面向工程问题采用项目式教学提升课程获得感

汤富领 李俊琛 卢学峰 薛红涛 任军强

[摘 要]计算材料学是一门适用于材料科学与工程学科本科生的新兴学科交叉课程，材料计算与设计是其后续的研究生课程。它们知识面广且具有鲜明的操作实践性，传统授课方式不尽如人意。在新行为主义学习理论指导下，面向工程问题，采用分层次项目式教学方法展开教学以提升学生课程获得感。该文详述其教学过程。

[关键词]面向工程问题;项目式教学;新行为主义;计算材料学;课程获得感

[中图分类号] G434[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）44-0-02[收稿日期] 2020-05-09

计算材料学[1]是材料科学与工程学科的一门新兴学科交叉课程，材料计算与设计是其后续的研究生课程，它们以计算机（软件）为工具学习和研究材料的成分、结构和性能间的相关关系，并逐渐成为材料学科重要的专业课。课程涉及丰富的物理、化学和材料学基础理论知识，研究方法多元、实验操作技能应用性强，强调知识与技能的交叉和融合，具有很强的实用性和趣味性。授课时既需要在短时间内把丰富的知识传授给学生，又要让学生掌握扎实的操作实践技能，尤其是要培养学生工程认证理念下解决复杂工程问题的能力;但受课时限制，这些要求很难完成，对传统授课方式提出了挑战[2]。

一、传统授课模式不能适应操作性强的新兴交叉学科课程

涉及的课程有两个特点。“知”的方面的特点是涉及物理、化学、材料学和计算机等多个学科，知识体系量大面广，要求学生以近现代物理、化学知识为基础，从已习得的材料学基本理论出发，掌握材料有限元分析、分子动力学、第一性原理计算和Monte-Carlo模拟的基本原理、程序步骤和输出数据的科学与工程意义。“行”的方面的特点是操作实践性强。第一个特点是一般新兴交叉学科课程所共有的，第二个特点是很多工科专业课所具有的。这门课程的两个特点使得传统教学方法很难在较短的课时内（32或48课时）达到教学目的。

面对上述问题，为进一步提升教学效果，提高学生的材料计算实践能力，同时满足社会对材料设计人才的需求和学生进一步深造的期望，根据课程上述“知”“行”两个方面的特征，对近两届学生逐步实施项目式教学[3]。按照本学科一以贯之的知行合一的教育理念，我们取用“新行为主义”（Neobehaviorism）学习理论对课程的导向、教学方法和教学内容进行重新思索和建构。

二、新行为主义学习理論背景下的项目式教学

在新行为主义学习理论指导下[4]，项目式教学是这样展开的：教师采用在研的工程或科研项目，抽取并设置面向工程的真实问题，教师为学生设计学习行为、操作行为及正确标准，引导学生形成自我协调且独立的工作意识;学生按照教师的要求一步步自主执行，直至学生在材料学领域形成清晰、正确、甚至条件反射地提出问题、分析问题和解决问题的整体思路。学生的知识和技能，不仅是在课堂上通过授课获得，而且是在真实的操作环境下通过不断的练习和纠错得到。教师对学生分组，强调组内和组间的共同学习和协作研究，在组内通过学生自我分工、协作和鼓励，从而完成学习与实践任务[2]。

三、面向工程实际问题项目式教学的实践探索

实施项目式教学，要调配好以下诸教学要素之间的关系：教师（课程组）—课时分配—项目选择—目标确定—任务分解—学生分组—资源分配—报告撰写[3]。

1.组建有实践经验的教学团队。面向工程实际问题的项目式教学对授课教师（课程组）提出了更高的要求，不仅要在讲授课堂上将知识清晰、完整地传授给学生，教师自身还需具有很强的科研项目操作能力和实践性课堂管控能力。

2.选择在研的实际科研项目。为了激发学生的学习与科研兴趣，应选择时代感较强的科研项目;用于教学的科研项目要大小合适、难度适当，容易对工作任务进行分解。以本案为例，我们选择的是与中国航天科技集团公司510研究所合作进行的“超高温抗氧化涂层膜系设计仿真分析与优化”项目（编号：201762001000745），主要探讨航天飞机或卫星发动机尾气过流拉法尔喷管的抗氧化层材料选择和结构设计。学生看到他们的课程项目能学以致用，非常感兴趣，就愿意参与到项目式教学中来。

