新工科背景下《计算机在材料科学中的应用》课程教学改革探索

张国尚 冯日宝 纪朝辉

摘 要：随着人工智能、大数据、新材料等为代表的新科技革命和产业变革的到来，迫切需要对传统工科进行升级改造和工程创新。在新工科建设的背景下，文章从教学内容更新优化、融通线上线下两个空间并密切联系工程实践、结果过程相结合考核方式等方面，对《计算机在材料科学中的应用》课程进行改革，通过利用现代网络技术构建以学生为中心的面向工程实践的教育生态，取得了较好的教学效果。

关键词：新工科；计算机应用；材料科学；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码： A 文章编号：1673-8454（2018）24-0063-03

一、引言

以人工智能、大数据、新材料为代表的新一轮科技革命和产业革命正在世界范围内加速进行，各国在新兴产业领域的竞争日益加剧，我国因此推出了创新驱动发展、“中国制造2025”、“互联网+”等重大战略部署。新技术、新产业的发展要求工程技术人才具有更高的创新产业能力和跨业界知识整合能力。《计算机在材料科学中的应用》是计算机和材料两个学科交叉形成的课程。随着信息技术的迅猛发展以及新材料的不断涌现，现有传统教学中存在的教学内容老化、师生互动较少、考核方式不能很好反映学生应用计算机解决材料领域工程问题能力等问题日益突出。

学校材料类毕业生绝大多数从事与民航机务维修相关的工作，随着人工智能、大数据、云计算等新技术及复合材料为代表的新材料在民航中的应用，面向未来民航技术发展的人才培养亟需改革。本课程在“打破学科壁垒、越过专业藩篱、打通本研隔断、消除校企隔阂、唤醒师生淡漠”的新工科教学理念指引下[1]，通过互联网构建以学生为中心的面向工程实践的教育生态，从教学内容、教学方法及考核方式进行了改革探索，培养了一批为民航强国建设所需的具有创新思维工程能力、良好的质量意识和团队精神的复合型人才。

二、结合专业课程体系和计算机技术发展，进行教学内容有机融合

1.计算机类课程整合

2012版及之前的专业教学体系中，计算机类课程包括《大学计算机基础》《VB语言程序设计》《材料应用软件实习》《计算机在材料科学中的应用》和《计算机在材料科学中的应用课程设计》。《大学计算机基础》和《VB语言程序设计》为全校公共课，讲述有关计算机的基础知识和程序设计。《材料应用软件实习》为实践课，要求掌握Photoshop、Origin软件在图形图像方面的应用。《计算机在材料科学中的应用》讲述计算机在文献检索、数值计算、材料设计、材料制造等方面的应用。《计算机在材料科学中的应用课程设计》只有一个利用有限元软件进行工程分析的模块。随着当代学生计算机水平的提高，《材料应用软件实习》已没必要单独作为一门课程开设，其内容连同大数据、云计算、3D打印等新技术在《计算机在材料科学中的应用》课程中讲述。相应的《计算机在材料科学中的应用》教学内容调整为计算机文献检索与文献管理、数学建模与计算机求解、计算机辅助材料设计（分子动力学、正交设计）、计算机辅助制造与工程分析（计算机控制、3D打印、有限元、有限差分）、大数据与人工智能、计算机绘图与图像处理（Catia、Origin、Matlab、Photoshop、Image J）六个模块。此外，《计算机在材料科学中的应用课程设计》更名为《计算机辅助材料课程设计》，内容由原来的单一有限元模块扩充为第一性原理材料设计、3D打印、零部件结构有限元分析、介观材料设计与模拟、分子动力学材料设计与模拟五个模块，学生选做其中的一个模块进行实践及考核，学时由原来的40学时调整为60学时。

2.广度与深度结合，密切联系工程实际

原来的材料库数据库与人工神经网络章节扩充为大数据与人工智能模块，引入材料基因组计划、大数据、人工智能等概念，启发学生思考可以借助于材料基因组计划积累的大数据运用人工智能来开发新材料，以及结合天气情况、航班信息等大数据基于人工智能预测航班延误情况。

