1. 引言
在信息技术时代，计算机被广泛地应用到生产生活的方方面面。随着科技的高速发展，对新材料的需求日趋紧迫，使得计算机在材料科学领域中的应用日益广泛。计算机的引入打破了材料科学原有的从理论到实验的发展模拟，转变为理论模拟技术、人工智能、大数据分析处理等交叉融合的发展模拟。当前，计算机在材料学科中主要应用于以下几个方面：模拟软件应用于新材料的研发与模拟再现；数据分析与处理软件应用于材料学科相关专业数据处理、分析以及数据可视化；高通量计算与机器学习在材料科学中的应用[1]-[3]。其中，前两个方向在各个材料学科的分支领域应用最为广泛，而高通量计算与机器学习尚处于起步开发阶段，这些新的概念和国际研究前沿趋势需要高校重点关注，未来会成为拓展学生学术视野的主要知识储备。
在计算机软硬件、相关数据库和智能技术的飞速发展下，高校需要认识到学生掌握计算机技术在所属领域的应用是必不可少的能力要求。如在工程教育认证工作指南中的12项毕业要求中，就明确要求了工程类学生需要具有“使用现代工具”的能力，对学生“使用现代工具”的能力提出了“开发、选择和使用”的基本要求。这里的现代工具包括技术、资源、现代工程工具和信息技术工具(包括预测和建模)，这毫不掩饰地指明了计算机在工科专业中的重要性[4] [5]。因此材料学科的相关专业需要认识到《计算机在材料科学中的应用》课程在专业课中的重要性，让材料学科相关专业的大学生具备了解、理解掌握和应用相关计算机软件解决具体工程问题的方式和方法，是材料类专业高素质人才培养的重要组成部分。
近年来开设有《计算机在材料科学中的应用》这一门课程的高校基本涵盖了所有建设有材料学科相关专业的高校，但是各高校对这门课程的重视程度却是参差不齐的，而且未形成整体统一的课程性质和教学内容，大多数高校将此门课程的设置定义为选修课且偏重于大学科方向，即对计算机常用的基础软件的教学培养方式，对计算机技术在材料科学中的前沿应用与学术价值较少传授，没有涵盖国际国内最新的发展现状和趋势，难于让学生充分地实现“使用现代工具”能力的培养。
此外，尽管《计算机在材料科学中的应用》这门课程重点在于应用，即是要利用好计算机强大的分析和处理数据的功能，在材料的设计与合成、性能表征、性能测试与分析、应用研究与开发等领域进行应用，但多数高校还是以传统教学方式为主，重理论轻实践，忽略了计算机数据处理工具的重要性，相关工具的实践性等，让学生感觉课程非常抽象，难以理解。该课程通常采用PPT教学手段，虽然在课程中起到了部分模型直观的作用，但这种形式受限于课堂讲授，锻炼的是教师的综合能力，没有发挥以学生为中心的突出优势，学生学习了计算机的理论知识，而应用计算机的实践性没有得到充分体现。以培养应用型人才为目标，就要针对性地锻炼学生去发现问题，通过思考分析问题，进而采用有效的工具将问题解决。
本文基于目前《计算机在材料科学中的应用》这门课程所存在的上述问题，依托于省一流专业以及工程教育认证专业——金属材料工程专业来进行《计算机在材料科学中的应用》课程教改与实践研究。通过教改与实践获得了诸多成效，所获得的研究成果契合工程教育对学生“使用现代工具”的能力培养，推进了应用型人才的培养。同时，还能够对其他开设有此门课程或相近课程的高校提供教改借鉴，起到辐射示范作用。
2. 课程目标的设定
课程目标是课程教学的重要组成部分，是教师教授、学生学得的方向标。本课程立足于培养应用型人才为目的，契合工程教育认证的要求，准确设定本课程的课程目标。从《计算机在材料科学中的应用》课程的属性来看，在本专业培养方案的课程体系中，该课程是金属材料工程专业学生的限选课程，是培养金属材料领域技术人才整体知识体系的重要组成部分，是培养金属材料领域技术人才对金属材料领域工程问题进行科学研究，以及正确采用现代仪器、计算机技术、工程工具和模拟软件解决金属材料领域复杂工程问题的重要课程。
通过本课程的学习，使学生能够初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方法和原理。在加强学生对基础知识、基本方法掌握的基础上，结合材料科学研究领域的新方法、新技术中计算机的应用，注重培养学生利用计算机解决实际问题的能力，培养和引导学生的创新意识。本课程主要内容包含：文献检索及管理、计算机在材料检测中的应用、材料科学研究中的数据处理、材料科学研究中的图像处理、以及计算机技术在材料科学中的模拟应用。
通过综合分析，本课程的课程目标如下。
(1) 了解JADE软件、Peakfit软件用于分析XRD数据的原理和使用方法，了解DM用于分析TEM照片及Origin软件用于分析处理金属材料实验数据的使用方法，能够理解这些软件的局限性。
(2) 能够通过网络进行金属材料工程类文献的检索、能够使用Endnote软件对文献资料进行管理和研读，能够选择与使用恰当的结构表征手段对金属材料的微观组织结构进行测试分析。
(3) 了解Gleeble热模拟实验机的原理，理解Gleeble热模拟试验机在解决金属材料复杂工程问题方面的重要性和实用性，了解COMSOL Multiphysics模拟的原理和其在金属材料复杂工程问题方面的应用。
