和效率，最终确定三个层面的计算材料学实验课程内容：量化计算模拟、分子动力学模拟、介观模拟。计算材料学实验课程体系见图1。其中共有6项基础实验和6项研究型设计实验，覆盖了材料性质、性能模拟以及表面催化反应模拟等方向。基础实验主要包括计算理论基础与软件操作基础，计算理论基础依据不同专业基础分类设计；研究型设计实验主要包含自主设计环节和提高环节。自主设计环节学生通过前期文献调研，自主设计实验过程并实施计算，教师辅助分析实验得失。提高环节是指实验内容中结合教师科研方向设计的实验拓展内容，拓展内容实验难度提高，学生通过选做拓展内容巩固和提高运用能力，加深知识理解。

图1 计算材料学实验课程体系

能力和素质考核为中心的考核体系的建立，把教学目标与教学过程、考核过程和提高学生创新性解决问题能力相结合，最终成绩以50%平时实验操作及报告+50%研究型创新论文的方式评定，实现内容综合化、培养全程化的考核体系。

计算材料学实验课历经7个轮次的教学实践，教学团队精研教学内容，教学中逐步提高研究探讨的比例，以科研的思维来开展教学，对课程内容不断完善，补充前瞻性学科前沿知识；探索符合创新型人才培养规格的教学环节，充分发挥研究型教学的优势，实现以学生为中心、自主式、研究型的学习模式，培养学生的创新思维，增强学生发现、创造和求知的热情，拓宽学生知识面，加深学生对基本原理和方法的理解，提升学生在课堂教学之外进行自主性探索式学习的能力，最后逐渐形成完善的、具有研究型特色的课程体系。

2 计算材料学实验室的运行情况

创新型计算材料学实验室主要有两方面用途：本科实验教学及大学生创新项目。为保证高效运行，我们建立了规范的运行机制，本科教学优先，创新项目为辅，教学与创新并行，相辅相成；教学团队教授担当课程主要负责人，团队教师全程参与课程指导，教辅教师硬软件技术支持。

本科教学期间，任课教师按照教学大纲，依据实验内容背景、材料设计与应用联系等知识，讲授相关实验基础理论与实践操作，讲授重点放在分析方法的归纳，提供实验思路和方法建议，辅助分析实验细节得失，总结实验设计操作经验，用研究的意识、思维、视角、观点及方法组织教学活动，给学生注入研究的“元素”，通过“创设情境、基于问题、结合应用、因材施教”等方法引导学生积极思考，实现“师—生”“生—生”双向互动。研究型设计实验从文献调研、发现问题、进行科学选题，运用基础知识和软件分析问题、解决问题、整理撰写小论文全过程培养学生科研基本素养和创新意识；实验项目中的拓展内容，教师利用课外时间指导优秀学生选做，对学生进行更系统的科研训练，实现学以致用的教学目的。

教师依托实验室的高性能计算平台，根据自身科研情况精心选出部分项目内容提供给感兴趣的本科生选作大学生创新项目，本科生以团队形式承担大学生创新项目，创新团队一般由一位已经学过计算材料学实验的学生担任项目第一负责人，其余成员由大二或大一学生组成，观摩学习为主，这样既能保证创新实验顺利完成，又能保证创新人才延续性，还有助于本科实验教学。本科创新项目原则上以教师科研内容为基础，让学生完整地体验科研和创新过程。教师负责提供方向和把握科研思路，学生从课题出发查阅资料，选择计算体系，确定计算思路和方法，使用软件建模计算和过程分析，最后整理计算结果，并分析得出研究结论。通过创新实验项目，因材施教、因势利导，让学生积极参与到导师的科研课题中，从文献调研、课题申报、方案设计，到动手实验、分析表征，甚至科技论文撰写，都得到很好的科研训练，完成教学研一体化，培养学生创新思维，提高科学素养。学生参与课题与教师科研工作衔接紧密，为学生下一步研究生阶段融入科研团队打下坚实的基础，促进学生最大化成长，完成本硕一体化培养。

近年来计算材料学实验室每年分别为材料物理和材料化学专业开设48学时专业必修实验课程、32学时专业选修实验课程，同时将两个基础类实验上线，通过网络预约方式面向全校开放。材料物理和材料化学两个专业近800名本科生参与过课程学习、接受实验技能培训。实验室每年还承担大学生创新创业项目约4项。随着学科的发展、交融和新本科培养方案的制定，学院计划将计算材料学实验课向所有材料相关专业开设，届时将覆盖材料成型及控制工程、材料科学与工程、材料物理、材料化学和新能源材料与器件等5个专业，每年约360位本科生进入实验室。计算材料学实验教学团队依托计算材料学实验室在核心期刊发表教学论文10余篇[13-15]，获批教改项目3项，获得厅局级教学成果一等奖1项，指导国家级大学生创新项目5项，校级大学生创新项目20余项，项目成果直接整理发表SCI论文4篇，多项成果后期由负责教师所带研究生继续深入研究整理成论文发表。