新工科背景下产学研融合模式的计算材料学系列课程改革与实践

2024-12-14张昂唐雨晨蒋斌

大学·教学与教育 2024年12期

摘" 要：新工科背景下，现有的计算材料学课程教育模式已无法完全满足社会发展对应用型人才的高要求，课程的改革与创新势在必行。文章分析了高等教育中计算材料学系列课程面临的困境与难题，提出了以产学研融合为引导的一系列改革措施，指出课程应以发展基础理论与实践应用兼具的创新型人才为目标，从而满足社会发展的需求。

关键词：计算材料学；新工科；产学研融合；课程改革

中图分类号：G642" " 文献标识码：A" " 文章编号：1673-7164（2024）35-0142-04

新工科教育是在继承传统教育优势的改良升级，具备立德树人的文化内涵和多元发展的建设理念，适应当前新时代社会背景下的人才培养和新兴产业发展的需要。［1］新时代背景下，新技术、新材料、新能源不断发展，在各大前沿工业领域得到改进与应用，专业技术的推进也趋向于融合发展、去单一化，面对新形势与新需求，新时代领域下的人才教育培养应当具备新工科的创新性、协调性、应用性等特征。在强化建设新工科发展的过程中，教育部提出强化协同育人，构建产学研深度融合的新机制。［2］产学研融合模式的本质是紧密结合科研、教育、生产三方，推进科研突破，培养多元人才，实现工业生产，达到互助互利的良性循环。产学研融合的教育模式在拓展教育教学模式、提升校企合作质量、开发新材料生产方面具有巨大的作用。

计算材料学是新时代背景下基于新型、高效的“数据+计算+实验”的材料设计模式而迅速发展起来的一门学科。［3］计算材料学涉及材料学、物理化学、计算机等学科，在材料结构与性能预测、新材料开发与设计等领域呈现出良好的发展前景。目前计算材料学课程由于涉及的学科门类广泛、概念与数学公式抽象晦涩，对于初学者难以理解和掌握，传统的教育模式已经无法完全满足学科发展和人才培养的需求。新工科背景下，材料学科研人员对材料计算和模拟具备一定的了解与掌握已逐渐成为一种趋势，结合教育与生产实际以促进学科的发展与应用势在必行。

一、高等院校计算材料学系列课程面临的困境分析

（一）课程开设面向范围窄，教育模式单一化

目前计算材料学系列课程主要是面向研究生开放，并且由于计算材料学涉及材料学、物理化学、计算机等众多学科，相关的基础理论和算法内容丰富，尤其是部分内容还需要有量子力学、固体物理以及密度泛函理论等相关知识的储备，导致计算材料学课程的门槛与难度较高。［4］在计算材料学课程的传统教育模式中，课程内容大致分为教师面向学生的讲授、教师课堂提问、小组讨论和课后作业练习，这种传统单一的课堂模式存在很多局限性，再加上计算材料学的课程内容中有大量复杂的数学公式与计算推导，很难调动学生的学习兴趣，整体的教学效果难免不尽如人意。

在新工科背景下，计算机在材料领域发挥着难以忽视的作用，无论是本科生还是研究生，具备一定的计算材料学的知识对他们的专业学习以及以后的科研或职业规划都有帮助。同样地，材料计算模拟与计算设计已经在材料开发、性能预测等领域与实验相结合，发挥出“1+1＞2”的作用。材料计算学系列课程早已不仅局限于专门从事材料计算领域研究的科研工作者，学习材料计算学的课程对于各个材料领域的研究人员都有一定的帮助。对计算材料学系列课程进行教育改革，降低计算材料学系列课程的难度与门槛，提高材料科研人员对计算材料学系列课程的兴趣与热情至关重要。

