ChatGPT在材料力學教學中的應用前景和風險因素探討

摘 "要 "闡述ChatGPT在材料力學教學中的可能應用場景，從積極影響和消極風險兩個方面論述在材料力學教學過程中使用ChatGPT的優勢和制約因素，并對普通材料力學授課教師在未來教學過程中如何應對以ChatGPT為代表的人工智能技術提出觀點和看法。

關鍵詞 "材料力學；ChatGPT；人工智能

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）12-0037-03

0 "引言

自從圖靈獎獲得者詹姆斯·尼古拉·格雷提出數據科學將成為繼經驗科學、實驗科學和仿真科學之后的第四個科學發現范式的變革以來[1]，基于數據驅動的人工智能技術已經成為推動科學研究與技術進步、改變人類社會生活和影響人類認知的重要力量。特別是以ChatGPT（Chat-based Generative Pre-trained Transformer）為代表的人工智能技術的突破，給整個人類展示了人工智能科技帶來的光明前景和巨大潛力，也給整個人類社會的教育、倫理和法治等各方面帶來全方位的沖擊、爭議和風險，更給高等教育領域帶來能不能使用ChatGPT和該怎么使用ChatGPT等迫切需要探討的挑戰性命題[2-3]。

目前，有不少學者已經探討了ChatGPT對大學基礎課教學的影響[4]，甚至有學者提出ChatGPT將加速教育變革[5]。與其他大學基礎課程有所不同，材料力學作為一門典型的理工科專業基礎課，既是變形體力學體系的入門課，通常也是諸如機械工程、能源動力、航空航天等專業的骨干基礎課，還是后續其他力學課程和相關專業課程的基礎。經典框架下材料力學的講授內容從桿件的基本變形形式出發，涵蓋強度、剛度、穩定性等問題，可以說材料力學是自伽利略以來人類300余年無數力學先哲智慧的結晶。材料力學對于培養學生的工程設計能力、工程創新能力、分析和解決實際工程中問題的能力、獨立思考精神和抽象力學建模能力具有不可替代的作用。但材料力學課程本身理論性強、公式概念繁多、力學模型抽象，需要較為厚實的數理基礎和嚴密的邏輯思維。學生由于工程經驗匱乏，往往難以將材料力學的課程內容與實際工程緊密聯系，加上部分高校學科專業教學改革學時削減等原因，在教學實踐中達成培養目標的挑戰性越來越大。

目前，材料力學課程的授課方法仍以講授為主，即教師通過多媒體配合以板書的形式進行授課，且往往注重公式推導過程，導致學生覺得材料力學課堂枯燥、乏味、難學、難懂。此外，材料力學課程各個章節均有大量的概念和公式，不同知識點之間有其一般性，也有特殊性，學生在課程中一旦某個環節沒跟上，則導致知識點碎片化，更難以調動學習主動性。因此，在材料力學課程教學中如何引導學生主動學習，激發學生求知欲望，使學生獲得專業知識的同時形成科學的思維方式，進而促進學生創新能力與工程實踐應用能力發展，培養學生獨立思考并具有解決工程實際問題的能力，是材料力學課程教學改革與探索的長期目標。特別地，在以ChatGPT為代表的人工智能技術的推動下，能否在材料力學教學過程中引入ChatGPT以提高學生學習材料力學的熱情和效率，進而達到培養學生創新意識和工程思維的目的，成為材料力學教學研究中需要探索的一個新的問題。

因此，本文主要探討ChatGPT在材料力學課程教學中應用的積極影響，分析ChatGPT引入材料力學教學過程中可能帶來的風險和不利因素，并對材料力學課程教學中使用ChatGPT的可能性和可行性進行初步論述，以期引起國內高等教育領域材料力學教育教學同行對ChatGPT這一新興手段在材料力學教學過程中如何運用的關注和探討，進而更好地應對未來ChatGPT技術可能給材料力學課程教學帶來的挑戰和風險。

1 ChatGPT對材料力學課程教學的積極影響

人類社會正在面臨ChatGPT的挑戰，與之前歷次科技革命給人類社會所帶來沖擊的場景如出一轍。正如最開始英國工業革命帶來大量的工人失業一樣，ChatGPT一度使得人們產生恐慌，甚至認為部分行業的工作要被ChatGPT所替代。需要認識到，ChatGPT的本質是一種基于深度神經網絡的機器學習模型，具有一定程度的歸納、總結和推理演繹能力。這些本質的能力使得ChatGPT表現出接近人類認知的表述，ChatGPT包括其最新改進模型GPT-4具有很大的優越性。結合ChatGPT在教學領域可能的應用場景和優勢，筆者認為ChatGPT對材料力學課程教學的積極影響主要表現在以下幾個方面。

