人工智能時代背景下《工程材料》課程教育教學的思考

[摘 要] 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展正在引發(fā)新一代的工業(yè)革命，也必將推動高等教育的革命。作為工業(yè)基礎(chǔ)的材料教育教學也必須適應(yīng)新時代要求，培養(yǎng)出能夠駕馭人工智能發(fā)展的、引領(lǐng)新時代的主人。

[關(guān)鍵詞] 人工智能;教育教學;工程材料

[基金項目] 2014年遼寧省教育廳“遼寧省第二批十二五普通高等教育本科省級規(guī)劃教材”項目資助

[作者簡介] 齊 民（1960—），男，吉林長春人，博士，大連理工大學材料科學與工程學院教授，研究方向為生物醫(yī)用材料及表征。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0268-02? ? [收稿日期] 2019-09-24

人工智能是1950年代由美國科學家提出的概念[1]。何為人工智能？我國學者是兆雄在1987年提出，人工智能就是專門研究如何用機器來承擔本來需要人類智能才能完成的工作，探索和模擬人的感覺及思維過程規(guī)律的一門學科[2]。進入新世紀后，由于計算技術(shù)的提升以及互聯(lián)網(wǎng)的普及，大數(shù)據(jù)的收集與處理能力得到飛躍，人工智能技術(shù)得到了質(zhì)的提升。人工智能最震撼的事件是2016年3月機器人AlphaGo戰(zhàn)勝了世界圍棋冠軍李世石。它的快速發(fā)展正在引發(fā)新一代的工業(yè)革命[3]。主要體現(xiàn)在知識的決定性地位正在喪失;學?！爸R傳播主戰(zhàn)場”的地位正在削弱;教師的知識優(yōu)勢正在不斷弱化。中國工程院院士周濟甚至認為，基于AI的制造系統(tǒng)正在或即將逐步由機器人取代人[4]，這也使得人類感受到了前所未有的危機。人工智能體現(xiàn)在裝備制造領(lǐng)域無非就是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中和使用功能引入智能因素。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，所謂智能化更多的是體現(xiàn)設(shè)備的自動操控以及流程設(shè)計的優(yōu)化，人的作用難以取代;隨著大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)的完善、計算能力的快速發(fā)展，智能裝備或機器人將會越來越多地取代人的作用。經(jīng)歷40年的改革開放，我國已經(jīng)躋身于世界制造大國。然而，我們還不是制造強國，如大型客機的核心部件—發(fā)動機、高端芯片等還依賴進口。這些高技術(shù)產(chǎn)品背后的限制性環(huán)節(jié)即包含生產(chǎn)過程自動控制程度的不足，也包括制造零部件的材料技術(shù)。高性能的部件，核心因素不是構(gòu)件的外形，而是構(gòu)件所用材料的內(nèi)在品質(zhì)。因此，要想在制造領(lǐng)域走在國際前沿，就需要培養(yǎng)一批在制造業(yè)領(lǐng)域重視材料學科、深刻了解材料科學與工程的高素質(zhì)人才?！豆こ滩牧稀愤@門課正是要承擔這一重要使命的核心課程[5]。工程中使用的很多現(xiàn)有材料都是經(jīng)歷了長時間反復(fù)改進才最后成型的，是人類通過海量試驗逐漸優(yōu)選出來的。大數(shù)據(jù)結(jié)合人工智能可以加快新材料的設(shè)計與篩選。工程材料教育教學與其他教學一樣，應(yīng)該充分考慮未來人與人工智能的差異，強化人的綜合智慧和主動探索精神。主要任務(wù)應(yīng)該是幫助學生理清材料發(fā)展的線索，牢牢抓住材料的宏觀性能與微觀組織結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時學會充分運用現(xiàn)代信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，快速發(fā)現(xiàn)問題、獲取知識，增強獨立分析問題、解決問題的能力。而作為教育教學過程的主導，教師應(yīng)該以系統(tǒng)性的思維，全方位構(gòu)建課程的教、學、評體系。具體講要考慮下面幾個維度或視角。

一、工程材料發(fā)展的時間維度

任何一門科學或技術(shù)的發(fā)展，都是由淺入深，由經(jīng)驗向科學。材料學的發(fā)展也是如此。與其他科學不同的是，材料是基礎(chǔ)性的，決定性的。因此才有了人類社會發(fā)展按照人類對于材料的認識和利用來劃分的，如石器時代、青銅器時代、鐵器時代。這從另一方面說明材料對人類發(fā)展的重要作用。自1990年代以來，技術(shù)的高速發(fā)展使得以材料劃分時代面臨巨大困難。楊英健等曾提出1900年—1960年為鋼和水泥時代，1960年—2000年歸為硅材料時代，2000年后為納米材料時代[6]。事實上直到今天鋼在以結(jié)構(gòu)性能為主的工業(yè)和民用中仍然是主導材料，硅材料依然是信息工業(yè)的基礎(chǔ)材料，信息技術(shù)帶來的高速運算與處理能力又反過來引發(fā)材料設(shè)計與裝備制造的革命性變革，如“材料基因組計劃”等新概念、新方法。以計算機為基礎(chǔ)的自動化技術(shù)的快速發(fā)展不僅僅對材料的質(zhì)量控制越來越精細，也使裝備的零（器）件的性能不斷突破新高。很多過去認為不可能的變?yōu)榭赡?，更高性能的不同材料各自發(fā)揮新的作用，以不同的形式相互組合，不斷有新的復(fù)合材料產(chǎn)生。體現(xiàn)出多種不同種類材料的時間上“共存”與“交融”。

