郁亞娟，郭興明，陳人杰

(北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 100081)

1 前 言

面對全球性的新型冠狀病毒肺炎疫情和國際局勢動蕩及挑戰(zhàn)，中國人民切身體會到，唯有緊密團(tuán)結(jié)在黨中央周圍，自力更生，依靠自己的醫(yī)療、科技和工業(yè)實(shí)力，才能實(shí)現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)，這也對人才培養(yǎng)提出了更加緊迫的需求。材料科學(xué)與工程專業(yè)面臨著激烈的國際競爭，迫切需要進(jìn)行教育教學(xué)改革，以達(dá)到“具備國際化水平和本土化技術(shù)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算是現(xiàn)代材料科學(xué)研究的三大手段，其中計(jì)算模擬方法在未來的材料研究中將顯示出越來越大的應(yīng)用潛力?？砂延?jì)算材料學(xué)(computational materials science)理解為用計(jì)算機(jī)模擬、預(yù)測來做材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是安全、節(jié)約、高效[1]。了解和掌握材料計(jì)算和模擬的基本知識已成為現(xiàn)代材料研究人員必備的技能之一[2]。計(jì)算材料學(xué)一系列課程，在北京理工大學(xué)材料學(xué)院對應(yīng)的本科課程是《計(jì)算材料學(xué)》，碩士研究生課程是《新能源材料多尺度模擬與計(jì)算》，博士生課程是《能源及環(huán)境材料設(shè)計(jì)計(jì)算與建?！?。

新工科(Emerging Engineering Education)的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特征[3]。顯然，計(jì)算材料學(xué)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)符合新工科的培養(yǎng)目標(biāo)。在我國現(xiàn)有條件下，如何發(fā)展和掌握這類科學(xué)計(jì)算的新技術(shù)，對國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有很大的意義[4]。同時，培養(yǎng)計(jì)算材料學(xué)的相關(guān)人才，也有利于促進(jìn)我國材料工業(yè)生產(chǎn)水平，促進(jìn)效率提升和成本降低[5]。

2011年底，美國提出了材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative，MGI)，目標(biāo)是把新材料研發(fā)周期減半并降低研發(fā)成本，以期增強(qiáng)美國的國際競爭力。我國于同年底在北京召開了主題為“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”的香山科學(xué)會議，會議決定選擇鋰離子電池材料作為代表性示范材料之一，計(jì)劃將材料基因工程手段應(yīng)用于鋰離子電池研發(fā)[6]。北京理工大學(xué)材料學(xué)院的新能源材料方向研究處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，尤其是對鋰離子電池等儲能材料的研發(fā)開展較為深入。針對新能源材料開發(fā)領(lǐng)域的國家戰(zhàn)略需求，我們開設(shè)的計(jì)算材料學(xué)課程將新能源材料的模擬和計(jì)算作為課程教學(xué)實(shí)踐的重點(diǎn)之一。

2019年，美國能源部宣布，將調(diào)整“利用高性能計(jì)算促進(jìn)能源創(chuàng)新”計(jì)劃，為美國在能源、計(jì)算和工業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)水平領(lǐng)跑全球助力[7]。面對這樣激烈的國際行業(yè)競爭，我國材料工業(yè)絕不能坐以待斃，應(yīng)該積極行動，從培養(yǎng)人才入手，在各大高校的新能源材料研究方面積蓄力量。具體到計(jì)算材料學(xué)課程教學(xué)而言，就是要全面加速培養(yǎng)新能源材料模擬計(jì)算方面的人才，使我國的新能源材料研發(fā)迎頭趕上國際先進(jìn)水平，進(jìn)一步立足于世界材料工業(yè)競爭之列。

傳統(tǒng)的計(jì)算材料學(xué)課程，包含大量的理論性概念知識、復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和高階的理論推導(dǎo)。如果采用單純面對面授課方法和傳統(tǒng)課件傳遞形式，很難長久抓住學(xué)生的注意力，反而會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感到吃力、學(xué)習(xí)積極性下降，無法達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)[8]，極大限制了學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)。因此，對計(jì)算材料學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革勢在必行。

