以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室探索與建設(shè)

　　摘要：高等院校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室職責(zé)是培養(yǎng)學(xué)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(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的意義和思路，以及創(chuàng)立研究型課程體系、高效運(yùn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)等具體工作。

　　關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力;計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室;課程體系

　　高等院校實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室是高等院校實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，對(duì)學(xué)生提供系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，循序漸進(jìn)提高學(xué)生的觀察能力、分析能力、判斷能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的熱情，重點(diǎn)培育學(xué)生基本科研素養(yǎng)和創(chuàng)新思維[1-2]。

　　專業(yè)實(shí)驗(yàn)室是培育創(chuàng)新型人才的前沿陣地，實(shí)施素質(zhì)教育的重要場所。中國石油大學(xué)(華東)材料物理與化學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，確保完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，積極開展科學(xué)研究，加強(qiáng)以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，將科研的思維融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，突破傳統(tǒng)的以教師演示型教學(xué)、學(xué)生驗(yàn)證型學(xué)習(xí)的模式，推進(jìn)研究型教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才[3-4]。本文以材料物理與化學(xué)系建設(shè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例，探討高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與實(shí)踐。

　　1計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，一門以高性能計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，涉及物理、化學(xué)、材料學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)的新興交叉學(xué)科——計(jì)算材料學(xué)正在快速發(fā)展。通過模擬計(jì)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(duì)應(yīng)配套的計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(jì)算材料學(xué)科的高速發(fā)展，提升了其在材料研究領(lǐng)域的地位，計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)也成為材料專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的重要部分[6]。計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及多門基礎(chǔ)學(xué)科，基礎(chǔ)理論知識(shí)要求較高，本科開設(shè)計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)課程要有準(zhǔn)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(yùn)行制度，才能充分發(fā)揮研究性的課程優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)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(shí)現(xiàn)本科和研究生一體化教育。

　　1.1計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)搭建

　　基于材料學(xué)科發(fā)展，模擬計(jì)算方法在材料學(xué)科應(yīng)用越來越廣泛。隨著材料物理系計(jì)算材料方向?qū)�業(yè)人才引進(jìn)，模擬計(jì)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(xué)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(xì)致的籌備，于2011年成立計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室定位于本科研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)施教學(xué)研結(jié)合、本碩一體化培養(yǎng)。計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用面積約100m2，分為授課實(shí)驗(yàn)室和高性能計(jì)算平臺(tái)室。

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

　　1.2計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系建立

　　響應(yīng)《教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》文件中“實(shí)現(xiàn)從注重知識(shí)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(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力”等精神[7]，材料物理與化學(xué)系組織有理論計(jì)算科研經(jīng)驗(yàn)背景的教授、副教授以及經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)員組成實(shí)驗(yàn)室教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

　　通過對(duì)學(xué)科發(fā)展趨勢、學(xué)科前沿發(fā)展以及學(xué)科知識(shí)覆蓋面，以及其他高校開設(shè)、運(yùn)行等情況詳細(xì)調(diào)研，依據(jù)計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)、教師科研成果[8-12]以及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，綜合考慮計(jì)算性能和效率，最終確定三個(gè)層面的計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容：量化計(jì)算模擬、分子動(dòng)力學(xué)模擬、介觀模擬。

　　其中共有6項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和6項(xiàng)研究型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)主要包括計(jì)算理論基礎(chǔ)與軟件操作基礎(chǔ)，計(jì)算理論基礎(chǔ)依據(jù)不同專業(yè)基礎(chǔ)分類設(shè)計(jì);研究型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要包含自主設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和提高環(huán)節(jié)。自主設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)學(xué)生通過前期文獻(xiàn)調(diào)研，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程并實(shí)施計(jì)算，教師輔助分析實(shí)驗(yàn)得失。

　　提高環(huán)節(jié)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中結(jié)合教師科研方向設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)拓展內(nèi)容，拓展內(nèi)容實(shí)驗(yàn)難度提高，學(xué)生通過選做拓展內(nèi)容鞏固和提高運(yùn)用能力，加深知識(shí)理解。能力和素質(zhì)考核為中心的考核體系的建立，把教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)過程、考核過程和提高學(xué)生創(chuàng)新性解決問題能力相結(jié)合，最終成績以50%平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作及報(bào)告+50%研究型創(chuàng)新論文的方式評(píng)定，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容綜合化、培養(yǎng)全程化的考核體系。

