“計(jì)算材料學(xué)”雙語教學(xué)探索與實(shí)踐

計(jì)算材料學(xué)是一門新興學(xué)科。當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)在新材料研究領(lǐng)域的興起，計(jì)算機(jī)技術(shù)與材料領(lǐng)域交叉應(yīng)用可以為廣大材料科技工作者提供一種更加便捷的虛擬環(huán)境。顯然，在這種大環(huán)境下，復(fù)雜煩瑣的常規(guī)批量式實(shí)驗(yàn)手段已不再具有優(yōu)勢。因此，傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)的研發(fā)理念和模式必須有所改變，“理論預(yù)測+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的新模式應(yīng)運(yùn)而生［1］，計(jì)算材料學(xué)將成為未來材料科技工作者的必備知識(shí)之一。如今，中國高等教育越來越趨向于國際化。近十年來，國內(nèi)各重點(diǎn)工科高等院校紛紛遴選出一批課程用于開展以英語為主要課堂教學(xué)語言的雙語教學(xué)改革［2-4］。實(shí)施雙語教學(xué)不僅可以深化學(xué)科課程的學(xué)習(xí)，還可以開闊學(xué)科視野和學(xué)習(xí)前沿知識(shí)［5-7］。東北大學(xué)秦皇島分校的“計(jì)算材料學(xué)”課程從開設(shè)伊始就按照雙語教學(xué)設(shè)計(jì)，理論教學(xué)和計(jì)算案例均使用英文材料，旨在培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合能力。“計(jì)算材料學(xué)”課程是一門專業(yè)選修課，選課學(xué)生為材料科學(xué)與工程專業(yè)和功能材料專業(yè)本科生。通過對“計(jì)算材料學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，可以加深對材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，通過分析計(jì)算結(jié)果可以引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，理性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省研發(fā)時(shí)間、降低成本的目的［8-12］。課程主要講授計(jì)算材料學(xué)中原子和分子尺度模擬的常用方法、核心理論知識(shí)與科學(xué)前沿進(jìn)展，并結(jié)合材料研究中的實(shí)際例子說明具體方法的運(yùn)用。學(xué)完本課程后，學(xué)生對材料設(shè)計(jì)中涉及的多尺度模擬會(huì)有較深入的理解，在掌握有關(guān)第一性原理計(jì)算的相關(guān)理論后，選取合適的計(jì)算方法和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用第一性原理計(jì)算分析設(shè)計(jì)材料的性質(zhì)。本課程立足國家需求、學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)目標(biāo)，注重專業(yè)知識(shí)與創(chuàng)新融合的創(chuàng)新型、復(fù)合型人才培養(yǎng)要求。同時(shí)，本課程連接材料科學(xué)基礎(chǔ)理論與研究實(shí)際，利用多尺度模擬方法計(jì)算材料的性質(zhì)，讓抽象概念更直觀。一、雙語授課的教學(xué)現(xiàn)狀我國的大學(xué)雙語教育在全國范圍內(nèi)推廣了十幾年，雙語教學(xué)使中國高等教育更加與國際接軌。然而在實(shí)施的過程中出現(xiàn)了一些問題亟須解決，例如，對相關(guān)的課程資源的建設(shè)不足，對雙語的教學(xué)模式流于形式，學(xué)生聽課效果一般等。（一）雙語教學(xué)教師資源不足雙語教學(xué)的授課方式，不僅要求授課教師掌握專業(yè)知識(shí)，同時(shí)對于授課教師專業(yè)英語水平要求也非常高，這使得能夠承擔(dān)雙語教學(xué)的教師人數(shù)不足。