第一性原理计算与应用课程改革与探索

1. 引言

第一性原理计算依托量子力学的基本原理，无需依赖经验参数即可精准预测材料的结构与性质，成为新材料设计与机理研究的核心工具。其在新能源材料 沿领域的广泛应用，激发了高校对相关人才的强烈需求。然而，课程教学 晦涩抽象使学生望而却步；软件操作的复杂性及计算资源的高昂成本；教学内容 节；评价方式难以真实反映学生的实际能力。鉴于此，系统性课程改革迫在眉睫，旨在培养 础、熟练计算技能以及创新应用能力的复合型人才。

2. 课程现状剖析

我校《第一性原理计算方法及应用》课程课时为48 学时，经过两轮的教学后，发现该课程目前存在的问题如下：

1）课程教学内容需进一步调整与完善，根据人才培养目标及专业特点，需在理论教学与材料模拟应用衔接、本科课程教学与研究生课程教学过渡衔接等方面进行研究并进行内容的调整。传统重理论轻实践的教学内容，与培养研究型学术硕士的人才培养目标不相适应，不利于培养学生解决实际问题的能力，需通过科研转化教学的思路，进行教学内容的调整，激发学生的科研兴趣、培养学生的应用能力和创新意识。

2）课堂教学模式单一，研究生教学基本都属于小班教学，上课人数基本在 10 人以内，传统的以教师为中心的教学模式过于刻板，无法很好的做到师生之间的互动，生生之间的互动，学生与内容之间的互动，研究生教学应该向讨论型教学模式改进，这就需要通过教学环境的改革来真正的实施能力本位教育理念。

3）课程信息化程度不高，根据研究生的学习能力，急需对该课程按MOOC 教学模式，实现教学大纲、电子教材、教学课件等教学文件和教学资料的资源共享，并对核心内容的教学过程进行录像，建设信息化程度更高的优质课程教学资源，供学生随时课下学习。

4）考核方式单一，需配合理论＋应用型课程教学模式进行改革，使课程的考核体系更为合理，并起到更好的促进教学质量提高的作用。

综合上述分析，根据研究型学术硕士的人才培养目标，通过在第一性原理计算方法及应用课程中引入以课促研的教学模式改革，从而实现课堂教学模式向应用研究型模式的转变是十分必要的，也是可行的。

3. 课程改革核心框架与实践路径（1）教学模式改革

1）多师共授一门课

本课程改革结合本教学团队师资力量，将有5 名教师参与到授课过程。根据教学大纲与教学内容，一名教师主讲第一性原理计算方法，来夯实基础。一名教师负责软件的教学。另外3 名教师结合自己的科研项目从不同研究方向训练学生基于第一性原理计算方法的实际应用。本课程改革实行的“多师共授一门课”型教学模式强调教学中科研案例应用的多样化，促进师生间的交流互动，有利于切实提高学生的学习能力、实践能力与创新能力。

2）专题研讨的行课方式

讲授完第一性原理计算方法后，有关其实际应用内容按照专题化设置。课程改革教学内容采用“以点带面”“以问带学”的专题设计，把系统的理论框架与授课教师的科研内容相结合。采用研讨式教学方法，与传统的“听课型”研究生教学模式不同，此部分授课在“课前、课中与课后”全程采用研讨模式进行，有效训练学生检索文献能力、阅读能力、归纳总结能力、表达能力与思维能力。以“启发式”教学理念为引领，倒逼学生课前进行文献的调研，充分准备，实现课中的知己知彼、互通有无和取长补短，对各个专题所涉及内容由学生调研的文献进行归纳总结，完成文献综述及学生对该方向的一点展望。

3）资源整合

通过研究型授课方式，使学生能够完成具体项目整体方案的制定；通过团队合作型教学方式，使学生能够对任务进行分解及实施；线上线下课上课后互动教学方式，学生可以通过与课程相关的网站，比如哔哩哔哩，寇享学术等平台进行学习，通过课程公众平台提供的交流平台，可以实现课下师生、生生之间及学生与内容之间的互动，从而最终完成整个项目的整合。

（2）考核模式的改革

结合“夯实基础、强化实践、突出应用、激发创新”改革思路及目标，在考核方式上实现由期末考试到全过程考核的转变。在课前准备环节实现文献阅读笔记、专题问题梳理的考核；课中通过学生自主发言或追问等措施，督察学生准备效果，形成师生讨论，生生讨论，学生发表展望；课后通过学习总结、构建模型、论文写作等方式提升学习效果。

4. 结语

该改革方案，旨使学生通过该课程的学习，能够在研究领域熟练应用所学知识，激发创新。该改革方案也可以应用于物理学其他专业选修课程的教学改革中。

5. 参考文献

[1]周梦，陶应奇，程才.将第一性原理计算方法引入大学物理仿真实验教学[J].大学物理，2024，43（4）：1-4.

[2]杨华哲.MaterialssStudio 软件在材料物理教学与科研中的应用[J].物理与工程，2017，27（3）：52-55.