“混合式教學(xué)法”，是具有中國特色的一種教學(xué)方法，特指教師經(jīng)過教學(xué)設(shè)計(jì)，使得學(xué)生發(fā)生了混合式學(xué)習(xí)行為[9]。混合式教學(xué)將線上的數(shù)字化在線教育與線下的課堂教學(xué)相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的積極性、主動性、創(chuàng)造性，并借助在線教育資源與信息技術(shù)促進(jìn)課程教學(xué)，以達(dá)到更加有效的學(xué)習(xí)效果[10]。在計(jì)算材料學(xué)系列課程教學(xué)中采用混合式教學(xué)法，是該課程改革的重要導(dǎo)向，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

2 計(jì)算材料學(xué)系列課程改革的目標(biāo)

計(jì)算材料學(xué)涉及材料、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)等學(xué)科，相關(guān)的基礎(chǔ)理論和算法內(nèi)容豐富，特別是要求具備量子力學(xué)、固體物理及密度泛函理論等相關(guān)知識[11]。計(jì)算材料學(xué)主要包括兩方面內(nèi)容：一是對現(xiàn)有材料的計(jì)算模擬，即從實(shí)驗(yàn)到模型；二是對未來材料進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)并用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，即從模型到實(shí)驗(yàn)。無論是走哪條路徑，都要求掌握充分的理論和實(shí)驗(yàn)知識，也就是要實(shí)現(xiàn)“兩條腿走路”。

計(jì)算材料學(xué)系列課程改革的目標(biāo)，就是要培養(yǎng)兼顧材料理論與計(jì)算設(shè)計(jì)兩方面能力的復(fù)合型人才，通過人才競爭去爭奪新材料領(lǐng)域各個學(xué)科方向的領(lǐng)先地位和知識產(chǎn)權(quán)[12]。為了突出計(jì)算材料學(xué)的培養(yǎng)優(yōu)勢，我們主要強(qiáng)調(diào)在該系列課程教學(xué)中重點(diǎn)完成以下兩個教學(xué)改革目標(biāo)：

(1)教學(xué)目標(biāo)

通過在課前、課中和課后進(jìn)行計(jì)算材料學(xué)的混合式教學(xué)，完成計(jì)算材料學(xué)有關(guān)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。針對能源與環(huán)境材料的微結(jié)構(gòu)特征和系統(tǒng)模型，講述相關(guān)的材料設(shè)計(jì)理論、模型構(gòu)建及評價方法，幫助學(xué)生了解能源與環(huán)境材料設(shè)計(jì)計(jì)算與建模方面的基礎(chǔ)理論、基本方法和發(fā)展前沿，掌握建模的相關(guān)方法和軟件工具，并獲得一定的實(shí)際運(yùn)用和操作實(shí)踐能力，最后，學(xué)生能進(jìn)行初步的能源及環(huán)境材料設(shè)計(jì)計(jì)算與建模的實(shí)踐應(yīng)用。

(2)學(xué)科人才培養(yǎng)目標(biāo)

為高技術(shù)所需新材料的研制培養(yǎng)人才，希冀此類人才能夠熟練掌握和應(yīng)用計(jì)算材料學(xué)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段，能在未來新型材料與新技術(shù)發(fā)明方面，發(fā)揮前瞻性價值，為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)做出重要貢獻(xiàn)。

3 采用混合式教學(xué)法的實(shí)踐

3.1 課程模塊設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)模塊、線上模塊、研究性模塊

針對計(jì)算材料學(xué)系列課程改革的主要課程模塊設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括3個模塊：一是傳統(tǒng)教學(xué)模塊，就是基于傳統(tǒng)的教學(xué)樓/教室內(nèi)的教師-學(xué)生面對面的教學(xué)形式，這是一種最基本的傳統(tǒng)教學(xué)模式，作為教師和學(xué)生直接溝通的渠道予以保留；二是線上學(xué)習(xí)模塊，是通過樂學(xué)平臺、雨課堂、企業(yè)微信群等各類線上平臺，便于教師和學(xué)生分享學(xué)習(xí)資料、視頻、課件，也便于師生隨時就學(xué)習(xí)問題進(jìn)行討論和溝通；三是研究性教學(xué)模塊，是基于計(jì)算材料學(xué)系列課程具有的突出科學(xué)研究特色，而新增的一個教學(xué)模塊，通過這一模塊，可以幫助學(xué)生深入有關(guān)計(jì)算材料學(xué)方向的科研項(xiàng)目(虛擬項(xiàng)目或?qū)嶋H項(xiàng)目)，從科研項(xiàng)目中適應(yīng)性學(xué)習(xí)，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生實(shí)際工作能力的目標(biāo)。

