材料信息化教學(xué)中的思政實(shí)踐與探索

劉書樂*，姚眉捷

(中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣東 廣州 510275)

材料科學(xué)工程是工學(xué)的一級(jí)學(xué)科，其本科專業(yè)旨在培養(yǎng)掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論、前沿專業(yè)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能的綜合素質(zhì)人才。材料科學(xué)與工程本科專業(yè)的培養(yǎng)方案一般包括材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理性能、材料分析測(cè)試、材料加工成型等專業(yè)理論與實(shí)驗(yàn)課程。近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展，也產(chǎn)生了諸如計(jì)算材料學(xué)與材料基因組這樣的交叉學(xué)科。因此，在材料科學(xué)與工程的本科教學(xué)內(nèi)容中添加與材料信息化教學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，是當(dāng)前材料專業(yè)本科教改的趨勢(shì)之一。

在材料科學(xué)與工程的教學(xué)實(shí)踐中，融入思政內(nèi)容是當(dāng)下的迫切需求之一。2017 年12 月，教育部正式頒布了《高校思想政治工作質(zhì)量提升工程實(shí)施綱要》，提出：“梳理專業(yè)課程所蘊(yùn)含的思想政治教育元素和所承載的思想政治教育功能，融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)思想政治教育與知識(shí)體系教育的有機(jī)統(tǒng)一。”因此，構(gòu)建高校課程思政教育教學(xué)體系，是當(dāng)前高校思想政治工作的一項(xiàng)迫切任務(wù)。

中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院是2015 年12 月新成立的學(xué)院，在近幾年的教學(xué)改革實(shí)踐中，我們不斷嘗試在課程中融入思政內(nèi)容。“Python 程序設(shè)計(jì)”和“計(jì)算材料學(xué)”是中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）材料類專業(yè)在材料信息化教學(xué)方向兩門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在2020 和2021 學(xué)年這兩門專業(yè)課的教學(xué)中，在保持課程原有學(xué)科特征基礎(chǔ)上，合理融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)我國(guó)制造業(yè)的清晰認(rèn)識(shí)以及沖擊我國(guó)高端制造業(yè)的熱情，取得了良好的教學(xué)效果。本文對(duì)這兩門思政課程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)與探討。

1 計(jì)算材料學(xué)、Python程序設(shè)計(jì)兩門專業(yè)課的課程特征以及德育內(nèi)涵

1.1 課程簡(jiǎn)介

計(jì)算材料學(xué)是關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能的計(jì)算機(jī)模擬與設(shè)計(jì)的學(xué)科，是材料科學(xué)研究里的“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”。它涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、化學(xué)等多門學(xué)科，主要是基于物理原理，編寫相關(guān)程序并運(yùn)行程序來計(jì)算材料的性質(zhì)。而在這之中，必不可少的會(huì)使用編程語言。

Python 是一種解釋型腳本語言，其秉承“優(yōu)雅、明確、簡(jiǎn)單”的宗旨，使得非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生可快速入門，使得Python 廣泛用于工科領(lǐng)域，而計(jì)算材料學(xué)也是其中之一。因此，教師應(yīng)將計(jì)算材料學(xué)課程與Python 程序語言相結(jié)合，讓學(xué)生學(xué)以致用，解決科學(xué)研究中的具體問題。

1.2 專業(yè)課程融入思政教育的必要性與可行性

在當(dāng)前工科專業(yè)的本科培養(yǎng)方案中，除了基本的思政課程以外，專業(yè)課程的內(nèi)容普遍缺乏思政元素。一方面，這使得學(xué)生對(duì)本專業(yè)課程的學(xué)習(xí)目的認(rèn)識(shí)不足，難以將自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)與我國(guó)制造業(yè)未來的發(fā)展方向有機(jī)結(jié)合；另一方面，缺乏必要的思政元素，使得學(xué)生對(duì)當(dāng)下國(guó)內(nèi)國(guó)際形勢(shì)缺乏認(rèn)識(shí)，難以將本專業(yè)的發(fā)展史放在時(shí)代發(fā)展的大框架中看待。因此，非常有必要在專業(yè)課程的教學(xué)中融入思政元素。

