基于OBE教育理念的《计算材料学》创新教育模式探索*

刘翠霞，吕志刚，马志军

(西安工业大学，陕西 西安 710021)

《计算材料学》[1]是一门采用计算科学研究材料科学内容的新兴交叉学科，可以设计材料的组成和结构，预测材料的性能，并解释材料内部变化的机理。《计算材料学》涉及的学科较多，包括材料学科、数学学科、物理学科、化学学科和计算机学科等。《计算材料学》可以有效地将材料科学中的理论知识与实验过程有机联系在一起，因此对《计算材料学》教学模式的探索，可以培养学生理论联系实际的能力，挖掘材料内部机理，为科研道路奠定基础。

1 《计算材料学》的教学现状

《计算材料学》课程具有学科跨度大、理论知识深、操作能力强的特点，在《计算材料学》课程授课过程中，出现如下问题：①缺乏《计算材料学》优质的教学资源。②授课方法过于局限，学生兴趣不高，课堂效果不好，只是课堂的讲授很难让学生理解《计算材料学》的精髓；③短时间内学生接受困难，因为《计算材料学》囊括多学科理论知识，概括性及动手性都较强。需要学生对知识消化吸收并运用。 ④《计算材料学》实践条件的欠缺很难保证教学效果。针对《计算材料学》教学过程中遇到的问题，根据多年教学经验和方法，结合此课程的具体问题，提出一系列的改革措施。

1.1 《计算材料学》的改革措施和方法

在《计算材料学》的教学改革中，运用了基于学习产出的教育模式(Outcomes-based Education，缩写为OBE)，其中心思想是基于产出推出的教育模式，根据目标确定学习的内容和学习方法，单刀直入，切中要害，时间短，却能把最精髓的内容学会。在OBE的教育模式下，学生很快就能将学到的知识运用，体会到成功。相比于从最基础的学起，更能激发学生学习的热情[2-3]。因此，本文结合学生学完《计算材料学》的应用情况，采用OBE的教学教育模式，对整个课程进行了建设。目前，已经初步尝试对此课程进行了OBE教育模式的探索，取得了一定的效果。

2 《计算材料学》的改革内容

在OBE教学模式的理论指导下，以产出为导向[4]，结合《计算材料学》的教学实际，对教学内容进一步优化，采用先进的教学手段，改进教学方法，开发新的考核模式，提高《计算材料学》的教学质量。

2.1 优化教学内容

在OBE的教育理念下，根据学生将要参与课题的目标，优化教学内容。常用的《计算材料学》研究方法包括第一性原理、量子化学理论、分子动力学、蒙特卡洛、元胞自动机、相场法、有限元等[5]。如果按照方法进行讲授，会让学生感觉零散没有章法可循，势必会对《计算材料学》产生很乱很杂的感觉。因此我们在教学内容上首先进行优化。根据各研究方法特点及教学实际情况，按照尺度进行分类，包括纳观尺度、微观尺度、宏观尺度三个尺度，在这三种尺度中，各选择一个具有代表性的模块开展教学。通过这种分类，可以将教学内容分模块进行，并将相关方法融入其中进行教学。学生会由原来的一头雾水到现在有模块可以抓，会感觉有目标了，学习自然会更有效果。

在讲授纳观尺度时可以融入两个方法，如第一性原理计算方法和量子化学计算方法。其中第一性原理方法具有代表性，在此方法中，基本不需要经验参数，根据物质本征的物理常数，可以计算出物质基态的基本性质，具有较深远的物理意义。由于不需要输入经验参数，只需要输入原子构型，确定目标任务，设置计算精度，得到的结构却与实际较接近，因此此理论受到人们的极大关注。学习纳观尺度的知识后，学生掌握了原子电子尺度的微观机理，可以根据自己的专业方向进行练习。

在讲授微观尺度时可以融入分子动力学，蒙特卡洛模拟，元胞自动机等方法，分子动力学可以处理的原子数远远大于第一性原理。它的主要依据来源于牛顿力学，主要是抽取一些典型分子作为样本，对其运动状态进行模拟。这其中代表性分子的寻找就非常关键，可以采用蒙特卡洛方法寻找这些具有代表性的分子，蒙特卡洛方法主要是采用一定规则的随机数，进行蒙特卡洛积分，确定典型分子体系。对于那些由于计算过于复杂而难以得到解析解或者根本没有解析解的问题，蒙特卡罗模拟是一种有效的求出数值解的方法。通过学习这其中的一种方法，学生可以了解微观尺度的材料内部反应的机理，从而根据自己课题组的具体问题选择具体方法。

