科研訓(xùn)練在電動力學(xué)和計算化學(xué)跨學(xué)科協(xié)同能力培養(yǎng)中教學(xué)過程設(shè)計

嚴(yán) 冬，田 甜，劉 兵，陳 麗

(長春大學(xué) 理學(xué)院，吉林長春 130022)

本文說明了一種跨學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)的科研訓(xùn)練方法，依托于吉林省重點實驗室長春大學(xué)材料設(shè)計和量子模擬實驗室所提供的計算資源和軟件資源，在相關(guān)科研單位的支持下，搭建了一套協(xié)同教學(xué)的計算機(jī)應(yīng)用平臺，該平臺提供了電動力學(xué)和計算化學(xué)共存并相互融合的實驗教學(xué)內(nèi)容。給出了協(xié)同教學(xué)的課程體系建設(shè)、教學(xué)方法以及教學(xué)效能評估方法。本文的結(jié)果對面向創(chuàng)新的科研能力培養(yǎng)提供了一個較為成熟的案例。

在現(xiàn)代教學(xué)體系中，電動力學(xué)和計算化學(xué)分屬于物理和化學(xué)倆個大的學(xué)科分支，彼此之間幾乎是獨立的。但是深入的了解物理和化學(xué)的歷史，以及從事物理和化學(xué)交叉學(xué)科的學(xué)者，對于這兩個學(xué)科之間的聯(lián)系體會是深刻的［1］。電動力學(xué)和量子力學(xué)可以為化學(xué)的分子動力學(xué)，結(jié)構(gòu)分析以及分析化學(xué)提供理論基礎(chǔ)。而化學(xué)為這些理論提供了應(yīng)用目標(biāo)。因此，在物理和化學(xué)甚至是材料科學(xué)之間，建立協(xié)同教學(xué)方法，不僅可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和擴(kuò)大學(xué)生的知識范圍，而且對于培養(yǎng)具有跨學(xué)科研究的能力有著巨大的促進(jìn)作用，從而為面向創(chuàng)新性驅(qū)動的國家培養(yǎng)更多的人才［2－3］。在物理和化學(xué)之間其實早就存在一個很重要的橋梁，就是計算機(jī)技術(shù)。物理教學(xué)過程中計算機(jī)的仿真實驗，在很大程度上能夠解決學(xué)生對于理論性較強(qiáng)，需要較高的抽象思維能力的學(xué)科是一種積極的促進(jìn)力量。電動力學(xué)顯然對學(xué)生的抽象能力和理論推導(dǎo)能力有著很高的要求。以往教學(xué)過程中，公式的結(jié)果的展示是個大問題，平面圖像和靜態(tài)圖像，使得電動力學(xué)的結(jié)果可能變得更加的晦澀難懂。計算科學(xué)技術(shù)可以使用專業(yè)計算軟件，例如描述基礎(chǔ)的電磁場的MaxWell或者描述高頻電磁場和高頻器件設(shè)計的HFSS，也可以使用matlab或者mathematics等編程軟件，很容易把三維的或者在思維空間中的圖像展示出來［4］。在我們的教學(xué)實踐中，教學(xué)效果反饋良好，學(xué)生的更容易掌握，很大程度上促進(jìn)了電動力學(xué)的教學(xué)。然而在教學(xué)過程中，我們還發(fā)現(xiàn)一個問題，電動力學(xué)這樣的基礎(chǔ)性學(xué)科，缺乏應(yīng)用目標(biāo)，學(xué)生在學(xué)習(xí)了理論后，并不能深刻理解這些理論的價值，因此學(xué)科成就感較差。因此需要為這樣的學(xué)科提供引用目標(biāo)。需要考慮和借鑒化學(xué)、信息科學(xué)、材料學(xué)等其它的學(xué)科中成熟的應(yīng)用案例，來設(shè)計電動力學(xué)的應(yīng)用目標(biāo)，提升學(xué)科的價值。

1 跨學(xué)科協(xié)同科研訓(xùn)練的課程群建設(shè)

本項目所研究的課題是在吉林省重點實驗室長春大學(xué)材料設(shè)計和量子模擬實驗室現(xiàn)有的計算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行的，實驗室有高性能服務(wù)器兩臺，客戶端129臺。我們在前期課程開發(fā)的基礎(chǔ)上，部署了C++、MATLAB和mathmatics以及Python科學(xué)計算環(huán)境。計算資源豐富，能夠滿足兩個教學(xué)班同時進(jìn)行復(fù)雜的計算任務(wù)。在此基礎(chǔ)上我們課題組首先選擇了計算化學(xué)學(xué)科中成熟的計算方法，與吉林大學(xué)、青島科技大學(xué)的相關(guān)單位合作設(shè)計了相關(guān)的課程體系，選取了集中應(yīng)用較為廣泛，與電動力學(xué)、量子力學(xué)結(jié)合較為緊密的計算化學(xué)方法，例如蒙塔卡羅法、從頭算法、密度泛函法、遺傳算法和蟻群算法，對化學(xué)材料中的力學(xué)特征、化學(xué)特征進(jìn)行了計算表征。首先考慮了計算化學(xué)方向的跨接，主要原因在于幾乎相同的計算平臺，理論基礎(chǔ)，另外計算資源豐富。探索性課題較多，更為貼近物理專業(yè)學(xué)生的知識水平。當(dāng)然該平臺不僅僅適合物理專業(yè)的本科生 教學(xué)，而且也能夠滿足化學(xué)、材料類的學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。