同時(shí)，近年來互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)飛速發(fā)展，各種先進(jìn)的信息技術(shù)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用層出不窮，各種知識(shí)和信息的傳播速度也飛速增加。當(dāng)下我國(guó)處于產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵階段，在各技術(shù)領(lǐng)域不斷突破的情況下，國(guó)際形勢(shì)也異常復(fù)雜，我國(guó)高端制造業(yè)遭受西方發(fā)達(dá)國(guó)家無理打壓時(shí)有發(fā)生。這些信息都為在材料信息化課程中融入思政元素提供了鮮活的素材，使之具備可行性。

1.3 課程融入思政元素的指導(dǎo)思想

理工科專業(yè)課程具有信息密度大，理解難度較大等特點(diǎn)，如果在其中生硬地添加思政元素，勢(shì)必?zé)o法吸引學(xué)生的注意力。因此，在專業(yè)課程講授過程中融入思政元素，應(yīng)避免機(jī)械、照本宣科的說教，以自然的方式融入思政元素，達(dá)到“潤(rùn)物細(xì)無聲”的效果。在設(shè)計(jì)課程中的思政元素時(shí)，我們盡量從以下方面入手來提高學(xué)生對(duì)課程中思政內(nèi)容的興趣：

結(jié)合當(dāng)下國(guó)際國(guó)內(nèi)熱點(diǎn)時(shí)事，結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史和我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展史，以及中國(guó)制造2025 的既定目標(biāo)進(jìn)行闡釋；充分利用中山大學(xué)的校內(nèi)資源，比如廣州超算中心的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)，讓學(xué)生獲得切身體驗(yàn)。

2 Python 程序設(shè)計(jì)課程融入思政的教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）將計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展史與材料科學(xué)的發(fā)展史相結(jié)合。在課程開始時(shí)，列出程序語言從匯編語言到當(dāng)今Python 等高級(jí)語言的發(fā)展史，并向?qū)W生指出程序語言從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展依賴于計(jì)算機(jī)硬件性能的逐步提升，而CPU和存儲(chǔ)器這些硬件性能的提升在本質(zhì)上依賴于近幾十年來集成電路中半導(dǎo)體材料與加工技術(shù)的飛速發(fā)展。通過這樣的方式，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到材料科學(xué)作為底層構(gòu)建對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的重要性，并進(jìn)一步引入我國(guó)在集成電路制造中半導(dǎo)體材料加工被“卡脖子”的現(xiàn)實(shí)，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了課程思政元素的靈活融入，并更進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情。

（2）將Python 語言的開源性與我國(guó)工業(yè)軟件的“卡脖子”案例相結(jié)合。我們?cè)诮榻BPython 中的NumPy 等開源數(shù)據(jù)分析包的應(yīng)用時(shí)，結(jié)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校被美國(guó)政府禁止使用MATLAB軟件的案例，讓學(xué)生了解了使用開源軟件以及自主開發(fā)我國(guó)工業(yè)軟件預(yù)防被“卡脖子”的重要性。

（3）將Python 語言的應(yīng)用與大數(shù)據(jù)結(jié)合，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到超級(jí)計(jì)算中心這樣的國(guó)之重器的作用。作為Python 在數(shù)據(jù)科學(xué)中具體應(yīng)用的實(shí)例，向?qū)W生演示在中山大學(xué)廣州超算中心天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Python 程序進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，讓學(xué)生初步了解超算中心這樣的國(guó)之重器的作用，激發(fā)他們對(duì)后續(xù)計(jì)算材料學(xué)課程學(xué)習(xí)的興趣。

