《计算材料学》课程的翻转课堂教学改革与实践

甘祥来，周耐根，杜国平

（南昌大学 材料科学与工程学院，江西 南昌）

一 引言

计算材料学是近三四十年诞生的一门交叉学科，它是基于物理学、材料科学、化学等学科的相关理论，利用高效的数值计算方法，借助高速的现代计算机，对材料结构性能关系进行研究并指导材料设计研发的一门前沿学科。采用计算材料学中的方法，可对材料进行多尺度（不同的空间尺度和时间尺度）模拟研究，深入揭示材料的结构性能关系，因此，计算材料学中建立的方法成为材料研发的一种强有力手段。随着科技的发展，对材料的性能和研发速度提出了越来越高的要求，希望用更短的时间开发出性能更为优异的材料，然而传统“炒菜式”的材料研发方法很难满足这种现实需求。2011年美国总统奥巴马宣布启动一项名为“材料基因组计划”的项目，其中的一个核心内容就是利用现代材料计算技术助力新材料的研发。随后，包括中国在内的多个国家相继设立了类似的项目来提升其材料研发能力，这些项目的设立更加突显了计算材料学在新材料研发中的重要作用。《计算材料学》课程是在计算材料学学科背景下，为本科生或研究生开设的一门重要课程，旨在让学生掌握现代材料计算原理、方法和技术，培养复合型材料研究人才。然而，由于《计算材料学》课程横跨学科多、涵盖知识广、理论实践并重等特点，给教学带来了很大的难度，很多高校反映该课程的教学效果不佳。对于不同高校，导致《计算材料学》课程教学效果不佳的原因有差别，但是仔细分析发现主要原因有三点：其一，由于该课程涉及的学科多知识广，学生普遍存在畏难心里，一个直接表现就是在科研训练和本科毕业论文选题时很少人选择与材料计算相关的研究课题；其二，传统课堂偏重理论的教学模式不太适合《计算材料学》这种对理论和实践要求都很高的课程；其三，该课程教学内容较多，在教学大纲规定的课时内很难进行系统深入讲解，更别说在课堂安排实践教学内容。

为提高《计算材料学》这门课的教学效果，多所高校的一线教学老师针对他们所在学校的实际情况提出了多种教学改革措施并进行了教改实践[1-4]。针对课程重视度不够、教学内容和教学方式不合理、师资力量欠缺的问题，陈逸凡等人提出增加学分比重和课时，合理制定教学内容和方法，加大教师专业素质培养力度等教改措施[1]。湛永钟提出在授课过程中通过融入学科发展历史来提高学生的兴趣[2]。结合教学实际，沈洪涛等人提出优化教学内容、改进教学方法、推行研究性教学等教改方式[3]。在综合分析导致《计算材料学》这门课程教学效果不佳的三个主要原因和我校的具体情况后，我们教学团队提出翻转课堂的教改方案。翻转课堂教学法是将传统课堂上的常规教学内容录制成视频上传到云端，学生根据自身的基础和学习习惯在课外时间自主学习视频内容，同时，老师收集整理各种相关资源放在网上供学生拓展学习；课堂上，教师进行答疑并组织学生开展各种研讨和合作式的实践学习活动，引导学生应用所学知识解决问题，提高认知水平[5]。选择翻转课堂这种教学模式作为教改方案原因如下，首先，传统课堂的常规教学内容录制成教学视频有利于学生利用课余时间灵活学习，解决了课时紧张的问题，也避免了传统课堂无法重听的缺点；其次，利用翻转课堂教学模式老师有比较充足的时间在课堂组织答疑，也有较多的时间安排实践教学活动；再次，本教学团队的成员长期利用计算材料学的方法开展研究工作，具有丰富的实践经验，可为翻转课堂上学生的实践活动提供全方位多层级的指导，而且学院购置了笔记本电脑和计算服务器，可为实践教学活动提供硬件支持。翻转课堂教学模式解决了《计算材料学》课程在采用传统课堂教学时所遇到的理论和实践无法兼顾、课时紧张这两大难题，利用翻转课堂教学模式对《计算材料学》课程进行教学改革有望较大幅度地提高教学效果。