在讲授宏观尺度时可以融入相场法、有限元分析等[6]。相场法主要的物理基础是Ginzburg-Landau理论，通过建立具有特定物理机制的扩散、有序化势和热力学驱动等微分方程，随后采用编程求解微分方程，获得整个体系的某一时刻某一空间的瞬时状态。有限元方法在求解时，一般采用对整个问题区域进行分解，把每个子区域都简化成一个独立的单元(三角形、四边形、六边形)，这些微小单元采用节点进行连接，每个单元被设置成相应的性质，描述变形状态和过程，可以通过不同单元的性质将整个工程结构的性质整合在一起，从而得到整个工程结构的性质。

2.2 改进教学方法与教学手段

(1)理论和实验一体化

《计算材料学》课程实践性很强，将理论与材料研究中的问题相联系，对于材料中的某一问题，采用激发学生兴趣的方法，提出多种方法，让学生从中选出最适合的一种或几种，对这一问题进行计算分析，在此基础上，推演其他规律和机理，就具有正确性。在教学过程中，将学生视为主题，材料研究作为目标，针对这一目标，展开方法的选择和实践，教师在其中起到引导的作用，真正做到教和学同步进行。学生真正体会到融入课堂的乐趣，教学效果较好。

(2)团队协作法

团队协作是保证科研继续进行的基本条件，培养学生良好的团队协作能力非常重要，学生根据自己的研究方向，自行寻找组员，可以三个或四个同学一组，可以是一个尺度的学习，也可以是跨尺度的学习，但要结合在一起，体现团队协作能力。

(3)实验项目驱动法

学生根据自己的分组情况，确定学习内容和方向，选择合适的软件入手，以软件为载体，进行学习。学生根据具体实验项目为主线，展开软件和内容的分析，学生在实验过程中需要建立结构模型、设置任务参数、分析结果数据。教师根据学生的实验项目内容，分析其深度和广度，列出提纲，给学生指引方向，项目驱动法教学体现在OBE教学模式，激发了学生学习的热情。

(4)开展研究性教学

《计算材料学》的主要教学对象是研究生，开展从实验项目入手的研究性教学，将理论与实际紧密结合在一起，通过分析和学习材料研究中的具体问题，引导学生应用《计算材料学》方法分析解决问题。

(5)采用翻转课堂

学生确定好组员和内容后，展开对软件的学习，带着问题来上课，进行翻转式授课，主要以讨论及操作为主，学生在教师的正确引导下，一边讨论，一边学习。教师随时关注学生的讲解并对难点进行讲授。这样只要一组同学研究了某问题，共享后，全班同学都理解了此问题，起到事半功倍的效果[7]。

(6)创新考核方式

《计算材料学》课程需要实践操作，需要学生在实践中分析理论知识。单纯的课堂试卷不能体现学生的真实水平，因此创新考核方式[8]，探索最能体现学生能力的方式，采用翻转课堂进行讨论式教学，总分100分，课堂讲授30%，制作ppt水平10%、讨论课参与度占20%，团队协作能力占10%，考试占30%。

3 《计算材料学》的改革特色

在传统的《计算材料学》教学过程中，学生在课后完成相应的练习题，虽然学生掌握了对应的公式，但让学生感觉枯燥，学习兴趣不高。因此，在OBE的教育模式下[9]，制定目标，授之以鱼，还得授之以渔，让学生看到鱼在哪里，在目标导向的作用下学会追本溯源，根据上面的改革内容及方法，让学生以某一计算案例为任务，依托某一软件，将理论的来龙去脉讲述清楚，教给学生创造的思维和方法。

4 《计算材料学》的改革效果

在具体授课过程中，确定组数和组内人数，每组人数控制在5人以内，组员根据自己的课题方向或者感兴趣的内容，确定自己的任务和使用的软件，组内成员每人要有侧重点，可以利用一个软件解决所有问题，也可以用不同软件，但必须体现团结协作。图1是翻转课堂中部分学生的讲课图，制作了ppt，并进行细致讲解，有的组是一个一个组员讲，有的组是两个人一起上去讲，风格多样，不仅体现了学生掌握《计算材料学》的相关知识，也体现在学生制作ppt、讲解内容、团结协作等方面的能力。真正学到了这门课的内容。对于每个学生的讲解，其他学生积极发言提问，教师在中间起到协调和引导的作用，将知识引导更宽广的方向，学生普遍反应在这门课上学到了知识。

图1 学生上课讲解实例

5 结 语

采用OBE教学模式对《计算材料学》进行创新改革，以产出为导向，结合教学实际，对教学内容进行优化，对教学方法和教学手段进行改革，对课程考核方式进行创新，调动起学生的积极性，让《计算材料学》这门十分抽象、理论性极强的课程变成有兴趣、愿意去创新的课程。学生反应在这门课程的学习中不仅学到了深入理解了计算材料学的基本知识，还锻炼的制作ppt、独立讲解及团队协作的能力，因此，计算材料学的课程改革具有一定的示范作用，可以在同类型课程中进行推广。