材料信息化教學中的思政實踐與探索

劉書樂*，姚眉捷

(中山大學材料科學與工程學院 廣東 廣州 510275)

材料科學工程是工學的一級學科，其本科專業旨在培養掌握專業基礎理論、前沿專業知識與實驗技能的綜合素質人才。材料科學與工程本科專業的培養方案一般包括材料科學基礎、材料物理性能、材料分析測試、材料加工成型等專業理論與實驗課程。近年來，隨著計算機科學與技術的飛速發展，也產生了諸如計算材料學與材料基因組這樣的交叉學科。因此，在材料科學與工程的本科教學內容中添加與材料信息化教學相關的內容，是當前材料專業本科教改的趨勢之一。

在材料科學與工程的教學實踐中，融入思政內容是當下的迫切需求之一。2017 年12 月，教育部正式頒布了《高校思想政治工作質量提升工程實施綱要》，提出：“梳理專業課程所蘊含的思想政治教育元素和所承載的思想政治教育功能，融入課堂教學環節，實現思想政治教育與知識體系教育的有機統一。”因此，構建高校課程思政教育教學體系，是當前高校思想政治工作的一項迫切任務。

中山大學材料科學與工程學院是2015 年12 月新成立的學院，在近幾年的教學改革實踐中，我們不斷嘗試在課程中融入思政內容。“Python 程序設計”和“計算材料學”是中山大學材料科學與工程學院（以下簡稱“我院”）材料類專業在材料信息化教學方向兩門重要的專業基礎課，在2020 和2021 學年這兩門專業課的教學中，在保持課程原有學科特征基礎上，合理融入思政元素，培養學生對我國制造業的清晰認識以及沖擊我國高端制造業的熱情，取得了良好的教學效果。本文對這兩門思政課程建設的經驗進行了總結與探討。

1 計算材料學、Python程序設計兩門專業課的課程特征以及德育內涵

1.1 課程簡介

計算材料學是關于材料組成、結構、性能、服役性能的計算機模擬與設計的學科，是材料科學研究里的“計算機實驗”。它涉及材料、物理、計算機、化學等多門學科，主要是基于物理原理，編寫相關程序并運行程序來計算材料的性質。而在這之中，必不可少的會使用編程語言。

Python 是一種解釋型腳本語言，其秉承“優雅、明確、簡單”的宗旨，使得非計算機專業的學生可快速入門，使得Python 廣泛用于工科領域，而計算材料學也是其中之一。因此，教師應將計算材料學課程與Python 程序語言相結合，讓學生學以致用，解決科學研究中的具體問題。

1.2 專業課程融入思政教育的必要性與可行性

在當前工科專業的本科培養方案中，除了基本的思政課程以外，專業課程的內容普遍缺乏思政元素。一方面，這使得學生對本專業課程的學習目的認識不足，難以將自己所學的專業知識與我國制造業未來的發展方向有機結合；另一方面，缺乏必要的思政元素，使得學生對當下國內國際形勢缺乏認識，難以將本專業的發展史放在時代發展的大框架中看待。因此，非常有必要在專業課程的教學中融入思政元素。

同時，近年來互聯網和信息技術飛速發展，各種先進的信息技術在材料科學研究中的應用層出不窮，各種知識和信息的傳播速度也飛速增加。當下我國處于產業升級的關鍵階段，在各技術領域不斷突破的情況下，國際形勢也異常復雜，我國高端制造業遭受西方發達國家無理打壓時有發生。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思想

理工科專業課程具有信息密度大，理解難度較大等特點，如果在其中生硬地添加思政元素，勢必無法吸引學生的注意力。因此，在專業課程講授過程中融入思政元素，應避免機械、照本宣科的說教，以自然的方式融入思政元素，達到“潤物細無聲”的效果。在設計課程中的思政元素時，我們盡量從以下方面入手來提高學生對課程中思政內容的興趣：

結合當下國際國內熱點時事，結合科學技術的發展史和我國制造業的發展史，以及中國制造2025 的既定目標進行闡釋；充分利用中山大學的校內資源，比如廣州超算中心的天河二號超級計算機，讓學生獲得切身體驗。

