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摘要：《计算机在材料科学与工程中的应用》课程是材料科学与工程专业的核心基础课程之一。在课程教学的改革实践中，根据研究型教学理念，结合课程特点，以培养计算思维、综合素质和提高创新能力为目标，经过几年的尝试和实践，从课堂教学、课外作业和考核方式等方面进行探索和研究，取得了良好效果，形成了《计算机在材料科学与工程中的应用》课程研究型教学的基本思路和初步模式。
关键词：计算机，材料科学与工程，研究型教学
中图分类号：G40-034 文献标识码：A
一、引言
计算机技术的发展为材料科学研究提供了一种强有力的工具， 促进了材料科学研究的深入发展。开设《计算机在材料科学与工程中的应用》课程是为了让学生初步掌握计算机在材料科学应用中的方法、步骤和应用领域等， 进一步促进专业课的学习， 追踪计算机在材料科学中的应用新技术， 推动材料科学领域计算机技术的进一步发展[1-3]。学生在学习了《计算机在材料科学与工程中的应用》课程后，要初步掌握用计算机解决和分析工程问题的能力， 并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。
《计算机在材料科学与工程中的应用》课程应是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，培养学生利用计算机解决实际问题的能力， 培养和引導学生的创新意识。
二、《计算机在材料科学与工程的应用》课程研究型教学的必要性
研究型教学是以课程内容和学生的知识经验为基础，在教学过程中选择恰当的科学问题为载体，以学生为中心创设情境，引导学生充分参与、主动探究，使学生能够自主地发现问题、研究问题和解决问题，并从中体验“搜集资料→方案设计→方案研讨→实验验证→得出结论”完整的科学研究过程，进而学习科学知识、掌握研究方法，并培养其创新能力和探究精神[4-6]。
随着时代的发展，计算机在材料科学与工程中的应用越来越广泛和深入，这些应用包括在材料的性能、组成和结构分析、材料制备加工和应用各个方面，而且正在改变着材料领域研究与产品开发的面貌。具体包括在材料设计、材料性能分析、合成制备和使用的模拟与仿真、材料结构的可视化和性能计算、材料加工工艺过程的优化及自动控制、材料数据库和知识库、材料试验数据处理、材料测试分析图像处理及基于Web 的材料信息应用等方面[7，8]。这些应用无论是基本的操作技能还是编程及应用技术方面都对学生提出了较高的要求。
然而，教学方法单一，学生课堂参与度低；课程讲授过分重视确定性、陈述性和记忆性的材料，忽视原理性、策略性、创造性知识教学；教学内容与实践脱节，实验教学环节薄弱等问题长期存在。学生总体的感觉是教学内容过于抽象、空洞，知识陈旧无法调动学生的学习积极性和研究的主动性，不利于学生综合能力和创新能力的培养。随着材料科学与工程专业的教学改革的加快， 构建新的材料学科专业教学体系和模式，培养能够适应科技和社会迅猛发展，并能持久与健康地为社会材料科学技术和经济持续发展服务的创造性人才，已经迫在眉睫。
三、《计算机在材料科学与工程的中应用》课程研究型教学的实践
我们在教学实践中，在掌握学生基本学习情况的基础上，根据专业课程的教学内容和教学特点，引入现代材料理论研究软件Material Studio进行教学，注重理论研究和实际实验现象的联系，引导学生尝试应用Material Studio的理论计算结果来解释性质现象，深入了解材料结构和理论性质，揭示其内在规律性[9，10]。从而在应用软件过程中加深对理论知识的认识，巩固材料科学的基本知识、重要概念和基本理论，提高学生的学习积极性，增强综合科学素养，取得较好的教学效果。
1.课程内容的安排
研究型教学法要求课程内容在安排上具有开放性和包容性。
（1）Visualizer模块在材料科学与工程中的应用。Visualizer可用来搭建分子、晶体、界面及表面的结构模型，提供分子叠合以及分子库枚举等所需的所有工具，可以操作、观察及分析计算前后的结构模型，处理多种类型的图型、表格或文本等形式的数据。材料科学中许多抽象的内容如晶体结构等用传统的方法讲授，学生不但感觉十分枯燥而且不易在头脑中建立相应的模型和概念。学生能利用Materials Visualizer构造分子、晶体材料、表面、界面和层结构的模型，从不同的角度操纵、查看并分析这些模型，这有助于学生理解物质的结构。