學(xué)術(shù)能力強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)豐富的材料專業(yè)教師，往往受到傳統(tǒng)教學(xué)方式的制約，其不足主要體現(xiàn)在英語的聽說和口語表達(dá)方面。職業(yè)英語教師的英語閱讀、寫作、翻譯、聽力和口語的能力都很強(qiáng)，但由于沒有材料科學(xué)的專業(yè)知識(shí)的背景，造成講授時(shí)難以很好地把握“計(jì)算材料學(xué)”課程的重點(diǎn)難點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用，無法有效地進(jìn)行“計(jì)算材料學(xué)”課程雙語教學(xué)。（二）可供選用的雙語教材數(shù)量較少計(jì)算材料學(xué)適用于本科生階段的教材很少，且基本是各高校教師按照教學(xué)大綱編寫的，不能完全適用于我校學(xué)生教學(xué)，例如所選計(jì)算實(shí)例等不適合我院材料類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)等。同時(shí)，受教材出版周期限制，內(nèi)容更新較慢。目前，普通高校在選用雙語教材時(shí)，往往會(huì)依據(jù)實(shí)際需要確保其教學(xué)的有效性，獲取途徑有三種：一是直接引入原版教材，二是各高校通過聘請國內(nèi)知名高校教授編寫教材，三是與外國知名高校合作編寫中外合作教材。國外的原版教科書，能最大限度地反映出國外尖端的技術(shù)，能夠與世界的尖端科研相結(jié)合，但其價(jià)格很高，同時(shí)專業(yè)類科目的教材種類和數(shù)量都比較少；我國高校編寫的教材一般是根據(jù)課程大綱編寫的，基本能適應(yīng)目前專業(yè)學(xué)生的基本需求。不過，在語言表達(dá)上漢語和英語會(huì)存在差異，這容易對語言理解產(chǎn)生偏差，引起歧義。（三）學(xué)生英語水平有限學(xué)生的基礎(chǔ)英語水平和專業(yè)英語詞匯積累直接影響雙語教學(xué)的效果。目前，相對于筆試，學(xué)生的實(shí)際聽說能力有限，加之平時(shí)缺少一個(gè)能夠進(jìn)行英語交際的語言學(xué)習(xí)環(huán)境，所以英語的實(shí)際應(yīng)用能力總體不足。在雙語課中，由于自身的專業(yè)素養(yǎng)和英語能力的限制，導(dǎo)致了教師和學(xué)生在進(jìn)行雙語教學(xué)的時(shí)候，往往要耗費(fèi)更多的時(shí)間和精力。二、“計(jì)算材料學(xué)”雙語教學(xué)模式探索（一）明確雙語教學(xué)目標(biāo)利用雙語教學(xué)的方式，學(xué)生能夠更好地在漢語與英語兩種語言環(huán)境中學(xué)習(xí)、理解和有效地掌握這門學(xué)科的精髓。首先，要求學(xué)生對“計(jì)算材料學(xué)”課程所包含的基本內(nèi)容進(jìn)行充分理解掌握，其次，通過雙語教學(xué)全面提升整體素質(zhì)，提升專業(yè)前沿學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)能力。在雙語教學(xué)過程中，以學(xué)科的特殊性為核心，而語言僅僅是內(nèi)容的載體、表現(xiàn)形式和溝通手段。在此基礎(chǔ)上需要說明的是，雙語教學(xué)改變的是教學(xué)形式，而不能改變教學(xué)本質(zhì)，應(yīng)該以課程內(nèi)容為中心，以專業(yè)知識(shí)為主體。（二）創(chuàng)新教學(xué)模式實(shí)施雙語教育的目的是讓學(xué)生更好地理解掌握國內(nèi)外計(jì)算材料學(xué)知識(shí)，進(jìn)而更好地運(yùn)用英語進(jìn)行材料領(lǐng)域的溝通、運(yùn)用和研究。作為一名教師，應(yīng)注意對雙語教材的理解，在課堂上運(yùn)用更加靈活的方法來激發(fā)學(xué)生的積極性。例如，在課程安排上，教師必須明確自己的教學(xué)目的，充分掌握國際最新的學(xué)科知識(shí)，在課堂上能夠合理、高效地開展教學(xué)，確保在充分掌握學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)上，合理、科學(xué)地安排講課內(nèi)容。例如，我們在教學(xué)內(nèi)容中融合了教師的科研方向——新型功能材料：Ni-Mn基磁控形狀記憶合金，該材料的優(yōu)異功能特性均與其可逆馬氏體相變有關(guān)。