交叉学科的OBE教学探究：《计算机在材料科学与工程中的应用》教学设计

李 煜

（深圳大学材料学院 广东·深圳 518060）

在人工智能、大数据、新材料等技术与产业蓬勃发展的背景下，工程技术人才培养模式亟须转型为跨学科复合型人才的培养范式。[1]国际工程教育专业认证有助于整合国际工程教育的先进教学理念，推动中国工程教育与国际华盛顿协议相结合。落实到人才培养的根本任务，工程教育专业认证下的教学改革可以为培养素质优良、结构合理、支撑引领的工程技术人才提供重要支撑与途径。结合当前教育发展形势和交叉学科课程的禀赋特征，笔者在强调交叉学科课程[2]特色差异化教学的基础上，探究了如何贯彻OBE理念的“计算机在材料科学中的应用”课程的优化设计。

1 交叉学科存在的问题与教学难点

目前，《计算机在材料科学中的应用课程》因为涉及计算机、软件、数学算法和材料学科的多维深度交叉，在教学方面存在的客观难度。

首先，计算机（软件、算法）在材料科学与工程中应用涵盖从材料成分、结构设计、合成制备到加工，几乎与材料学院所有的专业课程有交集。然而在相关的专业课程中缺失相关的反向联动，造成本门课程的教学相对孤立性。同时广泛的交叉点形成过于分散的课程体系，不利于形成系统的印象与感知，容易导致学生对课程印象浅薄，收获感较低。多知识体系框架且相互割裂的局面造成了本课程授课的困难，也对交叉学科课程的矩阵-模块化应用型教学设置提出了迫切需求。

再次，计算机学科的教学依赖实践型教学（如上机实验、实操案例等），在教学资源上对服务器、机房、软件等硬件资源具有极高的依赖性。从学生的角度，在没有亲自上机操作软件、建模与提交计算参数、处理计算结果的实战经验时，难以理解抽象与复杂的计算机模拟算法。因此从课程平台建设的角度，需要学校、学院的经费支持与工作站、服务器配置。

2 教学设计与探索

鉴于上述两大课程特点，交叉学科授课难度大，既需要教学平台支撑与课程建设，也需要教学团队的组建并苦练内功，依据课程的理论性与实践性，分别开设理论课与实验课，进行课程重点内容模块化梳理，形成知识矩阵化、强脉络的教学设计。结合成果导向教育（Outcome based education，以下简称“OBE”）的时代背景，遵从以成果为导向、以学生为中心、持续改进的工程教育认证三大核心理念[3-4]。本文将在课程设置与结构方面展开较为系统的论述。

首先，本课程在材料专业课程体系中较为孤立，缺乏专业背景铺垫，后续缺乏相关专业课程的深化与呼应。如何使得学生建立对该课程内容的接纳、理解与深度认知，如何避免在课程结束后被学生迅速淡忘成为匆匆过客，是本课程建设与改革的重大难题。笔者基于课程改革与教学实践，总结了以下几个方面的课程改革与设计策略。

作为我国材料专业与国际教育体制接轨的必要环节，《计算机在材料科学与工程中的应用》应当提高课程比重，如开设独立的实验课与理论课，通过突出强化实践性的实验课，并协同理论课程的交互支撑，有利于实现学生对课程知识的立体印象。应充分考虑课程内容的复杂性，将课程知识点划分为几个方阵模块，由具有相关专业背景与学术背景的教师进行授课。如图1所示的三个层次有利于材料设计的分类，同时材料多尺度模拟的未来趋势也是以打通上述三个层次计算的模拟为导向的，而机器学习在其中起到了不可或缺的作用。

图1：《计算机在材料科学与工程中的应用》课程模块设置

理论课的课堂教学强调案例教学，以多个具体材料问题的计算模拟案例展开论述，不仅有利于引入具体的应用场景，消化课程理论部分的抽象性，同时可以让学生培养解决问题的思维方式，并认同计算材料学的作用与价值。在教学实践中，通过学生课堂上组织、讨论建模方案与主要模拟参数的设置，增加学生的实践环节，避免教师单方面的纸上谈兵而学生置身事外的片面教学。理论课程如何增加学生的互动与参与是保证课程质量、提高学生学习投入与效果的关键。在学生考核方面，应该设计激励性与约束性并存的考核方案来鞭策学生（表1）。

表1：课堂考核方式及分数分布

从培养人才的角度，本课程理论课和实验课的根本目的应当协同致力于培养学生对具体材料问题的模拟解决能力。因此在教学设置上，不能以偏概全的进行理论知识的纸上谈兵，更应该注重对计算工具的选择、应用与结果的分析、利用与评价，能够判断模拟结果的可靠性与局限性，能否针对具体问题调整计算模拟的方案与参数。因此在各知识体系不能平行用力，而是针对重点模块进行大案例探讨与计算示范，并结合计算结果进行对比、分析。这里的案例教学要求教师在理论课上充分调用计算软硬件资源进行模拟示范，弥补纯理论课在应用能力上培养的短板。必要的时候，教师可以自带安装有建模软件的笔记本电脑，在课堂上远程登录工作站进行教学演示。与之相比，仅通过PPT或者录制的微视频播放教学效果往往低于预期。因为该方案过于依赖学生的课前学习[5]，缺乏必要的步骤停顿与学生互动环节，高估了学生的自学能动性与积极性。

在教学中应该以问题为导向，把材料领域的计算模拟工具的选择权交给学生，在特定的材料问题下由学生思考如何选择模拟工具与方法。以往的教学中在给定了软件的前提下讲解计算流程与主要参数，难免流于模式化，千篇一律缺乏因地制宜的应用型探究。对学生解决实际问题的能力培养是极度不利的。同样的，在获得计算数据后，如何科学利用计算结果进行分析、综合评价对问题解决的程度与局限性也是以往教学中容易忽略的环节。笔者发现在前期教学中，学生可以建模并提交计算，但是对于结果缺乏判断力。对于模拟结果的批判性思考（critical thinking）是建立学生基于模拟工具进行材料研究思维的关键一环。

3 结语

以上，笔者以《计算机在材料科学与工程中的应用》课程为代表讨论了交叉学科新型专业课的教学难点与教学设计，通过理论课与实验课的交互联动与重案例、强模块化的教学方案，提高学术对不同层次的计算模拟工具的清晰认知与应用能力，从而培养出新时代下具有计算机算法、软件与材料科学交叉学科的新型高科技应用型人才。