3.设定面向工程实际的科研问题。该项目内容较多，主要任务有：（1）发动机喷口处的喷气各成分在2500℃高温下自身的化学稳定性及与抗氧化涂层的反应性分析;（2）气流的温度场、压力场与速度场;（3）高温下喷管管壁自身的温度场和应力场;（4）涂层可能的失效机制：剥蚀与化学反应腐蚀;（5）喷管材料结构优化与设计。在这五个任务中，前三个是易于完成的基础性任务，比较有趣，由本科生完成。第（4）个工作任务理论性强，第（5）个任务工作量大，由研究生来完成。

4.对工程问题进行细致分解。为了达到新行为主义学习理论“教学环境条件刺激→纠正错误行为→形成正确行为”[4]的目的，本科生采用操作多物理场耦合软件Multiple Physics Comsol来研究上述三项具有实际工程背景的问题。对于每项任务，均有如下步骤：（1）建立合适的几何模型;（2）选择深刻反映过程本质的物理模型，抓住事物的主要方面与矛盾;（3）选择合适的计算精度，太粗无法收敛，太细浪费计算资源。第（1）步需要学生有较好的软件学习能力和操作能力;第（2）步需要学生有扎实的理论知识基础。研究生使用第一性原理软件VASP探讨相关物理机制并设计材料，要求与上等同。为提高研究生采用外语学习课程和软件的能力，采用了英文授课。

5.根据学生特点合理分组。上述各任务因分工不同要求由不同特长的本科生或研究生共同完成。分组时学生可自由组合，也要因材施教、适当调配。每一学习组本科生7—8人、研究生3—5人。学生的分组与分工是教师组织教学的一个重要环节，考验教师对课程任务的深刻理解和对学生的相当了解，是项目式教学成功与否的一个关键因素。

6.提供硬件资源学生自主分配。项目是在科研团队的服务器上完成的，有的研究任务需要比较长时间的大规模并行计算。我们把两台小型工作站四周内的计算时间全部交给学生，让学生自行协商分配计算资源。

7.完成任务撰写总结报告。各组在分析问题、建立模型和实施模拟计算的过程中，都会遇到很多知识方面的或技术方面的问题，会犯各种各样的错误，课程组教师要根据新行为主义学习理论的要求及时回答问题，纠正学生的错误行为[4]。项目任务是在学生不断试错、犯错的过程中完成的，但这些错误相对材料实验的炒菜法而言，时间和经济成本极低，这是“计算材料学”和“材料计算与设计”课程开课的意义所在，也是学生克服挫折、困难成功后获得自信之所在。行为主义学习理论是一个比较传统的、经典的学习理论，在多半个世纪的发展中不断得到完善和补充[4]。我们的实践表明，新行为主义学习理论能够很好地指导材料计算相关的操作实践性很强的专业课的项目式教学。

四、项目式教学提升教师的教学成就感和学生的课程获得感

我们认为面向工程实际问题的项目式教学方法符合计算材料学和材料计算与设计的课程特点，符合学生修读该课程自主认知与实践规律，也符合新行为主义学习理论对实践性学习行为的指导要求。我们在课程中面向工程实际问题的项目式教学探索，将给操作实践性强的新兴交叉学科课程的教学组织带来新的启迪。

参考文献

[1]江建国，缪灵，梁培，等.计算材料学：设计实践方法[M].北京：高等教育出版社，2010，19-43

[2]湛永，聂娜，黄金芳.计算材料学课程的教学改革与实践[J].大学教育，2016（8）：155-156.

[3]聂晶晶.采用项目式教学模式提升教学效果—以“商业空间设计”课程为例[J].中國大学教学，2017（8）：73-75.

[4]刘圆圆.斯金纳的新行为主义对当今思想政治教育的启示[J].教学理论，2011（14）：5-20.

[5]谢和平.以课堂教学改革为突破口的一流本科教育川大实践[J].中国大学教学，2018（12）：17-23.

[6]牟蕾，张军，万小朋.发挥在线开放课程效能推动“以学生为中心”的教学模式改革[J].中国大学教学， 2017（6）：54-55.