因此，通過計(jì)算材料的奧氏體母相和馬氏體相的能量差，得到馬氏體相變的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而預(yù)測該材料的馬氏體相變溫度，并可以計(jì)算奧氏體母相和馬氏體相的各種物理性質(zhì)。此外，我們通過互動(dòng)的方法來引導(dǎo)學(xué)生參與到課堂的討論和演講中，培養(yǎng)其對學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，指導(dǎo)他們用英語思維與語言進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)。教師和學(xué)生之間的互動(dòng)不僅能使學(xué)生更好地掌握更多的專業(yè)技能，還能提升學(xué)生在語言交際中的溝通能力。在完成了講授工作后，與學(xué)生進(jìn)行有效的溝通和交流，發(fā)現(xiàn)存在的問題并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，形成良性循環(huán)確保雙語教學(xué)模式持續(xù)進(jìn)行。要想提升教學(xué)效果，就必須要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)模式，促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。在優(yōu)化課堂設(shè)計(jì)的同時(shí)，讓單一授課模式下枯燥乏味的課堂煥發(fā)生機(jī)。我院結(jié)合本校實(shí)際，開展研究型教學(xué)，探索小組學(xué)習(xí)模式。注重理論與實(shí)際緊密結(jié)合，通過分析材料研究中的具體問題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算材料學(xué)方法分析解決具體問題。研究內(nèi)容為材料性質(zhì)計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化，具體課題有半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度計(jì)算、材料彈性常數(shù)計(jì)算、低指數(shù)表面及吸附性質(zhì)計(jì)算等，學(xué)生也可以根據(jù)興趣自行查閱文獻(xiàn)選題。首先，分組設(shè)計(jì)計(jì)算，2～3名學(xué)生為一組，各組學(xué)生分工合作，以表面吸附案例為例進(jìn)行說明：每組要完成的主要任務(wù)有晶體表面模型構(gòu)建、表面能量計(jì)算、計(jì)算參數(shù)優(yōu)化等。然后，以小組為單位將完成好的課題以PPT的形式在課堂上進(jìn)行講述。選出課堂表現(xiàn)優(yōu)秀的5名學(xué)生擔(dān)任評(píng)委，模擬畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯過程。針對出現(xiàn)的問題，通過學(xué)生和教師的共同討論，提出建議。對于答辯過程中出現(xiàn)的問題，先進(jìn)行完善后再最終提交報(bào)告，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。此外，精選優(yōu)質(zhì)講座視頻，推薦給學(xué)生觀看。例如國際著名催化專家J.K.N?rskov教授題為“CatalysisforSustainableProductionofFuelsandChemicals”的講座，從最基本的量子力學(xué)角度來模擬電子和材料的性質(zhì)，設(shè)計(jì)用于可持續(xù)能源和環(huán)境保護(hù)的新型功能材料，從中可學(xué)習(xí)理論計(jì)算輔助設(shè)計(jì)太陽能轉(zhuǎn)化材料相關(guān)的知識(shí)，更重要的是能學(xué)習(xí)科學(xué)家提出與解決問題的思路。（三）及時(shí)更新院校雙語教材計(jì)算材料學(xué)相關(guān)的英文教材一般更新較快而且質(zhì)量比較高，因此我們在教學(xué)中參閱了大量的英文教材編寫了全英文講義并逐年更新，并結(jié)合英文期刊文章中典型的計(jì)算案例，課堂教學(xué)和課后作業(yè)的相關(guān)材料也均采用英文形式，授課形式為中英文授課的雙語教學(xué)形式?