摘要:《计算机在材料科学中的应用》是一门兼具理论性和实践性，融合计算机技术和材料科学学科基础的跨学科的重要专业课程。根据工程教育认证的要求，本文从课程目标设定、教学内容设置、教学过程设计三个方面对该课程的教学进行改革与探索，以期实现课程教学的认知目标与情感目标，提升学生的知识应用能力，培养学生工程综合素质与实践创新能力。
关键词:计算机在材料科学中的应用;教学改革;工程教育认证
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，集物理学、化学、冶金学等多学科于一体的科学。材料科学是一门与工程技术密不可分的应用科学。其主要培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才。2016年，中国正式成为华盛顿协议的成员，华盛顿协议是国际公认的工程科技人才质量认证体系。它标志着中国工程教育专业认证体系正式与国际工程教育专业认证体系相结合。“华盛顿协议”旨在建立国际公认的工程教育专业认证体系，推动同等标准，共同提高工程教育专业素质，为国际鉴定专业工程师提供平台［1－2］。国际工程教育专业认证有助于整合国际工程教育的先进教学理念。推动中国工程教育专业的进一步改革和发展，提高工科院校的教学质量。落实到人才培养的根本任务，工程教育专业认证下的教学改革可以为培养素质优良、结构合理、支撑引领的工程技术人才提供重要支撑与途径。人工智能、大数据、新材料等技术与产业的发展为工程技术人才提出了更高的创新创业能力和跨学科复合型能力要求［3］。在材料科学与工程学科培养计划中，课程《计算机在材料科学中的应用》是一门兼具理论性和实践性，融合计算机技术和材料科学学科基础的跨学科的重要专业课程。计算机技术已被应用于材料的设计与开发、新工艺方案的设计与优化、材料结构分析、模型构建与计算机模拟、材料数据分析与结果可视化等材料学科领域的诸多方面。本课程的学习可为材料科学与工程专业学生的相关实验方案设计、实践环节的锻炼以及毕业论文或设计的顺利进行提供重要基础。该课程的学习将使学生利用计算机技术解决材料科学理论学习和实际问题。为将来进一步学习深造或进入岗位实践夯实工具及理论基础。课程《计算机在材料科学中的应用》要求学生将扎实的理论知识与熟练的计算机应用技能相结合。改革和探索课程的教学过程和方法非常重要［4－5］。因此，迫切需要进一步调整，优化和改革课程的目标定位，教学内容和教学方法。满足工程教育认证下材料科学与工程人才培养的实际需要。
1精准定位课程目标
作为专业教育的灵魂，培养目标直接决定着人才培养的目标和方向。培养目标总体描述了学生毕业五年左右能够达到的职业成就。目标的设置要契合就业需求，同时兼顾学生职业生涯的长期可持续发展。天津理工大学功能材料专业是天津市战略新兴产业专业，以显示材料与光电器件教育部重点实验室和天津市光电显示材料与器件重点实验室为依托。在工程教育专业认证背景下，本专业将人才培养目标定位为适应我国战略性新兴产业中信息与能源相关的功能材料研究和制造业所需应用型高级专门人才需求，具有优良的德法修养与沟通能力、较强的团队意识、社会责任感、创新意识;掌握专业知识、应用能力和终身学习的意识;能够运用材料、物理以及光电子信息等多学科交叉基础知识并借助现代技术工具研究、分析和解决功能材料制备、应用工程问题，从事材料学的科学研究、技术开发、产品开发、工艺设计、材料方案选择、设备设计与调试、生产与运营管理等工作的优秀应用型人才。《计算机在材料科学中的应用》是天津理工大学功能材料专业学生的专业课程之一。在工程教育认证背景下，本课程以专业培养目标为指导，从服务就业、继续学习深造两方面出发，回溯制定了课程目标，为功能材料专业高质量人才培养提供了重要支撑。