发布时间 : 星期一 文章《计算机在材料科学与工程中的应用》的研究型教学-最新作文更新完毕开始阅读8b9db16ac4da50e2524de518964bcf84b8d52d11
《计算机在材料科学与工程中的应用》的研究型教学
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， 培养和引导学生的创新意识。
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