　　計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)課歷經(jīng)7個(gè)輪次的教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)團(tuán)隊(duì)精研教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)中逐步提高研究探討的比例，以科研的思維來開展教學(xué)，對(duì)課程內(nèi)容不斷完善，補(bǔ)充前瞻性學(xué)科前沿知識(shí);探索符合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)規(guī)格的教學(xué)環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮研究型教學(xué)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心、自主式、研究型的學(xué)習(xí)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和求知的熱情，拓寬學(xué)生知識(shí)面，加深學(xué)生對(duì)基本原理和方法的理解，提升學(xué)生在課堂教學(xué)之外進(jìn)行自主性探索式學(xué)習(xí)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(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行情況

　　創(chuàng)新型計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要有兩方面用途：本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)及大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。為保證高效運(yùn)行，我們建立了規(guī)范的運(yùn)行機(jī)制，本科教學(xué)優(yōu)先，創(chuàng)新項(xiàng)目為輔，教學(xué)與創(chuàng)新并行，相輔相成;教學(xué)團(tuán)隊(duì)教授擔(dān)當(dāng)課程主要負(fù)責(zé)人，團(tuán)隊(duì)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(xué)期間，任課教師按照教學(xué)大綱，依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容背景、材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用聯(lián)系等知識(shí)，講授相關(guān)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論與實(shí)踐操作，講授重點(diǎn)放在分析方法的歸納，提供實(shí)驗(yàn)思路和方法建議，輔助分析實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)得失，總結(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)操作經(jīng)驗(yàn)，用研究的意識(shí)、思維、視角、觀點(diǎn)及方法組織教學(xué)活動(dòng)，給學(xué)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(xué)生積極思考，實(shí)現(xiàn)“師—生”“生—生”雙向互動(dòng)。

　　研究型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)從文獻(xiàn)調(diào)研、發(fā)現(xiàn)問題、進(jìn)行科學(xué)選題，運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)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(xué)生科研基本素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí);實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的拓展內(nèi)容，教師利用課外時(shí)間指導(dǎo)優(yōu)秀學(xué)生選做，對(duì)學(xué)生進(jìn)行更系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的教學(xué)目的。

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

　　通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因材施教、因勢利導(dǎo)，讓學(xué)生積極參與到導(dǎo)師的科研課題中，從文獻(xiàn)調(diào)研、課題申報(bào)、方案設(shè)計(jì)，到動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、分析表征，甚至科技論文撰寫，都得到很好的科研訓(xùn)練，完成教學(xué)研一體化，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生參與課題與教師科研工作銜接緊密，為學(xué)生下一步研究生階段融入科研團(tuán)隊(duì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促進(jìn)學(xué)生最大化成長，完成本碩一體化培養(yǎng)。近年來計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室每年分別為材料物理和材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)48學(xué)時(shí)專業(yè)必修實(shí)驗(yàn)課程、32學(xué)時(shí)專業(yè)選修實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)將兩個(gè)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)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(xué)學(xué)報(bào)》(月刊)創(chuàng)刊于1985年，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管、中國化學(xué)會(huì)主辦、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)學(xué)報(bào)編輯部編輯出版。主要刊載化學(xué)學(xué)科物理化學(xué)領(lǐng)域具有原創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)理論研究類文章。

　　材料物理和材料化學(xué)兩個(gè)專業(yè)近800名本科生參與過課程學(xué)習(xí)、接受實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)室每年還承擔(dān)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目約4項(xiàng)。隨著學(xué)科的發(fā)展、交融和新本科培養(yǎng)方案的制定，學(xué)院計(jì)劃將計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)課向所有材料相關(guān)專業(yè)開設(shè)，屆時(shí)將覆蓋材料成型及控制工程、材料科學(xué)與工程、材料物理、材料化學(xué)和新能源材料與器件等5個(gè)專業(yè)，每年約360位本科生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室在核心期刊發(fā)表教學(xué)論文10余篇[13-15]，獲批教改項(xiàng)目3項(xiàng)，獲得廳局級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，指導(dǎo)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目5項(xiàng)，校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目20余項(xiàng)，項(xiàng)目成果直接整理發(fā)表SCI論文4篇，多項(xiàng)成果后期由負(fù)責(zé)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(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具體從實(shí)驗(yàn)室定位、平臺(tái)硬件設(shè)施搭建、教學(xué)課程體系完善和規(guī)范的運(yùn)行機(jī)制建立等方面著手，在開放實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為創(chuàng)新型專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了一個(gè)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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