摘要：在新工科与教育数字化转型背景下，为解决《材料计算与模拟》课程中知识体系交叉性强、教学与实践衔接不足、评价维度单一等问题，本研究构建了以 OBE 理念为引领、AI 技术赋能、线上线下融合的混合式教学模式。通过重构“理论—虚拟仿真—项目实践”一体化的课程内容，创新“智能分层—虚实联动”的教学方法，并建立数据驱动的多元动态评价体系，有效促进了“学—用—创”的贯通融合。初步实践表明，该模式不仅显著增强了学生的学习自主性与工程实践能力，还有力推动了其工具应用与创新设计能力的协同发展。

关键词：OBE；人工智能；材料计算与模拟；混合式教学

中图分类号：G 642.4

随着新工科建设、教育数字化战略以及“人工智能+教育”等国家战略的深入推进，高等工程教育正加速由传统的知识传授型向能力本位与创新驱动型转变[1-2]。为落实新时代本科教育理念与《中国教育现代化 2035》战略要求[3-4]，湖州学院作为应用型高校，坚持立足地方、服务产业的需求导向。在此背景下，如何主动应对新一轮科技革命与产业变革，深化内涵建设，突破传统课程教学模式在对接前沿发展与真实产业实践时显现的滞后性与脱节问题，进而构建起与区域产业结构紧密衔接、具有校本特色的人才培养新模式，已成为学校实现高质量内涵式发展的关键环节与必然选择。

材料科学领域中，计算材料学与多尺度模拟方法已成为理解材料“成分-结构-性能-工艺”关系的关键工具[5]，尤其在新能源材料设计与优化中发挥着核心作用。《材料计算与模拟》作为材料类专业中承上启下的专业课程，旨在系统讲授固体物理、密度泛函理论等基础计算方法，并引导学生运用 Materials Studio、VASP 等软件解决实际工程问题。该课程不仅为新材料研发提供基础数据支撑，也是培养学生的科研能力与创新思维的重要载体，其教学质量直接影响学生后续科研素养与工程创新能力的形成。

然而，在新工科背景和学时压缩的双重背景下，该课程教学面临三方面突出挑战：知识体系理论性强，学生难以建立系统认知；教学模式中理论教学与工程实践衔接不足，学生应用能力薄弱；考核方式偏重知识记忆，难以有效评价创新与实践能力。为应对这些挑战，成果导向教育（OBE）理念[6]为课程改革提供了以能力输出为核心的理论指引。同时，生成式AI工具（如 ChatGPT、DeepSeek 等）[7]在知识可视化、文本生成与方案辅助方面的优势，有助于降低高阶内容的学习门槛；而基于学习通[8]等平台的学习行为数据分析，可为教学过程动态调整提供依据，实现精准教学。因此，探索如何在 OBE 理念指导下，有机整合 AI 技术、虚拟仿真平台与混合式教学模式，系统构建《材料计算与模拟》课程的新型教学路径，成为当前新工科背景下一项具有重要理论意义与实践价值的课题。

1 传统教学模式存在的主要问题教学内容知识体系不够完善

“材料计算与模拟”课程是一门涉及多学科知识交叉的综合性课程，其有效学习需以固体物理、量子力学、材料科学基础、数值分析及材料制备与表征等先修知识为支撑。然而，湖州学院材料类专业的现有课程体系对计算模拟的前期知识铺垫相对薄弱，未能系统化地整合相关学科内容，导致学生在面对从电子结构理论到宏观性能模拟的多尺度知识体系时，普遍感到理论抽象、跨度大，理解与消化存在显著障碍。在有限课时内，教师往往侧重于传统计算原理与方法（如第一性原理、分子动力学）的讲授，而对 Materials Studio、VASP 等主流工业软件的操作训练及其在真实工程案例中的应用引导则较为欠缺。这使得学生虽掌握了一定的理论基础，却难以将知识转化为运用现代计算工具解决实际材料设计与性能优化问题的能力，从而与产业界对高通量计算、材料筛选与预测等实践技能的需求产生脱节。

1.2 课程内容与前沿需求脱节，学生高阶计算思维培养不足

随着材料基因组计划、人工智能与数据驱动范式的快速发展，材料研发模式正经历深刻变革，计算模拟已成为新材料发现和设计的关键支柱[9]。但当前课程内容仍以传统模拟方法为核心，对高通量计算、材料大数据等前沿动态的融入不足，导致学生所学技能与科研趋势和产业需求出现错位。这一滞后性进一步放大了学生计算思维与知识整合能力的薄弱环节。由于前期缺乏系统的建模训练，学生在将材料理论、数值算法与软件操作进行融合应用时面临巨大挑战，尤其在将理论知识转化为具体计算模型、合理设置参数以及科学分析模拟结果方面表现不佳。教学中缺乏将经典模拟与 AI 工具结合的前沿案例，使得学生难以适应“数据驱动”的研发新范式，其主动构建计算任务、批判性评估结果的能力与创新视野的培养均受到限制。

