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摘要:《計算機在材料科學中的應用》是一門兼具理論性和實踐性，融合計算機技術和材料科學學科基礎的跨學科的重要專業(yè)課程。根據(jù)工程教育認證的要求，本文從課程目標設定、教學內(nèi)容設置、教學過程設計三個方面對該課程的教學進行改革與探索，以期實現(xiàn)課程教學的認知目標與情感目標，提升學生的知識應用能力，培養(yǎng)學生工程綜合素質與實踐創(chuàng)新能力。
材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。材料科學是研究材料的組織結構、性質、生產(chǎn)流程和使用效能以及它們之間的相互關系，集物理學、化學、冶金學等多學科于一體的科學。材料科學是一門與工程技術密不可分的應用科學。其主要培養(yǎng)從事新型材料的研究和開發(fā)、材料的制備、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高級工程技術人才。2016年，中國正式成為華盛頓協(xié)議的成員，華盛頓協(xié)議是國際公認的工程科技人才質量認證體系。它標志著中國工程教育專業(yè)認證體系正式與國際工程教育專業(yè)認證體系相結合。“華盛頓協(xié)議”旨在建立國際公認的工程教育專業(yè)認證體系，推動同等標準，共同提高工程教育專業(yè)素質，為國際鑒定專業(yè)工程師提供平臺［1－2］。國際工程教育專業(yè)認證有助于整合國際工程教育的先進教學理念。推動中國工程教育專業(yè)的進一步改革和發(fā)展，提高工科院校的教學質量。落實到人才培養(yǎng)的根本任務，工程教育專業(yè)認證下的教學改革可以為培養(yǎng)素質優(yōu)良、結構合理、支撐引領的工程技術人才提供重要支撐與途徑。人工智能、大數(shù)據(jù)、新材料等技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為工程技術人才提出了更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨學科復合型能力要求［3］。在材料科學與工程學科培養(yǎng)計劃中，課程《計算機在材料科學中的應用》是一門兼具理論性和實踐性，融合計算機技術和材料科學學科基礎的跨學科的重要專業(yè)課程。計算機技術已被應用于材料的設計與開發(fā)、新工藝方案的設計與優(yōu)化、材料結構分析、模型構建與計算機模擬、材料數(shù)據(jù)分析與結果可視化等材料學科領域的諸多方面。本課程的學習可為材料科學與工程專業(yè)學生的相關實驗方案設計、實踐環(huán)節(jié)的鍛煉以及畢業(yè)論文或設計的順利進行提供重要基礎。該課程的學習將使學生利用計算機技術解決材料科學理論學習和實際問題。為將來進一步學習深造或進入崗位實踐夯實工具及理論基礎。課程《計算機在材料科學中的應用》要求學生將扎實的理論知識與熟練的計算機應用技能相結合。改革和探索課程的教學過程和方法非常重要［4－5］。因此，迫切需要進一步調(diào)整，優(yōu)化和改革課程的目標定位，教學內(nèi)容和教學方法。滿足工程教育認證下材料科學與工程人才培養(yǎng)的實際需要。
1精準定位課程目標
作為專業(yè)教育的靈魂，培養(yǎng)目標直接決定著人才培養(yǎng)的目標和方向。培養(yǎng)目標總體描述了學生畢業(yè)五年左右能夠達到的職業(yè)成就。目標的設置要契合就業(yè)需求，同時兼顧學生職業(yè)生涯的長期可持續(xù)發(fā)展。天津理工大學功能材料專業(yè)是天津市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)，以顯示材料與光電器件教育部重點實驗室和天津市光電顯示材料與器件重點實驗室為依托。在工程教育專業(yè)認證背景下，本專業(yè)將人才培養(yǎng)目標定位為適應我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中信息與能源相關的功能材料研究和制造業(yè)所需應用型高級專門人才需求，具有優(yōu)良的德法修養(yǎng)與溝通能力、較強的團隊意識、社會責任感、創(chuàng)新意識;掌握專業(yè)知識、應用能力和終身學習的意識;能夠運用材料、物理以及光電子信息等多學科交叉基礎知識并借助現(xiàn)代技術工具研究、分析和解決功能材料制備、應用工程問題，從事材料學的科學研究、技術開發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)、工藝設計、材料方案選擇、設備設計與調(diào)試、生產(chǎn)與運營管理等工作的優(yōu)秀應用型人才?！