“材料先进计算”力学本研一体课程建设探索与实践

［摘 要］ 本研一体专业课建设是深化人才供给侧改革的关键任务，是深化本研贯通培养体系建设的重要组成。因此，以“材料先进计算”课程为依托，基于其建设过程中的成果和经验，探讨了如何以培养跨学科、跨专业的素养与能力为目标进行课程建设，同时，分析了在理工类专业课中进行有效思政建设的具体途径与方法，以期为同类型力学专业课的本研一体化改革提供参考和借鉴。

［关键词］ 本研一体；跨专业跨学科；创新型人才；课程建设；思政元素

［基金项目］ 2023年度北京交通大学校级教改项目“‘材料先进计算’专业核心课程建设”

［作者简介］ 汤笑之（1985—），男，辽宁沈阳人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院副教授，硕士生导师，主要从事新型材料强度韧性的微观机理研究；郭雅芳（1969—），女，湖南湘潭人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事新型材料的强度韧性微观机理研究；山美娟（1991—），女，陕西西安人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院讲师，硕士生导师，主要从事先进复合材料和结构的失效机理及强度分析方法研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）28-0005-05 ［收稿日期］ 2023-06-17

引言

2020年9月，国务院学位委员会办公室发布的《研究生核心课程指南》为力学专业制定了10门研究生核心课程，包括“连续介质力学”“计算力学”“高等固体力学”等。这些课程夯实了研究生教育的基础。面对日新月异的科研环境，研究生课程与前沿科研课题的衔接成为日趋重要的问题。对于如何在一线科研活动中发挥力学基础知识的作用，学生需要有更加清晰明确的了解。中国科学院院士、中国学位与研究生教育学会会长杨卫等［1］指出：我国研究生教育面临挑战，如何把“政产学研用”交织形成一个有效的螺旋体是目前非常关键的问题。另外，2018年9月，教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》提出，要建设高水平本科教育，提高专业建设质量，适应新时代对人才的多样化需求。在本科阶段强化科研育人功能成为当前高等教育的大背景、大趋势［2］。值得注意的是，在研究型大学中，本科生升学具有逐年普及的趋势，因此，探索建构本研一体的人才培养体系逐渐成为国内许多大学的重要任务之一。本研一体培养体系要求高校在课程开设与建设上放开思路、大胆创新，协同推进研究生和本科生教育改革，探索与时俱进的学术型人才培养模式［3］。

“材料先进计算”是北京交通大学物理科学与工程学院新开设的一门专业课，其前身是“多尺度计算方法”研究生课程。这门课程着眼于在实际科研问题的解决中探讨力学、物理、化学、数学等不同学科之间基础知识的融汇。建设这门课程有两个目的：一是将课上的专业知识与平日科研活动中的具体课题紧密联结，帮助研究生更快地掌握科研工具，更顺利地进入科学研究当中；二是在本研一体培养模式下，帮助本科生了解基础知识的应用途径、理解不同学科知识之间的联系，使他们获得完整且细致的“通识教育+专业教育”。所以，本文以“材料先进计算”课程的建设为例，探讨了基于以上两个目标的本研一体课程建设方法与途径，分析了如何在力学专业学科的本硕博贯通人才培养体系中实践科研育人理念、强化通识教育、注重交叉通融、联系理论实际，并且将理论与实践相结合，分析了此类专业课程的思政建设方式。

一、课程建设的必要性与课程属性

在高等教育改革的大背景下，人才培养质量是重要的议题。很多高校都在探索并施行本研一体或本研贯通的培养模式。这一模式的特点是遴选出有志于学术研究的学生，打通本、硕、博三个培养阶段，依托独立学院或者优势专业，进行创新型、复合型、应用型人才培养［4］。这一模式支持学生早进课题、早进团队，以研究促教学，以教学育研究，走精英化的培养之路。2020年，北京交通大学召开新工科建设研讨会指出，如今新一轮科技革命和产业变革加速演进，我们的教育也随之处在取得关键突破的历史关口，本硕博贯通的培养方案以及本研贯通的课程体系等的落地实施对于北京交通大学的“四通模式”人才培养体系的建设至关重要。为了实现这一目标，本研一体模式下的课程应具备传统专业课并不显著具备的几个突出特点：（1）支持专业知识的交叉渗透，帮助学生在已学不同学科的基础知识之间建立联结；（2）阐明这些基础知识在解决实际科研问题时的应用方式，帮助学生从收获式被动学习模式过渡到探索式主动学习模式。具备上述特点课程的设立，是对传统专业的升级和改造，更是保证“高峰”“高原”拔尖人才的有效培养［5］。为此，我们对“材料先进计算”课程做了如下规划。

