運用學科交叉思維構建計算機與材料科學相結合的課程及其教學實踐研究

郭騰 仇海全 閆浩然 訾建平 陳君華

摘?要：在工程教育專業認證背景下，學生的跨學科復合型能力要求越來越被重視，因此如何將學科交叉融合落到實處，對于培養學生的信息技術與傳統工業深度融合的理念，進而提升其創新創業能力方面，有著重要的現實意義。本研究以地方應用型本科院校為研究背景，依據學生學習狀況、領悟能力、實驗室硬件條件、教師能力水平等多重因素，結合先進工程類計算語言環境（Anaconda?Python）、先進材料分析測試方法、高性能計算機軟硬件系統介紹等，重新設計了針對材料工程類專業的計算機與材料科學跨學科結合課程的特色教學內容體系，并進行了相關的教學改革和探索，以期落實專業認證背景下人才培養方案中強調的跨學科知識應用能力的培養，培養并提升學生的工程應用素質和實踐創新能力。

關鍵詞：Anaconda?Python；GSASII程序；計算機在材料科學中的應用；工程教育認證

中圖分類號：G642.0??文獻標識碼：A

1?概述

材料是人類生存和發展的重要物質基礎之一，與其對應的材料科學是以基礎的物理和化學等學科為根基，以工程應用為落腳點和最終歸宿，主要是研究材料的組織與結構、生產工藝、使用效能以及上述因素之間的相互聯系的科學。在目前我國的本科教育體系下，地方性應用型本科院校在材料科學與工程類專業自身層面的普遍培養目標，是能從事無機非金屬材料工程特定行業領域內的科學研究、產品研發、質量監控、工藝設計、生產管理、經營管理等工作，并成為相應的高素質應用型工程技術人才。

從大多數地方性應用型本科院校的發展歷史來看，它們的材料類專業往往是從化學類專業發展而來并依托化學類專業開展對應的化學類學科基礎課的教學和科研等活動，而這也是材料類學科的學科交叉特性的最直接體現。在當前工程類專業認證的大背景下［12］，重視該特性并針對它開展一系列教學研究和實踐活動，對于提升專業內涵和辦學質量，進而引領這些學校的相關專業達到認證要求并通過等方面，具有相當積極的意義。

2?學科交叉對于材料工程類專業的重要意義

從材料科學的基礎性學科任務來看，其研究的對象涉及特定組分物質及其組成材料的成分結構、制備工藝和應用性能等主要方面。從傳統的專業學科視角來看，其涵蓋了三大化學、基礎物理學、晶體學、機械工程等學科，而隨著相關學科的發展，在進入新世紀以來，諸如人工智能與大數據、先進電子工程、先進生物科學等更多的先進學科的交叉融入，又為材料工程類學科的良性發展提供了更多的助力。近年來伴隨著國內教育界對于新工科類教育和專業認證的普遍認可和相關工作的不斷開展，追求培養素質優良、知識結構合理、具備支撐引領能力的工程技術人才，已經成為有志于在工程認證方面開展工作的教育工作者的一致追求，而這也為體現并強化材料工程類專業的學科交叉特性，引導學生加強對于其學科交叉的理解，具有非常積極的作用［12］。

2.1?專業認證對于學科交叉綜合應用的要求分析

目前國內通行的專業認證的最重要的依據是華盛頓協議，其也是國際公認的工程科技人才的質量認證體系標準。該協議是首先從以美國為主要代表的英語母語系發達國家發起并簽署，因此其誕生也必然滲透了這些國家先進的教育理念。