队嬎銠C在材料科學中的應用》是天津理工大學功能材料專業(yè)學生的專業(yè)課程之一。在工程教育認證背景下，本課程以專業(yè)培養(yǎng)目標為指導，從服務就業(yè)、繼續(xù)學習深造兩方面出發(fā)，回溯制定了課程目標，為功能材料專業(yè)高質量人才培養(yǎng)提供了重要支撐。本課程的課程目標具體設置如下:(1)熟練運用多種材料學相關軟件，將物理學、化學、生物學等多方面的知識聯(lián)系起來，為學生開展材料科學畢業(yè)論文或設計、進一步學習深造或從事相關崗位工作夯實基礎。(2)了解各類材料、化學、物理相關模擬軟件，運用材料科學基礎知識和物理學、電子及光電子信息科學等多學科交叉知識，為學生解決功能材料的實際應用提供性能預測、結構分析等數(shù)據(jù)支持，設計/開發(fā)滿足特定需求的功能材料，培養(yǎng)學生參與材料學相關工作的實踐應用能力。(3)熟練運用計算機常用軟件和儀器分析測試軟件，為學生參加工作提供良好的實踐平臺。
2導向性教學內(nèi)容設置
工程教育專業(yè)認證體系下，每門課程都需要說明課程學習對人才培養(yǎng)要求達成度的具體作用。本課程的基本教學思路是鞏固基礎，開闊視野，將學科交叉融合落到實處。在教學內(nèi)容的設置上，以學生就業(yè)或深造的需求為導向，結合國際先進的教學體系，合理優(yōu)化內(nèi)容體系，課程內(nèi)容具有明顯的學科交叉性質，包括材料學與物理學、化學、生物學等學科知識。將“材料科學基礎、功能材料概論、無機化學、有機化學、高分子化學、現(xiàn)代分析檢測技術”等相關課程知識與各類材料、化學、物理相關模擬分析軟件應用的知識體系高度融合，體現(xiàn)課程在覆蓋面、關注度和學科交叉性方面的考量，調(diào)整優(yōu)化課程教學大綱，同時調(diào)整相應的教學設計，實現(xiàn)課程從目標大綱設計、教學過程到課程考核評價等全過程的深度優(yōu)化。
3教學過程設計優(yōu)化
在工程專業(yè)教育認證的背景下，以學生職業(yè)生涯發(fā)展為導向的培養(yǎng)理念要求教學過程以學生的知識學習、技能掌握與素質提升為指引。因此本課程設置與過程設計的根本出發(fā)點與落腳點就在于夯實學生理論知識的基礎上，進一步培養(yǎng)學生應用計算機技術進行材料學科實際問題解決的能力，在課程進行過程中啟發(fā)其進行知識融合和學科交叉的意識與創(chuàng)新能力。如何有效提高課堂教學效率是教學過程設計優(yōu)化中必須考慮的問題。其中，如何激發(fā)學生的內(nèi)在動機，促進學生積極學習的主動性，保持學習的連續(xù)性和一致性是當務之急。在功能材料學生培養(yǎng)計劃中，《計算機在材料科學中的應用》是一門具有明顯跨學科性質的專業(yè)課程，教師在教學設計和教學過程方面進行了一定的改革和探索。
3.1教學設計
《計算機在材料科學中的應用》課程的教學內(nèi)容主要包括計算機技術在材料選擇與設計、工藝過程設計與優(yōu)化、材料數(shù)學模型的構建與數(shù)值模擬計算、材料性能參數(shù)設置與對比模擬分析以及材料數(shù)據(jù)分析于結果可視化等。綜合考慮內(nèi)容覆蓋面與課時分配的基礎上，本課程立足功能材料專業(yè)高質量人才培養(yǎng)要求，從服務就業(yè)、繼續(xù)學習深造兩方面出發(fā)回溯制定的課程目標出發(fā)，優(yōu)化教學設計，具體的，主要包括如下方面:(1)以課程內(nèi)容教學為藍本，啟發(fā)多學科交叉融合的思路。按照教學大綱的調(diào)整與優(yōu)化，加強計算機技術在材料選擇與設計、數(shù)學模型構建與數(shù)值模擬以及材料數(shù)據(jù)分析與可視化中的應用等章節(jié)知識的教學，融入各類材料、化學、物理相關模擬與分析軟件的應用實例。將本課程與各類材料、化學、物理、計算機等相關學科的關聯(lián)關系及各學科交叉融合在材料學科問題解決中的重要作用融入課程教學體系之中，啟發(fā)學生解決問題的新思路，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。以應用與實踐為導向，提升學生的學習興趣與積極性，讓學生在理論學習和實例分析過程中體味借助計算機模擬與分析技術解決材料學科問題的思路和方法，潛移默化中引導學生通過多學科知識交叉融合以解決材料學科問題的意識與能力。