有关大数据思想在材料中应用的工程案例中，列举了我国加入WTO初期由于铁路货运超载引起的轮毂裂纹管理例子。当时我国由于入世后经济迅猛发展导致铁路运输能力严重不足，若不超载运输大量企业将无法正常生产，而超载后火车轮毂出现了大量裂纹对安全运行带来严重危胁。当时国内外轮毂产能都无法在3年内换掉产生明显裂纹的轮毂，3年后由于新建铁路线路的投产超载问题将得以缓解，同时轮毂产能的提高将可以换掉存在问题的轮毂。因此，关键问题是在超载情况下如何保证带裂纹轮毂3年内不发生安全问题。该问题的解决运用了大数据的思想，派人员到主要的铁路中心城市统计轮毂裂纹分布及尺寸并监测裂纹扩展情况，2个月后收集到大量数据，对这些数据统计分析并基于断裂力学理论对轮毂的剩余寿命进行预测，得出低于某一尺寸的裂纹3年内安全不予更换，高于此尺寸的逐渐更换，3年后所有存在明显裂纹的轮毂更换完毕。实践证明，该方法有效解决了带缺陷部件预期寿命内安全管理问题，产生了巨大的经济效益。

3.结合课外实践活动及毕业设计，个性化和一体化培养

材料类专业大部分学生参加了大学生创新创业项目，项目中常需要运用计算机进行信息检索、处理数据、绘制图表、预测性能，学生可以提前选修相关内容，针对具体问题也可以得到相应指导。一些学生因此对计算机应用产生了浓厚兴趣，毕业设计也选择了相关题目，这种一体化的教学模式使学生有更多的时间运用计算机解决材料中的工程问题，计算机应用能力提高较快。

4.加強民航精神教育

我国目前运行的民用航空器基本从国外引进，用户手册及更改通知一般可通过内部网络获取，在转化为工作单时一定要反复求证、准确无误。例如，1999年12月27日国内某航空公司一架波音747飞机在北京首都机场维修时从客舱中后部天花板冒出浓烟。调查发现工作单误将“去除”漆层翻译成了“清洁”漆层，同时漏检了漏装垫片的情况，导致了重大民航不安全事件[2]。通过这样的例子培养学生一丝不苟的工作作风，使学生深刻意识到从事民航工作“细节决定成败”。

三、运用多种教学模式和手段，培养计算机思维能力和工程创新能力

1.融通线上和线下两个空间，课堂讲授与课下自学相结合

本课程总学时为36学时，课堂上无法深入讲授全部内容，同时传统的以教师为中心的“传道、授业、解惑”的教学模式也难以激发学生潜能，因此发展新工科需要向以学生为中心的“悟道、求业、生惑”的新境界转变[3]。教师课堂上讲授主要内容，启发学生思考，将其余内容及课件、作业、重点难点微视频等发布到学校Bb平台上供学生课下随时随地学习，并通过Bb平台、微信等与任课教师进行交流。

2.设计教学案例，培养计算思维

2006年，美国卡内基·梅隆大学（CMU）计算机科学系主任周以真（Jeannette M. Wing）提出了计算思维（Computational Thinking，CT）概念，其本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）[4]。陈国良院士结合中国大学计算机教育解释了“计算机思维”，提出“以计算思维为导向”的目标[5]。北京航空航天大学艾明晶等提出大学计算机应定位于以计算思维为核心，以计算机知识为背景，使学生理解典型的计算思维，掌握基于计算技术/计算机的问题求解思路与方法，培养学生应用计算思维和计算工具分析和处理专业领域实际问题的能力[6]。

