人工智能賦能材料科學工程教學

摘要：人工智能正在重構社會模式，引領企業邁入多專業融合的復雜多變時代，新一代人工智能技術改變了高等教育領域中師生的學習、生活與思維模式，隨著人工智能的發展，企業對具備人工智能素養的材料科學與工程專業人才需求與日俱增，這對材料科學與工程專業的人才培養提出了新的需求，本文以山西電子科技學院為例，探討了人工智能時代背景下地方性應用型普通本科高校材料科學與工程專業培養方案的改革探索，從教學內容、教學方法等方面對培養方案進行了改進升級，以期提高學生的綜合素質，滿足社會對材料科學與工程專業人才的需求。

關鍵詞：人工智能；材料科學與工程；人才培養；教學改革

Artificial"Intelligence"Enables"Materials"Science"and"Engineering"Teaching

Qiao"Yingchen

Shanxi"Institute"of"Electronic"Science"and"Technology""ShanxiLinfen""041000

Abstract：Artificial"intelligence"is"reconstructing"the"social"model，"leading"enterprises"into"a"complex"and"ever-changing"era"of"multi-disciplinary"integration."The"new"generation"of"artificial"intelligence"technology"has"changed"the"learning，"life，"and"thinking"patterns"of"teachers"and"students"in"the"field"of"higher"education."With"the"rapid"development"of"artificialnbsp;intelligence"industry，"The"demand"for"materials"science"and"engineering"professionals"with"artificial"intelligence"literacy"in"enterprises"is"steadily"on"the"increase.This"article"takes"Shanxi"University"of"Electronic"Science"and"Technology"as"an"example"to"explore"the"reform"and"exploration"of"the"training"program"for"materials"science"and"engineering"majors"in"local"application-oriented"undergraduate"universities"under"the"background"of"artificial"intelligence"era."The"training"program"has"been"improved"and"upgraded"from"the"aspects"of"teaching"content，"teaching"methods，"etc.，"in"order"to"enhance"students'"comprehensive"quality"and"meet"the"social"demand"for"materials"science"and"engineering"professionals.

Keywords：artificial"intelligence;"materials"science"and"engineering;?talent"cultivation;teaching"reform

2024年全國兩會上，《政府工作報告》提出，深化大數據、人工智能等研發應用，開展“人工智能+”行動，打造具有國際競爭力的數字產業集群。我國人工智能核心產業已形成覆蓋軟件、硬件、算法、數據等全產業鏈的創新企業，一些初創公司在大模型、人形機器人、腦科學等領域嶄露頭角，人工智能技術正深度嵌入信息技術、生物科技、材料科學等多個領域。如何培育具備人工智能素養的材料科學專業工程師，解決企業在人工智能時代發展轉型、產業升級中對人才的需求，是目前高等教育急需解決的現實問題。本文以山西電子科技學院為例，對人工智能賦能材料科學與工程專業教學提出了一些建議和改革探索。

1"將人工智能融入材料科學與工程專業教學的必要性

山西電子科技學院于2024年3月15日正式掛牌成立，其前身為山西師范大學現代文理學院，是全國第六所、山西省唯一的公辦電子科技類高校，學校以電子信息為辦學特色，以服務區域發展和地方產業振興為辦學的主要目標，是地方性、特色型理工類高校。材料科學與工程專業的建設是山西省幾所工科院校：太原理工大學、太原科技大學、中北大學的材料學科援建而成，已實現了金屬材料、功能材料與器件、納米材料為特色的專業特色，自2022年依托山西師范大學現代文理學院招生以來，已招生100余名學生，目前，課程的主要內容圍繞材料制備技術與方法研究、材料組織結構和成分研究、材料相關性能以及應用研究構建，課程體系較為完整。然而，目前教學內容仍側重傳統材料科學與工程的教學內容，教學模式沿用傳統的“板書+多媒體”模式，與人工智能的融合較少，無法滿足信息化時代對材料科學與工程專業人才的素質需求。目前，臨汾正加快實現“三個努力成為”，先后引進國內先進的互聯網龍頭企業，著力打造堯都、臨開、侯馬等3個數字產業園，我校亦與8家企業簽訂合作協議，地方政府的數字產業化、產業數字化步伐正在加快推進，更加需要人才、智力、創新的強力支撐，因此，材料科學與工程專業的教學改革是必要的，是迫切的，是時代發展和地區發展所需要的。

