以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的計算材料學實驗室探索與建設(shè)

　　摘要：高等院校專業(yè)實驗室職責是培養(yǎng)學生操作能力、創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)。結(jié)合以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主的計算材料學實驗室的建設(shè)經(jīng)歷，探討高校建設(shè)以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心的專業(yè)實驗室的意義和思路，以及創(chuàng)立研究型課程體系、高效運行專業(yè)實驗等具體工作。

　　關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力;計算材料學實驗室;課程體系

　　高等院校實驗室的重要職能包含推行創(chuàng)新教育、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科研基本素質(zhì)。專業(yè)實驗室是高等院校實驗室的重要組成部分，對學生提供系統(tǒng)的實驗培訓，循序漸進提高學生的觀察能力、分析能力、判斷能力，激發(fā)學生學習基礎(chǔ)知識的熱情，重點培育學生基本科研素養(yǎng)和創(chuàng)新思維[1-2]。

　　專業(yè)實驗室是培育創(chuàng)新型人才的前沿陣地，實施素質(zhì)教育的重要場所。中國石油大學(華東)材料物理與化學系努力貫徹國家的教育方針，根據(jù)本科專業(yè)培養(yǎng)需要，不斷提高實驗教學水平，確保完成實驗教學任務(wù)，積極開展科學研究，加強以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的專業(yè)實驗室建設(shè)，將科研的思維融入實驗教學中，突破傳統(tǒng)的以教師演示型教學、學生驗證型學習的模式，推進研究型教學，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才[3-4]。本文以材料物理與化學系建設(shè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的計算材料學實驗室為例，探討高校專業(yè)實驗室的建設(shè)與實踐。

　　1計算材料學實驗室建設(shè)

　　近年來，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，一門以高性能計算機為硬件基礎(chǔ)，涉及物理、化學、材料學等多門學科知識的新興交叉學科——計算材料學正在快速發(fā)展。通過模擬計算可以從微觀到宏觀多尺度分析材料的結(jié)構(gòu)、性能等，并能從微觀水平做出合理的理論解釋和理論預(yù)測[5]。而相對應(yīng)配套的計算材料學實驗，憑借其特定軟件的三維界面將材料的微觀結(jié)構(gòu)以及性能信息直觀形象展現(xiàn)。

　　計算材料學科的高速發(fā)展，提升了其在材料研究領(lǐng)域的地位，計算材料學實驗也成為材料專業(yè)本科實驗教學體系的重要部分[6]。計算材料學實驗涉及多門基礎(chǔ)學科，基礎(chǔ)理論知識要求較高，本科開設(shè)計算材料學實驗課程要有準確的定位、完善的創(chuàng)新性課程體系、完備的軟硬件設(shè)施配套和規(guī)范的運行制度，才能充分發(fā)揮研究性的課程優(yōu)勢，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)，做好本科和研究生教育的完美銜接，實現(xiàn)本科和研究生一體化教育。

　　1.1計算材料學實驗室平臺搭建

　　基于材料學科發(fā)展，模擬計算方法在材料學科應(yīng)用越來越廣泛。隨著材料物理系計算材料方向?qū)�業(yè)人才引進，模擬計算方向的科研成果不斷涌現(xiàn)，為更好地發(fā)揮自身專業(yè)特色，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和基本科研素養(yǎng)，通過前期充分的調(diào)研，細致的籌備，于2011年成立計算材料學實驗室，該實驗室定位于本科研究型實驗教學和創(chuàng)新實驗室，實施教學研結(jié)合、本碩一體化培養(yǎng)。計算材料學實驗室使用面積約100m2，分為授課實驗室和高性能計算平臺室。

　　授課實驗室擁有普通計算機40臺，網(wǎng)絡(luò)交換機2臺，多媒體教學系統(tǒng)一套，該實驗室主要用于本科實驗課教學和創(chuàng)新實驗設(shè)計。高性能計算平臺室主要存放高性能計算工作站(含34節(jié)點工作站)，通過網(wǎng)絡(luò)提交計算任務(wù)，年均工作時間約7200h。同時實驗室購買有MaterialsStudio、Gaussian等軟件模塊版權(quán)，保障實驗室成果的順利發(fā)表，實驗室總投入資金約260萬元。實驗室平臺硬軟件設(shè)施不僅能夠支撐材料物理和材料化學兩專業(yè)的本科計算材料學實驗教學，而且能讓學有余力的學生完成拓展內(nèi)容和大學生創(chuàng)新項目，以及將有價值的計算結(jié)果整理成論文發(fā)表。