1.1 "推動材料力學教學手段提升

ChatGPT是一種生成式人工智能工具，能夠對大量數據進行整合與訓練，具備收集整理并形成完整觀點與人類進行對話的能力，ChatGPT回復的內容甚至具有較高的系統性和一定的思維深度[6-7]。因此，可以將ChatGPT作為很好的材料力學概念體驗手段，鼓勵學生對材料力學的基本概念進行初步認知和思考。同時，可以基于ChatGPT開發出更加智能化、高體驗感、高互動反饋的材料力學教學平臺，尤其是可以針對大量基本的材料力學概念進行設計，以實現對材料力學授課內容中基本概念的預習、復習與糾偏等功能，甚至可以基于ChatGPT開發替代的材料力學虛擬實驗。

1.2 "實現材料力學個性化教學

實現對每個學生的個性化教學一直是無數教師夢寐以求的目標。然而，囿于傳統教育框架體系下師資力量等各方面因素的制約，使得個性化教學這一目標遙不可及[8]。ChatGPT的出現使得給每個學生的學習提供有針對性的輔導和幫助帶來可能。利用ChatGPT，可以根據學生的學習歷史、學習偏好、學習習慣和學習路徑等定制差異化的材料力學課程學習順序、學習資源、習題庫、作業和補充材料等，進而實現適合學生特點的個性化材料力學學習方式，最終實現材料力學的個性化教學。

1.3 "推動材料力學學習效果評價方式變革

現有的材料力學課程對學生的評價主要通過課程考試。目前材料力學課程內容相對固定，評價方式和評價風格固定、僵化，一部分學生即使平時不認真學習，對核心概念不理解，也能通過期末考試，難以培養學生的工程思維能力和創新意識。在材料力學教學過程中，ChatGPT可以通過追蹤學生學習情況（知識掌握程度、習題訓練完成度、單元測驗反饋）預測學生的學習效果，并對學生知識學習和能力培養的達成度進行反饋，進而進行迭代式的補充教學，既可以幫助學生達成自主式和探究式學習，也可以改善傳統考試評價方式。

1.4 "豐富材料力學課程教學的資源

為了推動高階育人，課程教學越來越多地注重與課程思政元素進行協同，以增強育人效果[9]。為了達到協同育人目標，在多元素協同育人階段需要準備大量的素材資源。ChatGPT強大的素材整理能力和總結能力可以服務材料力學的課程教學，讓學生能夠更容易接觸材料力學發展史的思想脈絡。以純彎曲梁平面假設的發展史為例，傳統教學手段是讓學生查閱其發展歷史，往往需要學生花費一定的精力深入尋找資料，因為課業負擔較重，部分學生對這類素材的收集有一定的抵觸情緒。而ChatGPT可以完美地解決這一需求矛盾，讓學生快速定位所需資源并深入了解從伯努利到歐拉、再到庫倫的卓越工作，不僅方便學生查閱資源，也便于教師對相關資源的了解和掌握。

1.5 "優化材料力學教學設計

目前，ChatGPT可以幫助新入職的年輕教師根據課程目標和學生需求制定教學大綱，并根據受眾的不同和學生學習成長進度的快慢而靈活調整教學大綱[8]，還可以根據已有的經典教學大綱為新入職的年輕教師提供材料力學教案模板和相關資源，幫助新手教師快速準備材料力學教案，節省教學準備時間，使材料力學任課教師抽出更多的精力專注于優化設計和組織材料力學課程教學內容。

2 ChatGPT對材料力學課程教學的消極影響與挑戰

每一次科學技術的進步都是一把“雙刃劍”，以ChatGPT為代表的新型人工智能技術也是如此。ChatGPT有積極的一面，也會帶來一定的負面影響。有媒體報道稱，不少國內外高校已經禁止學生使用ChatGPT并開始調整作業和考試的形式，規定論文必須低于一定的復制比，以避免學生使用ChatGPT作

弊[10]。除此之外，ChatGPT還會帶來知識認知偏差和教育倫理等問題。

總體上，筆者認為ChatGPT對材料力學課程教學的消極影響和挑戰主要體現在以下幾個方面。

2.1 "知識偏差

ChatGPT自身功能的強大得益于深度學習算法和大語言模型的研究進展，但需要認識到ChatGPT自身作為模型化的產物并不是萬能的。

一方面，ChatGPT的功能還處于不斷完善的階段，其信息知識并不能保證100%準確，導致在某些場景條件下輸出的材料力學相關概念不嚴謹。比如，詢問ChatGPT：“你怎么看待材料力學這門課？”ChatGPT回答：“作為一門工程學科中的重要基礎課程，材料力學涉及材料的力學行為、應力應變關系、力學性能分析等內容。它在工程領域具有廣泛的應用，可以幫助工程師和研究人員更好地理解和預測材料在實際工程中的力學性能。”這樣的回答與本科階段的材料力學課程所講授內容的認知之間存在一定的偏差，會給剛學習材料力學的本科生在理解材料力學授課內容的內涵和外延方面帶來比較大的困擾。