美國是在當今世界范圍內針對跨學科教育開展比較早的國家之一，發展時間較長，基礎雄厚，在20世紀末美國國內的一些科學和教育團體都指出，當人們面臨現代的諸多的生態、資源、環境難題時，采用單一的學科知識和技能往往在面對這些問題時顯得乏力，因此迫切需要高校培養具有跨學科知識和技能的復合型人才。出于以上的現實需求，美國在理論指引和政策驅動等頂層設計層面做了很多工作，強調了跨學科素養的培養目標，并設置完備的跨學科課程體系，注重學科交叉研究和教學相結合并構建復合型實踐教育體系，并在科學構建跨學科師資隊伍基礎上，完善交叉學科人才培養質量管理制度等［3］。例如，由于發達國家較早地意識到了典型的社會工藝生產中的交叉學科間協作的要求，從而較早地催生了以問題為基礎和導向的跨學科知識生產模式和人才培養模式，就例如美國設計一系列相關項目，其中就有計算機工程與材料工程、材料工程與通信技術等交叉學科專業。

上述學科交叉的特征，在通用的國際工程教育認證標準乃至目前國內“新工科”理念的相關要求中有著明確的體現。例如，目前很多國內院校的材料工程類專業的工程認證類人才培養方案中，同樣也特意強調了運用現代工具進行研發、質量監控和生產經營管理；綜合運用數理、工程基礎知識和材料工程專業知識進行產品配方、工藝開發與質量監控；等等。而目前我們國內公認的現代工具的典型代表，即是以計算機和信息技術為代表的相關學科。

2.2?信息技術與傳統工業融合對于材料工程類專業發展的重要意義

以美國為首的發達國家較早意識到了交叉學科需求最明顯的領域，是信息技術、自動化與工業領域的結合。工科主要應用科學和技術來解決實際問題，也是將基礎科學的原理與生產實踐經驗相結合的學科，而因為現代工業的發展和相關系統的日益復雜化，涉及的相關標準和應用場景的多樣化，導致了其產品的生產、使用維護乃至報廢回收等全流程環節［45］對自動化和信息處理的要求逐漸提高，因此現代的工科學科與數據、信息處理的聯系也越來越緊密［2］，也是現代工業最突出的特征之一。因此，培養相關從業者采用以計算機為代表的現代工具進行與專業有關的一系列計算活動，能夠通過計算思維的培養使學生通過對專業問題進行思考形成以信息處理與計算角度解決問題的方法［2］，進而使學生更好地理解并掌握現代信息工具與傳統工業學科的結合點，拓展他們的現代交叉學科知識面和應用技能，更好地適應國內產業升級的需要，拓寬他們就業的適應面。

3?課程體系的優化目標

和傳統工科相結合的信息技術類課程不會像純信息類專業那樣全面系統，但是卻也要求學生在具備足夠的計算機和信息技術基礎的同時，充分采用以計算機為代表的現代工具進行相關專業問題的分析和解決。目前，從材料工程學科研究的角度，計算機技術已經較廣泛地應用在了新型制備工藝的設計與優化、各種層次的材料結構分析、模型構建、計算機模擬、材料數據分析與結果可視化等等方向，而要充分理解并掌握上述交叉學科中的任何一種，都需要相當時間的交叉學科理論學習與實踐操作的訓練。限于國內本科人才培養方案對于相關課程結構和學時數量的限制，通過多年的材料工程類的專業建設和專業課程的教學工作，我們認為針對上述計算機與材料工程的交叉類課程體系在實現過程中，應做到正式理論和實踐課程少而精、專業特色強、繼承性好、能夠反映時代特色和最新技術，而輔助的教學手段應做到形式多樣化，充分照顧到不同層次學生的學習能力、接受水平等。其核心目標就是，利用有序的教學活動，使學生在良好的計算機應用的基礎上，運用計算機科學的基礎概念，針對材料工程的待解決問題進行必要的思維活動訓練，針對實際問題選擇或創造合適的數學物理模型，進而找到利用計算機進行解決問題的方法，即從材料工程專業的角度培養學生的專業化計算思維。