　　1.2計算材料學實驗課程體系建立

　　響應(yīng)《教育部關(guān)于進一步深化本科教學改革全面提高教學質(zhì)量的若干意見》文件中“實現(xiàn)從注重知識傳授向更加重視能力和素質(zhì)培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變”“著力培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力”等精神[7]，材料物理與化學系組織有理論計算科研經(jīng)驗背景的教授、副教授以及經(jīng)驗豐富的實驗員組成實驗室教學團隊。

　　通過對學科發(fā)展趨勢、學科前沿發(fā)展以及學科知識覆蓋面，以及其他高校開設(shè)、運行等情況詳細調(diào)研，依據(jù)計算材料學實驗適于新材料或材料新性能創(chuàng)新研究的課程優(yōu)勢，結(jié)合材料專業(yè)自身特點、教師科研成果[8-12]以及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，綜合考慮計算性能和效率，最終確定三個層面的計算材料學實驗課程內(nèi)容：量化計算模擬、分子動力學模擬、介觀模擬。

　　其中共有6項基礎(chǔ)實驗和6項研究型設(shè)計實驗，覆蓋了材料性質(zhì)、性能模擬以及表面催化反應(yīng)模擬等方向�；�礎(chǔ)實驗主要包括計算理論基礎(chǔ)與軟件操作基礎(chǔ)，計算理論基礎(chǔ)依據(jù)不同專業(yè)基礎(chǔ)分類設(shè)計;研究型設(shè)計實驗主要包含自主設(shè)計環(huán)節(jié)和提高環(huán)節(jié)。自主設(shè)計環(huán)節(jié)學生通過前期文獻調(diào)研，自主設(shè)計實驗過程并實施計算，教師輔助分析實驗得失。

　　提高環(huán)節(jié)是指實驗內(nèi)容中結(jié)合教師科研方向設(shè)計的實驗拓展內(nèi)容，拓展內(nèi)容實驗難度提高，學生通過選做拓展內(nèi)容鞏固和提高運用能力，加深知識理解。能力和素質(zhì)考核為中心的考核體系的建立，把教學目標與教學過程、考核過程和提高學生創(chuàng)新性解決問題能力相結(jié)合，最終成績以50%平時實驗操作及報告+50%研究型創(chuàng)新論文的方式評定，實現(xiàn)內(nèi)容綜合化、培養(yǎng)全程化的考核體系。

　　計算材料學實驗課歷經(jīng)7個輪次的教學實踐，教學團隊精研教學內(nèi)容，教學中逐步提高研究探討的比例，以科研的思維來開展教學，對課程內(nèi)容不斷完善，補充前瞻性學科前沿知識;探索符合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)規(guī)格的教學環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮研究型教學的優(yōu)勢，實現(xiàn)以學生為中心、自主式、研究型的學習模式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，增強學生發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和求知的熱情，拓寬學生知識面，加深學生對基本原理和方法的理解，提升學生在課堂教學之外進行自主性探索式學習的能力，最后逐漸形成完善的、具有研究型特色的課程體系。

　　2計算材料學實驗室的運行情況

　　創(chuàng)新型計算材料學實驗室主要有兩方面用途：本科實驗教學及大學生創(chuàng)新項目。為保證高效運行，我們建立了規(guī)范的運行機制，本科教學優(yōu)先，創(chuàng)新項目為輔，教學與創(chuàng)新并行，相輔相成;教學團隊教授擔當課程主要負責人，團隊教師全程參與課程指導(dǎo)，教輔教師硬軟件技術(shù)支持。

　　本科教學期間，任課教師按照教學大綱，依據(jù)實驗內(nèi)容背景、材料設(shè)計與應(yīng)用聯(lián)系等知識，講授相關(guān)實驗基礎(chǔ)理論與實踐操作，講授重點放在分析方法的歸納，提供實驗思路和方法建議，輔助分析實驗細節(jié)得失，總結(jié)實驗設(shè)計操作經(jīng)驗，用研究的意識、思維、視角、觀點及方法組織教學活動，給學生注入研究的“元素”，通過“創(chuàng)設(shè)情境、基于問題、結(jié)合應(yīng)用、因材施教”等方法引導(dǎo)學生積極思考，實現(xiàn)“師—生”“生—生”雙向互動。