本课程的课程目标具体设置如下:(1)熟练运用多种材料学相关软件，将物理学、化学、生物学等多方面的知识联系起来，为学生开展材料科学毕业论文或设计、进一步学习深造或从事相关岗位工作夯实基础。(2)了解各类材料、化学、物理相关模拟软件，运用材料科学基础知识和物理学、电子及光电子信息科学等多学科交叉知识，为学生解决功能材料的实际应用提供性能预测、结构分析等数据支持，设计/开发满足特定需求的功能材料，培养学生参与材料学相关工作的实践应用能力。(3)熟练运用计算机常用软件和仪器分析测试软件，为学生参加工作提供良好的实践平台。
2导向性教学内容设置
工程教育专业认证体系下，每门课程都需要说明课程学习对人才培养要求达成度的具体作用。本课程的基本教学思路是巩固基础，开阔视野，将学科交叉融合落到实处。在教学内容的设置上，以学生就业或深造的需求为导向，结合国际先进的教学体系，合理优化内容体系，课程内容具有明显的学科交叉性质，包括材料学与物理学、化学、生物学等学科知识。将“材料科学基础、功能材料概论、无机化学、有机化学、高分子化学、现代分析检测技术”等相关课程知识与各类材料、化学、物理相关模拟分析软件应用的知识体系高度融合，体现课程在覆盖面、关注度和学科交叉性方面的考量，调整优化课程教学大纲，同时调整相应的教学设计，实现课程从目标大纲设计、教学过程到课程考核评价等全过程的深度优化。
3教学过程设计优化
在工程专业教育认证的背景下，以学生职业生涯发展为导向的培养理念要求教学过程以学生的知识学习、技能掌握与素质提升为指引。因此本课程设置与过程设计的根本出发点与落脚点就在于夯实学生理论知识的基础上，进一步培养学生应用计算机技术进行材料学科实际问题解决的能力，在课程进行过程中启发其进行知识融合和学科交叉的意识与创新能力。如何有效提高课堂教学效率是教学过程设计优化中必须考虑的问题。其中，如何激发学生的内在动机，促进学生积极学习的主动性，保持学习的连续性和一致性是当务之急。在功能材料学生培养计划中，《计算机在材料科学中的应用》是一门具有明显跨学科性质的专业课程，教师在教学设计和教学过程方面进行了一定的改革和探索。
3.1教学设计
《计算机在材料科学中的应用》课程的教学内容主要包括计算机技术在材料选择与设计、工艺过程设计与优化、材料数学模型的构建与数值模拟计算、材料性能参数设置与对比模拟分析以及材料数据分析于结果可视化等。综合考虑内容覆盖面与课时分配的基础上，本课程立足功能材料专业高质量人才培养要求，从服务就业、继续学习深造两方面出发回溯制定的课程目标出发，优化教学设计，具体的，主要包括如下方面:(1)以课程内容教学为蓝本，启发多学科交叉融合的思路。按照教学大纲的调整与优化，加强计算机技术在材料选择与设计、数学模型构建与数值模拟以及材料数据分析与可视化中的应用等章节知识的教学，融入各类材料、化学、物理相关模拟与分析软件的应用实例。将本课程与各类材料、化学、物理、计算机等相关学科的关联关系及各学科交叉融合在材料学科问题解决中的重要作用融入课程教学体系之中，启发学生解决问题的新思路，进一步培养学生的创新意识。以应用与实践为导向，提升学生的学习兴趣与积极性，让学生在理论学习和实例分析过程中体味借助计算机模拟与分析技术解决材料学科问题的思路和方法，潜移默化中引导学生通过多学科知识交叉融合以解决材料学科问题的意识与能力。(2)以实际案例为导引，培养学以致用的意识。借助相关实际案例，把功能材料专业的特点融入该课程的教学实践中，充分调动学生学习知识与应用知识的积极性，培养学生勤谨治学，学以致用的意识。如在讲授计算机在新材料中的设计时，材料与性能之间存在必然的联系，如果将各种材料单元结合设计出性能优良的材料，需要学生了解材料各单元的基本性能，建立合理的材料模型，并对不同材料选择与设计方案进行参数模拟与性质对比，这对于材料的设计、开发与应用具有重要价值。