另一方面，ChatGPT模型所存儲的知識數據實際上在2021年9月之后就已經停止更新，這更加限制了ChatGPT未來的應用場景。而且，ChatGPT輸出結果具有非唯一性的特點，因此，ChatGPT在特定相同問題條件下依然可能出現輸出內容不唯一的情況，這與經典材料力學框架建立在嚴密數理邏輯的確定性理論基礎上的現實是矛盾的。

2.2 "學術誠信問題

國內外部分高校已經出現本科生通過ChatGPT代寫課程論文等嚴重學術不端的現象，這引發了教育界對ChatGPT帶來的學術誠信問題的擔憂。該矛盾的主要焦點在于學生將所有本來需要自己獨立思考完成的工作全部交給ChatGPT代勞，從而破壞了應當經歷的受教育過程，無法實現教育本身應當達到的效果和目的。學術誠信問題使得教師在批改日常作業過程中需要花費時間和精力對學術不端進行甄別，額外增加了教師的工作壓力。因此，如何避免ChatGPT引發的學術誠信風險是后續人工智能大模型開發者、政府和教育工作者需要關注的焦點問題。

2.3 "其他社會與教育倫理風險

由于ChatGPT不具有作為自然人和法人的客觀法理條件，大部分學術期刊出版商已經明確指出禁止ChatGPT作為作者的論文投稿。另外，ChatGPT引入材料力學教學中會存在其他相關的教育倫理風險。

1）教學過程中信息與隱私的安全。在模型使用過程中，師生在與ChatGPT交互過程中會泄漏自己的隱私信息，如何保護師生信息安全是需要解決的首要問題。

2）語言交互過程中，由于ChatGPT自身訓練數據影響，ChatGPT問答輸出可能存在社會偏見與歧視風險，加劇社會矛盾與文化沖突。

3）教學過程中，學生使用ChatGPT得到的片面非理性或非準確答案帶來后果的權責問題。

此外，ChatGPT無法實現與學生帶有正向價值觀傾向的情感交流，目前來看，短時間內無法跨越這一技術鴻溝，導致ChatGPT在材料力學教學中只能扮演輔助角色，不能替代教師這一崇高職業。

3 "結束語

材料力學作為理工科高等教育中的一門重要基礎骨干課程，其教學過程中已經受到以ChatGPT為代表的人工智能工具帶來的影響和沖擊。高等學校材料力學教師肩負材料力學知識傳授和教書育人的使命，有義務也有責任關注未來人工智能領域發展的趨勢對材料力學教學的影響，應當敏銳地適時調整相應的材料力學教學手段和考核方式，引導學生正確認識并合理規范使用ChatGPT等人工智能工具，加強培養學生辨別虛假和錯誤人工智能信息的能力。同時，任課教師還應該加強對ChatGPT等人工智能工具的認識和了解，提高使用人工智能技術服務教學的能力，特別是注重引導學生認識ChatGPT背后的數學原理，結合力學專業與人工智能交叉前沿進展啟發學生投身科學技術前沿變革研究，推動學生形成批判性和創造性思維，養成獨立思考的習慣，進而更好地落實“三全育人”理念，完成立德樹人根本任務。

4 "參考文獻

[1] Hey T， Tansley S， Tolle K. The fourth paradigm：

Data-intensive Scientific Discovery[M].Washing-

ton： Microsoft Research，2009.

[2] 吳青，劉毓文.ChatGPT時代的高等教育應對：禁止還是變革[J].高校教育管理，2023，17（3）：32-41.

[3] 崔宇紅，白帆，張蕊芯.ChatGPT在高等教育領域的應用、風險及應對[J].重慶理工大學學報（社會科學），2023，37（5）：16-25.

[4] 范春蕾，武荷嵐，解希順.試論ChatGPT對大學基礎課教學的影響[J].物理與工程，2023，33（4）：7-11，17.

[5] Davenport T， Euchner J. The Rise of Human-Machine

Collaboration[J].Research Technology Management，

2023，66（2）：10-11.

[6] 王佑鎂，王旦，梁煒怡，等.“阿拉丁神燈”還是“潘多拉魔盒”：ChatGPT教育應用的潛能與風險[J].現代遠程教育研究，2023，35（2）：48-56.

[7] 鄭燕林，任維武.實踐觀視域下ChatGPT教學應用的路徑選擇[J].現代遠距離教育，2023（2）：3-10.

[8] 蔣里.AI驅動教育改革：ChatGPT/GPT的影響及展望[J].華東師范大學學報（教育科學版），2023，41（7）：

143-150.

[9] 楊慶生，葉紅玲，杜家政，等.基礎力學課程教學與課程思政的協同建設與實踐[J].力學與實踐，2021，43（6）：

955-958.

[10] 李在明.ChatGPT本質分析及其對教育的影響[J].中

國教育信息化，2023，，29（3）：12-18.