二 翻转课堂教学模式及组织实施

翻转课堂教学模式存在多方面的优点，但是在运用时能否发挥其优势达到良好的教学效果则取决于整个教学过程中各环节的设计和实施情况[6]。录制高质量的教学视频是翻转课堂教学模式取得良好教学效果的先决条件。《计算材料学》课程涉及的计算模拟方法较多，包括分子动力学、第一性原理、有限元等，每一种模拟方法所涉及的分支理论也较多，针对课程的这些特点，制定以下视频内容设计原则：专题教学、精简理论、建立框架、以计算流程为主线展开教学内容。按照该原则设计视频教学内容，学生更容易理解和掌握各种模拟方法的核心思想和基本原理。录制好的视频上传到云端，学生可以灵活安排时间进行自主学习。针对视频教学内容设定一些巩固练习，检验学生的学习效果。

翻转课堂的组织是决定教改成效的关键环节，视频教学侧重的是理论部分，而《计算材料学》是一门理论和实践并重的课程，特别是多年的教学科研经历使我们意识到很多学生因为缺少模拟实践的训练即使理论扎实也很难灵活开展模拟实验，因此，本次教改将注重培养实践能力确定为翻转课堂内容设计和课堂组织的指导思想。从通过翻转课堂巩固视频教学内容、提高学生分析解决问题的实践能力这个落脚点出发，确立了以视频教学内容答疑、建模和数据处理程序设计、模拟实验方案设计及软件操作三方面作为翻转课堂的主要内容。具体实施时，以问题式教学的方式组织学生分组开展实践活动，这不仅能锻炼学生的实践能力，也有利于提高学生的自主学习能力、沟通交流能力和团队协作能力。

翻转课堂上，首先收集学生观看教学视频后存留的问题并逐一进行解答，通过答疑帮助学生扫清学习道路上的理论障碍，为组织实践教学夯实基础；根据学生的问题老师也能更准确地把握教学难点，下一轮教学能做到更有针对性。建模和数据处理程序设计部分主要是为培养学生的程序编写能力而设计的，程序编写能力是进行材料计算模拟研究人员的一项基本能力，只有具备较好的程序编写能力才能满足模拟过程中模型构建和数据处理方面的个性化需求。目前，很多利用计算材料学方法开展材料研究的科研人员缺乏最基本的程序编写能力，普遍采用一些免费或收费的软件进行模型构建和模拟数据的后处理分析，这使他们在面对一些现有软件无法处理的问题时一筹莫展，研究工作也往往因此而停滞不前。大学的使命不是培训操作工人，而是培养具有独立思维和解决复杂问题能力的综合性人才。在课程的学习过程中培养学生自己动手编程解决问题的意识和能力非常重要，为此，翻转课堂上设计一些难度适中的模型构建问题和数据处理问题让学生分组进行编程解决。如让学生编程构建高熵合金样品模型、石墨烯样品模型、钙钛矿样品模型等，这些问题既与所学知识紧密联系又能反映当前材料研究的前沿，对于提高学生运用知识的能力和学习兴趣非常重要。根据老师提出的问题，学生通过组内讨论或文献查阅的方式确定解决思路并协作完成程序编写，整个问题的解决需要学生调用多方面的知识和能力。以石墨烯样品的构建为例，学生需要通过文献查阅弄清楚石墨烯的结构和晶胞参数，利用晶体结构的基础知识确定石墨烯的单胞并计算出属于该单胞的原子的坐标，在编程构建模型时要考虑如何满足周期性边界条件。通过这些建模实践，学生能领会到建模的核心要点，也能掌握建模的一般流程，这有利于消除他们的“编程恐惧症”，以后如果要构建更复杂的模型他们也不会感到无从下手。问题解决后，各组需要制作PPT汇报其解决思路并呈现所构建的模型。老师根据其汇报结果和过程表现进行点评，指出他们在解决问题时出现的一些错误，进一步教授他们编程建模的一般性原则、方法和思维方式，并强化他们编程解决问题的意识。这种编程意识和思维方式才是我们真正希望学生通过编程实践获得的东西。