（二）课程内容重理论、轻实践，未与行业对接

与高校中其他传统学科的培养模式类似，材料计算领域的人才培养存在着重理论、轻实践的问题，教育过程中缺乏用于科研或工业中的实践性教学。［5］计算材料学课程的学科人才培养目标应同时强调理论与实践两部分，目前，许多课程将重点放在材料模拟基础理论、研究方法以及评估上，忽略了学生对材料设计的实践与应用。占比较少的实践环节也往往是计算模型阶段的机械重复或验证，仅仅停留在学校层面，这种培养模式明显滞后于如今的新形势，难以达到提高学生实践能力的效果。［6］高校教师通常将重点放在科研领域，这与工业化应用具有一定差异性，且由于教师专注的领域较为有限，无法满足在对不同专业领域学生培养过程中的各种计算模拟方法的实践与应用。［7］

新工科背景下，培养材料领域的高新技术人才，需做到理论依据与实际应用的共同掌握，只有“两手抓”的复合应用型人才，才能在未来新材料技术的设计研发与工业化推广中发挥价值。刻板化的教学方案早已无法迎合当下的新形势，人才培养过程与工业企业对接，迎合社会发展的需要，实施合理的理论基础与实践应用相结合的培养方法具有深远意义。

二、高等院校计算材料学系列课程教育改革与实践

（一）加强系列课程重视程度，提升课程面向范围，改革教学方法

新工科背景下，材料科研人员具备一定的材料计算理论并拥有能在实际科研中应用的能力已成为广泛趋势，解决计算材料学课程开设范围与面向群体窄、学习门槛高的问题已刻不容缓，必须加大高校对于计算材料学课程的重视程度。对许多高校的材料类专业学生而言，研究生教学过程中计算材料学系列课程学分学时占比都较小，本科生教学过程中就更小。以重庆大学材料科学与工程学院为例，本科生开设的有关材料计算的专业课程中仅有一门“计算材料学导论”，研究生也仅有“计算材料学”与“建筑材料计算与模拟”两门专业选修课。

在本科阶段就开设简单的计算材料学系列课程与配套有关的如固体物理学等的基础课程，让本科学生能够对材料计算领域有一定的认识，对其专业认知的完善和科研道路的开展都有巨大的帮助。因而设置更多学分学时在计算材料学系列及配套课程上很有必要。

作为一门多学科交叉的专业课程，提升教学质量，降低教学门槛，从而让更多领域的学生学得明白、学得感兴趣，才能让更多人有机会在材料计算这一领域深耕。许多教师在教授基础的计算材料学课程时过于讲究面面俱到，运用大量烦琐的方程求解与公式推导，可能会使得教学内容驳杂而枯燥影响教学效果。在实际教学过程中，面对来自不同研究领域的学生，基础理论的讲解应该以基本的理解和发散思维为主，加以直观的视频动画展示甚至实践上机操作，避免枯燥的填鸭式灌输，从而加强学生的理解并激发学习兴趣。

计算材料学多学科交叉的课程特色与新工科的背景，使计算材料学十分适合研究性教学。［8］课程可以包含各种数值计算方法及其在研究中的实际应用，教师可以基于科学前沿和企业实际生产中碰到的难题，设计一系列不同内容的研究性问题供学生讨论和分析，这种充满探索和创新的产学研教学模式能快速培养学生的分析研究与处理问题的能力，能够加深学生对材料设计和模拟这一领域的理解。

（二）构建基于深度校企合作产学研融合协同育人的课程教育模式

产学研融合是工业企业、高校与科研机构三者的结合，本质上是科研、教育、经济三者的有机融合，能够实现科研、教育与生产在资源和功能上的集聚。企业是产业与区域经济发展的主要推动力，企业的走向与市场的变化、区域的发展息息相关，企业有能力、有动力分析市场动态，把握新技术研究与应用的方向。［9］高校与科研机构作为知识创新的奠基性力量，承担着人才培养，理论革新等重要使命，其拥有的多年积累的科研经验与大量储备科研人才，在社会经济效益的发展中同样具有不可估量的作用。［9］

