人工智能时代背景下《工程材料》课程教育教学的思考

[摘 要] 网络技术、信息技术以及人工智能技术的快速发展正在引发新一代的工业革命，也必将推动高等教育的革命。作为工业基础的材料教育教学也必须适应新时代要求，培养出能够驾驭人工智能发展的、引领新时代的主人。

[关键词] 人工智能;教育教学;工程材料

[基金项目] 2014年辽宁省教育厅“辽宁省第二批十二五普通高等教育本科省级规划教材”项目资助

[作者简介] 齐 民（1960—），男，吉林长春人，博士，大连理工大学材料科学与工程学院教授，研究方向为生物医用材料及表征。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）35-0268-02    [收稿日期] 2019-09-24

人工智能是1950年代由美国科学家提出的概念[1]。何为人工智能？我国学者是兆雄在1987年提出，人工智能就是专门研究如何用机器来承担本来需要人类智能才能完成的工作，探索和模拟人的感觉及思维过程规律的一门学科[2]。进入新世纪后，由于计算技术的提升以及互联网的普及，大数据的收集与处理能力得到飞跃，人工智能技术得到了质的提升。人工智能最震撼的事件是2016年3月机器人AlphaGo战胜了世界围棋冠军李世石。它的快速发展正在引发新一代的工业革命[3]。主要体现在知识的决定性地位正在丧失;学校“知识传播主战场”的地位正在削弱;教师的知识优势正在不断弱化。中国工程院院士周济甚至认为，基于AI的制造系统正在或即将逐步由机器人取代人[4]，这也使得人类感受到了前所未有的危机。人工智能体现在装备制造领域无非就是在产品生产过程中和使用功能引入智能因素。在产品生产过程中，所谓智能化更多的是体现设备的自动操控以及流程设计的优化，人的作用难以取代;随着大数据和互联网的完善、计算能力的快速发展，智能装备或机器人将会越来越多地取代人的作用。经历40年的改革开放，我国已经跻身于世界制造大国。然而，我们还不是制造强国，如大型客机的核心部件—发动机、高端芯片等还依赖进口。这些高技术产品背后的限制性环节即包含生产过程自动控制程度的不足，也包括制造零部件的材料技术。高性能的部件，核心因素不是构件的外形，而是构件所用材料的内在品质。因此，要想在制造领域走在国际前沿，就需要培养一批在制造业领域重视材料学科、深刻了解材料科学与工程的高素质人才。《工程材料》这门课正是要承担这一重要使命的核心课程[5]。工程中使用的很多现有材料都是经历了长时间反复改进才最后成型的，是人类通过海量试验逐渐优选出来的。大数据结合人工智能可以加快新材料的设计与筛选。工程材料教育教学与其他教学一样，应该充分考虑未来人与人工智能的差异，强化人的综合智慧和主动探索精神。主要任务应该是帮助学生理清材料发展的线索，牢牢抓住材料的宏观性能與微观组织结构之间联系这一关键环节，同时学会充分运用现代信息技术、互联网技术以及大数据分析技术，快速发现问题、获取知识，增强独立分析问题、解决问题的能力。而作为教育教学过程的主导，教师应该以系统性的思维，全方位构建课程的教、学、评体系。具体讲要考虑下面几个维度或视角。

一、工程材料发展的时间维度

任何一门科学或技术的发展，都是由浅入深，由经验向科学。材料学的发展也是如此。与其他科学不同的是，材料是基础性的，决定性的。因此才有了人类社会发展按照人类对于材料的认识和利用来划分的，如石器时代、青铜器时代、铁器时代。这从另一方面说明材料对人类发展的重要作用。自1990年代以来，技术的高速发展使得以材料划分时代面临巨大困难。杨英健等曾提出1900年—1960年为钢和水泥时代，1960年—2000年归为硅材料时代，2000年后为纳米材料时代[6]。事实上直到今天钢在以结构性能为主的工业和民用中仍然是主导材料，硅材料依然是信息工业的基础材料，信息技术带来的高速运算与处理能力又反过来引发材料设计与装备制造的革命性变革，如“材料基因组计划”等新概念、新方法。以计算机为基础的自动化技术的快速发展不仅仅对材料的质量控制越来越精细，也使装备的零（器）件的性能不断突破新高。很多过去认为不可能的变为可能，更高性能的不同材料各自发挥新的作用，以不同的形式相互组合，不断有新的复合材料产生。体现出多种不同种类材料的时间上“共存”与“交融”。

