教学团队如何借助交大云平台开启线上实验教学新模式 ——《计算材料学》实验教学的云上实践

2021-09-21 2711

 

在全国抗击新冠肺炎疫情不断取得进展时,上海交通大学师生“停课不停教、停课不停学”正如火如荼地展开。上海交通大学本科生精品课程《计算材料学》教学团队的老师们也都摇身变为“网络主播”,但不变的依然是老师们教书育人的初心和同学们潜心学习的热情。

《计算材料学》课程涵盖内容广泛,包含了分子动力学、有限元和材料基因工程三大模块内容,是一门实践性很强的课程。其中一个重要特点是需要利用包括Abaqus、MSC_MARC、LAMMPS、Ovito、Python、Conda等多达十余款不同类型应用软件来完成相关的计算机教学实验。按照往年做法,在多媒体教室内集中讲解理论部分,在标准化机房里完成所有软件的安装后开展实验教学部分。但上述模式在线上教学环境中遇到了极大挑战,尤其是实验部分。

教学团队首先想到在同学的个人电脑安装上述软件,采用ZOOM直播讲解授课的方式。然而这种在很多课程中行之有效的方式,在本课程试讲中却碰到了困难。由于同学各自使用的电脑软硬件差异很大,尽管有安装流程做参考,但仍有不少同学反馈部分软件安装失败;此外软件的标准化配置也存在很大挑战,部分同学反映自己看到的软件界面与老师显示的不同。

鉴于上述情况,教学团队提出一种新的线上教学模式:云平台与个人电脑结合的线上授课模式。在云平台上,教学团队在一台虚拟服务器上预装课程所需的所有软件,通过克隆的方式使多台云服务器具备相同软件配置,从而达到实验环境的统一化、规范化配置。而同学的个人电脑上仅需安装ZOOM视频会议软件。授课时,老师和同学通过ZOOM进行在线授课与听课,同学通过远程连接的方式登录云平台操作软件,两者可同时进行。此外采用CANVAS平台上传教学资料、布置作业、观看教学回放录像等。

此教学设想得到了交大网络信息中心的积极支持,云计算平台当天即提供样机进行测试。网络信息中心与教学团队积极沟通,克服了重重困难,终于使每位同学都可成功在云计算平台上顺利操作课程的所有软件,实现了计算机实验的云计算化。网络信息中心同时还提出了在疫情期间免收师生全部服务机时费,全力支持疫情期间教学工作。

采用新的方式后,使用取得了良好的应用效果。同学们无需为反复安装软件而发愁,也不再为自己看到的界面和老师显示的界面有差异而疑惑,更不必担心个人电脑配置不够导致软件运行不畅,真正实现了配置的标准化。很多同学还探索一些有效的技巧,比如通过个人的手机或PAD连接ZOOM听老师授课,用个人电脑连接云平台同步操作软件,效果优于课堂授课。

 

下面是《计算材料学》课程采用云平台计算的典型教学案例:

以本课程有限元模块的一次实验课为例介绍本课程的授课方式。实验课需要应用Abaqus软件进行有限元计算机模拟,软件(学生版,可免费使用)已预装在云平台上。

在授课时,教师首先通过ZOOM软件进行实验前的介绍,然后打开云平台上的Abaqus软件并通过ZOOM共享屏幕的方式,讲解软件的操作流程与注意事项。此后,各位同学通过个人电脑,利用远程登录工具登录云平台,打开Abaqus软件进行实验操作。同时保持ZOOM在线,师生进行互动交流。当同学在操作过程中有疑问时,同学可以通过共享屏幕的方式,由老师帮助解答;由于师生都对着各自电脑,所以互动的效果优于线下授课。并且其他同学也可以一起参与解决问题,一定程度上实现翻转课堂。

例如对于下图中南校门的静力学分析案例,借助云平台的模拟软件,可以顺利完成几何建模、材料性能设定、装配及载荷和边界条件施加过程,最后划分网格提交运算即可进行后处理分析。标准化的资源配置使得实验过程更具高效性,稳定的云平台运算保证了分析结果的合理性。

图1 计算材料学案例-模拟南校门的有限元模型与计算结果(位移显示放大)

 

其他典型的计算机实验案例如下图所示:

 

图2 计算材料学案例-分子动力学模块计算位错周围应力场分布结果

 

 

图3 计算材料学案例-有限元模块计算大锻件热处理过程中的应力分布结果

 

 

图4 计算材料学案例-材料基因模块机器学习分级聚类方法计算结果

 

借助交大云平台的计算资源开展《计算材料学》计算实验教学工作,原是针对疫情现状的无奈之举,但通过教学团队与网络计算中心的探索和尝试,发现这种模式也是推动实验教学改革的一种非常有效的方式。与传统的在课堂、机房中进行计算机实验相比,云计算的模式不但克服了地域的阻隔,还通过其“克隆”功能,便捷地实现了配置的统一与标准化;此外,还有随时可访问、算力充裕等优势。在教学方式、交流空间的变化中,让同学专注于学习,生动阐释了“学在交大”的理念。即使疫情结束同学返校后,云平台与个人电脑结合的授课方式,仍是一种值得推荐的模式。

 

供稿:材料学院《计算材料学》教学团队

交大网络信息中心