無機非金屬材料工程專業是安徽科技學院材料工程類專業集群中歷史比較悠久、辦學經驗積累比較豐富的專業，現擁有安徽省一流專業建設點、安徽省一流（品牌）專業、安徽省卓越工程師人才培養計劃專業等資格。從2020年后開始，我院開始引入專業認證的思路修訂并完善人才培養方案，以期從較高層次標準出發，進一步提升辦學質量和水平，為爭取升級為大學奠定堅實的基礎。在新近的人才培養方案中，涉及典型的多學科交叉的課程包括基礎課程類“大學計算機基礎”“Python語言程序設計”、專業核心課程“材料分析與測試技術”以及專業方向課程“計算機在材料科學中的應用”等。上述課程的階段性設計遵守了“計算機理論與應用基礎強化→在合適的結合點引入信息技術與本學科相結合的理念→訓練計算機在材料科學中的高級應用技能”的思路，突出并強化了與材料科學與工程科學進行同步進行的信息技術課程與實踐能力教育與訓練過程。

4?典型代表性課程教學體系設計與教學改革

在前面所示的多學科交叉課程的教學思路中，“材料分析與測試技術”課程重點介紹各種先進的材料分析與測試方法及其分析手段；而如前面所示，運用計算機進行相關測試結果的分析是計算機技術運用于材料科學與工程學科最重要的分支之一，因此在本課程中占有重要地位。盡管如此，由于理論和實驗學時的限制，很多涉及較復雜的計算機應用理論的相關內容無法在相關的教學環節講授完整，因此為了進一步強化學生的計算機應用技能，強化他們運用計算思維解決材料工程復雜問題的能力，進一步落實專業認證的相關要求，我們在總結了上述問題的基礎上，重新設計了“計算機在材料科學中的應用”課程的教學體系，并在實際的教學過程中取得了良好的效果。

4.1?本課程設立的意義、課程培養目標

顧名思義，“計算機在材料科學中的應用”課程主要著眼點在于講授計算機運用到材料科學與工程，并解決其中關鍵問題的案例內容。但是如果從專業認證中學科交叉的角度看，其重點就是通過對交叉學科的培養，拓寬學生的知識面，利用信息技術與材料科學交叉的典型案例，訓練學生針對專業問題的計算和系統工程方面的思維，學習采用多學科交叉理念解決問題的思路和方法。

筆者與我系內相關教師在利用計算機與材料科學與工程專業結合的教學和科研方面有著多年的積累。考慮到近年內地方應用型高校中學生的知識結構、相關計算機應用技術接受的難易程度、在相關行業屆中對應技術的熱門程度等因素，我們最后選擇了計算機在材料分析數據分析方面的典型結合并將其作為主要的教學案例，但是在設計相關的教學內容的過程中，我們充分地意識到了培養學生的計算思維的重要性，并且也考慮到了目前由于智能手機的普及的現狀，導致目前年輕人普遍都是將精力放在了手機上，而忽視了自身的電腦應用技能。因此，為了培養學生的計算思維，充分強化“計算機本質上是生產力工具”的意識，我們盡管將計算機在材料分析數據分析方面的案例設定為了教學內容主體，但是課程的整體的設計思路也并不是簡單的“材料分析與測試技術”課程的相關理念的補充。

4.2?教學內容設置

在新設計的“計算機在材料科學中的應用”課程中，筆者選擇了利用基于Anaconda?Python科學計算環境的GSASII（General?Structure?Analysis?System?II）程序進行X射線粉末衍射圖譜的精修計算作為主要的教學案例，而相應的教學內容也圍繞該案例進行展開。

Python是一種優秀的面向對象的程序設計語言，作為當前在大數據、人工智能領域最流行的開發語言，其目前也在我校的人才培養方案中具備重要的地位。而選擇基于該語言的分析軟件為主體進行教學，其首要目的也是在人才培養方案中構建出前后銜接的計算機類交叉學科課程，能夠使學生充分地認識到先進計算機語言與自身所學專業之間的重要聯系。我們在設計教學內容時的另外一個重要原則，就是需要充分考慮相關教學內容的先進性和前瞻性。在以往的很多設計計算機與材料工程結合教學的先例中［67］，為了照顧學生的編程經驗欠缺的現狀，一般都只能設計那些解決成分、配方計算等的專用程序，其與那些先進的應用方向（模型構建、圖形可視化、實驗數據擬合等）相比尚有一定的距離，并且這類普通的編程也限制了學生眼界的拓展，因此我們選擇了該案例的同時，也主要考慮到了應用方向的先進性。作為當前最流行的基于Python語言的科學計算平臺，Anaconda以強大的包管理和環境管理能力，使其目前已經成為人工智能等應用方向上最流行的集成開發環境。在相關的內容設計時，筆者側重了針對Python發行版的概念和內涵的介紹、包管理與環境管理的概念、核心功能庫組件功能介紹等。

