“计算材料学”双语教学探索与实践

白 静，沈洪涛，金 淼

（东北大学秦皇岛分校 资源与材料学院，河北 秦皇岛 066004）

计算材料学是一门新兴学科。当前，随着计算机科学在新材料研究领域的兴起，计算机技术与材料领域交叉应用可以为广大材料科技工作者提供一种更加便捷的虚拟环境。显然，在这种大环境下，复杂烦琐的常规批量式实验手段已不再具有优势。因此，传统的基于实验的研发理念和模式必须有所改变，“理论预测+实验验证”的新模式应运而生［1］，计算材料学将成为未来材料科技工作者的必备知识之一。

如今，中国高等教育越来越趋向于国际化。近十年来，国内各重点工科高等院校纷纷遴选出一批课程用于开展以英语为主要课堂教学语言的双语教学改革［2-4］。实施双语教学不仅可以深化学科课程的学习，还可以开阔学科视野和学习前沿知识［5-7］。东北大学秦皇岛分校的“计算材料学”课程从开设伊始就按照双语教学设计，理论教学和计算案例均使用英文材料，旨在培养和提高学生的综合能力。

“计算材料学”课程是一门专业选修课，选课学生为材料科学与工程专业和功能材料专业本科生。通过对“计算材料学”课程的学习，可以加深对材料的结构、性质和反应机理的认识，通过分析计算结果可以引导实验，理性地设计实验，进而达到节省研发时间、降低成本的目的［8-12］。课程主要讲授计算材料学中原子和分子尺度模拟的常用方法、核心理论知识与科学前沿进展，并结合材料研究中的实际例子说明具体方法的运用。学完本课程后，学生对材料设计中涉及的多尺度模拟会有较深入的理解，在掌握有关第一性原理计算的相关理论后，选取合适的计算方法和参数，可以实现应用第一性原理计算分析设计材料的性质。

本课程立足国家需求、学科发展和人才培养目标，注重专业知识与创新融合的创新型、复合型人才培养要求。同时，本课程连接材料科学基础理论与研究实际，利用多尺度模拟方法计算材料的性质，让抽象概念更直观。

一、双语授课的教学现状

我国的大学双语教育在全国范围内推广了十几年，双语教学使中国高等教育更加与国际接轨。然而在实施的过程中出现了一些问题亟须解决，例如，对相关的课程资源的建设不足，对双语的教学模式流于形式，学生听课效果一般等。

（一）双语教学教师资源不足

双语教学的授课方式，不仅要求授课教师掌握专业知识，同时对于授课教师专业英语水平要求也非常高，这使得能够承担双语教学的教师人数不足。学术能力强、经验丰富的材料专业教师，往往受到传统教学方式的制约，其不足主要体现在英语的听说和口语表达方面。职业英语教师的英语阅读、写作、翻译、听力和口语的能力都很强，但由于没有材料科学的专业知识的背景，造成讲授时难以很好地把握“计算材料学”课程的重点难点和实际应用，无法有效地进行“计算材料学”课程双语教学。

（二）可供选用的双语教材数量较少

计算材料学适用于本科生阶段的教材很少，且基本是各高校教师按照教学大纲编写的，不能完全适用于我校学生教学，例如所选计算实例等不适合我院材料类专业学生学习等。同时，受教材出版周期限制，内容更新较慢。目前，普通高校在选用双语教材时，往往会依据实际需要确保其教学的有效性，获取途径有三种：一是直接引入原版教材，二是各高校通过聘请国内知名高校教授编写教材，三是与外国知名高校合作编写中外合作教材。国外的原版教科书，能最大限度地反映出国外尖端的技术，能够与世界的尖端科研相结合，但其价格很高，同时专业类科目的教材种类和数量都比较少；我国高校编写的教材一般是根据课程大纲编写的，基本能适应目前专业学生的基本需求。不过，在语言表达上汉语和英语会存在差异，这容易对语言理解产生偏差，引起歧义。