（2）CASTEP模块在材料科学与工程中的应用。CASTEP模块（Cambridge Serial Total Energy Package）是先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体以及金属等多种材料。研究晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度、声子谱）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、成分无序等。
（3）DMol3模块在材料科学与工程中的应用。DMol3模块采用独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，电子密度依据以原子为中心的多极部分密度展开，计算所用的时间与体系的大小成线性正比，大大缩短的计算时间。利用DMol3模块对分子体系或周期性结构进行几何结构的确认和电子结构的解析；反应过渡态、中间态的搜索和优化；计算生成热，自由能，熵，热容计算。
2.研究型课堂教学
教师要就每次课程为学生搜寻经典研究论文，供学生课前参考阅读。对学生来讲，学生在课前就得根据老师所提供的经典论文，研习相关内容，运用科学求证精神，探寻理论源头，积极思考所阅读的文章中反映问题的模型结构、计算参数选择以及理论和现实意义，并写出读书笔记和评论，以备课堂讨论。
教师以专题汇报讨论的形式研习教学内容。专题汇报内容主要包括：固体材料高压相变研究、材料可能相结构的预测； 形成能、内聚能的获取及在材料掺杂改性时元素的选择及结构热力学稳定性判定的应用；表面及表面吸附修饰模拟及其在储氢、腐蚀与防护等领域的应用；模拟材料高温下的熵、焓、吉布斯自由能；优异机械性质合金、陶瓷的理论设计思路；应力应变曲线得到材料的抗拉强度；能带的本质，能带结构看物性；缺陷、掺杂半导体能带的计算和分析；能隙的修正方法在半导体材料领域的应用； 磁性材料电子结构分析及加压对磁性的影响；电子密度、态密度、差分电荷密度、电子局域函数、声子谱的应用；拉曼、红外、芯电子谱核磁共振光谱在结构鉴定中的应用；光学性质的获取及在半导体光学材料、稀土发光材料中的应用。 学生则需要做两个工作：一是从学术视角总结研究论文并进而展示自己可能有的研究计划，研究要解决的问题和解决问题的思路想；二是指出这一专题的国内外主要研究者及其研究成果，以及这些成果之间的关联。
3.研究型课外教学
研究型教学法以提升学生和教师的研究能力为导向布置作业。所以我们整个学期只布置一个作业——做一个研究并就此撰写一篇研究报告。研究报告题目在学期初由学生根据兴趣选择，即从13个专题汇报所规定的内容中选择一个，论文的内容包括：（1）引言（主要是研究综述，要求涉及到用英文与中文发表的有影响力和具有标志意义的成果，直接引述的英文文献不少于5项，中文文献不少于10项）；（2）计算模型构建及参数选择（介绍数据模型及参数资料的来源和收集过程，以及归纳后的资料）；（3）结果与讨论（对研究获得的可以借鉴的地方和不足之处进行讨论，并关照其他著名学者的研究结论，展开学术对话）；（4）结论（要求学生依据获得的计算结果，遵循科学研究方法的基本原理推導出研究结论）。
4.成绩评定
我们对学生的成绩评定采用课堂与研究报告相结合的办法。课堂成绩是为了鼓励学生参与课堂教学、课堂讨论，鼓励学生积极思维，每章结束后进行随堂测试，既考核平时作业的掌握情况，又提供了另一种形式的师生互动。对研究报告的评定严格按照学术研究的路径和标准进行。在具体评分的权重上，前者占40%，后者为60%。
四、研究型教学模式下的教师
教师进行研究性教学， 必须进行科学研究， 不做研究， 只搞教学， 只能是教书匠，只做研究， 不搞本科教学， 则失去了教师的资格。教师必须开展科学研究， 有自己的研究方向和研究课题。科研上的造诣高，课堂上才会给学生更多的启迪和思维。教学与科学研究不能脱节，更不能对立， 而是要有机地结合[11，12]。同时， 要想做好教学工作， 还必须进行教学研究， 通过教学研究课题去研究教学模式、研究课程体系、研究教学规律、研究教材、研究教学方法， 只有这样， 才能实现真正意义上的教书育人。