以上课程目标所含的能力要求高度支撑工程教育认证毕业要求的第5条：使用现代工具：能够针对金属材料复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。
3. 课程内容的设置
结合本专业的人才培养目标，本专业《计算机在材料科学中的应用》课程的主要教学内容如表1所示。在教学内容设置中，重视立德树人，恰当引入课程思政内容。
Table 1. Course teaching content and ideological and political elements entry point
表1. 课程教学内容及思政元素切入点
主要教学内容 |
思政元素切入点 |
第一章 文献检索及管理 |
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1.1 互联网上材料科学信息资源的检索和利用 |
充分利用好现代科学技术，服务国家的发展 |
1.2 Endnote软件的介绍 |
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1.3 Endnote软件的安装 |
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1.4 Endnote软件的操作及应用 |
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第二章 计算机在材料检测中的应用 |
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2.1 材料成分的检测和组织结构的表征 |
讲述材料表征技术的发展，传达科学家精神 |
2.2 材料力学性能和物理性能的测试 |
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2.3 JADE软件的介绍及安装 |
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2.4 JADE软件的操作及应用 |
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第三章 材料科学研究中的数据处理 |
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3.1 Origin软件的介绍 |
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3.2 Origin软件的安装 |
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3.3 Origin软件的操作及应用 |
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第四章 材料科学研究中的图像处理 |
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4.1 DigitalMicrograph软件的介绍 |
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4.2 DigitalMicrograph软件的安装 |
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4.3 DigitalMicrograph软件操作及应用 |
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4.4 其他图像处理软件的介绍 |
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第五章 材料科学中的计算模拟应用 |
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5.1 Gleeble热模拟实验机的介绍 |
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5.2 Gleeble热模拟试验机在材料研究中的应用实例 |
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5.3 COMSOL Multiphysics模拟的介绍 |
计算材料学的发展，机器学习在材料研究凸显出其独特性，让学生大胆创新，培养创新精神 |
5.4 COMSOL Multiphysics在材料研究中的实例讲解 |
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第六章 材料科学中计算机技术的综合应用 |