圖1 計(jì)算材料學(xué)系列課程的教學(xué)模塊組成設(shè)計(jì)和功能Fig.1 The design and function of the teaching modules for series of courses on computational materials science

3.2 課程設(shè)計(jì)：線上線下混合式教學(xué)法

混合式教學(xué)法是具有中國特色的教學(xué)模式。在混合式教學(xué)法實(shí)施過程中，教師與學(xué)生的職責(zé)和角色都發(fā)生了重大變化，不但強(qiáng)調(diào)教師的“傳授知識”功能，而且更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的角色定位?；旌鲜浇虒W(xué)模式中，教師主要作為教學(xué)的組織者、課堂的引導(dǎo)者及學(xué)習(xí)的協(xié)助者，幫助學(xué)生探究問題、構(gòu)建知識體系；學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動的主要實(shí)踐者，在教師的指導(dǎo)下完成課堂任務(wù)的學(xué)習(xí)，反饋學(xué)習(xí)的體驗(yàn)。利用學(xué)生的反饋信息，教師能夠及時調(diào)整具體的教學(xué)方法和教學(xué)進(jìn)度，避免出現(xiàn)教師單一灌輸、學(xué)生被動接受的消極教學(xué)效果。這樣的教學(xué)模式，顯然是優(yōu)于傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)效果的，但也不是單純的“學(xué)生中心”論，而是把教師和學(xué)生有機(jī)地聯(lián)系起來，達(dá)到“教學(xué)相長”的目標(biāo)。

混合式教學(xué)法強(qiáng)調(diào)的是線上線下教學(xué)有序地混合，“教師主導(dǎo)、學(xué)生主體”是其最重要的形式[13]。我們針對計(jì)算材料學(xué)系列課程設(shè)計(jì)了混合式教學(xué)模式，其所謂“混合式教學(xué)”，主要體現(xiàn)在以下4個方面：第一，線上線下教學(xué)方式的混合；第二，傳統(tǒng)教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)方式的混合；第三，理論教學(xué)和科研實(shí)踐之間的混合運(yùn)用；第四，教學(xué)課件和虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)等多媒體教學(xué)形式的混合。

實(shí)際教學(xué)中，要求學(xué)生在線上預(yù)先學(xué)習(xí)，讓學(xué)生預(yù)先通過移動學(xué)習(xí)媒介(例如雨課堂、慕課、樂學(xué)平臺等)學(xué)習(xí)老師提前發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)、輔助性資料和引導(dǎo)性案例等，促進(jìn)學(xué)生對課程內(nèi)容具備初步理解，對知識點(diǎn)進(jìn)行消化和吸收，同時把預(yù)習(xí)中產(chǎn)生的問題帶來教室，以便有針對性地聽老師講解[14]。各類線上平臺是移動環(huán)境下交互教學(xué)全新時代的移動教學(xué)助手，它們能為混合式教學(xué)提供很好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺[15]。

為了加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，教師會對預(yù)習(xí)內(nèi)容在課堂上做一個小測驗(yàn)，以便鞏固預(yù)習(xí)效果。在課程教學(xué)過程中，教師會盡量融匯最新的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，給出較新的教學(xué)設(shè)計(jì)方案[16]，教學(xué)內(nèi)容包括國際上最新的材料設(shè)計(jì)方向、最先進(jìn)的材料計(jì)算軟件等。在課堂上還將針對學(xué)生學(xué)術(shù)水平特點(diǎn)，給出幾個大方向的科研任務(wù)，鼓勵學(xué)生基于教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步開發(fā)科研、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題，并在課程后期提交一個研究報告，這是延長課程、進(jìn)行科研實(shí)踐教學(xué)的良好途徑。通過基于混合式教學(xué)法的課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以熟悉計(jì)算材料學(xué)的有關(guān)理論、算法、軟件、算例等，為后續(xù)參與新能源材料的模擬和計(jì)算研究夯實(shí)基礎(chǔ)。

此外，教師還會采用一些新技術(shù)來加強(qiáng)教學(xué)效果。比如，通過采集圖像、制作動畫、制作VR影像等，來展現(xiàn)材料的立體特征、物化特性等,由此可以提高學(xué)生對材料的深刻理解。在部分課程教學(xué)過程中，采用了VR技術(shù)，如在講述物質(zhì)的尺度問題時，選用了VR技術(shù)來展現(xiàn)從宇宙宏觀到納米甚至更小量級的尺度。在展示材料微觀結(jié)構(gòu)時，VR技術(shù)可以讓學(xué)生置身其中，感覺好像真地看到了分子結(jié)構(gòu)一樣[17]，這對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣起到了很好的作用。