五、结语
《计算机在材料科学与工程中的应用》课程结合研究性教学理念的教学模式加强学生对课程内容本质性理解，引导学生创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和锻炼思维甚至创新教育意蕴的新型教学模式。
参考文献
[1] 胡红军， 杨明波，《计算机在材料科学中应用》课程教学设计，铸造技术，2007年7月，Vol. 28 No. 991-993
[2] 许鑫华，原续波，郭瑞松，黄远，胡绳荪，盛京， 材料研究与计算机应用课程建设实践， 高等工程教育研究，2005 年增刊
[3] 韩强， 李涛， 赵鸣， 赵莉萍， 《计算机在材料科学中的应用》课程改革探讨，内蒙古教育（职教版），2011.03
[4] 于丽，研究型教学在“计算机网络技术”课程中的应用，教育与职业，2012年7月中，第20期，90-91
[5] 李春，邹逢兴，周宗潭，李迅，《计算机硬件技术基础》精品课程研究型教学探索与实践，高等教育研究学报，2013 年3 月，第36 卷第1 期，26-29
[6] 胡延军，高莉，赵小虎，于洪珍，“多媒体计算机技术”课程研究型本科教学，电气电子教学学报，2007 年8 月，第29卷 第4 期，1-3
[7] 叶卫平，《计算机在材料与工程中的应用》教改探讨，理工高教研究，2012年12月，p120
[8] 栗正新， 张红梅， 崔 巍，材料类专业本科生计算机应用能力培养探讨，河南工业大学学报（ 社会科学版），2007 年12 月，第3 卷第4 期，114-115
[9] 吴健，Materials Studio在结构化学教学中的一些应用，高校实验室工作研究，2007年9月，总第93期第3期，47-49
[10] 徐志广，Materials Studio软件在材料化学专业课程中的应用，Journal of Mathematical Medicine， 2011年，Vol.24 No.3， 326-327
[11] 王金发，整合理念—构建开放式研究性的教学与学习新模式，中国高等教育，2007年第21期，20-22
[12] 王金发，探索研究性教学—用心授课，中国高等教育，2004年第9期，20-22
基金资助：北京石油化工学院校级教育教学改革和研究基金资助项目
项目名称：Materials Studio软件在材料科学与工程中的应用YB20131003
关键词：计算机，材料科学与工程，研究型教学
中图分类号：G40-034 文献标识码：A
一、引言
计算机技术的发展为材料科学研究提供了一种强有力的工具， 促进了材料科学研究的深入发展。开设《计算机在材料科学与工程中的应用》课程是为了让学生初步掌握计算机在材料科学应用中的方法、步骤和应用领域等， 进一步促进专业课的学习， 追踪计算机在材料科学中的应用新技术， 推动材料科学领域计算机技术的进一步发展[1-3]。学生在学习了《计算机在材料科学与工程中的应用》课程后，要初步掌握用计算机解决和分析工程问题的能力， 并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。
《计算机在材料科学与工程中的应用》课程应是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，培养学生利用计算机解决实际问题的能力， 培养和引導学生的创新意识。
二、《计算机在材料科学与工程的应用》课程研究型教学的必要性
研究型教学是以课程内容和学生的知识经验为基础，在教学过程中选择恰当的科学问题为载体，以学生为中心创设情境，引导学生充分参与、主动探究，使学生能够自主地发现问题、研究问题和解决问题，并从中体验“搜集资料→方案设计→方案研讨→实验验证→得出结论”完整的科学研究过程，进而学习科学知识、掌握研究方法，并培养其创新能力和探究精神[4-6]。
随着时代的发展，计算机在材料科学与工程中的应用越来越广泛和深入，这些应用包括在材料的性能、组成和结构分析、材料制备加工和应用各个方面，而且正在改变着材料领域研究与产品开发的面貌。具体包括在材料设计、材料性能分析、合成制备和使用的模拟与仿真、材料结构的可视化和性能计算、材料加工工艺过程的优化及自动控制、材料数据库和知识库、材料试验数据处理、材料测试分析图像处理及基于Web 的材料信息应用等方面[7，8]。这些应用无论是基本的操作技能还是编程及应用技术方面都对学生提出了较高的要求。