模拟实验方案设计及软件操作部分主要是培养学生设计模拟实验和操作模拟工具的能力，对从事材料计算的研究人员而言，方案设计能力是其灵魂，而软件操作能力则是其那双“灵巧的手”，这两种能力的培养对于塑造能独立、灵活开展模拟实验的学生至关重要。利用计算模拟方法进行材料研究，首先，需要根据所研究问题的本质特点选择合适的模拟方法并制定科学的模拟方案，然后利用相关软件开展模拟。而模拟方法的恰当选择和模拟方案的科学设计又是建立在研究人员对各种模拟方法的深入了解和对所研究问题细致分析的基础上。不合理的模拟方案直接导致错误的模拟结果，这种错误结果不仅没法让科研人员获取到有价值的信息，很多时候还会把他们引向错误的方向，成为材料模拟研究中最致命的问题。在教改之前，我们通过课堂提问或课后作业的形式考查了学生的模拟方案设计能力。结果表明，由于缺乏实践锻炼，学生很难设计出科学合理的模拟方案。因此，在翻转课堂，将结合学生的兴趣选择一些经典的材料问题组织学生对模拟实验进行分组设计并利用相关软件开展模拟，以提高学生模拟方案的设计能力和模拟软件的操作能力。如让学生设计模拟实验计算铁的熔点、点缺陷形成能、生长速率等，这些材料问题是学生所熟知的，实验的模拟方案设计难度适中，是翻转课堂实践教学内容的较好选材。以计算铁熔点模拟实验的方案设计为例，学生首先需要确定所采用的模拟方法（如分子动力学模拟方法）；其次，需要根据已掌握的知识或通过文献查阅提出熔点计算方法（如固液共存法）并从原理上对其合理性和计算精度进行评估；再次，根据熔点计算方法设计模拟方案，包括铁原子间相互作用势函数的选择，铁样品初始模型的尺寸设定和构建，边界条件的设置及模拟系综的选择，模拟流程的设计等；最后，按照设计的模拟方案利用分子动力学模拟软件LAMMPS进行模拟，并根据模拟结果计算铁的熔点。一个模拟实验完整方案的设计实施对于学生深入理解模拟方法和整个模拟流程意义重大，在模拟方案的设计实施过程中知识不再是头脑中空洞的公式和符号，而成了解决实际问题的有力武器，很多抽象的概念也变得具体可感，对于学生而言模拟方案设计无疑是一个很好的知识应用场景。任务完成后，各小组撰写PPT报告汇报其所设计的模拟方案及模拟结果。在整个实践活动过程中，老师只提出问题，提供咨询，点评过程和结果；针对模拟方案和模拟结果存在问题的小组，带领其成员分析原因并指导他们修正方案。这种全过程参与并能得到及时反馈和指导的实践活动是学生掌握计算材料学不同模拟方法的最佳途径，这种实践活动也能最大限度地发挥老师的作用，不仅教授学生知识也将长期模拟实践过程中积累下来的丰富经验传授给他们。对于那些提前完成的小组，根据其意愿可以适当增加任务，也鼓励他们根据自己的兴趣爱好自设问题开展探究性的实践研究活动，在这个过程中老师对其进行指导，因此，实践活动阶段也更有利于开展个性化教学，实现因材施教，让每个学生尽可能得到充分发展。

综合来看，这种问题式实践教学方式既能提高学生的学习兴趣，培养学生分析解决问题的能力，还能使他们熟练掌握模拟工具的使用，锻炼他们的沟通交流协作能力。本次教改是基于我院《计算材料学》课程教学团队多年的教学实践和材料计算模拟实践提出的，全生参与、多维度训练、系统化培养是本次教学改革的显著特点，对于提高教学质量、促进学生发展非常重要，这种教改模式也是材料计算人才培养的科学路子。

三 翻转课堂教学改革的实施效果

针对《计算材料学》这门课程传统课堂教学效果不佳这一现状，我们教学团队引入翻转课堂教学模式对其进行教学改革，有效克服了传统课堂课时紧张、理论和实践无法兼顾等不足，突出了学生在学习过程中的中心地位，充分发挥了老师在教学活动中的能动作用。在设计视频教学内容时提出了专题教学、精简理论、建立框架、以计算流程为主线展开教学内容的指导原则，设计翻转课堂内容时确立了注重实践能力培养的指导思想及问题式教学和学生分组实践的实施策略。课程结束后，我们对学生进行了随机访谈和问卷调查，以了解学生对教改效果的客观评价。教改实践表明，翻转课堂中安排的实践活动一方面大大提高了学生的学习兴趣，拓宽了学生的知识面，也深化了学生对知识的理解，提高了学生设计模拟实验方案和应用模拟工具的能力，此外，学生的自主学习能力、沟通交流能力和团队协作能力也有较大提高。通过翻转课堂，老师更好地实现了因材施教，促进了学生的个性化发展。总的来讲，教改取得了较好的成效。今后，我们将总结经验，继续优化教改方案，进一步提升《计算材料学》课程的教学效果，为材料计算人才的培养贡献自己的力量。