3.3 研究性教學(xué)模式

計(jì)算材料學(xué)也是材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，適合于進(jìn)行研究性教學(xué)[18]。傳統(tǒng)的材料研制方法以試錯法為主，即利用現(xiàn)有材料相關(guān)的理論與知識經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)整材料成分和制備工藝，對數(shù)量巨大的樣品進(jìn)行制備、表征、測試和檢驗(yàn)等流程，最終找到滿足需求的材料。

材料基因工程技術(shù)將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)篩選方法與高通量計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，通過物理模型、數(shù)學(xué)計(jì)算和材料學(xué)原理等方法預(yù)測材料的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使新材料研發(fā)從完全經(jīng)驗(yàn)型向理論預(yù)測型轉(zhuǎn)變，是材料研發(fā)模式的一次革命性突破[19]。美國于2011年啟動材料基因組計(jì)劃，中國于2015年啟動國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃材料基因工程專項(xiàng)。

材料模擬和設(shè)計(jì)是材料基因工程的重要組成部分，其目標(biāo)是通過理論模擬和計(jì)算完成先進(jìn)材料的“按需設(shè)計(jì)”并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造，包括材料計(jì)算軟件研發(fā)、材料結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測和優(yōu)化、新材料的分子設(shè)計(jì)等研究內(nèi)容[20]。在計(jì)算材料學(xué)系列課程的教學(xué)過程中，引入基于科研的研究性教學(xué)模式，通過科研項(xiàng)目把課程關(guān)聯(lián)起來，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、參與科研。在鉆研科研項(xiàng)目算例和案例的過程中，學(xué)生自主性驅(qū)動自我學(xué)習(xí)過程，同時參與團(tuán)隊(duì)合作，與教師討論問題，通過從科研項(xiàng)目選題到完成的全過程，培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)、知識和技能。

我國材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)是變革材料研發(fā)理念和模式，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)的“理論預(yù)測+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”新模式，突破關(guān)鍵材料核心技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”做出貢獻(xiàn)[21]。因此，計(jì)算材料學(xué)系列課程改革也應(yīng)該面向這一目標(biāo)，加強(qiáng)對新材料的理論計(jì)算和模擬、預(yù)測功能。

以鋰離子電池?zé)o機(jī)固體電解質(zhì)材料的研發(fā)為例，其科研目標(biāo)是提高鋰離子電池的安全性和能量密度。在科研探索中，我們引導(dǎo)學(xué)生利用材料基因組的思想將計(jì)算、數(shù)據(jù)庫與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，提高無機(jī)固體電解質(zhì)材料的研發(fā)和優(yōu)化速度，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)包括高的電導(dǎo)率、良好的機(jī)械性能、對環(huán)境以及電池正負(fù)極的穩(wěn)定性等。

我們選擇課題組在材料基因工程方面的最新研究成果作為研究性教學(xué)的范例。例如，課題組針對新型缺陷結(jié)構(gòu)的Co0.85Se納米片電極，應(yīng)用一種基于密度泛函方法的從頭算量子力學(xué)程序CASTEP模塊，計(jì)算揭示了缺陷作用下的空位傳輸機(jī)理和電子能帶結(jié)構(gòu)演化，剖析了電子能帶結(jié)構(gòu)變化對其電子電導(dǎo)率提升的重要影響，并闡明了Na+在缺陷結(jié)構(gòu)中的傳輸能壘降低與局部電子結(jié)構(gòu)變化的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示,為可控缺陷形成及其作用機(jī)制的研究提供了重要的理論依據(jù)[22]。此范例可為學(xué)生提供CASTEP軟件模塊的體驗(yàn)學(xué)習(xí)。

此外，課題組針對新設(shè)計(jì)的聚多巴胺修飾功能隔膜，應(yīng)用DMol3模塊研究了聚多巴胺材料對于各種多硫化物的捕獲能力；闡明了基于電荷的不對稱分布引起強(qiáng)靜電作用力的“捕硫機(jī)制”，提出了含有孤對電子的雜原子強(qiáng)化“捕硫能力”的新概念；結(jié)合經(jīng)典的分子力學(xué)動力學(xué)模塊Forcite Plus計(jì)算證明了強(qiáng)聚合物鏈間相互作用可以有效抑制多硫化物穿梭的內(nèi)在機(jī)制[23]，如圖3所示。此范例可為學(xué)生提供DMol3模塊的體驗(yàn)學(xué)習(xí)。