然而，教学方法单一，学生课堂参与度低；课程讲授过分重视确定性、陈述性和记忆性的材料，忽视原理性、策略性、创造性知识教学；教学内容与实践脱节，实验教学环节薄弱等问题长期存在。学生总体的感觉是教学内容过于抽象、空洞，知识陈旧无法调动学生的学习积极性和研究的主动性，不利于学生综合能力和创新能力的培养。随着材料科学与工程专业的教学改革的加快， 构建新的材料学科专业教学体系和模式，培养能够适应科技和社会迅猛发展，并能持久与健康地为社会材料科学技术和经济持续发展服务的创造性人才，已经迫在眉睫。
三、《计算机在材料科学与工程的中应用》课程研究型教学的实践
我们在教学实践中，在掌握学生基本学习情况的基础上，根据专业课程的教学内容和教学特点，引入现代材料理论研究软件Material Studio进行教学，注重理论研究和实际实验现象的联系，引导学生尝试应用Material Studio的理论计算结果来解释性质现象，深入了解材料结构和理论性质，揭示其内在规律性[9，10]。从而在应用软件过程中加深对理论知识的认识，巩固材料科学的基本知识、重要概念和基本理论，提高学生的学习积极性，增强综合科学素养，取得较好的教学效果。
1.课程内容的安排
研究型教学法要求课程内容在安排上具有开放性和包容性。
（1）Visualizer模块在材料科学与工程中的应用。Visualizer可用来搭建分子、晶体、界面及表面的结构模型，提供分子叠合以及分子库枚举等所需的所有工具，可以操作、观察及分析计算前后的结构模型，处理多种类型的图型、表格或文本等形式的数据。材料科学中许多抽象的内容如晶体结构等用传统的方法讲授，学生不但感觉十分枯燥而且不易在头脑中建立相应的模型和概念。学生能利用Materials Visualizer构造分子、晶体材料、表面、界面和层结构的模型，从不同的角度操纵、查看并分析这些模型，这有助于学生理解物质的结构。
（2）CASTEP模块在材料科学与工程中的应用。CASTEP模块（Cambridge Serial Total Energy Package）是先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体以及金属等多种材料。研究晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度、声子谱）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、成分无序等。
（3）DMol3模块在材料科学与工程中的应用。DMol3模块采用独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，电子密度依据以原子为中心的多极部分密度展开，计算所用的时间与体系的大小成线性正比，大大缩短的计算时间。利用DMol3模块对分子体系或周期性结构进行几何结构的确认和电子结构的解析；反应过渡态、中间态的搜索和优化；计算生成热，自由能，熵，热容计算。
2.研究型课堂教学
教师要就每次课程为学生搜寻经典研究论文，供学生课前参考阅读。对学生来讲，学生在课前就得根据老师所提供的经典论文，研习相关内容，运用科学求证精神，探寻理论源头，积极思考所阅读的文章中反映问题的模型结构、计算参数选择以及理论和现实意义，并写出读书笔记和评论，以备课堂讨论。
教师以专题汇报讨论的形式研习教学内容。专题汇报内容主要包括：固体材料高压相变研究、材料可能相结构的预测； 形成能、内聚能的获取及在材料掺杂改性时元素的选择及结构热力学稳定性判定的应用；表面及表面吸附修饰模拟及其在储氢、腐蚀与防护等领域的应用；模拟材料高温下的熵、焓、吉布斯自由能；优异机械性质合金、陶瓷的理论设计思路；应力应变曲线得到材料的抗拉强度；能带的本质，能带结构看物性；缺陷、掺杂半导体能带的计算和分析；能隙的修正方法在半导体材料领域的应用； 磁性材料电子结构分析及加压对磁性的影响；电子密度、态密度、差分电荷密度、电子局域函数、声子谱的应用；拉曼、红外、芯电子谱核磁共振光谱在结构鉴定中的应用；光学性质的获取及在半导体光学材料、稀土发光材料中的应用。 学生则需要做两个工作：一是从学术视角总结研究论文并进而展示自己可能有的研究计划，研究要解决的问题和解决问题的思路想；二是指出这一专题的国内外主要研究者及其研究成果，以及这些成果之间的关联。