材料计算早已不仅停留在科研和校园层面，一大批工业企业同样拥有庞大的模拟队伍与计算经验。基于众多较为成熟的商业化软件，例如，功能材料计算领域的Nanodcal、RESCU、VASP，结构材料领域的ANSYS、ABAQUS等，有不少企业甚至能为高校实验组提供第一性原理和分子动力学等计算服务。还有一些企业自建模拟团队，为材料研发和电池设计等提供助力。这些都证明工业企业的模拟计算已经具备强大的实力，而且往往更加具备创造力和生产力。高校在计算材料学的课程教育中，可以通过深度校企合作，将企业的实际需求融入教学中，让学生在学习过程中就能够接触到实际问题，并在解决这些问题的过程中学习和掌握相关知识和技能，共同推进人才培养，实现协同育人。例如，针对材料性能预测与优化，工业企业、高校与科研机构可以进行紧密合作。工业企业可以提供实际生产中遇到的具体问题以及相应的实验数据和测试结果，这些实际数据和问题可以作为课程案例，帮助学生更好地理解计算材料学的实际应用。高校和科研机构可以组织专业教师和科研人员，针对工业企业提出的具体问题，进行理论分析和模拟研究。通过建立数学模型、进行数值计算和模拟实验，探究材料性能的内在规律，预测材料的性能表现，为工业企业的实际生产提供理论支持和指导，同时也能促进科研与生产的良性互动。在合作过程中，各方共同制订教材内容和教学方法，共同进行科学研究，加强实践教学环节，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。还可以定期组织学术交流和研讨活动，邀请企业专家、高校教师和科研人员共同参与，分享最新的研究成果和实践经验，促进学术与产业的深度融合。工业企业、科研机构与高校进行合作，共同解决实际问题，不仅可以推动科技的进步，也可以为学生提供实践机会，让他们在实际工作中提升自己的能力。最后，这种模式还可以通过设立奖学金、提供实习等方式，吸引优秀的学生参与科研工作，为企业和科研机构输送高质量的人才。

产学研融合协同育人的模式能够有效地帮助高校培养应用创新型人才，也是在相应的生产领域产生一定社会经济效益的途径。创新应用型人才的培养需要高校与企业深度联合，两者共同构建和规划合理的合作模式，让学生能得到实践实训，让企业得到发展进步。学生能够在企业实习实操，企业专家也可以传授经验，使学生能够更好地满足社会发展的需求，成为创新能力强、能力高的应用型人才。校企合作时可以以科研项目为依托，以实际任务为切入点，在同时满足高校和企业共同需求的基础上，给予学生将理论应用于实践的社会环境，保证做好对人才的针对性培养，有助于推进产学研深度融合，促进学术与产业的良性互动与发展，还能实现对工业企业和科研机构高质量人才的输送，达成优质人才培养和工业生产进步的良性循环。

三、计算材料学系列课程助力人才培养模式创新

要实现新工科背景下产学研融合的教育改革，必须要改革目前高校重理论、轻实践的传统人才培养模式。无论是科研成果的进步还是市场经济的发展，都对创新创业应用型人才有巨大的需求，高校需以创新创业为导向，加大对应用型创新人才的培养力度，改变教师长期重学术理论而忽视实践应用的观念和现状。企业与高校具有营利性目标的差异，以创新创业为导向，同时指向应用型人才的模板，能够整合高校与企业的资源协同推进应用型人才的培养。［10］