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从教学内容设置来看，这次教改大篇幅地增加了材料相关软件的安装与使用，特别重视相关软件的实际应用，这能够很好地提升学生使用现代工具来解决金属材料工程领域实际工程问题的能力。此外，还增加了目前比较热门的模拟仿真方面的内容，让学生能紧跟学科的发展趋势且能拓展学生的学术视野。同时在课程讲授的过程中，还将引入高通量计算、机器学习等前沿内容，拓展学生的视野。
4. 教学实践过程优化
回顾本专业以往《计算机在材料科学中的应用》课程的教学实践过程，主要是由理论教学20学时和上机教学4学时组成，即是要求教师通过多媒体教室开展20个学时的课堂教学，然后再以项目式开展4个学时的上机项目。整体来说，这样的教学实践方式兼顾了相关理论知识的教授同时也为学生提供了实践的条件。但是基于本课程的属性以及目前应用型人才的培养要求和工程教育认证的要求，以往的教学实践模式很难实现应用型人才的培养，至少高质量应用型人才的培养受到抑制。
因此，为了扭转以往教学实践的不足，对本课程教学实践过程进行了优化。
课程性质的优化。以往本专业《计算机在材料科学中的应用》这门课程被设定为“含实验课程的理论课”，尽管这门课程是具有很强的实践性，应偏重于实践环节，但是这样的设定会导致教学实践开展过程中教师过多的去讲解相关的理论知识而消减对学生实际应用能力的培养。通过综合分析，立足于以学生为中心，产出导向及持续改进的理念，现将本专业《计算机在材料科学中的应用》这门课程被设定为“实践课程”。该课程被设定为实践课程后，要求本课程的教学实践环节必须围绕如何提升学生实践应用能力进行开展，这将大大地保证了学生通过本课程的学习后能够获得相关的实践能力。
教学方法和手段的优化。教学方法和手段是多种多样的。其中教学方法就包括有项目教学、案例教学、小组合作教学、混合式教学等多种教学模式，这些教学方法能够提升学生学习的主动性；此外还有启发式、探究式、讨论式等教学方法，这些教学方法则能够促进学生积极思考。而今的教学手段包括充分使用智慧手段如雨课堂、学习通等开展线上、线下混合式教学，优化教学活动；深入推进虚拟仿真等现代信息技术与教育教学深度融合；恰当的利用网络教学资源等。如此多的教学方法与手段，总会让人眼花缭乱，要说好？那是各有千秋。因此要想服务好课程目标的达成，必须精选出适合指定课程属性的教学手段。通过分析，被优化为“实践课”属性的《计算机在材料科学中的应用》这门课程，适合的教学方法有：讲授法、案例法以及任务驱动法[6]。通过教授法可以把实践能力培养涉及的基础理论知识进行传授，通过案例法以及任务驱动法能够让学生弄清楚相关软件如何去对金属材料工程领域所涉及的工程问题进行处理分析的以及能够驱动学生自己动手强化能力的提高[7]。
值得强调的是，本专业改进后的《计算机在材料科学中的应用》这门课程的开展不再使用多媒体教室进行开展，而是全程使用计算机房开展，保证1人1机。此优化的教学平台能够保障每一位学生真实践而学真本领，促进应用型人才的培养。
课程考核及评定优化。为了如实考核学生是否达到设定的课程目标，获得相关的能力，课程考核注重过程考核和最终考核。考核环节包括课程学习过程考核和结课报告考核，其中课程过程考核占总成绩的20%，分别由课后作业(12%)和课堂表现(8%)进行评定；期末考核成绩占总成绩的80%。在考核过程中所涉及的考点契合课程大纲、密切结合专业毕业要求。例如，为了考核学生是否学成使用JADE软件来分析材料的XRD图谱的能力，在结课报告中设定考核题目为：所给出的数据1为SmCoFe合金锭通过粉碎得到粗粉然后再经过高能球磨后得到的粉体，通过XRD设备测试获得的XRD图，而数据2为此高能球磨粉体经过真空退火后再去做XRD获得的衍射图。请使用JADE软件对高能球磨后的粉体以及球磨 + 真空退火后粉体的XRD进行分析。将结果以及重要的分析过程展示出来。本试题是通过下发原始数据，然后要求学生能使用JADE软件对下发的XRD图谱进行定性和定量分析，这能够很好地检测学生是否掌握了JADE软件的使用能力。除此之外，本课程还立足于课程目标，以问卷调查的形式开展间接评价，以实现对课程改革后的教学效果进行全面的评估。最后还将形成《计算机在材料科学中的应用》课程目标达成情况报告，报告中将会深入分析每一个同学的课程目标达成情况，并对没有很好达成的课程目标提出持续改进的措施，用于优化后续的教学过程，进一步提升学生课程目标的达成度。
5. 总结
本文深入分析以往所开设的《计算机在材料科学中的应用》课程所存在的问题，立足于应用型人才的培养，对本校金属材料工程专业开设的《计算机在材料科学中的应用》课程进行教改和教学实践改革探索。通过教改和教学实践探索，设定了课程目标，优化了课程内容，革新了教学实践过程，打造出适合于应用型人才培养、符合工程教育认证要求的《计算机在材料科学中的应用》课程。探索形成的相关结果和规律不仅能够为开设有此门课程的高校提供参考还能为相近课程的教授提供教改借鉴，起到辐射示范作用。
基金项目
河北省高等教育学会“十四五”规划2024年度高等教育研究课题成果(GJXH2024-356)；河北省研究生专业学位教学案例(库)建设项目：《数据分析与处理》教学案例库建设(KCJSZ2024075)。
NOTES
*通讯作者。