新工科背景下材料類專業(yè)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程改革淺談*

雷勵(lì)斌，王文廣，田志鵬，王 超，胡永俊

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 新工科背景下材料類專業(yè)的發(fā)展

從2017年至今，中國(guó)教育部十分重視和積極推廣“新工科”建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》和《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式和經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)?！靶鹿た啤敝饕獙?duì)應(yīng)的是新興產(chǎn)業(yè)形成的專業(yè)門類，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，既包括人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計(jì)算等，又包括上述先進(jìn)智能科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造[1]?！靶鹿た啤北尘跋碌墓た平逃繕?biāo)之一是培養(yǎng)與當(dāng)前新興產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的并具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型高級(jí)專業(yè)人才。

材料類專業(yè)屬于傳統(tǒng)的工科專業(yè)，包括材料科學(xué)與工程、金屬材料工程、高分子材料與工程、無機(jī)非金屬材料工程和新能源材料與器件等專業(yè)。材料產(chǎn)業(yè)是我國(guó)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，相關(guān)的企業(yè)眾多，因此材料類專業(yè)的畢業(yè)生有較為寬廣的就業(yè)面。特別是新材料產(chǎn)業(yè)，其作為我國(guó)戰(zhàn)略性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，2019年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)到4.08萬億元。廣東省的十大戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)中與材料產(chǎn)業(yè)直接相關(guān)的有先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)，而廣東省的十大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中與材料產(chǎn)業(yè)相關(guān)的有半導(dǎo)體及集成電路、前沿新材料和新能源。此外，中國(guó)很多“卡脖子”的技術(shù)問題都與材料相關(guān)，突破這些“卡脖子”技術(shù)問題需要優(yōu)秀的專業(yè)技術(shù)人才。材料類專業(yè)高等教育的重要任務(wù)是為材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展輸送所需的專業(yè)技術(shù)人才。

人工智能、智能制造和機(jī)器人等先進(jìn)智能技術(shù)在材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。在材料科學(xué)研究方面，傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式主要依賴“試錯(cuò)”的實(shí)驗(yàn)方案或偶然性的發(fā)現(xiàn)，其研發(fā)過程一般長(zhǎng)達(dá)10～20年，在很大程度上已經(jīng)無法滿足21世紀(jì)工業(yè)發(fā)展對(duì)新材料的需求。2016年Nature新聞專題的封面刊登了一篇題為《人工智能將創(chuàng)造更優(yōu)秀的材料？》的文章，介紹了通過計(jì)算機(jī)建模和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以很快地根據(jù)所需要的性能和要求設(shè)計(jì)出的候選材料，這個(gè)方法能加快新材料的研發(fā)速度和效率[2]。在材料產(chǎn)業(yè)方面，2018年有新能源電池企業(yè)與阿里云合作開展“電池組件AI智能檢測(cè)項(xiàng)目”，相對(duì)傳統(tǒng)的人工視覺辨析，利用人工智能的機(jī)器視覺技術(shù)能大大提高對(duì)電池組件的檢測(cè)效率和減少錯(cuò)誤。李開復(fù)博士在《AI未來》這本書提出了：人工智能革命的四波浪潮，分別是互聯(lián)網(wǎng)智能化、商業(yè)智能化、實(shí)體世界智能化和自主智能化，自主智能化將對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)有巨大的影響，能大大提高傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)效率。上述例子都說明了先進(jìn)智能技術(shù)是材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力量，先進(jìn)智能技術(shù)與材料產(chǎn)業(yè)融合已成為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的新引擎。

依據(jù)上述材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展，在“新工科”背景下對(duì)材料類專業(yè)的人才培養(yǎng)有了新的要求，了解和掌握先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)在材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用是其中一項(xiàng)重要的新要求。在高等教育材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中，讓學(xué)生了解和掌握先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)的落腳點(diǎn)是計(jì)算機(jī)相關(guān)課程和前沿專業(yè)課程的教學(xué)計(jì)劃。在本文中，我們將聚焦材料類專業(yè)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的安排，分析其現(xiàn)狀并指出其問題，然后基于“新工科”建設(shè)的需求，對(duì)材料類專業(yè)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程體系提出改革措施建議。

2 材料類專業(yè)的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程現(xiàn)狀

基于“新工科”背景下材料類專業(yè)建設(shè)的新要求，通過對(duì)目前材料類專業(yè)的培養(yǎng)方案中計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的整理和分析，發(fā)現(xiàn)材料類專業(yè)計(jì)算相關(guān)課程的安排和教學(xué)內(nèi)容主要存在以下三個(gè)方面的問題。