计算材料学系列课程由于涉及学科广泛，学习内容复杂，传统单向教育模式捉襟见肘，人才培养效果不尽如人意，亟须改革教学方式。通过加强课程重视程度，构建协同育人的培养模式，以实现计算材料学系列课程的改革与实践，这种产学研模式的教育探索不仅能够实现计算材料学人才培养的革新，更能够为其他专业的教学改革提供借鉴和参考。如何将理论与实践相结合、如何开展校企合作、如何设置课程和评价学生表现等方面，都可以为其他课程改革提供一定指导。作为涉及材料科学、物理学、数学等多个学科领域的课程，计算材料学系列课程通过教学改革可以培养具有跨学科背景的复合型人才，适应现代新工科背景下的需要。与企业联动的实践教学环节提高了学生的实践应用能力，培养高水平应用型人才，学术与产业的深度融合让学生理论实践两手抓，更好地适应工业发展的实际需求。学生可以在实际项目中运用所学知识，提高解决实际问题的能力，这种培养模式也可以为其他实践性强的专业提供借鉴。

从产学研融合的角度出发，高校和科研机构能够与企业、社会联动，更着眼于具体实践和泛用性，实现科研成果与教学内容对接，市场变化与研究方向配合，人才培养与企业需要相联动的利好循环。材料类本科生和研究生在进行课题研究时基本只在实验室完成，而实验室与实际工业环境差异巨大，在实验室进行的工艺流程和得到的实验结果可能与在实际工业中的大相径庭，无论是学术性研究的进步还是专业性人才的培养，最终都需要落实于实际的工业应用，因而高校与实际工业生产对接，实现理论指导和社会实践的共同培养，才能造就出创新性研究性复合的应用型人才。

四、结语

计算材料学是一门多学科交叉、学习内容抽象复杂的课程，在如今新工科背景对人才的高要求下，学科教育模式仍在不断改革与探索中。材料计算的发展与壮大离不开高校对这一领域人才的培养和重视，提升面向范围，革新教育方式，能够激发更多人的学习兴趣，而工业企业的实践应用又能与科研教育产生良性互动，以实际产业为驱动，解决实际问题，提升学生的创新应用能力。这种产学研融合的协同育人教学模式整合了高校、科研机构与企业的资源和优势，有益于激发学生的学习兴趣和探索精神，能够为社会培养创新应用型人才保驾护航。计算材料学系列课程的改革从课题教育到工业实践方面都有足够的可行性和指导性，在人才培养模式的革新上具备一定的示范作用，能够在其他专业课程中推广。

参考文献：

［1］王亚煦. 新工科建设背景下产学研协同育人体系的构建：以粤港澳大湾区高校为例［J］. 中国高校科技，2022（05）：80-85.

［2］吴岩. 勇立潮头，赋能未来：以新工科建设领跑高等教育变革［J］. 高等工程教育研究，2020（02）：1-5.

［3］郭丹，金剑锋，王明涛，等. 新工科背景下计算材料学实验教学改革与实践［J］. 实验室研究与探索，2022，41（03）：181-186.

［4］郁亚娟，郭兴明，陈人杰. 基于混合式教学法的计算材料学系列课程教改实践［J］. 中国材料进展，2021，40（12）：1015-1022.

［5］唐延川，陶培灵，沈明学，等. 科教融合教育体系下的创新教学模式探索：以材料科学与工程专业为例［J］. 教育现代化，2019，6（86）：163-164.

［6］杨途才，覃铭，张旭明，等. 金属材料类专业的产学研协同育人模式实践路径［J］. 教育现代化，2018，5（38）：10-11.

［7］张昂，张庚鋆，蒋斌. 新工科背景下产学研融合与平台协同育人模式的构建和探索［J］. 中国现代教育装备，2023（23）：170-172.

［8］刘艳侠，孙嘉兴，邱巍，等. 研究性教学模式的实践研究：以《计算材料学》课程为例［J］. 辽宁大学学报（自然科学版），2015，42（04）：330-337.

［9］宋磊. 产学研用协同育人模式驱动高校教学创新研究［J］. 辽宁科技学院学报，2021，23（05）：31-34.

［10］杨乐. 产学研合作背景下应用型人才培养研究［J］. 中国高校科技，2018（08）：39-41.

（责任编辑：陈华康）