首先，“材料先进计算”课程将囊括四部分精心设计的内容。这四部分内容分别是：固体力学中偏微分方程、原子分子模拟方法、介观宏观模拟方法、时间空间多尺度模拟技术，涉及数值计算方法、金属物理学、热力学与统计物理等多门学科基础知识。这样的安排打破了传统学科之间长期存在的束缚和限制。学生在学习的过程中，会了解到已学过的诸多基础专业知识是如何在具体科研活动中相互结合的。在如今的科研活动中，多学科交叉与前沿学术研究紧密联系，多学科融合与渗透是保证科研活动正常进行的前提，所以，要想围绕力学专业进行本研一体培养模式的建设，教学内容安排必然指向多学科融合课程的设立。“材料先进计算”课程中的多学科、跨学科融合见图1。

其次，“材料先进计算”课程四部分内容中所针对的具体讲授对象包括：第一性原理计算、分子动力学模拟、蒙特卡洛模拟、动力学蒙特卡洛方法、位错动力学、有限元计算模拟、元动力学、超动力学、原子-有限元方法、“准连续”方法等目前先进的计算模拟技术。针对这些具体讲授对象，““材料先进计算”课除了要对各技术的理论基础做详细介绍以外，还将辅以介绍对应的软件或代码应用技巧，以及脚本的编写指南等实际操作涉及的内容（见图2）。这些属于实践操作部分，可以达到以科研带动教学的目的。无论是研究生阶段还是本科生阶段的学生，都可以在一个个小而具体的科学问题解决过程中，体会到学科知识的融合与知识边界的拓展，切身体会到旧的知识如何催生出新的知识。希望这个过程可以真正地将被动式学习转化为探索式学习，让学生可以更加深刻地记住课堂上的基础知识，将抽象的书面信息在脑海中替代为现实世界的具体现象及规律。如此一来，不仅研究生阶段的学生在面对更大的科研课题时会发现自己真正掌握了更多的工具，变得更有信心，而且本科生阶段的学生也会对理论知识与实际问题的联结方式有更深的体会，会更早更快地适应未来将要从事的科研活动。所以，“材料先进计算”课程内容安排将兼顾知识和能力的纵横双向发展，帮助学生的专业知识技能实现由通到专的顺利过渡。这样的教学效果是“材料先进计算”课程将要实现的重要任务。

“材料先进计算”课程属性虽然是专业选修课，但是承载了许多新时代教育培养体系的关键任务。从本科生阶段到研究生阶段，从专业传统基础到学科交叉共融，从书本抽象概念到实践具体经验，它具备牵一发而动全身的培养逻辑主线。同时，在需要古老的力学学科为新时代力学专业建设提供动力的背景下，类似“材料先进计算”这样的新型课程的设立是保证学科充满活力、契合专业改革需求、促进高等教育现代化、支撑高素质实用型人才培养的前提条件与必经之路。

二、课程建设面临的问题与解决思路及实践

“材料先进计算”课程虽然前身是“多尺度算法”，但是必须脱胎于“多尺度算法”，着力于跨学科基础知识的融会贯通，而非单纯地、独立地罗列性讲授若干算法。并且，这门课的讲授要服务于本研一体教学培养体系，着重于基础知识之间联系的通俗易懂、条理清晰，不能让大量的跨学科讲授使得本科生有畏难情绪，同时，要精心选取适合的科研课题案例，既不会太大，使分析困难执行困难，也不会太小，难以调动学生的好奇心和积极性，最终目标是使研究生能够体会到技术方法与实际问题之间的衔接。

对于基础知识通会贯通的问题，我们的解决办法是从具体计算模拟方法的角度梳理不同学科基础知识之间的联系，并将这些联系作为讲授时的逻辑脉络。课程的讲授仍然从科学史的角度、从回答科学问题的需求角度出发，通过上述脉络，将不同的学科基础知识串联起来，将不同学科知识视为同一自然规律的不同视角解答，在合理的假设和简化前提下对同一物理过程的“模型化”描述（见图3）。以此避免仅讲授方法而不注重背后学科知识联系的问题，从而对本科生消化知识有强烈的启发性，对研究生攻克难题有切实的可行性。