表1 課程群實驗內(nèi)容設(shè)置(兩線表即可)

課程中的實驗設(shè)置，充分考慮了跨專業(yè)中的實驗理論的一致性，例如求解電動力學(xué)中的麥克斯韋方程，本質(zhì)上就是求解微分方程組，薛定諤方程的求解也具有類似的微分結(jié)構(gòu)，因此兩者之間的具有內(nèi)在的銜接關(guān)系。經(jīng)典的蒙塔卡羅方法和量子蒙塔卡洛算法一脈相承，應(yīng)用的目標(biāo)不同，兩者之間的差別甚微。

2 跨學(xué)科協(xié)同科研訓(xùn)練的教學(xué)方法的設(shè)計

課程群實驗設(shè)計打破了常規(guī)的大學(xué)課堂教學(xué)的方式，以解決實際應(yīng)用為主要的目標(biāo)。強(qiáng)調(diào)基本算法的重要性，以數(shù)值分析算法為基礎(chǔ)，掌握更為復(fù)雜的蒙塔卡洛算法、遺傳算法等應(yīng)用廣泛的算法，以解決實際問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生自由探索和解決新問題。

盡管我們設(shè)置我們設(shè)置了基礎(chǔ)實驗，但基礎(chǔ)實驗的目標(biāo)僅僅是引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握計算方法。學(xué)生能夠設(shè)計基本的算法，并能夠靈活應(yīng)用成熟的計算軟件如HFSS和Gaussion軟件包。從而掌握計算科學(xué)在電動力學(xué)和化學(xué)中的應(yīng)用能力。但是探索性實驗，實際上是開放性課題。學(xué)生需要閱讀相關(guān)論文，發(fā)現(xiàn)一個新的應(yīng)用方向。綜合利用以上手段來解決該問題。在教師的帶領(lǐng)和幫助下，逐步實現(xiàn)科研新方向與基礎(chǔ)的分析軟件接軌的能力。講授過程中采用指導(dǎo)老師制度，每個導(dǎo)師指導(dǎo)10名以內(nèi)的學(xué)生。導(dǎo)師負(fù)責(zé)組織學(xué)生對課題的調(diào)研和討論。學(xué)期末統(tǒng)一采用答辯制度，對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行考核。

3 跨學(xué)科協(xié)同科研訓(xùn)練的教學(xué)過程設(shè)計

教學(xué)過程中，我們采用邊講授邊回饋，回饋周期以一個學(xué)期為評估期，聘請教學(xué)和科研有豐富經(jīng)驗的老師和同行進(jìn)行答辯和評議。充分采集學(xué)生的建議和意見，不斷的修正和豐富教學(xué)內(nèi)容。

4 跨學(xué)科協(xié)同科研訓(xùn)練的教學(xué)效能分析

教學(xué)效能我們采用以下指標(biāo)進(jìn)行:(1)學(xué)生的滿意度，采用調(diào)查問卷的形式對每一屆學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)計;(2)追蹤畢業(yè)生的畢業(yè)情況，特別是考研學(xué)生所在單位的評價和學(xué)生的自評情況;(3)課程所設(shè)計的內(nèi)容創(chuàng)新性評估，關(guān)注本課程的答辯成績和答辯評語。

5 結(jié)論

本文我們提出的電動力學(xué)和計算化學(xué)跨學(xué)科協(xié)同能力培養(yǎng)教學(xué)體系和教學(xué)方法，依托吉林省重點實驗室長春大學(xué)材料設(shè)計和量子模擬實驗室豐富的計算資源和軟件資源。開發(fā)了跨學(xué)科系統(tǒng)教學(xué)的實驗體系，該教學(xué)體系尚處于實驗階段，所以無法直接評估它的優(yōu)劣，但從目前授課情況來看，學(xué)生的積極性有了很大的提高。我們也認(rèn)識到了該教學(xué)體系需要在實際教學(xué)過程中不斷的完善和改進(jìn)。但從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上，我們提出了跨學(xué)科協(xié)同教學(xué)的方法，并初步建立了教學(xué)體系和教學(xué)手段，以及教學(xué)效能驗證方法。