人工智能時(shí)代背景下《工程材料》課程教育教學(xué)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(dòng)高等教育的革命。作為工業(yè)基礎(chǔ)的材料教育教學(xué)也必須適應(yīng)新時(shí)代要求，培養(yǎng)出能夠駕馭人工智能發(fā)展的、引領(lǐng)新時(shí)代的主人。

[關(guān)鍵詞] 人工智能;教育教學(xué);工程材料

[基金項(xiàng)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(xiàng)目資助

[作者簡介] 齊 民（1960—），男，吉林長春人，博士，大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)樯镝t(yī)用材料及表征。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 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(xué)家提出的概念[1]。何為人工智能？我國學(xué)者是兆雄在1987年提出，人工智能就是專門研究如何用機(jī)器來承擔(dān)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(xué)科[2]。進(jìn)入新世紀(jì)后，由于計(jì)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(jī)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(shí)的決定性地位正在喪失;學(xué)校“知識(shí)傳播主戰(zhàn)場”的地位正在削弱;教師的知識(shí)優(yōu)勢正在不斷弱化。中國工程院院士周濟(jì)甚至認(rèn)為，基于AI的制造系統(tǒng)正在或即將逐步由機(jī)器人取代人[4]，這也使得人類感受到了前所未有的危機(jī)。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(dòng)操控以及流程設(shè)計(jì)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(jì)算能力的快速發(fā)展，智能裝備或機(jī)器人將會(huì)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(qiáng)國，如大型客機(jī)的核心部件—發(fā)動(dòng)機(jī)、高端芯片等還依賴進(jìn)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(dòng)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(xué)科、深刻了解材料科學(xué)與工程的高素質(zhì)人才。《工程材料》這門課正是要承擔(dān)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(shí)間反復(fù)改進(jìn)才最后成型的，是人類通過海量試驗(yàn)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(jì)與篩選。工程材料教育教學(xué)與其他教學(xué)一樣，應(yīng)該充分考慮未來人與人工智能的差異，強(qiáng)化人的綜合智慧和主動(dòng)探索精神。主要任務(wù)應(yīng)該是幫助學(xué)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(shí)學(xué)會(huì)充分運(yùn)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(shí)，增強(qiáng)獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。而作為教育教學(xué)過程的主導(dǎo)，教師應(yīng)該以系統(tǒng)性的思維，全方位構(gòu)建課程的教、學(xué)、評體系。具體講要考慮下面幾個(gè)維度或視角。

一、工程材料發(fā)展的時(shí)間維度

任何一門科學(xué)或技術(shù)的發(fā)展，都是由淺入深，由經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)。材料學(xué)的發(fā)展也是如此。與其他科學(xué)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(huì)發(fā)展按照人類對于材料的認(rèn)識(shí)和利用來劃分的，如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)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(shí)代面臨巨大困難。楊英健等曾提出1900年—1960年為鋼和水泥時(shí)代，1960年—2000年歸為硅材料時(shí)代，2000年后為納米材料時(shí)代[6]。事實(shí)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(dǎo)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(yùn)算與處理能力又反過來引發(fā)材料設(shè)計(jì)與裝備制造的革命性變革，如“材料基因組計(jì)劃”等新概念、新方法。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)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(xì)，也使裝備的零（器）件的性能不斷突破新高。很多過去認(rèn)為不可能的變?yōu)榭赡埽咝阅艿牟煌牧细髯园l(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(shí)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(rèn)識(shí)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(dòng)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(jī)的發(fā)展使人能夠翱翔天空;航天器的發(fā)展使人能夠進(jìn)行星際旅行，等等。上述交通工具的不斷改進(jìn)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(yuǎn)，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(jì)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(xué)方法，今天可以進(jìn)行從材料的原子操控，原子組裝，制備出納米器件、微米機(jī)構(gòu)直至宏觀裝備，實(shí)現(xiàn)不同尺度的精確設(shè)計(jì)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(jì)與制造，實(shí)現(xiàn)材料的空間上的連續(xù)“互通”。

三、《工程材料》課程教學(xué)的現(xiàn)實(shí)與虛擬維度

現(xiàn)實(shí)維度是通過教材和課堂講授來使學(xué)生掌握工程材料的主要概念，用辯證法科學(xué)分析問題和解決問題的方法。系統(tǒng)性的教材能夠使學(xué)生快速把握知識(shí)脈絡(luò)以及知識(shí)邊界，及時(shí)溫習(xí)要掌握的主要概念及其相互的關(guān)聯(lián)性。輔導(dǎo)材料則包括主要知識(shí)點(diǎn)的提示、為加深理解而設(shè)計(jì)的問題、輔助教材理解的主要實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)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(shí)，會(huì)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(dòng)畫來直觀演示，通俗易懂;再比如有些課堂上因時(shí)間限制不便于展開討論的內(nèi)容，可以布置學(xué)生運(yùn)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(shí)，也可以通過讓學(xué)生自己查閱互聯(lián)網(wǎng)而得以擴(kuò)充。這樣不僅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬的相互“補(bǔ)充”。目前的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)如MOOC等也是虛擬教學(xué)的一部分，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以重復(fù)觀看、學(xué)習(xí)，可以作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充。不足之處是更新速度慢，也缺乏教師與學(xué)生的實(shí)時(shí)互動(dòng)。

四、學(xué)生的外在與內(nèi)在維度

與智能機(jī)器（或機(jī)器人）相比，人類的不足在于會(huì)疲勞、會(huì)厭倦、會(huì)自暴自棄、記憶力有限、運(yùn)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(biāo)、能根據(jù)外界環(huán)境變化調(diào)整自己的目標(biāo)、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(shí)代，我們的教育應(yīng)該重在強(qiáng)化人類的獨(dú)特優(yōu)勢。教師在臺(tái)上講課，對于學(xué)生而言是被動(dòng)的，學(xué)生是知識(shí)及思想轉(zhuǎn)換的客體，對知識(shí)的理解會(huì)比較膚淺。真正的教育教學(xué)，學(xué)生應(yīng)該成為知識(shí)及思想轉(zhuǎn)換的主體。這樣才能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。這就要求教師在教學(xué)過程中重視引導(dǎo)作用，要多設(shè)計(jì)一些學(xué)生參與的環(huán)節(jié)，通過學(xué)生用自己的文字和語言表述相關(guān)的知識(shí)，不僅會(huì)對所學(xué)的知識(shí)理解更為深刻，還會(huì)引發(fā)學(xué)生的好奇心和科學(xué)探索精神，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)，變被動(dòng)為主動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教師的科學(xué)的引導(dǎo)“火花”引燃學(xué)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(shí)代要求。凡是計(jì)算機(jī)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(xué)校的專業(yè)教育必須理清人和智能機(jī)器人的界面，重點(diǎn)培養(yǎng)人在社會(huì)使命驅(qū)動(dòng)、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(jī)器的主人，而不能培養(yǎng)出智能機(jī)器的奴隸。

參考文獻(xiàn)

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