　　研究型設(shè)計實驗從文獻調(diào)研、發(fā)現(xiàn)問題、進行科學選題，運用基礎(chǔ)知識和軟件分析問題、解決問題、整理撰寫小論文全過程培養(yǎng)學生科研基本素養(yǎng)和創(chuàng)新意識;實驗項目中的拓展內(nèi)容，教師利用課外時間指導(dǎo)優(yōu)秀學生選做，對學生進行更系統(tǒng)的科研訓練，實現(xiàn)學以致用的教學目的。

　　教師依托實驗室的高性能計算平臺，根據(jù)自身科研情況精心選出部分項目內(nèi)容提供給感興趣的本科生選作大學生創(chuàng)新項目，本科生以團隊形式承擔大學生創(chuàng)新項目，創(chuàng)新團隊一般由一位已經(jīng)學過計算材料學實驗的學生擔任項目第一負責人，其余成員由大二或大一學生組成，觀摩學習為主，這樣既能保證創(chuàng)新實驗順利完成，又能保證創(chuàng)新人才延續(xù)性，還有助于本科實驗教學。本科創(chuàng)新項目原則上以教師科研內(nèi)容為基礎(chǔ)，讓學生完整地體驗科研和創(chuàng)新過程。教師負責提供方向和把握科研思路，學生從課題出發(fā)查閱資料，選擇計算體系，確定計算思路和方法，使用軟件建模計算和過程分析，最后整理計算結(jié)果，并分析得出研究結(jié)論。

　　通過創(chuàng)新實驗項目，因材施教、因勢利導(dǎo)，讓學生積極參與到導(dǎo)師的科研課題中，從文獻調(diào)研、課題申報、方案設(shè)計，到動手實驗、分析表征，甚至科技論文撰寫，都得到很好的科研訓練，完成教學研一體化，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維，提高科學素養(yǎng)。學生參與課題與教師科研工作銜接緊密，為學生下一步研究生階段融入科研團隊打下堅實的基礎(chǔ)，促進學生最大化成長，完成本碩一體化培養(yǎng)。近年來計算材料學實驗室每年分別為材料物理和材料化學專業(yè)開設(shè)48學時專業(yè)必修實驗課程、32學時專業(yè)選修實驗課程，同時將兩個基礎(chǔ)類實驗上線，通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約方式面向全校開放。

　　物理論文投稿期刊：《物理化學學報》(月刊)創(chuàng)刊于1985年，由中國科學技術(shù)協(xié)會主管、中國化學會主辦、北京大學化學學院物理化學學報編輯部編輯出版。主要刊載化學學科物理化學領(lǐng)域具有原創(chuàng)性實驗和基礎(chǔ)理論研究類文章。

　　材料物理和材料化學兩個專業(yè)近800名本科生參與過課程學習、接受實驗技能培訓。實驗室每年還承擔大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目約4項。隨著學科的發(fā)展、交融和新本科培養(yǎng)方案的制定，學院計劃將計算材料學實驗課向所有材料相關(guān)專業(yè)開設(shè)，屆時將覆蓋材料成型及控制工程、材料科學與工程、材料物理、材料化學和新能源材料與器件等5個專業(yè)，每年約360位本科生進入實驗室。計算材料學實驗教學團隊依托計算材料學實驗室在核心期刊發(fā)表教學論文10余篇[13-15]，獲批教改項目3項，獲得廳局級教學成果一等獎1項，指導(dǎo)國家級大學生創(chuàng)新項目5項，校級大學生創(chuàng)新項目20余項，項目成果直接整理發(fā)表SCI論文4篇，多項成果后期由負責教師所帶研究生繼續(xù)深入研究整理成論文發(fā)表。

　　3結(jié)語

　　創(chuàng)新型計算材料學實驗室建設(shè)具體從實驗室定位、平臺硬件設(shè)施搭建、教學課程體系完善和規(guī)范的運行機制建立等方面著手，在開放實踐中不斷積累經(jīng)驗，優(yōu)化實驗教學資源，激發(fā)學生求知欲，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作能力，為創(chuàng)新型專業(yè)實驗室建設(shè)提供了一個很好的案例。

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　　作者：李邵仁，魯效慶，郭文躍，張軍

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