运用学科交叉思维构建计算机与材料科学相结合的课程及其教学实践研究

郭腾 仇海全 闫浩然 訾建平 陈君华

摘 要：在工程教育专业认证背景下，学生的跨学科复合型能力要求越来越被重视，因此如何将学科交叉融合落到实处，对于培养学生的信息技术与传统工业深度融合的理念，进而提升其创新创业能力方面，有着重要的现实意义。本研究以地方应用型本科院校为研究背景，依据学生学习状况、领悟能力、实验室硬件条件、教师能力水平等多重因素，结合先进工程类计算语言环境（Anaconda Python）、先进材料分析测试方法、高性能计算机软硬件系统介绍等，重新设计了针对材料工程类专业的计算机与材料科学跨学科结合课程的特色教学内容体系，并进行了相关的教学改革和探索，以期落实专业认证背景下人才培养方案中强调的跨学科知识应用能力的培养，培养并提升学生的工程应用素质和实践创新能力。

关键词：Anaconda Python；GSASII程序；计算机在材料科学中的应用；工程教育认证

中图分类号：G642.0  文献标识码：A

1 概述

材料是人类生存和发展的重要物质基础之一，与其对应的材料科学是以基础的物理和化学等学科为根基，以工程应用为落脚点和最终归宿，主要是研究材料的组织与结构、生产工艺、使用效能以及上述因素之间的相互联系的科学。在目前我国的本科教育体系下，地方性应用型本科院校在材料科学与工程类专业自身层面的普遍培养目标，是能从事无机非金属材料工程特定行业领域内的科学研究、产品研发、质量监控、工艺设计、生产管理、经营管理等工作，并成为相应的高素质应用型工程技术人才。

从大多数地方性应用型本科院校的发展历史来看，它们的材料类专业往往是从化学类专业发展而来并依托化学类专业开展对应的化学类学科基础课的教学和科研等活动，而这也是材料类学科的学科交叉特性的最直接体现。在当前工程类专业认证的大背景下［12］，重视该特性并针对它开展一系列教学研究和实践活动，对于提升专业内涵和办学质量，进而引领这些学校的相关专业达到认证要求并通过等方面，具有相当积极的意义。

2 学科交叉对于材料工程类专业的重要意义

从材料科学的基础性学科任务来看，其研究的对象涉及特定组分物质及其组成材料的成分结构、制备工艺和应用性能等主要方面。从传统的专业学科视角来看，其涵盖了三大化学、基础物理学、晶体学、机械工程等学科，而随着相关学科的发展，在进入新世纪以来，诸如人工智能与大数据、先进电子工程、先进生物科学等更多的先进学科的交叉融入，又为材料工程类学科的良性发展提供了更多的助力。近年来伴随着国内教育界对于新工科类教育和专业认证的普遍认可和相关工作的不断开展，追求培养素质优良、知识结构合理、具备支撑引领能力的工程技术人才，已经成为有志于在工程认证方面开展工作的教育工作者的一致追求，而这也为体现并强化材料工程类专业的学科交叉特性，引导学生加强对于其学科交叉的理解，具有非常积极的作用［12］。

2.1 专业认证对于学科交叉综合应用的要求分析

目前国内通行的专业认证的最重要的依据是华盛顿协议，其也是国际公认的工程科技人才的质量认证体系标准。该协议是首先从以美国为主要代表的英语母语系发达国家发起并签署，因此其诞生也必然渗透了这些国家先进的教育理念。

美国是在当今世界范围内针对跨学科教育开展比较早的国家之一，发展时间较长，基础雄厚，在20世纪末美国国内的一些科学和教育团体都指出，当人们面临现代的诸多的生态、资源、环境难题时，采用单一的学科知识和技能往往在面对这些问题时显得乏力，因此迫切需要高校培养具有跨学科知识和技能的复合型人才。出于以上的现实需求，美国在理论指引和政策驱动等顶层设计层面做了很多工作，强调了跨学科素养的培养目标，并设置完备的跨学科课程体系，注重学科交叉研究和教学相结合并构建复合型实践教育体系，并在科学构建跨学科师资队伍基础上，完善交叉学科人才培养质量管理制度等［3］。例如，由于发达国家较早地意识到了典型的社会工艺生产中的交叉学科间协作的要求，从而较早地催生了以问题为基础和导向的跨学科知识生产模式和人才培养模式，就例如美国设计一系列相关项目，其中就有计算机工程与材料工程、材料工程与通信技术等交叉学科专业。