2.1 課程和教材內(nèi)容未及時(shí)更新

在“新工科”背景下，材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)正在不斷發(fā)展，先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)與材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)交叉融合，但材料類專業(yè)的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程并沒有隨之更新變化。目前，材料類專業(yè)的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程主要有三大模塊。(1)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)部分，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和簡(jiǎn)單原理；(2)操作系統(tǒng)和辦公軟件的使用技能，操作系統(tǒng)主要是指微軟的Windows操作系統(tǒng)，辦公軟件主要是指微軟的office辦公軟件(Word、Excel和PowerPoint等)和金山公司的WPS；(3)計(jì)算機(jī)編程語言及其簡(jiǎn)單應(yīng)用。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這門課程涵蓋了上述的第一和第二模塊，在全國(guó)各大高校開設(shè)已經(jīng)有20多年的歷史，而課程內(nèi)容并沒有大的變化[3-4]。在21世紀(jì)成長(zhǎng)的學(xué)生在中小學(xué)階段已經(jīng)有很多的機(jī)會(huì)接觸計(jì)算機(jī)，基本掌握了操作系統(tǒng)和辦公軟件的使用技能，因此在高等教育中講授操作系統(tǒng)和辦公軟件使用技能的必要性正逐步降低。此外部分高校還會(huì)在材料類專業(yè)開設(shè)基礎(chǔ)編程語言(C/C++/Java/python等)和單片機(jī)原理與接口技術(shù)(涉及匯編語言)等計(jì)算機(jī)編程語言課程?？偟膩碚f，上述課程的教學(xué)內(nèi)容比較陳舊，基本不涉及先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)，已經(jīng)無法滿足“新工科”背景下的復(fù)合型創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)的新要求。

2.2 缺乏系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程安排

了解和掌握先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)需要自成體系的計(jì)算機(jī)課程，但目前計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的安排缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這門課程一般在大學(xué)一年級(jí)的上學(xué)期開設(shè)，而基礎(chǔ)編程語言課程或者專業(yè)類軟件課程一般在大學(xué)二年級(jí)或者大學(xué)三年級(jí)開設(shè)，中間缺乏銜接課程，不能持續(xù)培養(yǎng)和強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)。此外，在大學(xué)三年級(jí)或者四年級(jí)階段，很少有高校在材料類專業(yè)開設(shè)前沿計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)相關(guān)課程或者先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)中應(yīng)用的相關(guān)課程。雖然一些高校會(huì)在公共選修課課程中開設(shè)人工智能、大數(shù)據(jù)科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)等課程，但這些課程各自獨(dú)立，課程的知識(shí)點(diǎn)分散，與必修的計(jì)算相關(guān)課程關(guān)聯(lián)性較弱，不利于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)的知識(shí)體系。

2.3 計(jì)算機(jī)相關(guān)課程與材料專業(yè)課程的割裂

計(jì)算機(jī)相關(guān)課程與材料專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容缺乏交叉融合，阻礙了培養(yǎng)與當(dāng)前新興產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的并具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型高級(jí)專業(yè)人才。人工智能、智能制造和機(jī)器人等先進(jìn)智能技術(shù)在材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍。但是目前材料類專業(yè)的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程主要講授計(jì)算機(jī)和編程語言的基礎(chǔ)知識(shí)，而材料類專業(yè)課程主要講授自然科學(xué)和工程技術(shù)知識(shí)，兩者相對(duì)獨(dú)立，缺乏交叉融合，也缺少能融合這兩者知識(shí)點(diǎn)的專業(yè)課，導(dǎo)致學(xué)生沒法全面認(rèn)識(shí)到先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)在材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)中的重要性和應(yīng)用，也導(dǎo)致學(xué)生缺少相關(guān)的思維訓(xùn)練，不懂得利用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)解決材料科學(xué)研究和工程中遇到的復(fù)雜問題，這也不利于學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

3 改革措施建議

針對(duì)上述材料類專業(yè)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的現(xiàn)狀分析中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合“新工科”背景下對(duì)材料類專業(yè)的人才培養(yǎng)的新要求，本文提出對(duì)應(yīng)的改革措施建議，主要為以下三個(gè)方面：

3.1 更新完善課程和教材內(nèi)容

依據(jù)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和學(xué)生的學(xué)習(xí)成長(zhǎng)背景，及時(shí)更新計(jì)算機(jī)相關(guān)課程和課程內(nèi)容的安排。由于在21世紀(jì)成長(zhǎng)的學(xué)生在中小學(xué)階段已經(jīng)有很多的機(jī)會(huì)接觸計(jì)算機(jī)，大部分學(xué)生基本掌握了操作系統(tǒng)和辦公軟件的使用技能，因此在高等教育階段應(yīng)該弱化這些使用技能的講授，而應(yīng)該強(qiáng)化先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的講授。目前已經(jīng)有部分高校對(duì)課程體系做出了相應(yīng)改革，例如：廣東工業(yè)大學(xué)從2022年開始對(duì)大學(xué)一年級(jí)學(xué)生開設(shè)《人工智能基礎(chǔ)：科學(xué)與工程》課程，取代原來的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程。此外，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)高速的發(fā)展，對(duì)于一些基礎(chǔ)編程的課程和教材，也要做適當(dāng)和相應(yīng)的更新，使學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)編程知識(shí)的同時(shí)能接觸前沿科學(xué)進(jìn)展。通過更新課程安排和課程內(nèi)容，能拓寬學(xué)生的知識(shí)視野，并能更好地激發(fā)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的渴求和學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。

