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摘 要：《材料设计》课程是应用物理专业材料物理方向教学体系的重要组成部分，是把基本物理理论用于真实材料性质研究的主要实现方式。但该课程涉及学科较多、理论较深，研究内容广泛，研究对象的时间、空间跨度很大，因此很难组织教学；传统的知识灌输型教学方式取得的教学效果也不理想。基于此，我们采用研究性教学方式，在教材与教学内容、教学方式与组织形式、课程实践及考核等方面对《材料设计》课程进行了教学改革与实践探索。该教学模式成功实现了基本物理理论与材料设计的结合，学生的课程实践与教师的科研项目结合，本科课程教学与毕业设计衔接，取得了良好的教学效果。
关键词：材料设计；研究性教学；教学改革与实践
本文引用格式： 王建军 , 李梦 , 杨林峰 .《材料设计》课程研究性教学改革与实践 [J]. 教育现代化 ,2020,7(92):54-56.
Research Teaching Reform and Practice of”Material Design” Course
WANG Jianjun, LI Meng, YANG Linfeng
(College of Science, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou Henan)
Abstract:“Material design” course is an important part of the teaching system of material physics for applied physics major, and it is the main realization form of studying the properties of real materials by applying the basic theory of physics.However, this course involves many subjects, many theories, and a wide range of research contents. The time and space span of research objects are large, so it is difficult to organize teaching.Based on these situations, we adopt the research-based teaching method to carry out teaching reform and practical exploration on the course of “material design” in terms of teaching materials and teaching contents, teaching methods and organizational forms, curriculum practice and assessment.This teaching model has successfully realized the combination of basic physics theory and practical material design, the combination of students’ course practice and teachers’ scientific research projects, and the connection between undergraduate course teaching and graduation design.
Key words: material design; research-based teaching; teaching reform and practice
一 引言
《材料设计》通常也称为《计算材料学》，是以不断增强的计算能力为前提，由以物理、化学、材料科学为主的多种学科相互交叉与渗透形成的一门新兴学科，目前该学科已成为实验和理论之外进行材料科学研究的一种新方法 [1-4]。对材料进行多层次地计算模拟不仅可以深刻地认识理解各种材料的物性和机制，更能根据具体需求设计开发具有特殊性能的新型材料 [2,3]。运用计算模拟进行材料设计不仅可以有效降低以不断试错为代价的传统材料的研究成本，更能大大缩短材料的研发周期。美国在 2011 年提出的“材料基因组计划” 更加明确了材料设计在材料发展中的作用，随后其它各国纷纷提出了本国的基于计算的材料发展战略 [5]。今天，以高通量计算为特征的材料计算与设计已在材料学的研究中占据了重要地位。