上述学科交叉的特征，在通用的国际工程教育认证标准乃至目前国内“新工科”理念的相關要求中有着明确的体现。例如，目前很多国内院校的材料工程类专业的工程认证类人才培养方案中，同样也特意强调了运用现代工具进行研发、质量监控和生产经营管理；综合运用数理、工程基础知识和材料工程专业知识进行产品配方、工艺开发与质量监控；等等。而目前我们国内公认的现代工具的典型代表，即是以计算机和信息技术为代表的相关学科。

2.2 信息技术与传统工业融合对于材料工程类专业发展的重要意义

以美国为首的发达国家较早意识到了交叉学科需求最明显的领域，是信息技术、自动化与工业领域的结合。工科主要应用科学和技术来解决实际问题，也是将基础科学的原理与生产实践经验相结合的学科，而因为现代工业的发展和相关系统的日益复杂化，涉及的相关标准和应用场景的多样化，导致了其产品的生产、使用维护乃至报废回收等全流程环节［45］对自动化和信息处理的要求逐渐提高，因此现代的工科学科与数据、信息处理的联系也越来越紧密［2］，也是现代工业最突出的特征之一。因此，培养相关从业者采用以计算机为代表的现代工具进行与专业有关的一系列计算活动，能够通过计算思维的培养使学生通过对专业问题进行思考形成以信息处理与计算角度解决问题的方法［2］，进而使学生更好地理解并掌握现代信息工具与传统工业学科的结合点，拓展他们的现代交叉学科知识面和应用技能，更好地适应国内产业升级的需要，拓宽他们就业的适应面。

3 课程体系的优化目标

和传统工科相结合的信息技术类课程不会像纯信息类专业那样全面系统，但是却也要求学生在具备足够的计算机和信息技术基础的同时，充分采用以计算机为代表的现代工具进行相关专业问题的分析和解决。目前，从材料工程学科研究的角度，计算机技术已经较广泛地应用在了新型制备工艺的设计与优化、各种层次的材料结构分析、模型构建、计算机模拟、材料数据分析与结果可视化等等方向，而要充分理解并掌握上述交叉学科中的任何一种，都需要相当时间的交叉学科理论学习与实践操作的训练。限于国内本科人才培养方案对于相关课程结构和学时数量的限制，通过多年的材料工程类的专业建设和专业课程的教学工作，我们认为针对上述计算机与材料工程的交叉类课程体系在实现过程中，应做到正式理论和实践课程少而精、专业特色强、继承性好、能够反映时代特色和最新技术，而辅助的教学手段应做到形式多样化，充分照顾到不同层次学生的学习能力、接受水平等。其核心目标就是，利用有序的教学活动，使学生在良好的计算机应用的基础上，运用计算机科学的基础概念，针对材料工程的待解决问题进行必要的思维活动训练，针对实际问题选择或创造合适的数学物理模型，进而找到利用计算机进行解决问题的方法，即从材料工程专业的角度培养学生的专业化计算思维。

无机非金属材料工程专业是安徽科技学院材料工程类专业集群中历史比较悠久、办学经验积累比较丰富的专业，现拥有安徽省一流专业建设点、安徽省一流（品牌）专业、安徽省卓越工程师人才培养计划专业等资格。从2020年后开始，我院开始引入专业认证的思路修订并完善人才培养方案，以期从较高层次标准出发，进一步提升办学质量和水平，为争取升级为大学奠定坚实的基础。在新近的人才培养方案中，涉及典型的多学科交叉的课程包括基础课程类“大学计算机基础”“Python语言程序设计”、专业核心课程“材料分析与测试技术”以及专业方向课程“计算机在材料科学中的应用”等。上述课程的阶段性设计遵守了“计算机理论与应用基础强化→在合适的结合点引入信息技术与本学科相结合的理念→训练计算机在材料科学中的高级应用技能”的思路，突出并强化了与材料科学与工程科学进行同步进行的信息技术课程与实践能力教育与训练过程。