總的來說，我國多數(shù)學(xué)者支持高校圖書館社會化服務(wù)，只是在實(shí)施上存在差異，認(rèn)為需要視各高校圖書館的實(shí)際情況進(jìn)行有條件的實(shí)施，如果不分高校類型全部實(shí)行一刀切，則可能影響高校圖書館服務(wù)教學(xué)與科研基本職能的正常發(fā)揮.

4 課前、課中和課后應(yīng)用形式

混合式教學(xué)模式是中國特色高等教育的一個創(chuàng)新和特色，它并不是徹底地把課堂遷移到網(wǎng)上從而簡化教師工作，更不是“線上”與“線下”的簡單機(jī)械相加，而是通過課前導(dǎo)學(xué)、線上自主學(xué)習(xí)、課堂重點(diǎn)難點(diǎn)講解、課后線上線下深度討論等方式，建立以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體的“學(xué)生自主模式”，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的能力，從而取得最好的學(xué)習(xí)效果。針對計(jì)算材料學(xué)系列課程，基于混合式教學(xué)法，設(shè)計(jì)了課程的課前、課中、課后學(xué)習(xí)流程，如圖4所示。

第一階段：課前

在課前階段，教師的任務(wù)是首先組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)，完成教學(xué)目標(biāo)和大綱的設(shè)計(jì)，提交教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)日歷。隨后，制作視頻課件，將知識點(diǎn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)等，通過文字、圖像、聲音、動畫等多種媒體手段，進(jìn)行生動、形象、準(zhǔn)確地講授。同時，探索網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，提高信息傳輸量，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的深度與廣度[24]。采用混合式教學(xué)法，在課前階段需要教師付出大量的時間進(jìn)行教學(xué)準(zhǔn)備，尤其是教學(xué)視頻的錄制和后期加工，需要教師和教研組人員盡量根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)需要，做好課程教學(xué)資源庫的建設(shè)工作，要用豐富的教學(xué)資源，吸引學(xué)生主動學(xué)習(xí)、提前學(xué)習(xí)，以便加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

圖2 CoSe和Co0.85Se的晶體結(jié)構(gòu)(a)、總態(tài)密度(density of states, DOS)和分態(tài)密度(partial density of states, PDOS)譜(b)、電子密度分布(electron density distribution,EDD)圖(c)；在擬定傳輸路徑中單個Na+的遷移能壘和Na+在CoSe和Co0.85Se中沿空位路徑的遷移軌跡(d)[22]Fig.2 Crystal structures (a), DOS and PDOS spectra (b), EDD diagrams (c) of CoSe and Co0.85Se; the calculated migration energy barriers of the single Na+ ions along the described paths and schematic illustration of possible Na+ ion diffusion trajectories in CoSe and Co0.85Se through the vacancy site (d)[22]

第二階段：課中

因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)在線上平臺預(yù)習(xí)了課程知識，因此到了課中階段，也就是在課堂上，教師不必再重復(fù)理論知識點(diǎn)，只需要把學(xué)生遇到的問題解答清楚，并根據(jù)課堂小測驗(yàn)的結(jié)果，重點(diǎn)強(qiáng)化一下學(xué)生們知識掌握的弱點(diǎn)部分即可[25]。教師根據(jù)學(xué)習(xí)反饋的具體情況，可以在課中進(jìn)行點(diǎn)評與指導(dǎo)，從而幫助學(xué)生鞏固知識要點(diǎn)。教師還可以針對當(dāng)前計(jì)算材料學(xué)的前沿問題，準(zhǔn)備一些拓展知識點(diǎn)和熱點(diǎn)新聞，例如當(dāng)前國際儲能領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，與學(xué)生分享和討論，加深學(xué)生對學(xué)科知識的理解與記憶。在課程的后半階段，要求學(xué)生參與研究性教學(xué)，并進(jìn)行Seminar匯報。此處Seminar可以理解為“研討會”的意思，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，從事開創(chuàng)性課題研究或深入課題學(xué)習(xí)，教師和學(xué)生在課堂上面對面地討論學(xué)生的科研報告和研究進(jìn)展。此時的Seminar應(yīng)該是比workshop所進(jìn)行的科普類探討更深層次的研究性討論形式，即在課中，利用后半部分的課堂教學(xué)時間，學(xué)生根據(jù)自己分配到的科研任務(wù)，到講臺上分享他們進(jìn)行的科學(xué)研究(包括材料模擬和計(jì)算、軟件應(yīng)用探索等)，且分享形式可多樣化，PPT、視頻、動畫、直接演講均可。