如何将物理的基本原理生动地体现在具体材料的应用上？如何将青年教师的课题与学生的《材料设计》课程密切联系起来？如何将学生的《材料设计》课程与毕业设计甚至是研究生阶段的学习衔接起来？是我校《材料设计》课程目前面临的主要问题。目前已有一些学校和教师对《材料计算》课程的教学进行了改革与实践 [5-9]，这给我
们带来了很大的启发。但各个学校的情况差别很大，不宜照搬照抄。针对上述问题，结合我校实际， 我们探索了《材料设计》课程改革与实践。主要以研究性教学为主导，在教材与教学内容、授课方式与组织形式、考核方式等方面进行了多位一体的改革。目的是提高学生的学习兴趣，培养学生运用理论知识分析问题和解决问题的能力，提升学生的素养。
二 教学改革的内容
（一） 授课方式与组织形式改革
传统的《计算物理》课程由 1-2 位教师负责， 该教师从理论到实践讲完整个课程。这种授课方式的优点是有利于各部分内容间的衔接，能保证课程的完整性，比较适合理论课程的讲授。但是《材料设计》课程讲授内容繁多，涉及到各种各样的材料； 即使是同一种材料，其研究的性质、角度也各不相同，诸如研究材料的力、热、光、电性质就有很大的差别。而且材料的研究方法也在不断发展。而一个教师的研究领域是相对稳定的，也没有精力覆盖课程发展的各个方面。因此讲授起来比较困难，且不能保证效果。结合我们学校的优势，我们探索采用课程组团队授课的方式解决这一问题。课程组由10 名教师组成，随着人才不断引进，成员以后还能增加。根据研究方向相近的原则，将课程组分成四个小组。同时将整个课程分成两个单元，第一单元由一名擅长理论的教师主讲材料计算的相关理论及各种主流方法，保证理论部分的完整性。第二单元由四个小组的教师分别进行四个专题的授课，每个小组分配固定的课时。分别从该专题的研究背景、该专题与物理基本理论之间的联系、该专题主要用到的研究方法以及该专题目前使用的主要计算软件及其使用方法等几个方面对学生进行讲授。由于各小组教师对自己的专题比较熟悉，能够清楚高效的进行授课。目前我们主要开设四个研究专题：（1）以摩擦和断裂为主的力学性质的研究，（2）以低维材料负膨胀为主的热学性质的研究，（3）以原子光谱计算和等离激元为代表的光、电学性质的研究，
（4）以薄膜生长和表、界面改性为代表的表面性质的研究。这些研究方向基本涵盖了材料物理学的大部分研究领域，能够突显物理学在材料设计中的基础地位。学生能够体会到物理学基本理论的重要性， 进而产生了浓厚的学习兴趣。这种授课方式既能让学生了解科学前沿，教师们讲起来也能得心应手。
同时在授课方式上也要有所变化，教师要改讲授为引导，学生变被动学习为主动学习。在专题教学环节，教师先简单介绍一下本专题的基本情况，然后选取难度适中的文献供学生研读，提出一些问题。让学生自己运用物理基本理论与方法进行探索解决，发散学生思维。最后和学生一块讨论，拿出具体的研究方案。让学生以主体的身份参与到整个教学过程之中。通过这一过程可以有效提高学生自我学习的能力，增强学生的创新能力，增加学生对基本物理概念的理解与认识。
（二） 理论实践与课程设计改革
作为专业基础课，实践十分重要。课程设计不仅是检验学生学习效果的主要途径，还是学生获得学习成就感的主要形式。以往的课程设计阶段， 主要是教师给出几个题目，学生去做，教师检查。这种方式有诸多缺点。一个教师要同时面对一班将近 30 名学生。这种一对多的教学关系对于理论课还好，但在实践课上，教师很难顾及到所有学生。教师很累，学生也可能得不到具体的指导。因此， 相当一部分学生得不到教师的有效指导，但不到教学目的，最终应付了事。这种教学效果极其低下。如前所述，《材料设计》涉及的研究内容很多，学生不需要全部理解掌握。学生只要能对某一个具体的材料或者是材料的某一特性进行研究，就基本具备了材料设计的素养。因此，在这一环节，我们同样采取分组授课方式。首先完成授课环节与基础设计之后，根据学生兴趣将学生分成不同的研究小组进行课程设计，每个小组大概有 6-7 名学生和两位专业指导教师。因此教师可以与每一个同学进行深入的讨论。其次指导教师要结合自己的研究课题布置课程设计，这基本保证了课题的专业性与前沿性， 进而能够吸引住学生。这种授课方式对教师也有好处，首先，教师对课题十分熟悉，进而可以深入浅出的讲解，并能随时解决学生遇到的问题。其次， 也会减轻青年教师的教学负担。同时，年轻学生的加入还能够解决青年教师科研人手不够的问题，有利于研究课题的顺利开展。另外，这种教学方式还利于学生的创新创业。学校目前非常重视学科竞赛， 创新创业。我们每个课题组实际上就是一个创新团队，这一团队既有前沿的课题，又有现成的实验条件，同时还配备了专业的指导导师。因此课程学习过程就是一个创新研究过程。跟现在的人才培养模式十分契合。