二、工程材料发展的空间维度

随着人类认识世界的深入，人类改造世界的能力也在提高。所谓材料发展的空间维度包括外在维度和内在维度。外在维度是指材料作为制备工具的基础所推动工具发展的能力。比如，车的发展使人走得更快;船的发展使人能够跨越大海;飞机的发展使人能够翱翔天空;航天器的发展使人能够进行星际旅行，等等。上述交通工具的不断改进又使人类探索我们的生存空间能力大大拓展。而要开得快，行的远，飞得高，就需要在材料方面不断突破极限。内在维度是指影响材料性能的内在要术，比如，材料的成分、组织结构及其变化规律。我们对于材料的内在维度了解的越多，规律掌握的越充分，就越能按照我们的意志设计及制备所需性能的材料。借助于信息技术辅助的物理和化学方法，今天可以进行从材料的原子操控，原子组装，制备出纳米器件、微米机构直至宏观装备，实现不同尺度的精确设计与连续加工，如“增材制造”等。体现出材料从原子层次，到微观组织，直到宏观零件设计与制造，实现材料的空间上的连续“互通”。

三、《工程材料》课程教学的现实与虚拟维度

现实维度是通过教材和课堂讲授来使学生掌握工程材料的主要概念，用辩证法科学分析问题和解决问题的方法。系统性的教材能够使学生快速把握知识脉络以及知识边界，及时温习要掌握的主要概念及其相互的关联性。辅导材料则包括主要知识点的提示、为加深理解而设计的问题、辅助教材理解的主要实验的详细介绍等。虚拟维度则是要充分利用信息化工具来拓展和更新知识，会产生事半功倍的效果。比如材料的相变过程以及工艺过程等通过模拟动画来直观演示，通俗易懂;再比如有些课堂上因时间限制不便于展开讨论的内容，可以布置学生运用互联网结合网上图书馆来得到解决。一些新的材料知识，也可以通过让学生自己查阅互联网而得以扩充。这样不仅提升学生的学习兴趣，也可以实现现实与虚拟的相互“补充”。目前的互联网教学如MOOC等也是虚拟教学的一部分，其最大的优点是可以重复观看、学习，可以作为课堂教学的补充。不足之处是更新速度慢，也缺乏教师与学生的实时互动。

四、学生的外在与内在维度

与智能机器（或机器人）相比，人类的不足在于会疲劳、会厌倦、会自暴自弃、记忆力有限、运算速度有限、力量有限。然而人类的优势也非常明显：有情感、有使命感、能为自己设定发展目标、能根据外界环境变化调整自己的目标、能创造性思维，最重要的是人类能够自我革命。面向未来的人工智能时代，我们的教育应该重在强化人类的独特优势。教师在台上讲课，对于学生而言是被动的，学生是知识及思想转换的客体，对知识的理解会比较肤浅。真正的教育教学，学生应该成为知识及思想转换的主体。这样才能发挥学生的主观能动性。这就要求教师在教学过程中重视引导作用，要多设计一些学生参与的环节，通过学生用自己的文字和语言表述相关的知识，不仅会对所学的知识理解更为深刻，还会引发学生的好奇心和科学探索精神，培养学生的自主创新意识，变被动为主动，实现教师的科学的引导“火花”引燃学生追求真知的“烈火”。

五、结束语

网络技术、信息技术以及人工智能技术的快速发展正在引发新一代的工业革命。作为工业基础的材料教育也必须适应新時代要求。凡是计算机与网络可以收集、分析、处理、展示的终将被人工智能所取代。未来高等学校的专业教育必须理清人和智能机器人的界面，重点培养人在社会使命驱动、原始创新构思、系统性思维、掌握综合性工具的技能等全方位素质。我们要培养智能机器的主人，而不能培养出智能机器的奴隶。

参考文献

[1]董惠雯，张戈，项绪鹏.人工智能概述[J].科技风，2016（3）：34.

[2]是兆雄.人工智能：历史、现状及展望[J].自然杂志，1987（4）：263-270.

[3]姚国章，巫佳茜，李诗雅.人工智能大潮下教育如何直面未来[J].教育现代化，2018（30）：160-165.

[4]Zhou Ji，Li Peigen，Zhou Yanhong，et al.Toward New-Generation Intelligent Manufacturing[J].Engineering，2018，4：11-20.

[5]齐民.从材料的社会作用检视材料教育的内涵与要求[J].中国现代教育装备，2017（19）：83-85.

[6]杨英健，张邦维.人类社会物质文明发展的六个时代[J].华南理工大学学报（社会科学版），2011（6）：101-109.