3.2 建立系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程體系

依據(jù)材料類專業(yè)學(xué)生的知識(shí)背景和特點(diǎn)，建立系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)計(jì)劃，讓學(xué)生了解和掌握先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)。材料類專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)較為薄弱，在課程安排上應(yīng)該制定合理、由易到難、循序漸進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容，并逐步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)課程的興趣，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生掌握系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)的知識(shí)體系。一個(gè)可行的系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程體系可以這樣設(shè)置：在大學(xué)一年級(jí)階段開設(shè)導(dǎo)論類和基礎(chǔ)類的計(jì)算機(jī)課程，例如：《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用》；在大學(xué)二年級(jí)階段開設(shè)編程語言基礎(chǔ)課程，在眾多編程語言中，python編程語言具有開源、簡(jiǎn)潔易讀、易于入門和多應(yīng)用場(chǎng)景等優(yōu)點(diǎn)，因此很適合非計(jì)算機(jī)專業(yè)的工科學(xué)生學(xué)習(xí)，在美國(guó)大部分高校都開設(shè)了python相關(guān)課程，并成為最受學(xué)生歡迎的入門編程語言，此外在數(shù)據(jù)分析和人工智能中廣泛應(yīng)用到python編程語言[5]，因此python編程語言非常適合材料類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)；在大學(xué)三年級(jí)和大學(xué)四年級(jí)階段可以開設(shè)人工智能相關(guān)的理論和實(shí)踐課程，例如：《大數(shù)據(jù)分析》、《機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論》和《機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)》。此外，還可以利用豐富的線上課程(例如：中國(guó)大學(xué)慕課和智慧樹網(wǎng)等)作為線下課堂教學(xué)的補(bǔ)充，開展線上線下混合教學(xué)，有利于建立起全面和系統(tǒng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容。

3.3 融合計(jì)算機(jī)相關(guān)課程與材料專業(yè)課程

在“新工科”中提到了先進(jìn)智能科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)工科專業(yè)的融合，因此在材料類專業(yè)的人才培養(yǎng)中，應(yīng)該注重計(jì)算機(jī)相關(guān)課程與材料專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容交叉融合[6]。依據(jù)先進(jìn)智能科學(xué)技術(shù)在材料科學(xué)/產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用和相關(guān)的企業(yè)人才需求，可以在專業(yè)課程的內(nèi)容安排上，以點(diǎn)帶面，從案例應(yīng)用出發(fā)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)在材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)中發(fā)揮的作用。此外，可以加強(qiáng)計(jì)算機(jī)專業(yè)老師與材料類專業(yè)老師的交流溝通，建立跨學(xué)院的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，申請(qǐng)跨學(xué)科融合相關(guān)的教改項(xiàng)目，讓計(jì)算機(jī)和材料專業(yè)的老師合作設(shè)計(jì)和開設(shè)理論課程，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問題的思維和方法。還可以合作開設(shè)實(shí)踐或者課程設(shè)計(jì)類課程，讓學(xué)生通過具體項(xiàng)目開展學(xué)習(xí)和實(shí)踐，掌握利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決材料科學(xué)研究和工程中遇到的復(fù)雜問題。在上述課程中，特別要注意培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的精神，這是因?yàn)榧夹g(shù)的跟新和迭代是非常迅速的，先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料類行業(yè)的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

4 結(jié) 語

為了適應(yīng)和支持先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)材料類專業(yè)的升級(jí)改造，了解和掌握先進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能技術(shù)是“新工科”背景下大學(xué)材料類專業(yè)人才培養(yǎng)的新要求，滿足這個(gè)新要求的主要落腳點(diǎn)是專業(yè)培養(yǎng)方案中計(jì)算機(jī)相關(guān)課程和前沿專業(yè)課程的教學(xué)計(jì)劃。本文聚焦材料類專業(yè)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的安排，分析其現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)存在課程和教材內(nèi)容沒及時(shí)更新、缺乏系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程安排、計(jì)算機(jī)相關(guān)課程與材料專業(yè)課程的割裂等問題。依據(jù)上述問題和新工科建設(shè)的需求，對(duì)材料類專業(yè)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程體系提出如下改革措施建議：更新和完善課程和教材內(nèi)容、建立系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程體系、融合計(jì)算機(jī)相關(guān)課程與材料專業(yè)課程。上述措施的有效實(shí)施將有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型高級(jí)專業(yè)人才，助力先進(jìn)智能技術(shù)與材料產(chǎn)業(yè)融合，促進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和“卡脖子”技術(shù)問題的突破。