3 計(jì)算材料學(xué)課程中融入思政的教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）使用廣州超算作為教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)國(guó)之重器的應(yīng)用。在計(jì)算材料學(xué)課程的上機(jī)實(shí)驗(yàn)中，自始至終都采用中山大學(xué)廣州超算中心天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生在超算上提交作業(yè)，使他們親身體會(huì)到了廣州超算作為國(guó)之重器的強(qiáng)大功能。在此基礎(chǔ)上，向?qū)W生介紹了廣州超算天河二號(hào)的發(fā)展史。天河二號(hào)在2013年就已成為是世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，但隨后2015 年美國(guó)商務(wù)部就限制廣州超算實(shí)施禁運(yùn)，僅僅過了4 年時(shí)間，廣州超算就已從世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜首跌落。究其根本原因，就在于在高性能計(jì)算機(jī)核心部件上我國(guó)還未實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，主要依靠進(jìn)口。從這些殘酷的數(shù)據(jù)當(dāng)中，樹立學(xué)生的危機(jī)意識(shí)感，在學(xué)生心中埋下一個(gè)為祖國(guó)高精尖材料快速發(fā)展做貢獻(xiàn)的種子。在隨后的課程中，同時(shí)穿插介紹由我國(guó)自主開發(fā)的神威太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)，該超算是中國(guó)大陸首度自行設(shè)計(jì)不使用美國(guó)公司的核心產(chǎn)品而登上超算榜首的超級(jí)計(jì)算機(jī)，其處理器使用的是我國(guó)自主研發(fā)的申威處理器。神威太湖之光的成功研制，契合了習(xí)近平總書記所倡導(dǎo)的“抓創(chuàng)新就是抓發(fā)展，謀創(chuàng)新就是謀未來”的指導(dǎo)思想。

（2）在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)發(fā)展自主軟件和開源工業(yè)軟件的重要性。在計(jì)算材料學(xué)的上機(jī)實(shí)踐中，我們盡可能選用開源軟件進(jìn)行教學(xué)。同時(shí)，為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到開源軟件與自主軟件在工業(yè)研發(fā)中的重要性，在課程內(nèi)容安排上，我們結(jié)合時(shí)事，向?qū)W生介紹了近年來我國(guó)在工業(yè)軟件被“卡脖子”的案例，比如華為公司被美國(guó)政府禁止使用商業(yè)EDA 軟件進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的案例。也向?qū)W生介紹我國(guó)自主開發(fā)的開源材料模擬軟件，比如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)展的第一性原理計(jì)算軟件ABACUS，以及吉林大學(xué)發(fā)展的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件Galamost 等，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到我國(guó)在自主研發(fā)工業(yè)軟件方面取得的進(jìn)步。

（3）結(jié)合我國(guó)自主研發(fā)的平臺(tái)向?qū)W生介紹材料基因組的發(fā)展。材料基因組是未來材料科學(xué)研究向智能化發(fā)展的方向，其概念的正式確立來源于2011 年美國(guó)政府提出的材料基因組研究計(jì)劃，其核心在于通過高通量制備、高通量表征和高通量計(jì)算獲得海量數(shù)據(jù)，并通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析來加速材料的研發(fā)，擺脫以前材料研究的炒菜模式。雖然我國(guó)在材料基因組的起步階段落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，但國(guó)家很快在這方面加大了投入，通過我國(guó)科技工作者的不懈努力，我國(guó)在這一領(lǐng)域很快追趕了上來。作為實(shí)例，教師向?qū)W生展示了廣州超算中心研發(fā)的材料基因組數(shù)據(jù)平臺(tái)Matgen，并向?qū)W生演示平臺(tái)的豐富功能。這樣不僅讓學(xué)生形象地理解了材料基因組的概念，也讓學(xué)生了解到我國(guó)在材料自主研發(fā)領(lǐng)域的相關(guān)進(jìn)展。

4 結(jié)語

新時(shí)代發(fā)展背景下，高校課程教學(xué)承擔(dān)著培養(yǎng)一代又一代社會(huì)主義事業(yè)接班人的重要使命，其中思政課程的意識(shí)形態(tài)教育功能不容忽視。將材料相關(guān)專業(yè)課程與思政教育相融合并非易事，仍需廣大教育工作者在教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中的不懈努力，切實(shí)貫徹課程思政的教學(xué)理念，早日實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程與思政課程的有機(jī)融合。