1.3 教学组织形式固化，理论实践衔接不畅

“材料计算与模拟”课程具有鲜明的多学科交叉性与工程实践性，教学目标旨在培养学生利用计算工具解决复杂材料工程问题的能力。然而，现行教学形成了以教师为中心的知识单向传递结构。学生处于被动接受状态，学习动机往往偏向应试，而非内在探索兴趣的激发，致使其创新意识与自主解决问题能力的发展受限。尽管上机练习使学生掌握了基本的软件操作，但由于教学案例多缺乏与真实工程场景和前沿科学问题的紧密关联，学生常陷入“会操作界面，不敢独立建模，不善发现和解决问题”的困境。这种理论教学与工程实践之间的断裂，使得学生难以完成从软件操作技能到解决复杂工程问题能力的跃迁，影响了其未来在科研或产业环境中有效运用计算模拟技术的能力养成。

1.4 考核方法单一

传统的课程考核通常以闭卷考试为主，内容侧重于对理论知识点和相关定律的记忆与理解，而忽视了材料计算与模拟课程的工程应用与创新思维属性。这种“一考定成绩”的模式难以科学评估学生在工具应用、问题建模、参数优化、结果分析和团队协作等实践维度的成长，更无法真实反映其解决复杂工程问题的综合能力与创新素养。学生为应对考试，常倾向于机械记忆而非深层次理解与创造性应用，导致其创新潜能难以被有效激发。考核结果与新工科教育所强调的高阶思维能力和复杂工程问题解决能力的要求存在显著偏离。因此，建立一种能够全面、过程性评价学生知识应用、实践技能与创新思维的综合考核体系，已成为教学改革的关键诉求。

2 教学改革措施

“材料计算与模拟”课程作为培养学生运用现代计算工具解决材料设计与工程实际问题能力的关键环节，在有限教学课时下面临着如何以“应用”为导向，系统提升学生多尺度建模、性能预测与工程应用能力的现实挑战。针对该课程知识体系跨度大、理论抽象、软件操作与工程实践衔接不足等问题，本文以 OBE 理念为指导，推进教学理念、内容与方法的系统化改革，构建多元化考核与持续改进机制，形成以学生能力发展为中心的教学模式，实现从“教师主导、知识灌输”向“学生主体、能力建构”的教学范式转型。下文将结合教学实践，从以下几个方面对课程教学模式改革展开具体探讨。

2.1 重构教学内容体系，强化全过程学情分析

为解决课程理论抽象、软件操作复杂、学生难以将多尺度模拟方法联系实际应用的问题，教学团队基于 OBE 理念，贯彻“以学定教”原则，构建了“理论教学—虚拟仿真—项目设计”三位一体的闭环教学体系（图 1）。具体将教学内容优化为六大模块：AI 与计算材料学导论、物理学基础、密度泛函理论、模拟软件学习、性能表征和项目实训。前五个必学模块通过 AI验证与虚拟仿真强化理论模型的可操作性，为项目实训提供技术支撑，并将课程内容与学科前沿发展，科研成果及工程应用紧密结合，以激发学生的学习兴趣与探索欲；项目实训作为拓展模块实施分层培养，学有余力者可通过 AI 推送的前沿资源进行选学实践。整个教学过程形成“理论可验证-模拟可演示-项目可优化”的闭环机制，实现“学-用-创”的深度融合。在教学实施中，教师角色从知识传授者转变为学习引导者与问题协作者。全过程的学情分析贯穿始终：课前通过问卷星、平台测试与访谈诊断学生基础，为内容分层提供依据；课中捕捉建模、参数优化等环节的共性问题，引导学生开展探究式学习；课后依托学习通平台开展个性化辅导，助力学生实现从软件操作到复杂工程问题建模与求解的能力跃迁。

图 1 理论-模拟-项目三位一体课程教学体系

2.2 构建 AI 赋能的混合式教学模式，优化教学活动流程

在重构内容体系的基础上，为突破传统教学局限，课程进一步构建了 AI 赋能的线上线下混合式教学模式（图 2）。该模式整合传统教学、线上学习与项目教学三大板块，按照“课前-课中-课后”三阶段系统设计教学活动，实现教学流程的闭环运行。在教学实施中，师生活动双线并行，有机联动。课前，教师设置资源并发布任务，学生依托平台的 AI 学情诊断功能，获取个性化预习包，并据此开展针对性自主学习，该预习包通常包含针对性的视频资料、前置知识测试题及相关文献，实现从“知识传递”到“问题生成”的翻转；课中，教师精讲核心、演示案例，学生通过 AI 引导系统辅助完成建模等实践任务；课后，教师批改作业并调整策略，学生借助个性化作业引擎进行巩固拓展。该模式通过模块协同与 AI 全程赋能，实现了线上自主探究与线下深度互动的有效融合，构建起以学生为中心、数据驱动的精准教学路径，全面提升课堂教学效能与应用型人才素养。