（三）学生英语水平有限

学生的基础英语水平和专业英语词汇积累直接影响双语教学的效果。目前，相对于笔试，学生的实际听说能力有限，加之平时缺少一个能够进行英语交际的语言学习环境，所以英语的实际应用能力总体不足。在双语课中，由于自身的专业素养和英语能力的限制，导致了教师和学生在进行双语教学的时候，往往要耗费更多的时间和精力。

二、“计算材料学”双语教学模式探索

（一）明确双语教学目标

利用双语教学的方式，学生能够更好地在汉语与英语两种语言环境中学习、理解和有效地掌握这门学科的精髓。首先，要求学生对“计算材料学”课程所包含的基本内容进行充分理解掌握，其次，通过双语教学全面提升整体素质，提升专业前沿学科知识的学习能力。在双语教学过程中，以学科的特殊性为核心，而语言仅仅是内容的载体、表现形式和沟通手段。在此基础上需要说明的是，双语教学改变的是教学形式，而不能改变教学本质，应该以课程内容为中心，以专业知识为主体。

（二）创新教学模式

实施双语教育的目的是让学生更好地理解掌握国内外计算材料学知识，进而更好地运用英语进行材料领域的沟通、运用和研究。

作为一名教师，应注意对双语教材的理解，在课堂上运用更加灵活的方法来激发学生的积极性。例如，在课程安排上，教师必须明确自己的教学目的，充分掌握国际最新的学科知识，在课堂上能够合理、高效地开展教学，确保在充分掌握学科知识的基础上，合理、科学地安排讲课内容。例如，我们在教学内容中融合了教师的科研方向——新型功能材料：Ni-Mn基磁控形状记忆合金，该材料的优异功能特性均与其可逆马氏体相变有关。因此，通过计算材料的奥氏体母相和马氏体相的能量差，得到马氏体相变的热力学驱动力，进而预测该材料的马氏体相变温度，并可以计算奥氏体母相和马氏体相的各种物理性质。

此外，我们通过互动的方法来引导学生参与到课堂的讨论和演讲中，培养其对学科知识的学习兴趣，指导他们用英语思维与语言进行交流和学习。教师和学生之间的互动不仅能使学生更好地掌握更多的专业技能，还能提升学生在语言交际中的沟通能力。在完成了讲授工作后，与学生进行有效的沟通和交流，发现存在的问题并提出相应的改进方案，形成良性循环确保双语教学模式持续进行。

要想提升教学效果，就必须要创新教学模式，促进现代信息技术与教学实践有机结合。在优化课堂设计的同时，让单一授课模式下枯燥乏味的课堂焕发生机。我院结合本校实际，开展研究型教学，探索小组学习模式。注重理论与实际紧密结合，通过分析材料研究中的具体问题，引导学生应用计算材料学方法分析解决具体问题。研究内容为材料性质计算及参数优化，具体课题有半导体能带结构与态密度计算、材料弹性常数计算、低指数表面及吸附性质计算等，学生也可以根据兴趣自行查阅文献选题。首先，分组设计计算，2～3名学生为一组，各组学生分工合作，以表面吸附案例为例进行说明：每组要完成的主要任务有晶体表面模型构建、表面能量计算、计算参数优化等。然后，以小组为单位将完成好的课题以PPT的形式在课堂上进行讲述。选出课堂表现优秀的5名学生担任评委，模拟毕业设计答辩过程。针对出现的问题，通过学生和教师的共同讨论，提出建议。对于答辩过程中出现的问题，先进行完善后再最终提交报告，完成学习任务。

此外，精选优质讲座视频，推荐给学生观看。例如国际著名催化专家J.K.Nørskov教授题为“Catalysis for Sustainable Production of Fuels and Chemicals”的讲座，从最基本的量子力学角度来模拟电子和材料的性质，设计用于可持续能源和环境保护的新型功能材料，从中可学习理论计算辅助设计太阳能转化材料相关的知识，更重要的是能学习科学家提出与解决问题的思路。