对于服务于本研一体教学培养体系的问题，我们的处理方式是为本科生和研究生设立不同的作业体系及考核模式。同时，对选课的研究生学生做科研背景调查，掌握他们目前在研课题的大致方向，以便有针对性地布置科研案例。由于本研一体教学培养体系的建立是一个长久但急迫的过程，课程教研组须与选课学生及培养体系中其他专业课授课教研组保持长期且频繁的沟通交流，善用学生的反馈以完善课程目标的达成，善用专家同行们的建议以提高本课程在体系中的融合度。

除此之外，该课程面临的细节问题包括：（1）由于课程涉及多个学科知识，会存在拿来就用公式及定理，无法充分详细地解释其来源的情况，这对于习惯了数学推导的学生较为难以适应；（2）对于多尺度方法的介绍和讲解，很难做到不使用一些较为抽象的描述，这些描述对于习惯了做题解题、很少在不同学科之间进行宏观比较的学生来说较难以理解，需要学生跳出单个学科的框架，从一定的高度上理解不同学科的“世界观”；（3）不同计算模拟方法所用的代码或程序都有各自独特的运行方式及要求，如果顾及课时而设立简单的问题，将参数固定化，容易变成较为形式化的课堂流程；但是若要细致地设定不同的参数，通过横向对比说明参数的作用，那必然将花费很多课时在介绍及计算上，容易造成学生的分神。

在2022—2023学年的第二个学期，我们已经开始讲授这门课，并依照上述规划进行了实践。对于前面所述的三个细节问题，分别尝试了以下的解决思路：（1）虽然不可避免地省略了部分公式的推导过程，但是对于重要的、起到衔接作用的公式仍然尽量讲透，把公式的来龙去脉和前提假设以及物理量的明确含义清晰地呈现出来。对于那些相对次要的公式，则让学生当场手推量纲的正确性，以加强其记忆并促进他们对于物理量之间关系的思考。（2）在幻灯片演示中大量使用了贯穿多个学科共有知识点的对比和类比，从感性认识入手，逐步过渡到催生理性认识。同时，给予了适量的动画和精简的实例，尽量从学生已知的传统计算模拟方法的实例中引申出共性问题，逐渐拔高他们对复杂问题、对模拟计算手段局限性的认知高度，帮助他们建立“学术世界观”。（3）对于较为简单的实例操作，我们借鉴了对分课堂的教学理念，要求学生当堂完成，并进行小组讨论，然后全班交流；对于较为复杂的实例操作，我们借鉴了BOPPPS模式教学理念［6］，将实例的全部流程及数据结果分析作为Participatory Learning部分的内容，并将其一分为二，70%置于课下，30%置于课上。这样既达到了系统训练的目的，也达到了举一反三、促进思考的目的，在有限的课时内尽量调动学生的能动性，增大他们的参与度。

这门课已经进行过一轮教学实践，学生的反馈良好，表示这是第一次可以集中学习不同的计算模拟方法，以及它们背后的理论基础及理论联系，对于今后以及目前的科研活动、课题解决很有裨益。更重要地，这是他们第一次被触发了较为高视角的思考，脱离了机械的认知和被动的学习，结合科技发展史认识到了人类对自然规律完美描述的无限逼近。但是，由于是第一次开课，学生也提出了许多可以改进的地方。

三、课程思政元素的规划

通过对力学专业相关课程思政建设的详细调研，我们发现有多所高校已积极开展针对既有传统专业基础课程的思政建设，涉及教学目标的调整、教学大纲的改进、教学内容的修订等具体举措。对于“材料先进计算”这门新开设的专业课来说，思政建设的便利之处在于没有固有的和遗留的各方面限制，可以从一开始就将课程思政融入教学的具体实施当中，并且有着很多前人的经验可以借鉴。另外，这门课的思政建设难点也存在于我们对这门课的期望，即技术细节很多，基础知识的融合讲解也很消耗课时。在保证教学质量和课时有限的前提下，要确保没有生搬硬套和强行灌输，是这门课思政建设亟须解决和克服的问题。

杨庆生等［7］指出，力学课程的教学与课程思政建设应相互支撑和相互促进，课程教学与课程思政可以协同建设并不断深化。张柯等［8］指出，思政教学的目标可以涵盖理想信念、家国情怀、学科素养和工匠精神，可以借助情景类比、热点事件、历史回溯和科学家故事等多种融入方式实现思政教育目标与专业教学内容的有机融合。金嘉晖等［9］指出，面向贯通式人才培养的立体化课程思政建设需要立体化的教学模式，通过层层递进由点到面的方式与本研一体化的教学进行衔接。