图2 材料计算与模拟课程混合式教学框架

2.3 立足能力导向，构建多元化过程性考核体系

针对传统考核方式难以有效评估学生工程实践与创新能力的不足，课程基于 OBE 理念构建了量化考核体系。该体系由过程性评价（40%）与成果性评价（60%）两部分构成：过程性评价涵盖课堂参与及表现（10%）、线上学习（10%）、作业（10%）与仿真模拟（10%），依托学习通等平台采集学习行为，实现对基础知识、软件操作与团队协作能力的动态追踪；成果性评价以综合性项目设计（60%）为核心，要求学生基于 AI 工具完成材料建模、参数优化与方案设计，最终形成系统性创新报告等形式，系统考查其解决复杂工程问题的综合能力。本课程通过量化指标与 AI 分析，实现从知识记忆到创新应用的多维度能力评估，有效推动学生由应试学习向能力建构转变。

3 教学改革成效与实践检验

3.1 课程体系与资源建设成效显著

本次教学改革将前沿教育理念与科研成果有机融入课程内容，显著提升了教学内容的先进性与教学吸引力。通过构建“小班研讨”的教学模式，有效激发了学生的学习主动性与创新思维。在线教学资源建设取得实质性进展，平台统计数据显示，“材料计算与模拟”课程线上资源点击量累计超过 14000 次，互动次数达2536 次，讨论参与率超过 80%，学生参与广度与深度较改革前均显著提升。课堂教学与网络平台的有机结合，不仅丰富了课程资源体系，也为教学内容的持续更新与共享机制奠定了坚实基础。

3.2 学生科研素养与实践能力明显增强

课程通过引入材料领域最新研究成果、组织文献研讨与课题归纳，以及推行项目式学习小组等方式，有效提升了学生的科研参与度与学术认知能力。在此推动下，学生科研兴趣显著增强，积极参与教师科研团队与课题研究，超过半数学生加入导师课题组。在教师指导下，学生踊跃申报各类创新创业项目，累计立项 10 余项，其中国家级 1 项、省级 3 项、校级多项。此外，学生在学科竞赛中也表现突出，获得国家级 A 类竞赛二等奖 3 项，省级二、三等奖多项，展现出良好的科研素养与工程实践能力。

3.3 学业成绩与专业发展竞争力稳步提升

随着多元教学方法的融合应用，学生课堂参与度显著提高，学习积极性持续增强，尤其在新能源材料与材料化学专业中成效显著。经过 2022 级（新能源材料）、2025 级（材料化学专升本）两轮教学实践，学生期末成绩呈现良好态势。以 2022级为例，80 分以上学生占比超过 60%，70 分以下仅 4 人，无极端低分，成绩分布趋于合理，反映出整体学习效果的提升。课程改革的辐射效应亦逐步显现，学生对本专业及相关领域的科研兴趣普遍增强，继续深造意愿显著提升。团队教师已吸引30 名以上毕业生参与毕业论文课题研究，多名学生参与发表核心及 SCI 论文，成果数量在湖州学院各专业中表现突出，为学生实现更高层次学术发展奠定了扎实基础。

4 结语

湖州学院新能源材料专业“材料计算与模拟”课程的教学改革，通过重构“理论-虚拟仿真-项目实训”三位一体的教学内容体系，创新线上线下混合式教学方法，并建立数据驱动的多元评价系统，形成了以能力培养为导向的教学新模式。实践证明，该模式显著提升了学生的学习投入度和解决实际问题的能力，学生在学科竞赛、科研项目及学术论文等方面取得了一系列成果。教学改革是一个持续优化的过程。未来，本课程将进一步加强虚拟仿真平台建设，深化与产业界的合作，完善个性化学习路径设计，推动课程内容与行业需求的动态对接。同时，将积极探索跨校教学资源共享机制，不断提升课程教学质量。实践表明，该模式为高校材料类专业课程改革提供了有益参考，其以学生为中心、技术赋能、产教融合的改革理念，对同类理论性强、实践要求高的专业课程建设具有借鉴价值和推广意义。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（22203029）；湖州学院 2025 年教育教学改革研究项目（hyjg202502）

作者简介：张 月（1994—）， 女， 河南周口人， 博士， 讲师， 主要从事功能材料计算与模拟方面的研究。

参 考 文 献

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