(2)以實際案例為導引，培養(yǎng)學以致用的意識。借助相關實際案例，把功能材料專業(yè)的特點融入該課程的教學實踐中，充分調(diào)動學生學習知識與應用知識的積極性，培養(yǎng)學生勤謹治學，學以致用的意識。如在講授計算機在新材料中的設計時，材料與性能之間存在必然的聯(lián)系，如果將各種材料單元結合設計出性能優(yōu)良的材料，需要學生了解材料各單元的基本性能，建立合理的材料模型，并對不同材料選擇與設計方案進行參數(shù)模擬與性質對比，這對于材料的設計、開發(fā)與應用具有重要價值。(3)教學學術一體，授之以漁。在融入實例演示教學的基礎上，追蹤學科前沿，結合已有研究成果和研究計劃，選取與課程大綱緊密貼合的內(nèi)容融入課堂，將教學與學術有機融合，激發(fā)學生在掌握課程內(nèi)容和課程學科交叉特點的基礎上深入探索材料科學問題并挖掘嶄新可行解決方案的興趣與潛力。并將發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、借助計算機模擬與分析技術進行問題解決的全過程進行一定的示范與講解，讓學生在掌握課程知識的同時，體味發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的樂趣，啟發(fā)思路，鞏固知識，熟練技能。
3.2教學方法
《計算機在材料科學中的應用》課程具有很強的應用性和實用性，結合理論基礎，強調(diào)實際案例教學與演示，將知識學習、技能培養(yǎng)和素質提升有機融合，調(diào)動學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的意識與能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。具體的教學方法舉例如下:(1)以學生就業(yè)或深造需求為導向，將個人簡歷的設計與完善與基礎計算機軟件應用相結合，從課堂典型案例演示與點評到課下簡歷制作，以及模擬面試個人簡介、師生評述在學生主動參與、積極展示的過程中，引入本課程的其他理論知識講述和應用環(huán)節(jié)。結合功能材料專業(yè)特點，將計算機技術在材料的選擇與設計、工藝的設計與優(yōu)化、數(shù)學模型的構建與數(shù)值模擬、材料方案的參數(shù)對比與模擬分析、材料數(shù)據(jù)的分析與可視化等方面的應用通過實際案例的引入，使學習內(nèi)容的應用與價值具象化，激發(fā)學生的學習熱情和動力，提高學生的學習效率。結合案例分析與應用，在激發(fā)學生解決實際問題的興趣的基礎上，引導學生的學科交叉意識與實踐創(chuàng)新能力。(2)在多媒體教學中，結合貼近課程內(nèi)容的數(shù)據(jù)、文本、影像等資料形式，插入一些具體案例，以動畫形式，從多平面教學方法向立體化教學方法轉變，使學生身臨其境，體會到學習的樂趣，使學生從被動學習向主動學習轉變。在教學實踐中，學生普遍反映講授內(nèi)容有趣、實用性強，《計算機在材料科學中的應用》課程的學習興趣濃厚，學以致用，用以促學，教學相長，教學質量與效果得到了明顯的提升。
4結語
《計算機在材料科學中的應用》課程融合了材料學科、物理學、化學、生物學以及計算機技術和數(shù)值模擬技術，學科交叉的特征明顯。工程教育認證體系下，進行該課程的教學改革與探索，提升其教學質量與效果顯得尤為重要。具體的，在本課程的教學過程中，以材料科學專業(yè)學生培養(yǎng)目標為指引，融入從材料選擇與設計、工藝過程設計與優(yōu)化、材料性能測試與對比、數(shù)據(jù)模型構建與數(shù)值模擬以及材料數(shù)據(jù)分析與可視化等計算機技術在材料科學中的實際應用案例，在教學內(nèi)容設計與組織、教學過程實踐與創(chuàng)新方面進行了一定的改革與探索，讓學生學以致用，用以促學，教與學有機統(tǒng)一，相輔相成。讓學生在知識學習和實踐應用中體會發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的樂趣，實現(xiàn)材料學科知識鞏固與計算機技術應用能力的提升，進而為培養(yǎng)材料學專業(yè)學生的創(chuàng)新意識與實踐能力打下良好基礎。
參考文獻
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作者:張強 單位:天津理工大學材料科學與工程學院