3.研究型课外教学
研究型教学法以提升学生和教师的研究能力为导向布置作业。所以我们整个学期只布置一个作业——做一个研究并就此撰写一篇研究报告。研究报告题目在学期初由学生根据兴趣选择，即从13个专题汇报所规定的内容中选择一个，论文的内容包括：（1）引言（主要是研究综述，要求涉及到用英文与中文发表的有影响力和具有标志意义的成果，直接引述的英文文献不少于5项，中文文献不少于10项）；（2）计算模型构建及参数选择（介绍数据模型及参数资料的来源和收集过程，以及归纳后的资料）；（3）结果与讨论（对研究获得的可以借鉴的地方和不足之处进行讨论，并关照其他著名学者的研究结论，展开学术对话）；（4）结论（要求学生依据获得的计算结果，遵循科学研究方法的基本原理推導出研究结论）。
4.成绩评定
我们对学生的成绩评定采用课堂与研究报告相结合的办法。课堂成绩是为了鼓励学生参与课堂教学、课堂讨论，鼓励学生积极思维，每章结束后进行随堂测试，既考核平时作业的掌握情况，又提供了另一种形式的师生互动。对研究报告的评定严格按照学术研究的路径和标准进行。在具体评分的权重上，前者占40%，后者为60%。
四、研究型教学模式下的教师
教师进行研究性教学， 必须进行科学研究， 不做研究， 只搞教学， 只能是教书匠，只做研究， 不搞本科教学， 则失去了教师的资格。教师必须开展科学研究， 有自己的研究方向和研究课题。科研上的造诣高，课堂上才会给学生更多的启迪和思维。教学与科学研究不能脱节，更不能对立， 而是要有机地结合[11，12]。同时， 要想做好教学工作， 还必须进行教学研究， 通过教学研究课题去研究教学模式、研究课程体系、研究教学规律、研究教材、研究教学方法， 只有这样， 才能实现真正意义上的教书育人。
五、结语
《计算机在材料科学与工程中的应用》课程结合研究性教学理念的教学模式加强学生对课程内容本质性理解，引导学生创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和锻炼思维甚至创新教育意蕴的新型教学模式。
参考文献
[1] 胡红军， 杨明波，《计算机在材料科学中应用》课程教学设计，铸造技术，2007年7月，Vol. 28 No. 991-993
[2] 许鑫华，原续波，郭瑞松，黄远，胡绳荪，盛京， 材料研究与计算机应用课程建设实践， 高等工程教育研究，2005 年增刊
[3] 韩强， 李涛， 赵鸣， 赵莉萍， 《计算机在材料科学中的应用》课程改革探讨，内蒙古教育（职教版），2011.03
[4] 于丽，研究型教学在“计算机网络技术”课程中的应用，教育与职业，2012年7月中，第20期，90-91
[5] 李春，邹逢兴，周宗潭，李迅，《计算机硬件技术基础》精品课程研究型教学探索与实践，高等教育研究学报，2013 年3 月，第36 卷第1 期，26-29
[6] 胡延军，高莉，赵小虎，于洪珍，“多媒体计算机技术”课程研究型本科教学，电气电子教学学报，2007 年8 月，第29卷 第4 期，1-3
[7] 叶卫平，《计算机在材料与工程中的应用》教改探讨，理工高教研究，2012年12月，p120
[8] 栗正新， 张红梅， 崔 巍，材料类专业本科生计算机应用能力培养探讨，河南工业大学学报（ 社会科学版），2007 年12 月，第3 卷第4 期，114-115
[9] 吴健，Materials Studio在结构化学教学中的一些应用，高校实验室工作研究，2007年9月，总第93期第3期，47-49
[10] 徐志广，Materials Studio软件在材料化学专业课程中的应用，Journal of Mathematical Medicine， 2011年，Vol.24 No.3， 326-327
[11] 王金发，整合理念—构建开放式研究性的教学与学习新模式，中国高等教育，2007年第21期，20-22
[12] 王金发，探索研究性教学—用心授课，中国高等教育，2004年第9期，20-22
基金资助：北京石油化工学院校级教育教学改革和研究基金资助项目
项目名称：Materials Studio软件在材料科学与工程中的应用YB20131003