二、工程材料發(fā)展的空間維度

隨著人類認識世界的深入，人類改造世界的能力也在提高。所謂材料發(fā)展的空間維度包括外在維度和內(nèi)在維度。外在維度是指材料作為制備工具的基礎(chǔ)所推動工具發(fā)展的能力。比如，車的發(fā)展使人走得更快;船的發(fā)展使人能夠跨越大海;飛機的發(fā)展使人能夠翱翔天空;航天器的發(fā)展使人能夠進行星際旅行，等等。上述交通工具的不斷改進又使人類探索我們的生存空間能力大大拓展。而要開得快，行的遠，飛得高，就需要在材料方面不斷突破極限。內(nèi)在維度是指影響材料性能的內(nèi)在要術(shù)，比如，材料的成分、組織結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律。我們對于材料的內(nèi)在維度了解的越多，規(guī)律掌握的越充分，就越能按照我們的意志設(shè)計及制備所需性能的材料。借助于信息技術(shù)輔助的物理和化學方法，今天可以進行從材料的原子操控，原子組裝，制備出納米器件、微米機構(gòu)直至宏觀裝備，實現(xiàn)不同尺度的精確設(shè)計與連續(xù)加工，如“增材制造”等。體現(xiàn)出材料從原子層次，到微觀組織，直到宏觀零件設(shè)計與制造，實現(xiàn)材料的空間上的連續(xù)“互通”。

三、《工程材料》課程教學的現(xiàn)實與虛擬維度

現(xiàn)實維度是通過教材和課堂講授來使學生掌握工程材料的主要概念，用辯證法科學分析問題和解決問題的方法。系統(tǒng)性的教材能夠使學生快速把握知識脈絡(luò)以及知識邊界，及時溫習要掌握的主要概念及其相互的關(guān)聯(lián)性。輔導材料則包括主要知識點的提示、為加深理解而設(shè)計的問題、輔助教材理解的主要實驗的詳細介紹等。虛擬維度則是要充分利用信息化工具來拓展和更新知識，會產(chǎn)生事半功倍的效果。比如材料的相變過程以及工藝過程等通過模擬動畫來直觀演示，通俗易懂;再比如有些課堂上因時間限制不便于展開討論的內(nèi)容，可以布置學生運用互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合網(wǎng)上圖書館來得到解決。一些新的材料知識，也可以通過讓學生自己查閱互聯(lián)網(wǎng)而得以擴充。這樣不僅提升學生的學習興趣，也可以實現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬的相互“補充”。目前的互聯(lián)網(wǎng)教學如MOOC等也是虛擬教學的一部分，其最大的優(yōu)點是可以重復(fù)觀看、學習，可以作為課堂教學的補充。不足之處是更新速度慢，也缺乏教師與學生的實時互動。

四、學生的外在與內(nèi)在維度

與智能機器（或機器人）相比，人類的不足在于會疲勞、會厭倦、會自暴自棄、記憶力有限、運算速度有限、力量有限。然而人類的優(yōu)勢也非常明顯：有情感、有使命感、能為自己設(shè)定發(fā)展目標、能根據(jù)外界環(huán)境變化調(diào)整自己的目標、能創(chuàng)造性思維，最重要的是人類能夠自我革命。面向未來的人工智能時代，我們的教育應(yīng)該重在強化人類的獨特優(yōu)勢。教師在臺上講課，對于學生而言是被動的，學生是知識及思想轉(zhuǎn)換的客體，對知識的理解會比較膚淺。真正的教育教學，學生應(yīng)該成為知識及思想轉(zhuǎn)換的主體。這樣才能發(fā)揮學生的主觀能動性。這就要求教師在教學過程中重視引導作用，要多設(shè)計一些學生參與的環(huán)節(jié)，通過學生用自己的文字和語言表述相關(guān)的知識，不僅會對所學的知識理解更為深刻，還會引發(fā)學生的好奇心和科學探索精神，培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新意識，變被動為主動，實現(xiàn)教師的科學的引導“火花”引燃學生追求真知的“烈火”。

五、結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展正在引發(fā)新一代的工業(yè)革命。作為工業(yè)基礎(chǔ)的材料教育也必須適應(yīng)新時代要求。凡是計算機與網(wǎng)絡(luò)可以收集、分析、處理、展示的終將被人工智能所取代。未來高等學校的專業(yè)教育必須理清人和智能機器人的界面，重點培養(yǎng)人在社會使命驅(qū)動、原始創(chuàng)新構(gòu)思、系統(tǒng)性思維、掌握綜合性工具的技能等全方位素質(zhì)。我們要培養(yǎng)智能機器的主人，而不能培養(yǎng)出智能機器的奴隸。

參考文獻

[1]董惠雯，張戈，項緒鵬.人工智能概述[J].科技風，2016（3）：34.

[2]是兆雄.人工智能：歷史、現(xiàn)狀及展望[J].自然雜志，1987（4）：263-270.

[3]姚國章，巫佳茜，李詩雅.人工智能大潮下教育如何直面未來[J].教育現(xiàn)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]齊民.從材料的社會作用檢視材料教育的內(nèi)涵與要求[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（19）：83-85.

[6]楊英健，張邦維.人類社會物質(zhì)文明發(fā)展的六個時代[J].華南理工大學學報（社會科學版），2011（6）：101-109.