新工科背景下材料类专业计算机相关课程改革浅谈*

雷励斌，王文广，田志鹏，王 超，胡永俊

(广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006)

1 新工科背景下材料类专业的发展

从2017年至今，中国教育部十分重视和积极推广“新工科”建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式和经验，助力高等教育强国建设。“新工科”主要对应的是新兴产业形成的专业门类，以互联网和工业智能为核心，既包括人工智能、智能制造、机器人、云计算等，又包括上述先进智能科学技术对传统工科专业的升级改造[1]。“新工科”背景下的工科教育目标之一是培养与当前新兴产业和技术发展相适应的并具有创新能力的复合型高级专业人才。

材料类专业属于传统的工科专业，包括材料科学与工程、金属材料工程、高分子材料与工程、无机非金属材料工程和新能源材料与器件等专业。材料产业是我国的基础性产业，相关的企业众多，因此材料类专业的毕业生有较为宽广的就业面。特别是新材料产业，其作为我国战略性和先导性产业，2019年产业总产值已达到4.08万亿元。广东省的十大战略性支柱产业中与材料产业直接相关的有先进材料产业，而广东省的十大战略性新兴产业中与材料产业相关的有半导体及集成电路、前沿新材料和新能源。此外，中国很多“卡脖子”的技术问题都与材料相关，突破这些“卡脖子”技术问题需要优秀的专业技术人才。材料类专业高等教育的重要任务是为材料产业的发展输送所需的专业技术人才。

人工智能、智能制造和机器人等先进智能技术在材料科学和产业中的应用日益广泛。在材料科学研究方面，传统的材料研发模式主要依赖“试错”的实验方案或偶然性的发现，其研发过程一般长达10～20年，在很大程度上已经无法满足21世纪工业发展对新材料的需求。2016年Nature新闻专题的封面刊登了一篇题为《人工智能将创造更优秀的材料？》的文章，介绍了通过计算机建模和机器学习技术，可以很快地根据所需要的性能和要求设计出的候选材料，这个方法能加快新材料的研发速度和效率[2]。在材料产业方面，2018年有新能源电池企业与阿里云合作开展“电池组件AI智能检测项目”，相对传统的人工视觉辨析，利用人工智能的机器视觉技术能大大提高对电池组件的检测效率和减少错误。李开复博士在《AI未来》这本书提出了：人工智能革命的四波浪潮，分别是互联网智能化、商业智能化、实体世界智能化和自主智能化，自主智能化将对传统行业有巨大的影响，能大大提高传统行业的生产效率。上述例子都说明了先进智能技术是材料科学和产业变革的重要驱动力量，先进智能技术与材料产业融合已成为促进产业智能化转型升级，实现高质量发展的新引擎。

依据上述材料科学和产业的新发展，在“新工科”背景下对材料类专业的人才培养有了新的要求，了解和掌握先进计算机科学和智能技术在材料科学和产业中的应用是其中一项重要的新要求。在高等教育材料类专业人才培养中，让学生了解和掌握先进计算机科学和智能技术的落脚点是计算机相关课程和前沿专业课程的教学计划。在本文中，我们将聚焦材料类专业计算机相关课程的安排，分析其现状并指出其问题，然后基于“新工科”建设的需求，对材料类专业计算机相关课程体系提出改革措施建议。

2 材料类专业的计算机相关课程现状

基于“新工科”背景下材料类专业建设的新要求，通过对目前材料类专业的培养方案中计算机相关课程的整理和分析，发现材料类专业计算相关课程的安排和教学内容主要存在以下三个方面的问题。

2.1 课程和教材内容未及时更新

在“新工科”背景下，材料科学和产业正在不断发展，先进计算机科学和智能技术与材料科学和产业交叉融合，但材料类专业的计算机相关课程并没有随之更新变化。目前，材料类专业的计算机相关课程主要有三大模块。(1)计算机基础知识部分，包括计算机系统的组成和简单原理；(2)操作系统和办公软件的使用技能，操作系统主要是指微软的Windows操作系统，办公软件主要是指微软的office办公软件(Word、Excel和PowerPoint等)和金山公司的WPS；(3)计算机编程语言及其简单应用。大学计算机基础这门课程涵盖了上述的第一和第二模块，在全国各大高校开设已经有20多年的历史，而课程内容并没有大的变化[3-4]。在21世纪成长的学生在中小学阶段已经有很多的机会接触计算机，基本掌握了操作系统和办公软件的使用技能，因此在高等教育中讲授操作系统和办公软件使用技能的必要性正逐步降低。此外部分高校还会在材料类专业开设基础编程语言(C/C++/Java/python等)和单片机原理与接口技术(涉及汇编语言)等计算机编程语言课程。总的来说，上述课程的教学内容比较陈旧，基本不涉及先进计算机科学和智能技术，已经无法满足“新工科”背景下的复合型创新型专业人才培养的新要求。

2.2 缺乏系统的计算机课程安排

了解和掌握先进计算机科学和智能技术需要自成体系的计算机课程，但目前计算机相关课程的安排缺乏连续性和系统性。大学计算机基础这门课程一般在大学一年级的上学期开设，而基础编程语言课程或者专业类软件课程一般在大学二年级或者大学三年级开设，中间缺乏衔接课程，不能持续培养和强化学生的基础知识。此外，在大学三年级或者四年级阶段，很少有高校在材料类专业开设前沿计算机科学技术相关课程或者先进计算机技术在材料科学中应用的相关课程。虽然一些高校会在公共选修课课程中开设人工智能、大数据科学、神经网络和机器学习等课程，但这些课程各自独立，课程的知识点分散，与必修的计算相关课程关联性较弱，不利于培养学生系统的计算机科学和智能技术的知识体系。