（三）及时更新院校双语教材

计算材料学相关的英文教材一般更新较快而且质量比较高，因此我们在教学中参阅了大量的英文教材编写了全英文讲义并逐年更新，并结合英文期刊文章中典型的计算案例，课堂教学和课后作业的相关材料也均采用英文形式，授课形式为中英文授课的双语教学形式。现已形成完整的英语讲义、中英文双语教学大纲和PPT等系列教学资料。除此之外，计算材料学涉及的模拟软件（如CASTEP、VASP等）和帮助文件均为英文，学生通过阅读英文讲义学习第一性原理计算方法，进而查阅最新英文学术期刊学习计算案例。在大学期间适当与国际材料学研究热点接轨，这对以后的学习和工作有相当大的好处，也有利于日后快速融入国际学术氛围。

（四）在教学案例中融入思政元素

以立德树人为根本任务，突出国家需求导向，将课程思政理念贯穿“计算材料学”教学全过程，深入挖掘课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，落实教师育人使命，提升学生课程学习兴趣、开阔学科视野、塑造科学精神和培养家国情怀。“计算材料学”是“理、工、做”结合的专业课程，注重科学思维方法的训练，培养学生探索未知、勇攀科学高峰的责任感和使命感，激发学生科技报国的爱国主义情怀和使命担当。

课程思政案例一：气候变化是全人类的共同挑战。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上郑重宣示：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。吸附和催化转化是二氧化碳减排中的重要环节。通过“二氧化碳吸附与催化转化”方向的计算选题，使学生了解我国是负责任的国家，以及为应对气候变化所做的努力和贡献，鼓励学生结合课程知识贡献智慧和力量。

课程思政案例二：氢能作为清洁、高效、可持续的二次能源，在全球能源转型方面被寄予厚望，但在制备、储存和运输等方面还存在瓶颈。如在运输方面存在“氢脆”现象，存在对输配管道和容器产生破坏的潜在风险。如何实现安全、高效、经济的氢气储存，还有很大的努力空间。通过“氢的吸附及在铁中的扩散”方向的计算选题，学生了解了氢能是构建未来以可再生能源为主的多元能源结构的重要载体，其开发和利用技术也成为新一轮世界能源技术变革的重要方向。

课程思政案例三：磁控形状记忆合金是一种新型功能材料。目前所用的磁控形状记忆合金主要成分是Ni-Mn-Ga，其磁致应变可达10%。磁控形状记忆合金不仅具有普通形状记忆合金大应变和高推动力的特点，而且具有响应速度快和高效率的优点，有望成为智能材料系统中首选的驱动材料，也有望应用在传感器、表层智能结构、飞机机翼调控系统和超大功率超声换能器技术等方面。通过“Ni-Mn-Ga系列合金相变”方向的计算选题，使学生了解材料计算在前沿材料研究中的应用，提升课程学习兴趣，增强专业自信。

通过二氧化碳吸附催化转化、氢吸附扩散、形状记忆合金设计等相关的计算选题，有助于学生了解国家政策，学习材料计算知识，阅读英文文献，锻炼团队合作，开阔学科视野，塑造科学精神，激发爱国主义情怀。

结语

随着当前教育国际化程度加深，普遍增设专业课程的全英文和双语教学是全国高校各类专业培养方案调整内容之一，这将有助于提高学生在相应专业领域的英语运用能力。“计算材料学”是一门新兴课程，尚处于不断探索和完善之中。为了顺应高水平、国际化人才培养要求，突出国家需求导向，适应学科专业发展要求，结合教学实际，本课程从教学理念、课程内容、课堂教学、课堂考核等方面进行了教学改革探索与实践。只有各方面不懈努力，学生学习兴趣提升，才可能切实提高教学效果，顺利实现教学目标，从而在新材料领域为我国培养出更多更好的科技人才。