毕业设计是本科生培养过程的最后环节。毕业设计从大四的上学期末开始，时间很短。学生在这此期间又面临着考研和就业等一系列问题。因此大多数学生很难在时间和精力上对毕业设计投入太多。这就导致了毕业设计质量不高，效果不好。有些同学甚至应付了事，失去了毕业设计的意义。实际上《材料设计》课程与学生的毕业设计密切相关，如果能将两部分结合起来，将会能够达到双赢的结果。但以前的课程教学与毕业设计基本脱钩，没有起到相应的作用。我们采取小组授课的方式能够有效解决这一问题。由于在课程设计中学生已经对某一课题有了深入的了解， 也学会了相关软件的使用，同时也已经做了相关的计算研究。因此能够很快进入到毕业设计状态， 在较短的时间内完成相关的毕业设计任务。进而有充足的精力与时间投入到研究生备考或者工作应聘中去。这样做看似缩短了毕业设计的时间， 实际上我们去掉了重复无效时间，从实际上是拉长了毕业设计的时间，提高了学生学习的效率和毕业设计的质量。长远来看，对于学生继续读研或者直接工作都具有重要的意义。
（三） 考核方式的改革
以前以教学为主的教学方式在课程考核上多采用试卷考试的形式进行，即使是实践也仅仅是出几道编程相关的题目。这样的方式很难反映学生对这门课程的理解，更难反映学生应用物理理论解决材料问题的能力。我们从考试形式和考试内容方面也做了相应的探索与改革。首先在考试形式上进行改革，把考试分成两个过程，第一个过程对基本的理论知识进行笔试考试，占百分之三十的比例。这一部分在第一阶段学习结束后立即，主要考察学生对基本理论知识的把握能力， 这样可以督促学生学习、掌握相关的理论知识。第二部分主要考查学生应用所学的知识解决具体问题的能力。没有时间限制，贯穿于讲课中的专题部分和课程设计整个过程。首先教师给学生指定一个难度适合且与材料、物理联系紧密的课题， 让学生对课题进行调研，选用相关的软件，设计研究过程，分析研究结果，最后形成研究报告。而指导教师可以根据学生的整个设计过程的表现合理给出成绩。由于第二阶段的考核贯穿于整个实践阶段，这无形中增加了学生的紧迫感。能够提高学生的学习效率与效果。另外相对于以往的考核方式，该方式更能反应该课程的开设目的。
（四） 课程改革的实践效果
我们已于 2019-2020 学年第一学期在理学院物理系 2016 级应用物理专业中实践了我们的课程组授课的研究性教学方法。我们从课程组中选择了 4 名教师组成了授课团队，分别开设了纳米功能材料的结构设计与生长特性研究，二维材料的表面设计与催化性能研究，纺织材料的微观复合结构与力学性能分析，范德华复合物的光学性能研究及其在医学中的应用 4 个专题。第一部分理论授课安排 22 个学时；其它每个专题各安排 6 个学时，讲解课题内容以及用到的研究方法与相关软件。在《材料设计》课程设计方面也安排了 4组设计，分别进行对应 4 个专题的课题设计。在这种新的模式下，课堂氛围轻松活泼，教学效果良好。在轻松积极的状态下学生了解了材料设计的基本思想和基本方法，掌握了计算材料学中常用的一些模拟方法，掌握了材料设计的基本技能， 具备了运用所学知识分析问题和解决问题的能力。教师教的轻松，且研究课题与教学内容有效衔接起来，达到了教、研相长的目的。另外，学生的课程设计与本科毕业设计也有效衔接了起来。达到了预期的课程改革效果。值得注意的是，课程结束后有 16 名同学在随后的本科毕业设计选择了团队教师。目前毕业设计进展顺利，效果良好。
三 总结
针对传统教学方法存在的弊端，基于我们的实际情况，我们对应用物理专业的《材料设计》课程进行了教学改革探索。以课程组教师承担的科研项目为引导，采用课题组授课方式，分阶段地开展教学活动。在教学内容、教学组织形式、课程设计以及考核方式方面进行改革，并在实际教学中进行了实践，达到了良好的教学效果。
参考文献
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