4 典型代表性课程教学体系设计与教学改革

在前面所示的多学科交叉课程的教学思路中，“材料分析与测试技术”课程重点介绍各种先进的材料分析与测试方法及其分析手段；而如前面所示，运用计算机进行相关测试结果的分析是计算机技术运用于材料科学与工程学科最重要的分支之一，因此在本课程中占有重要地位。尽管如此，由于理论和实验学时的限制，很多涉及较复杂的计算机应用理论的相关内容无法在相关的教学环节讲授完整，因此为了进一步强化学生的计算机应用技能，强化他们运用计算思维解决材料工程复杂问题的能力，进一步落实专业认证的相关要求，我们在总结了上述问题的基础上，重新设计了“计算机在材料科学中的应用”课程的教学体系，并在实际的教学过程中取得了良好的效果。

4.1 本课程设立的意义、课程培养目标

顾名思义，“计算机在材料科学中的应用”课程主要着眼点在于讲授计算机运用到材料科学与工程，并解决其中关键问题的案例内容。但是如果从专业认证中学科交叉的角度看，其重点就是通过对交叉学科的培养，拓宽学生的知识面，利用信息技术与材料科学交叉的典型案例，训练学生针对专业问题的计算和系统工程方面的思维，学习采用多学科交叉理念解决问题的思路和方法。

笔者与我系内相关教师在利用计算机与材料科学与工程专业结合的教学和科研方面有着多年的积累。考虑到近年内地方应用型高校中学生的知识结构、相关计算机应用技术接受的难易程度、在相关行业届中对应技术的热门程度等因素，我们最后选择了计算机在材料分析数据分析方面的典型结合并将其作为主要的教学案例，但是在设计相关的教学内容的过程中，我们充分地意识到了培养学生的计算思维的重要性，并且也考虑到了目前由于智能手机的普及的现状，导致目前年轻人普遍都是将精力放在了手机上，而忽视了自身的电脑应用技能。因此，为了培养学生的计算思维，充分强化“计算机本质上是生产力工具”的意识，我们尽管将计算机在材料分析数据分析方面的案例设定为了教学内容主体，但是课程的整体的设计思路也并不是简单的“材料分析与测试技术”课程的相关理念的补充。

4.2 教学内容设置

在新设计的“计算机在材料科学中的应用”课程中，笔者选择了利用基于Anaconda Python科学计算环境的GSASII（General Structure Analysis System II）程序进行X射线粉末衍射图谱的精修计算作为主要的教学案例，而相应的教学内容也围绕该案例进行展开。

Python是一种优秀的面向对象的程序设计语言，作为当前在大数据、人工智能领域最流行的开发语言，其目前也在我校的人才培养方案中具备重要的地位。而选择基于该语言的分析软件为主体进行教学，其首要目的也是在人才培养方案中构建出前后衔接的计算机类交叉学科课程，能够使学生充分地认识到先进计算机语言与自身所学专业之间的重要联系。我们在设计教学内容时的另外一个重要原则，就是需要充分考虑相关教学内容的先进性和前瞻性。在以往的很多设计计算機与材料工程结合教学的先例中［67］，为了照顾学生的编程经验欠缺的现状，一般都只能设计那些解决成分、配方计算等的专用程序，其与那些先进的应用方向（模型构建、图形可视化、实验数据拟合等）相比尚有一定的距离，并且这类普通的编程也限制了学生眼界的拓展，因此我们选择了该案例的同时，也主要考虑到了应用方向的先进性。作为当前最流行的基于Python语言的科学计算平台，Anaconda以强大的包管理和环境管理能力，使其目前已经成为人工智能等应用方向上最流行的集成开发环境。在相关的内容设计时，笔者侧重了针对Python发行版的概念和内涵的介绍、包管理与环境管理的概念、核心功能库组件功能介绍等。

另外，由于Anaconda平台对于计算机CPU的算力、系统硬盘的性能等都有较高的要求，因此还要附带介绍微机系统原理、主要硬件结构与性能等内容。

在前面的基础上，进一步引入科学计算的概念与内涵，并在这个基础上，系统介绍针对粉末衍射图谱的Rietveld精修拟合的主要特性、基本数学原理与算法公式、精修判定指标、实现手段等。

