《材料信息學導論》課程開設的初步探討

雷毅敏

摘要：隨著材料科學的發展和因特網的迅速發展，材料信息的數據量非常龐雜，由此產生了一門新興的交叉學科，即材料信息學。材料信息學涉及到海量材料科學數據的管理、篩選、運用，并最終實現材料信息的資源共享和知識創新、材料科研效率的大幅提升以及新材料研發的經濟成本和時間成本的大幅降低。材料信息學的發展有利于解決材料科學面臨的挑戰，順應了當代材料科學技術發展的大趨勢。然而，材料信息學的發展需要面臨很多問題，如何通過開設基礎課程來加快信息學人才的培養是關鍵問題之一。本文將從材料科學材料信息學導論課程的開展展開討論，探索材料信息學導論課程在教學內容設置和教學方式方面的構想，對未來材料相關專業開設本課程提供一定的思路。

關鍵詞：材料信息學導論;材料科學;課程開設

1、引言

隨著新材料、新技術、新工藝和新方法的不斷出現，材料信息的數據量越來越龐雜。在現如今的新材料研發過程中，如何最大限度地從已有的海量數據中高效、快速、準確的挖掘有價值的信息，并最大限度整合材料信息資源，從而加速新材料的研究進程，是擺在材料研究工作者面前的一道難題。毋庸置疑，材料信息學的發展對中國的材料科學研究具有重要的意義。

材料信息學的發展需要復合型人才，要求對材料科學和計算機科學都比較熟悉。目前材料信息學發展的最大障礙就是材料信息學專業人才匱乏，必須加快我國材料信息學專業人才的培養。在此，可以建議高等院校材料院系開設材料信息學相關課程，爭取在材料信息學人才培養方面發揮更加積極的作用。在現有基礎和條件下，考慮到材料信息學的交叉性和應用性的特點，開設該領域課程是需要很多新舉措和創新手段的。對于如何在課程教學過程中最大化的培養學生的材料信息學素養是需要不斷探索和逐步完善的。

2、《材料信息學導論》課程的定位和教學目的

這門課程定位“導論”，是希望通過這門課的講授讓學生建立起材料信息學的基本概念，實現從傳統的材料學向材料信息化的認知過渡。相比傳統的材料學教學，《材料信息學導論》更應該強調的材料的工程應用特點以及對材料分類和性能的體系性認知，其教學重點有別于某類材料的具體性能、微觀結構、表征分析等。另外，由于材料信息學和信息技術交叉的特點，在課程教學過程中應該強調使用材料數據庫和相關的材料選擇軟件，但不涉及數據庫平臺搭建和軟件編程技術。

對于材料專業學生，本課程的教學目的在于幫助學生理解材料科學在實際工程中是如何實現信息化應用的，并建立“設計為導向”的材料工程學認知。對于非材料專業其他工程類專業的學生，本課程的教學目的在于幫助學生如何從成為一名合格工程師的角度，學會利用材料數據庫軟件實現產品設計中的材料選擇。

3、《材料信息學》課程的開設思路

開設《材料信息學導論》課程，首先必須讓學生明確這門課程的材料信息學的研究對象就是材料信息。在材料科學研究和工程中的使用包括材料信息的產生、信息的獲取、信息的存儲與顯示、信息的傳遞、信息的利用、信息的轉化、知識的產生、新信息的產生等幾個階段。課程的研究內容可以從八個方面展開：（1）材料信息的形成機理、類型及特征;（2）材料信息的表征、標準化和共享;（3）材料信息的存儲、管理和利用;（4）材料信息的關聯性理論;（5）材料信息的可視化;（6）材料信息的知識挖掘;（7）材料信息學應用研究;（8）材料數字化科研協作環境的搭建。在對以上內容進行展開講解的過程中，要時刻對比傳統材料學課程的內容，讓學生真正理解和掌握材料信息學的基本理論和內涵。

4、《材料信息學》課程的教學手段

材料信息學一經提出，在材料學術界和工業界引起了巨大的凡響。國外紛紛建立專門研究機構開展研究。美國和歐洲在材料信息學領域處于領先地位，在組合材料科學研究的基礎上，許多機構開始建立數據庫系統輔助材料設計和材料組合設計，并致力于材料信息學方面的研究。Symyx技術公司開發了進行材料組合和測試的儀器設備（Symyx Tools）及用于實驗管理，大量實驗結果的獲取、存儲和分析的軟件（Symyx Software）。Accelrys公司旗下的軟件產品 Materials Studio 是Accelrys專為材料科學領域開發的可運行于 PC 機上的新一代材料計算軟件，其中 MS Matinformatics是 Materials Studio 軟件中的一組材料信息學產品，用于對組合材料數據進行管理和分析。另外劍橋大學M. Ashby教授牽頭的GRANTA公司的CES EDUPACK材料信息學教學軟件，也是一個集數據庫和材料設計為一體的軟件平臺。因此，在本課程的授課過程除了講授部分，還可以增設實踐環節，讓學生使用如CES EDUPACK之類較成熟的軟件，幫助學生快速領悟材料信息學的研究內容，并迅速掌握材料設計的基本思路。

5、總結

材料信息學是材料科學認知與信息化技術相融合的一門交叉學科，也是伴隨著信息技術發展而興起的新型學科。材料信息學導論課程的開設的最終目標培養一批具有材料信息學素養的材料科研工作者，讓他們一方面更快捷的借助龐大的數據庫研發出更豐富種類的新材料，另一方面可以讓大大節省研發材料的經濟和時間成本。

參考文獻：

[1]材料信息學基礎及材料信息學平臺工程應用研究[D]. 魏群義，重慶大學， 2008年.

[2]Krishna Rajan. Informatics for Materials Science and Engineering [M]，Butterworth-Heinemann出版社， 2013年

[3]Michael Ashby， Kara Johnson. Materials and Design： The Art and Science of Material Selection in Product Design （2nd Edition） [M]，Butterworth-Heinemann出版社，2002年