2.3 计算机相关课程与材料专业课程的割裂

计算机相关课程与材料专业课程的教学内容缺乏交叉融合，阻碍了培养与当前新兴产业和技术发展相适应的并具有创新能力的复合型高级专业人才。人工智能、智能制造和机器人等先进智能技术在材料科学和产业中的应用越来越普遍。但是目前材料类专业的计算机相关课程主要讲授计算机和编程语言的基础知识，而材料类专业课程主要讲授自然科学和工程技术知识，两者相对独立，缺乏交叉融合，也缺少能融合这两者知识点的专业课，导致学生没法全面认识到先进计算机科学和智能技术在材料科学和产业中的重要性和应用，也导致学生缺少相关的思维训练，不懂得利用先进计算机技术解决材料科学研究和工程中遇到的复杂问题，这也不利于学生跨学科学习和创新精神的培养。

3 改革措施建议

针对上述材料类专业计算机相关课程的现状分析中发现的问题，结合“新工科”背景下对材料类专业的人才培养的新要求，本文提出对应的改革措施建议，主要为以下三个方面：

3.1 更新完善课程和教材内容

依据计算机科学技术的发展和学生的学习成长背景，及时更新计算机相关课程和课程内容的安排。由于在21世纪成长的学生在中小学阶段已经有很多的机会接触计算机，大部分学生基本掌握了操作系统和办公软件的使用技能，因此在高等教育阶段应该弱化这些使用技能的讲授，而应该强化先进计算机科学技术的讲授。目前已经有部分高校对课程体系做出了相应改革，例如：广东工业大学从2022年开始对大学一年级学生开设《人工智能基础：科学与工程》课程，取代原来的《大学计算机基础》课程。此外，随着计算机科学技术高速的发展，对于一些基础编程的课程和教材，也要做适当和相应的更新，使学生学习基础编程知识的同时能接触前沿科学进展。通过更新课程安排和课程内容，能拓宽学生的知识视野，并能更好地激发学生对新知识的渴求和学习的积极主动性。

3.2 建立系统的计算机相关课程体系

依据材料类专业学生的知识背景和特点，建立系统的计算机课程教学计划，让学生了解和掌握先进计算机科学和智能技术。材料类专业学生的计算机科学知识基础较为薄弱，在课程安排上应该制定合理、由易到难、循序渐进的教学内容，并逐步培养学生对计算机课程的兴趣，从而进一步培养学生掌握系统的计算机科学和智能技术的知识体系。一个可行的系统的计算机相关课程体系可以这样设置：在大学一年级阶段开设导论类和基础类的计算机课程，例如：《计算机在材料科学与工程中的应用》；在大学二年级阶段开设编程语言基础课程，在众多编程语言中，python编程语言具有开源、简洁易读、易于入门和多应用场景等优点，因此很适合非计算机专业的工科学生学习，在美国大部分高校都开设了python相关课程，并成为最受学生欢迎的入门编程语言，此外在数据分析和人工智能中广泛应用到python编程语言[5]，因此python编程语言非常适合材料类专业的学生学习；在大学三年级和大学四年级阶段可以开设人工智能相关的理论和实践课程，例如：《大数据分析》、《机器学习基础理论》和《机器学习实验》。此外，还可以利用丰富的线上课程(例如：中国大学慕课和智慧树网等)作为线下课堂教学的补充，开展线上线下混合教学，有利于建立起全面和系统的课程体系和教学内容。

3.3 融合计算机相关课程与材料专业课程

在“新工科”中提到了先进智能科学技术与传统工科专业的融合，因此在材料类专业的人才培养中，应该注重计算机相关课程与材料专业课程的教学内容交叉融合[6]。依据先进智能科学技术在材料科学/产业中的应用和相关的企业人才需求，可以在专业课程的内容安排上，以点带面，从案例应用出发，让学生认识到先进计算机科学和智能技术在材料科学和产业的发展和升级中发挥的作用。此外，可以加强计算机专业老师与材料类专业老师的交流沟通，建立跨学院的教学团队，申请跨学科融合相关的教改项目，让计算机和材料专业的老师合作设计和开设理论课程，培养学生应用计算机技术解决问题的思维和方法。还可以合作开设实践或者课程设计类课程，让学生通过具体项目开展学习和实践，掌握利用计算机技术解决材料科学研究和工程中遇到的复杂问题。在上述课程中，特别要注意培养学生主动学习和终身学习的精神，这是因为技术的跟新和迭代是非常迅速的，先进计算机技术在材料类行业的应用将会越来越广泛。

4 结 语

为了适应和支持先进计算机科学和智能科学技术对传统材料类专业的升级改造，了解和掌握先进计算机科学和智能技术是“新工科”背景下大学材料类专业人才培养的新要求，满足这个新要求的主要落脚点是专业培养方案中计算机相关课程和前沿专业课程的教学计划。本文聚焦材料类专业计算机相关课程的安排，分析其现状发现存在课程和教材内容没及时更新、缺乏系统的计算机课程安排、计算机相关课程与材料专业课程的割裂等问题。依据上述问题和新工科建设的需求，对材料类专业计算机相关课程体系提出如下改革措施建议：更新和完善课程和教材内容、建立系统的计算机相关课程体系、融合计算机相关课程与材料专业课程。上述措施的有效实施将有利于培养具有创新能力的复合型高级专业人才，助力先进智能技术与材料产业融合，促进材料产业智能化转型升级，实现高质量发展和“卡脖子”技术问题的突破。