然而培养学生计算机思维却很困难，因为计算机涉及的程序执行、系统调用等活动具有非物理特征，无法被感知。通过设计既体现人的思考过程又有计算机思維的典型案例来帮助学生掌握计算思维[7]。如设计了炉墙传热工程问题，将该问题抽象为一维稳态传热问题，通过建立传热学方程直接解方程或编写计算机程序用数值方法求解，也可建立几何模型利用有限差分/有限元软件求解，最后与试验结果进行对比验证分析的合理性。通过该问题引导学生通过简化、转换、抽象、分解、建模、算法等计算思维方法，将复杂的工程问题转化为一系列简单的子问题并构建模型求解，培养学生计算思维能力和创新能力。

3.虚拟仿真和工程实践结合，培养团队合作和综合运用知识能力

材料类学科的核心科学问题是“成分-工艺-组织-性能”间的关系，贯穿于各专业课程中。然而，该科学问题在单一课程中只侧重于某一方面，学生很难建立系统概念，更难于将其与工程问题结合起来。民用航空器适航与维修是我校的特色学科方向，开发了相关的虚拟仿真实验教学平台。该平台材料方向关注民用飞机及发动机结构设计、维修及适航审定中涉及的材料及其力学问题和解决方案。如开发的航空发动机叶片修复这一项目中，涉及的一个重要问题是修复后的叶片如何满足安全运行要求，即修复后合格与否的判断依据。要回答此问题，首先要建立所用材料“成分-工艺-组织-性能”特别是力学性能间的关系，这样就把本课程同《材料力学性能》《材料工程基础》《航空材料》等内容有机结合起来。

该项目首先通过三维软件、动画、视频等形式使学生了解发动机结构，然后通过操作视频了解修复方法，再对修复后的典型试件进行了修复工艺-组织-性能相关试验，获取断口、金相试样、力学性能等信息。学生课下对案例进行分析、建模、求解并与典型试件试验结果进行对比不断优化模型，教师通过该平台针对每个学生遇到的问题答疑并鼓励其通过查找文献、团队合作等方式先自行解决，然后教师进行集中总结及点评。

这种“发散思维+数学建模+科学计算+实验设计+参数优化+工程实践+答疑”的教学模式与网络技术相结合，使教学从课内延伸到课外、以教为主向以学为主转变，增强了学生自学能力、团队合作能力和运用专业知识解决复杂工程问题的能力，同时也促进了师生相互了解，为后续成绩的科学评定提供了依据。

四、考核方式以结果评价为主向结果过程结合转变

本课程是一门应用类课程，原有的“平时成绩30%（作业、实验各15%）+期末闭卷考试70%”的方式，使学生平时学习不够重视、临考突击问题严重，而且应用计算机解决工程实践问题的能力很难通过短时间考试评价。改革后成绩由占60%的平时成绩（作业30%、上机实践15%、读书报告15%）、占40%的结课大作业组成，这样把期末考试压力分散到日常学习中。结课大作业每人随机抽取一题，通过查找文献、建立模型、求解、分析最后得出结论，教师针对大作业内容随机提出问题然后学生作答。新的考核方式使教师和学生间有更多的互动，能较好地反映学生对课程内容的掌握情况。

通过对该课程的教学改革探索，学生对该课程的重视程度较之前有了较大的提高，反映通过该课程学到了很多知识和分析问题的方法，学生评教分数也较之前有了一定提高。此外，该课程的教学改革也加深了对学生的了解，为提高教学质量指明了方向。

参考文献：

[1]陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[2]姚红宇.2006年全国失效分析与安全生产高级研讨会论文集[C].北京：中国机械工程学会，2006：61-62.

[3]陆国栋.一流本科是一流大学应有之义[J].中国大学教学，2016（6）：6-8.

[4]Jeannette M.Wing. Computational Thinking [J]. Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[5]陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011（1）：7-11+32.

[6]艾明晶，李莹.以计算思维能力培养为核心的大学计算机课程改革[J].计算机教育，2014（5）：5-9.

[7]李莹.计算思维在计算机课程教学中的贯穿[J].计算机教育，2013（4）：36-39.

（编辑：李晓萍）