(3)教学学术一体，授之以渔。在融入实例演示教学的基础上，追踪学科前沿，结合已有研究成果和研究计划，选取与课程大纲紧密贴合的内容融入课堂，将教学与学术有机融合，激发学生在掌握课程内容和课程学科交叉特点的基础上深入探索材料科学问题并挖掘崭新可行解决方案的兴趣与潜力。并将发现问题、分析问题、借助计算机模拟与分析技术进行问题解决的全过程进行一定的示范与讲解，让学生在掌握课程知识的同时，体味发现问题、分析问题和解决问题的乐趣，启发思路，巩固知识，熟练技能。
3.2教学方法
《计算机在材料科学中的应用》课程具有很强的应用性和实用性，结合理论基础，强调实际案例教学与演示，将知识学习、技能培养和素质提升有机融合，调动学生学习的积极性和主动性，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的意识与能力，激发学生的创新意识和创新能力。具体的教学方法举例如下:(1)以学生就业或深造需求为导向，将个人简历的设计与完善与基础计算机软件应用相结合，从课堂典型案例演示与点评到课下简历制作，以及模拟面试个人简介、师生评述在学生主动参与、积极展示的过程中，引入本课程的其他理论知识讲述和应用环节。结合功能材料专业特点，将计算机技术在材料的选择与设计、工艺的设计与优化、数学模型的构建与数值模拟、材料方案的参数对比与模拟分析、材料数据的分析与可视化等方面的应用通过实际案例的引入，使学习内容的应用与价值具象化，激发学生的学习热情和动力，提高学生的学习效率。结合案例分析与应用，在激发学生解决实际问题的兴趣的基础上，引导学生的学科交叉意识与实践创新能力。(2)在多媒体教学中，结合贴近课程内容的数据、文本、影像等资料形式，插入一些具体案例，以动画形式，从多平面教学方法向立体化教学方法转变，使学生身临其境，体会到学习的乐趣，使学生从被动学习向主动学习转变。在教学实践中，学生普遍反映讲授内容有趣、实用性强，《计算机在材料科学中的应用》课程的学习兴趣浓厚，学以致用，用以促学，教学相长，教学质量与效果得到了明显的提升。
4结语
《计算机在材料科学中的应用》课程融合了材料学科、物理学、化学、生物学以及计算机技术和数值模拟技术，学科交叉的特征明显。工程教育认证体系下，进行该课程的教学改革与探索，提升其教学质量与效果显得尤为重要。具体的，在本课程的教学过程中，以材料科学专业学生培养目标为指引，融入从材料选择与设计、工艺过程设计与优化、材料性能测试与对比、数据模型构建与数值模拟以及材料数据分析与可视化等计算机技术在材料科学中的实际应用案例，在教学内容设计与组织、教学过程实践与创新方面进行了一定的改革与探索，让学生学以致用，用以促学，教与学有机统一，相辅相成。让学生在知识学习和实践应用中体会发现问题、分析问题与解决问题的乐趣，实现材料学科知识巩固与计算机技术应用能力的提升，进而为培养材料学专业学生的创新意识与实践能力打下良好基础。
参考文献
［1］樊一阳，易静怡.《华盛顿协议》对我国高等工程教育的启示［J］.中国高教研究，2014(8):45－49.
［2］王孙禺，孔钢城，雷环.华盛顿协育的借鉴意义［J］.高等工程教育研究，2007(1):10－15.
［3］陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考［J］.高等工程教育研究，2017(3):20－26.
［4］陈锟，刘克家，施宇涛，等.计算机在材料科学中的应用课程改革与实践［J］.广州化工，2019(1):125－127.
［5］张甲甲，李园园，钟煜，等.计算机在材料科学中的应用课程教学技巧和创新［J］.广州化工，2019(2):243.
作者:张强 单位:天津理工大学材料科学与工程学院