第三階段：課后

圖3 多硫化物與不同隔膜之間的化學(xué)作用力和物理吸附量動力學(xué)模擬：表面分別吸附與時的碳納米管(carbon nanotubes, CNTs) (a)、羥基化碳納米管(hydroxylated carbon nanotubes, HCNTs) (b)和聚多巴胺(polydopamine, PD) (c)的結(jié)構(gòu)俯視圖，圖中下方為計(jì)算得到的相應(yīng)結(jié)合能；聚乙烯(polyethylene, PE)和PD隔膜的自由體積示意圖和硫化物負(fù)載量(d)；PE (e)與PD (f)隔膜的硫化物吸附模擬[23]Fig.3 The molecularly chemical binding and physical adsorption of polysulfides on different separators by the dynamic simulation: structure top view of Li2S, LiS, on CNTs (a), HCNTs (b), and PD (c) surfaces, the calculated corresponding binding energy is also shown; schematic diagram for calculating free volume and the average loading of sulfides of PE and PD separators (d); simulation of the sulfides absorption in PE (e) and PD (f) separators[23]

圖4 計(jì)算材料學(xué)系列課程的教學(xué)流程圖Fig.4 The teaching flow chart of series of courses on computational materials science

5 課程考核方式和考核標(biāo)準(zhǔn)

考核的目的是檢驗(yàn)學(xué)生對知識的掌握和能力的提高程度，以便考察教學(xué)效果，為將來的教改提供依據(jù)。為了更好地評價學(xué)生在課程學(xué)習(xí)、研究性教學(xué)過程中的完成效果以及能力增長情況，計(jì)算材料學(xué)系列課程建立了一種雙向考核模式：一方面是學(xué)生評價課程方式，即學(xué)生在線提交對課程的評價，提出改進(jìn)建議，完成自我評價；另一方面是教師評價學(xué)生方式，教師在線提交對學(xué)生課程作業(yè)的評分，完成教師自評。教師對學(xué)生的考核結(jié)合課堂出勤率、課堂Seminar匯報以及論文報告方面的表現(xiàn)完成情況，其中，課堂出勤率占10%，課堂Seminar匯報占30%，對課堂Seminar匯報的論文總結(jié)占60%。

教師評價是整個評價中權(quán)重最重的部分，為事后評價。評分系統(tǒng)的建立應(yīng)努力使結(jié)果評價在公正的基礎(chǔ)上更加科學(xué)，也能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)課程及其開放模式的發(fā)展提供方向[28]。平時成績由任課教師根據(jù)上課出勤、課堂討論發(fā)言積極性及課后作業(yè)綜合給出。通過課程考核方式的不斷改革，可使學(xué)生改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，全面提高學(xué)生能力和素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，解決計(jì)算材料學(xué)中的實(shí)際問題；同時也促使教師不斷總結(jié)、探索創(chuàng)新，以考試改革理念為“指揮棒”，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、實(shí)踐能力[29]。

6 結(jié) 論

世界范圍內(nèi)的新能源材料研發(fā)競爭激烈，對我國材料科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高要求，我國材料界高校和研究院所應(yīng)加速培養(yǎng)能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)和人工智能開發(fā)新材料的各類人才[30]。在混合式教學(xué)法的實(shí)踐嘗試中，我們采用線上線下混合教學(xué)、多媒體教學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)混合等多種教學(xué)方式的組合，不僅要求教師向?qū)W生傳授知識，還要求學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，以主動參與科學(xué)研究作為一種學(xué)習(xí)形式。混合式教學(xué)法可以實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)，使學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力得到顯著增強(qiáng)，教學(xué)效果得以有效提高，為當(dāng)今社會培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供保障。采用混合式教學(xué)法，結(jié)合研究性教學(xué)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)；有利于提高教師的專業(yè)水平和教學(xué)能力；有利于提升材料專業(yè)的整體教學(xué)質(zhì)量和辦學(xué)水平。