另外，由于Anaconda平臺對于計算機CPU的算力、系統硬盤的性能等都有較高的要求，因此還要附帶介紹微機系統原理、主要硬件結構與性能等內容。

在前面的基礎上，進一步引入科學計算的概念與內涵，并在這個基礎上，系統介紹針對粉末衍射圖譜的Rietveld精修擬合的主要特性、基本數學原理與算法公式、精修判定指標、實現手段等。

此時，即可進一步介紹GSASII軟件系統的組成模塊結構、界面風格與安裝方式等，并在前面材料分析與測試課程的基礎上，進一步深化展開相關的X射線衍射圖譜分析測試方法、樣品制備方法、晶體結構模型文件和儀器參數文件獲取辦法等，以這些內容為基礎，即可開展精修計算方法的教學，其核心技能是各種精修參數的釋放順序和背后的原因（如相互關聯參數的辨別和處理等），另外也涉及結果可視化、復雜的Origin圖形繪制等，具體可參考相應的技術文獻［89］。因此，本課程的體系結構可如下圖所示：

典型的計算機與材料科學與工程學科交叉課程結構圖解

4.3?實踐效果

在計算機科學層面，我們所設計的課程包括先進程序設計語言、先進人工智能計算開發環境、先進硬件介紹等，而在其與材料科學的結合層面，該案例整合了結構模型構建、模擬計算圖譜與結果可視化等熱門的應用方向。其具備鮮明的時代特色，并且我們所講授內容與當下熱門的人工智能和大數據等產業密切相關，因此在相關的教學實踐過程中，學生普遍反映講授內容有意義，實用性強，因此上述教學設計充分調動了學生學以致用、用以促學的意識和學習的積極性，教學質量得到了明顯的提升。并且，學生在后繼的實踐周環節和畢業設計中，也能夠自主從多學科交叉應用的角度自主尋找并選擇合適的程序以解決相關的復雜工程問題，大大強化了學生的工程應用能力。

結語

以計算機應用為代表的信息技術學科的融入，對材料科學與工程相關學科的科研和教學有著革命性的意義。這其中相關的教學涉及的主要思路是以解決問題為目標導向的多學科交叉融合思維，并以此為基礎性思維組織并設計相關課程與教學體系。盡管上述的課程設計思路在新設計的“計算機在材料科學中的應用”課程中被證明是有益的，但是相關的實踐也給我們提出了新的問題，例如受限于相應的學時等客觀因素，導致很多必要的信息技術理論和應用內容（例如與微機系統與接口技術、操作系統基礎、系統工程概論等有關的導論型內容）無法展開，而這些在未來涉及的遠期課程需要通過多種教學形式進行，例如線上線下混合式教學等。

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課題項目：安徽省高等學校省級質量工程項目（2020?jyxm0410，2021xsxxkc056）；2020年度安徽省教育廳省級教學示范課程建設項目（“材料分析與測試技術”課程）；安徽科技學院校級“四新”研究與改革實踐項目（Xj2022011）；安徽科技學院校級質量工程重大項目（X2021006）；安徽科技學院校級質量工程重點項目（X2021019）

作者簡介：郭騰（1981—?），男，漢族，河北饒陽人，博士，副教授，主要從事新型微波介質陶瓷材料、新型發光材料的晶體結構與物理性能的關系、新型功能玻璃與陶瓷的產業化等方面的研究。