《计算机在材料科学中的应用》促进学科发展研究

　　摘要：《计算机在材料科学中的应用》对于材料科学与工程整体学科发展具有重要的促进作用。笔者针对目前课程存在问题，对其进行教学改革。通过改善教学方法，系统设计教学内容，更新教学手段等教学改革，提高本专业学生专业理论与软件分析相结合的能力，促使学生深入了解专业特点，激发学生的学习积极性与创新性思维，对于本专业学生的培养具有重要意义。

　　关键字：计算机；材料科学；学科发展

　　引言

　　“材料科学与工程”专业是一级学科专业，涉及金属、无机非、成型与加工等多个专业。深刻理解专业内涵，是保证培养综合性人才的关键。《计算机在材料科学中的应用》涉及材料领域各个专业，有利于学生综合本专业需求，同时对其他专业知识有所涉猎，开阔学生眼界，融会贯通所学知识，对于材料科学与工程的整体学科发展具有重要的促进作用。该课程的主要功能是为学生顺利完成本科毕业设计及后续研究生阶段的课题研究、工作等打下坚实的基础。材料科学研究工作的展开始终与计算机软件的应用密不可分，从查找文献、设计实验、分析实验结果，到数据处理、形成科学报告或论文的各个环节，都要运用计算机软件。通过本课程课堂讲授Origin数据处理和Visio及Phtoshop绘图软件，Jade物相分析软件，Chemioffice分子结构和ANSYS有限元分析等模拟软件，以及文献信息检索等，让学生了解如何将计算机工具用于解决材料科学与工程领域中遇到的实际问题，并具备初步应用该软件于后续专业课程学习的能力[1]。

　　一、目前计算机在材料科学中的应用课程存在问题

　　国内院校《计算机在材料科学中的应用》课程多是为材料类专业如材料物理、材料科学与工程、材料化学、功能材料等专业学生而开设。因此，该课程本身具有以下特点：（1）专业跨度大和不同软件应用阶段分散：材料领域不同专业、不同研究方向均涉及计算机软件应用，应用软件不同或侧重点不同。另外，不同年级学生对专业知识的认知不同，对软件应用及使用情景理解不同。（2）涉及软件多且较为分散，操作内容多且更新快，软件版本更新升级快。（3）实践性强，需要计算机机房、教师需现场操作软件等。多数院校及各专业把其作为选修课，重视程度不足。而且，很多学校在课程教学上存在教学方法和手段单一、没有计算机机房等情况。这些问题的存在不利于《计算机在材料科学中的应用》的课程发展，学生学习效果也不理想。

　　二、计算机在材料科学中的应用教学改革内容

　　结合我校材料专业的特点，并考虑学生毕业后工作及研究生阶段特点，同时考虑天津市在计算机领域的特色，笔者研究适用于材料专业的《计算机在材料科学中的应用》课程内容体系，希望在教学内容、手段和方法上有所突破。

　　（一）教学内容的整体设计

　　教学内容设计是教师认真分析、研究和总结经验的过程，是教学设计最关键的环节，其质量高低直接影响教学活动的成败。（1）应当精讲精练，减少学生可自学的内容以及其他软件通用的内容；（2）应当以学生毕业后工作或科研中的软件应用为导向，让学生熟悉计算机在材料领域中如数值模拟、图片绘制、统计分析等领域的应用。如研究有限元模拟软件不同边界条件对其性能影响的设计等。（3）坚持软件操作简单化过程、增加问题导向，拓宽知识面及时更新内容等基本原则，使熟练操作软件解决问题更为容易[2]。

　　（二）教学方法设计

　　1.引导教学：课程教学方法的改革以激发学生兴趣和调动其积极性为核心，教师的教学方法要科学、合理、恰当。应当设计多种科学研究场景，如教师研究领域遇到的问题等，采用启发式、研究式和讨论式的指导思想，让学生身临其境，主动思考选择哪种表征方法及如何进行数据处理问题。如在讲解Jade及Oringin软件时，教师可设计问题，“通过实验设计制备了纳米铜样品，如何来证实样品是铜而不是氧化铜，或其他物质？使用何种表征方法及何种软件？如果证实样品是铜，使用何种软件对获得的数据进行处理并绘图？”同时穿插引用科研中软件应用的重要性相关故事，引导学生对于科学研究的兴趣，使学生产生对材料领域的多学科深层次认识。

　　2.互动教学：预留10分钟，先让学生自行摸索软件操作方法，激发学生探索软件的兴趣。学生在该过程中遇到的问题，教师应及时发现问题并对其进行重点说明及分析，说明软件操作的侧重点和分析多数同学遇到的问题原因。

　　3.实践教学：课程在机房里上课，学生可以自行操作软件。教师讲解后，学生可以及时练习，及时发现问题，从以学生听为主转变为教师点拨、学生练习为主。教师应随时掌握同学遇到的问题，并及时给予解决，针对不同的学生因材施教，应当让学生自己操作。

　　4.参与科研：鼓励有兴趣的学生成立科研小组，早进实验室，参与由教师指导的学校科技立项、天津市挑战杯以及大学生创新创业大赛等。通过分析在科研活动中遇到的问题、进行表征测试及数据处理环节，激发学生的学习热情，让学生将所学本专业知识与本课程知识紧密联系在一起，并及时应用于数据处理、分析中，加深学生对各软件的理解和使用熟练程度，使学生在课堂上学到的知识得到很快的验证和应用。

　　三、结束语

　　材料科学属于研究材料的一种综合性学科，其发展与计算机建立了密不可分的联系。通过本课程的学习和实践，提高了本专业学生的理论与实践相结合的能力，促使学生深入了解专业特点，激发学生的学习积极性与创新性思维，对于本专业学生的培养具有重要意义。

　　参考文献：

　　[1]詹晓元，张如良，计算机在材料科学中的应用[M]，江苏：矿业大学出版社，2016.

　　[2]张国尚，冯日宝，纪朝辉.新工科背景下“计算机在材料科学中的应用”课程教学改革探索[J].教育信息化，2018（24）.

　　李伟1刘冬冬2刘德宝1陈民芳1赵云1

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