计算机在材料科学中的应用课程改革与应用型人才教学实践研究

郝玉成，张全争，林文海，秦广超

(合肥学院，合肥 230601)

进入21世纪信息技术革命时代，计算机科学与技术已经在日常生产生活的各个方面得到了广泛应用。随着人们对新物质、新材料等的迫切需求，使得计算机科学与技术在材料科学领域中的应用日益广泛。材料科学与工程正在由单一的理论-实验型基础研究向与先进理论模拟算法和人工智能(AI)手段交叉融合的方向发展。当前，计算机科学与技术在材料科学学科中主要应用于以下几个方面：算法优化及高性能的模拟软件应用于新材料的研发；材料学科相关专业数据处理、分析以及绘图软件；高通量计算与人工智能(机器学习)在材料科学中的应用。其中，前两个方向在各个材料学科的分支领域应用更加广泛，而高通量计算与人工智能尚处于起步开发阶段，这些新的概念和国际研究前沿趋势需要高校重点关注，未来会成为拓展学生学术视野的主要研究课题。

受益于材料科学领域的计算机软硬件、数据库和人工智能技术的飞速发展，担负培养适应新时代社会的应用型人才和科学研究双重任务的高校需要认识到计算机在材料科学中的应用课程在专业课中的重要性[1-2]，让材料学科相关专业的大学生具备了解、理解掌握和应用相关计算机软件解决具体问题的方式和方法，这是材料类专业的培养目标之一。此外，逐渐培养学生对建模理论和手段的基本认知，了解新材料的模拟算法和高通量材料基因组[3]概念是下一步培养计算材料学研究生的重要途径。

近年来开设的计算机在材料科学中的应用这一门课程受到很多国内高等院校材化学院的重视，但并未形成整体统一的课程性质和教学内容，大多数高校对于此门专业基础课的设置偏重于大学科方向，即对计算机常用的基础软件的教学培养方式[4]，对计算机在材料科学中的前沿应用与学术价值较少提及，没有涵盖国际国内最新的发展现状和趋势。本研究立足于合肥学院能源材料与化工学院开设的计算机在材料科学中的应用这门课程的教学内容与教学形式进行重点研究与探索实践。

1 计算机在材料科学中的应用课程特点

该课程是一门新课程，基于计算机和材料科学等多个专业交叉融合而成，目标是使学生能够利用计算机技术解决材料科学领域的主要问题，从而提高学生利用新技术解决专业问题的综合能力。这门课程的实践操作性很强，学生需要通过不断实践练习才能做到基本掌握相关计算机软件的操作和使用。课程内容编排和设置非常灵活，具体专业可根据自身特点进行调整[5]。本研究实践教学重点是以无机非金属材料工程专业为例进行的，包括办公软件Office、数据处理画图软件Origin、分子结构设计及画图软件Diamond、XRD数据分析处理软件Jade和Match、图像图形编辑软件Photoshop、文献管理软件EndNote等。这些内容在其他材料类专业相关学科的课程中都具有重要意义，具有广泛的实用性，可以在其他相关课程的传统理论教学中穿插使用计算机在材料科学中的应用这门课程的知识，形成交叉整合，以提高教学质量和效果。

传统教学模式课程与当今较为流行的网络课程交叉整合已成为趋势，基本方法如下：在构建网络课程的过程中，可以将使用计算机在材料科学中的应用这门课程的相关软件处理其他课程例题的视频录制下来，在具体例题处理过程中给学生讲解软件的功能、操作和应用。在其他相关的一些课程学习过程中，要求学生使用所学软件进行数据分析、处理以及图谱的绘制和输出，明确数据处理规范和绘图的基本要求，具体建设方法以广泛使用的Origin软件为例说明。Origin软件被广泛应用于实验设计、材料合成及测试实验的数据处理与分析，根据数据自身的特征，采用Origin软件绘制输出的图谱是学术论文或研究报告中表述实证的最重要方式之一，在课程内容设置上所占比例较大，像物理化学、无机化学、分析化学及有机合成实验等课程内容中会选择比较有代表性的实验数据作为案例，可以将使用Origin软件进行实验数据处理的教学视频录制下来，视频内容的难度形成由易到难，由浅入深的难度梯度，然后模拟论文中绘制的标准图谱。此方法以问题为导向，以论文撰写为抓手，促进学生学习，高质量完成教学任务。

2 课程教学过程中存在的问题

计算机技术的应用促进了材料科学的飞速发展，也逐渐为了生物、化学、材料等相关学科的教学提供了有力工具。计算机具有强大的分析和处理数据功能，在新物质的设计与合成、性能表征、性能测试与分析、应用研究与开发等领域被广泛应用，但材料科学的教学过程还是以传统教学方式为主，重理论轻实践，忽略了计算机数据处理工具的重要性，学生感觉课程非常抽象，难以理解。PPT教学手段的使用在课程中起到了部分模像直观的作用，但这种形式受限于课堂讲授，锻炼的是教师的综合能力，没有发挥以学生为中心的突出优势，学生学习了计算机的理论知识，而应用计算机的实践性没有得到充分体现。如果以培养应用型人才为目标，就要针对性地锻炼学生去发现问题，通过思考分析问题，进而采用有效的工具将问题解决。