此时，即可进一步介绍GSASII软件系统的组成模块结构、界面风格与安装方式等，并在前面材料分析与测试课程的基础上，进一步深化展开相关的X射线衍射图谱分析测试方法、样品制备方法、晶体结构模型文件和仪器参数文件获取办法等，以这些内容为基础，即可开展精修计算方法的教学，其核心技能是各种精修参数的释放顺序和背后的原因（如相互关联参数的辨别和处理等），另外也涉及结果可视化、复杂的Origin图形绘制等，具体可参考相应的技术文献［89］。因此，本课程的体系结构可如下图所示：

典型的计算机与材料科学与工程学科交叉课程结构图解

4.3 实践效果

在计算机科学层面，我们所设计的课程包括先进程序设计语言、先进人工智能计算开发环境、先进硬件介绍等，而在其与材料科学的结合层面，该案例整合了结构模型构建、模拟计算图谱与结果可视化等热门的应用方向。其具备鲜明的时代特色，并且我们所讲授内容与当下热门的人工智能和大数据等产业密切相关，因此在相关的教学实践过程中，学生普遍反映讲授内容有意义，实用性强，因此上述教学设计充分调动了学生学以致用、用以促学的意识和学习的积极性，教学质量得到了明显的提升。并且，学生在后继的实践周环节和毕业设计中，也能够自主从多学科交叉应用的角度自主寻找并选择合适的程序以解决相关的复杂工程问题，大大强化了学生的工程应用能力。

结语

以计算机应用为代表的信息技术学科的融入，对材料科学与工程相关学科的科研和教学有着革命性的意义。这其中相关的教学涉及的主要思路是以解决问题为目标导向的多学科交叉融合思维，并以此为基础性思维组织并设计相关课程与教学体系。尽管上述的课程设计思路在新设计的“计算机在材料科学中的应用”课程中被证明是有益的，但是相关的实践也给我们提出了新的问题，例如受限于相应的学时等客观因素，导致很多必要的信息技术理论和应用内容（例如与微机系统与接口技术、操作系统基础、系统工程概论等有关的导论型内容）无法展开，而这些在未来涉及的远期课程需要通过多种教学形式进行，例如线上线下混合式教学等。

参考文献：

［1］张强.工程教育认证下《计算机在材料科学中的应用》教学改革与探索［J］.广州化工，2020，48（2）：156158.

［2］李科，刘钰，宋昊敏，等.新工科背景下青少年计算思维能力培养探索［J］.科技风，2020，8：221222.

［3］陈翠荣，张翔志.美国高校跨学科培养科技人才对我国的启示——基于五所世界一流大学的分析［J］.中国高校科技，2020，11：5054.

［4］孫东川，孙凯，钟拥军.系统工程引论［M］.北京：清华大学出版社，2019.

［5］Alexander Kossiakoff，William N Sweet，et al.系统工程原理与实践［M］.王英勋，等，译.北京：北京航空航天大学出版社，2021.

［6］蔡树元，张长森，诸华军.“计算机在无机材料工厂中的应用”实践课程的研究与实践［J］.江苏科技信息，2021，23：7072.

［7］胡荣，柳红东，苏永要，等.《材料工程中的计算机技术》的教学改革与实践［J］.广东化工，2019，46（4）：194200.

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［9］郑振环，李强.X射线多晶衍射数据Rietvled精修及GSAS软件入门［M］.北京：中国建材工业出版社，2016.

课题项目：安徽省高等学校省级质量工程项目（2020 jyxm0410，2021xsxxkc056）；2020年度安徽省教育厅省级教学示范课程建设项目（“材料分析与测试技术”课程）；安徽科技学院校级“四新”研究与改革实践项目（Xj2022011）；安徽科技学院校级质量工程重大项目（X2021006）；安徽科技学院校级质量工程重点项目（X2021019）

作者简介：郭腾（1981— ），男，汉族，河北饶阳人，博士，副教授，主要从事新型微波介质陶瓷材料、新型发光材料的晶体结构与物理性能的关系、新型功能玻璃与陶瓷的产业化等方面的研究。