，F(xiàn)已形成完整的英語講義、中英文雙語教學(xué)大綱和PPT等系列教學(xué)資料。除此之外，計(jì)算材料學(xué)涉及的模擬軟件（如CASTEP、VASP等）和幫助文件均為英文，學(xué)生通過閱讀英文講義學(xué)習(xí)第一性原理計(jì)算方法，進(jìn)而查閱最新英文學(xué)術(shù)期刊學(xué)習(xí)計(jì)算案例。在大學(xué)期間適當(dāng)與國際材料學(xué)研究熱點(diǎn)接軌，這對以后的學(xué)習(xí)和工作有相當(dāng)大的好處，也有利于日后快速融入國際學(xué)術(shù)氛圍。（四）在教學(xué)案例中融入思政元素以立德樹人為根本任務(wù)，突出國家需求導(dǎo)向，將課程思政理念貫穿“計(jì)算材料學(xué)”教學(xué)全過程，深入挖掘課程和教學(xué)方式中蘊(yùn)含的思想政治教育資源，落實(shí)教師育人使命，提升學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)科視野、塑造科學(xué)精神和培養(yǎng)家國情懷。“計(jì)算材料學(xué)”是“理、工、做”結(jié)合的專業(yè)課程，注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的愛國主義情懷和使命擔(dān)當(dāng)。課程思政案例一：氣候變化是全人類的共同挑戰(zhàn)。2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上鄭重宣示：中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。吸附和催化轉(zhuǎn)化是二氧化碳減排中的重要環(huán)節(jié)。通過“二氧化碳吸附與催化轉(zhuǎn)化”方向的計(jì)算選題，使學(xué)生了解我國是負(fù)責(zé)任的國家，以及為應(yīng)對氣候變化所做的努力和貢獻(xiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合課程知識(shí)貢獻(xiàn)智慧和力量。課程思政案例二：氫能作為清潔、高效、可持續(xù)的二次能源，在全球能源轉(zhuǎn)型方面被寄予厚望，但在制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)确矫孢€存在瓶頸。如在運(yùn)輸方面存在“氫脆”現(xiàn)象，存在對輸配管道和容器產(chǎn)生破壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)。如何實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的氫氣儲(chǔ)存，還有很大的努力空間。通過“氫的吸附及在鐵中的擴(kuò)散”方向的計(jì)算選題，學(xué)生了解了氫能是構(gòu)建未來以可再生能源為主的多元能源結(jié)構(gòu)的重要載體，其開發(fā)和利用技術(shù)也成為新一輪世界能源技術(shù)變革的重要方向。課程思政案例三：磁控形狀記憶合金是一種新型功能材料。目前所用的磁控形狀記憶合金主要成分是Ni-Mn-Ga，其磁致應(yīng)變可達(dá)10%。磁控形狀記憶合金不僅具有普通形狀記憶合金大應(yīng)變和高推動(dòng)力的特點(diǎn)，而且具有響應(yīng)速度快和高效率的優(yōu)點(diǎn)，有望成為智能材料系統(tǒng)中首選的驅(qū)動(dòng)材料，也有望應(yīng)用在傳感器、表層智能結(jié)構(gòu)、飛機(jī)機(jī)翼調(diào)控系統(tǒng)和超大功率超聲換能器技術(shù)等方面。通過“Ni-Mn-Ga系列合金相變”方向的計(jì)算選題，使學(xué)生了解材料計(jì)算在前沿材料研究中的應(yīng)用，提升課程學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)專業(yè)自信。通過二氧化碳吸附催化轉(zhuǎn)化、氫吸附擴(kuò)散、形狀記憶合金設(shè)計(jì)等相關(guān)的計(jì)算選題，有助于學(xué)生了解國家政策，學(xué)習(xí)材料計(jì)算知識(shí)，閱讀英文文獻(xiàn)，鍛煉團(tuán)隊(duì)合作，開闊學(xué)科視野，塑造科學(xué)精神，激發(fā)愛國主義情懷。結(jié)語隨著當(dāng)前教育國際化程度加深，普遍增設(shè)專業(yè)課程的全英文和雙