3 基于应用型人才培养的教学过程改革措施

将信息化技术手段充分运用到计算机技术在材料科学中的应用这门课程的教与学各个环节。将传统的教师讲授型改革为“教师简单讲授+示范-学生学习反馈+操作型”，转变教学思路，将传统的以教师讲授为中心变为以学生学习为中心，通过适当改变教学方法不断激发学生内在的学习兴趣，让学生以兴趣为出发点，充分发挥学生自主学习的主观能动性，使教与学的效率得到实质提升。

课前。要求学生充分预习本节课要学习的内容，提出自己的问题和对相应计算机操作软件的认知及自己的看法，提前让学生自主分析对应课程内容相应的重难点，这样在进行课上学习时更加具有针对性，能够提高课上学习效率。

课中。对基础知识要做到详细讲解，让学生做到基本掌握，有针对性地调动学生使用计算机工具的主观能动性，有意识地培养学生善于动脑思考解决问题的基本能力。要以科研论文写作为抓手，在平时讲解分析测试数据时，先讲解基本原理，然后引入具体数据生成的操作要领，逐步培养学生使用计算机工具的良好习惯和主观思想。可以把智慧计算机实验室作为教学场地，合理设计教学过程，通过操作演示及学生实战反馈的形式进行实时互动，并充分利用翻转课堂打造以学生为中心的学习过程。

课后。要求学生对本节课所学到的计算机分析软件知识对特定数据进行独立分析作图，以巩固所学到的新工具操作流程。要对考核过程做出改革，尝试采用多种方式考核制，即“考勤+课上操作实例+课下作业完成情况+期末考试实操试题”。利用多元化的考核机制能够激发学生学习的自主能力，使学生更注重学习过程本身，回归教与学的本真。

以合肥学院为例，应用型人才培养是学校办学主要定位之一，课程的学习要紧跟当前国际国内前沿，将教学环节按时间分配比例设置为理论部分和实践部分，理论和实践相结合，使学生充分认识到该课程在材料学领域应用的广泛性，初步掌握计算机工具在材料科研领域应用的基本原理，通过消化吸收内化为自己对知识运用的方法和能力。

以合肥学院能源材料与化工学院无机非金属材料工程专业为研究对象，要求学生基本理解并初步掌握Office、Origin、CrystalMaker、Photoshop、Match2.0、Mercury及EndNote等材料分析软件与文献文档管理软件在材料科学中的应用。所采用的具体数据均来自学生课下参与教师科研课题实验得来的真实数据，让学生通过课程学习进行实践中的数据分析，全流程增加学生的参与感、获得感及成就感，为无机非金属材料工程专业的学生今后走上研究生学术生涯或大学毕业走向相关工作岗位打下坚实的专业基础。

合肥学院具有智慧计算机实验室，可充分利用其软硬件平台优势。教师可以采用云主机对客户端学生机进行实时操控，学生机可以接收到教师机上软件的操作演示。学生端计算机上安装有与教学相应的软件，当学生们学习完教师的操作演示之后，可直接在本机上进行相应的操作实验练习，从而提高学生发现问题、主动使用计算机工具分析问题和解决问题的能力，教师要在操作过程中对学生加以指导。

4 解决的问题及具体效果

(1)与时俱进，逐步完善传统教学模式，充分利用当下先进的信息化技术手段深入到课堂教与学过程的各个环节，提高教与学的效率效果，让学生学得开心，教师教得舒心；(2)适当超前化教学，激发学生的好奇心和学习兴趣。例如，教师将自己的研究成果(科研论文、专利或产品)呈现给学生，简单讲述完成一篇学术论文所需的各个环节，并重点强调数据收集及分析环节；(3)执行严格的课程考核制度，激发学生内在学习动力的同时辅以严格的课程考核纪律要求，考核采用考勤+课上操作实例+课下作业+期末考试的形式，对学生学习成绩进行综合考评，避免期末前进行突击性学习；(4)兴趣是学生学习的源动力，要积极培养学生学习兴趣，提高学生出勤率。通过内驱力的指引，学生学习效率将大大提高，课堂表现会更加活跃。同时，要充分利用现有的通信工具和手段，如建立微信(QQ)学习交流群，依托群平台形成实时反馈，师生同学之间可以进行实时交流或答疑，群策群力，激发同学之间、师生之间的互动和交流，使微信(QQ)群成为实实在在的学习交流群；(5)教师通过使用现代化的信息手段不断改革创新并学习新知识，使得理论教学与操作实践的结合更加紧密，进而提高教学质量，实现了教与学的良性互动；(6)通过改革考核的方式方法，学生在课程学习结束后，最终综合成绩均有了一定程度的提高，其中50%以上的学生在综合应用能力测试方面达到80分或80分以上，实质性降低了综合测评的不及格率，从根本上提高学生的学习能力、创新能力及应用知识的综合能力，使学生在综合素质方面获得全方位提升。

5 结语

材料科学作为我国新时代三大战略性学科之一，一直是备受关注的焦点。计算机在材料科学中的应用为各大高校材化学院的学生提供了一个典型的学科交叉和学习应用型课程的机会，提高了学生们在材料学科学习中的热情和兴趣，理论与实践相结合的课程属性也使得学生们体会到了学以致用的乐趣和意义。计算机在材料科学中的应用这门课程通过改革创新打造了计算机科学和材料科学学科深度交叉融合同步发展的新局面。