2 Python 程序設計課程融入思政的教學設計

（1）將計算機軟硬件的發展史與材料科學的發展史相結合。在課程開始時，列出程序語言從匯編語言到當今Python 等高級語言的發展史，并向學生指出程序語言從低級到高級的發展依賴于計算機硬件性能的逐步提升，而CPU和存儲器這些硬件性能的提升在本質上依賴于近幾十年來集成電路中半導體材料與加工技術的飛速發展。通過這樣的方式，讓學生認識到材料科學作為底層構建對于計算機科學發展的重要性，并進一步引入我國在集成電路制造中半導體材料加工被“卡脖子”的現實，這樣不僅實現了課程思政元素的靈活融入，并更進一步激發了學生對專業知識學習的熱情。

（2）將Python 語言的開源性與我國工業軟件的“卡脖子”案例相結合。我們在介紹Python 中的NumPy 等開源數據分析包的應用時，結合哈爾濱工業大學等高校被美國政府禁止使用MATLAB軟件的案例，讓學生了解了使用開源軟件以及自主開發我國工業軟件預防被“卡脖子”的重要性。

（3）將Python 語言的應用與大數據結合，讓學生認識到超級計算中心這樣的國之重器的作用。作為Python 在數據科學中具體應用的實例，向學生演示在中山大學廣州超算中心天河二號超級計算機上運行Python 程序進行機器學習，讓學生初步了解超算中心這樣的國之重器的作用，激發他們對后續計算材料學課程學習的興趣。

3 計算材料學課程中融入思政的教學設計

（1）使用廣州超算作為教學平臺，讓學生親身體驗國之重器的應用。在計算材料學課程的上機實驗中，自始至終都采用中山大學廣州超算中心天河二號超級計算機作為實驗平臺，讓學生在超算上提交作業，使他們親身體會到了廣州超算作為國之重器的強大功能。在此基礎上，向學生介紹了廣州超算天河二號的發展史。天河二號在2013年就已成為是世界上最快的超級計算機，但隨后2015 年美國商務部就限制廣州超算實施禁運，僅僅過了4 年時間，廣州超算就已從世界超級計算機排行榜首跌落。究其根本原因，就在于在高性能計算機核心部件上我國還未實現自主研發，主要依靠進口。從這些殘酷的數據當中，樹立學生的危機意識感，在學生心中埋下一個為祖國高精尖材料快速發展做貢獻的種子。在隨后的課程中，同時穿插介紹由我國自主開發的神威太湖之光超級計算機，該超算是中國大陸首度自行設計不使用美國公司的核心產品而登上超算榜首的超級計算機，其處理器使用的是我國自主研發的申威處理器。神威太湖之光的成功研制，契合了習近平總書記所倡導的“抓創新就是抓發展，謀創新就是謀未來”的指導思想。

（2）在教學中強調發展自主軟件和開源工業軟件的重要性。在計算材料學的上機實踐中，我們盡可能選用開源軟件進行教學。同時，為了讓學生認識到開源軟件與自主軟件在工業研發中的重要性，在課程內容安排上，我們結合時事，向學生介紹了近年來我國在工業軟件被“卡脖子”的案例，比如華為公司被美國政府禁止使用商業EDA 軟件進行芯片設計的案例。也向學生介紹我國自主開發的開源材料模擬軟件，比如中國科學技術大學發展的第一性原理計算軟件ABACUS，以及吉林大學發展的分子動力學模擬軟件Galamost 等，讓學生認識到我國在自主研發工業軟件方面取得的進步。

（3）結合我國自主研發的平臺向學生介紹材料基因組的發展。材料基因組是未來材料科學研究向智能化發展的方向，其概念的正式確立來源于2011 年美國政府提出的材料基因組研究計劃，其核心在于通過高通量制備、高通量表征和高通量計算獲得海量數據，并通過對數據的分析來加速材料的研發，擺脫以前材料研究的炒菜模式。雖然我國在材料基因組的起步階段落后于西方發達國家，但國家很快在這方面加大了投入，通過我國科技工作者的不懈努力，我國在這一領域很快追趕了上來。作為實例，教師向學生展示了廣州超算中心研發的材料基因組數據平臺Matgen，并向學生演示平臺的豐富功能。這樣不僅讓學生形象地理解了材料基因組的概念，也讓學生了解到我國在材料自主研發領域的相關進展。

4 結語

新時代發展背景下，高校課程教學承擔著培養一代又一代社會主義事業接班人的重要使命，其中思政課程的意識形態教育功能不容忽視。將材料相關專業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實踐當中的不懈努力，切實貫徹課程思政的教學理念，早日實現專業課程與思政課程的有機融合。