2"人工智能時代背景下材料科學與工程專業培養方案改革措施

2.1升級培養方案，構建人工智能賦能的課程體系

材料科學與工程專業的人才培養目標是培養學生能夠針對材料科學與工程領域的復雜工程問題，采用科學方法設計實驗、實施實驗，使用現代技術與工具提取實驗數據、基于工程原理分析與解釋實驗數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論，能夠基于材料工程相關背景知識進行合理分析評價材料工程解決方案。為了豐富學生在人工智能領域的認知，除材料科學基礎、材料分析方法、材料物理性能、材料化學性能等基礎課程外，可逐步引入材料科學領域人工智能的前沿內容，通過豐富材料科學領域與人工智能相關的研究工作，激發學生對“人工智能+材料科學領域”的興趣，鼓勵學生從事相關方向的科學探索。如：開設《人工智能+材料科學》《數據驅動的材料研究》等選修課程，系統介紹數據驅動、深度學習等對材料合成與發現、數據表征數據處理的發展。例如：上海交通大學在“數據驅動的材料創新基礎設施”方向引入了“材料基因”的概念，對數據采集和數據庫建設提出了標準化要求；美國SLAC國家加速器實驗室通過具體實例展示了人工智能帶給美國SLAC加速器在材料表征數據處理中的能力提升；美國威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程系在《機器學習在介觀尺度材料設計中的應用》方向開展了深入探討，解釋了機器學習模式在多晶界、微結構等復雜介觀體系中帶來的方法性變革，開啟了高效、高速、高精度材料模擬的可能；中科院物理所在“數據驅動的材料研究”方向，展示了自主開發的高通量計算軟件、海量數據庫及若干實例，改變了我國材料數據庫長期依賴國外產品的困境。未來材料科學發展要求我們通過人工智能等大數據方式，通過流程化、自動化的高通量計算和實驗積累原始數據，通過系統化的提取材料“結構-物性“之間的隱形聯系，形成材料篩選和預測機制，加速材料研發。將材料科學與信息化技術聯合，是一種方法上的創新，順應當前大科學、大數據、互聯網時代的科學研究潮流。發展材料大數據科學平臺，創造新材料科研手段，發明新方法和新工具，形成材料按需設計的研發方法，將會從深層次提高材料研發原始創新能力。除此之外，可開設《計算機在材料科學與工程中的應用》專業選修課，系統介紹材料科學研究中的數學模型和常用的數學建模方法，為學生從事相關科研領域探索構建學科基礎。教師應注重文獻與時政知識的積累，不斷補充和更新與該課程有關的前沿知識到教學素材庫。如在“緒論”部分，介紹材料基因方法在鋰電池材料、鈣鈦礦型光伏材料、熱電材料等一系列材料設計中的應用;在材料設計這一章中介紹第一性原理計算在新材料設計中的應用，展示高通量計算篩選新材料的強大功能，使學生了解材料科學的新興領域，深化“理論+實驗+計算”的材料設計理念，培養學生的科學興趣，提升學生綜合素養。

另外，根據材料類專業學生的知識背景和特點，建立系統的計算機課程計劃，在大一、大二年級開設《大學計算機基礎》《python編程入門》，在大三大四年級開設選修課如《機器學習》《人工智能導論》《大數據科學與技術導論》《互聯網思維》等課程，強化學生的計算機編程基礎。通過以上課程和課程實踐初步構建“人工智能+材料科學與工程”的課程群，以適用學生發展的要求以及新形勢下對材料科學與工程的人才培養的需求。

2.2"更新教學模式，構建人工智能賦能的教學模式

目前，我校材料科學與工程專業的理論教學與實踐教學主要采用傳統教學模式，主要使用黑板、多媒體等教具，課堂的內容以校內教師的講授為主，考試內容多采用試卷等方式，大作業、團隊合作等方式比較少，這種灌溉式的教育對學生的自主探索能力、團隊合作能力無法得到培養，企業導師和相關行業人才培養培訓相對較少。將人工智能和大數據技術在材料科學與工程專業課程體系的教學與實踐中得以應用，帶來新的智能化教學工具、形成新的教與學模式、促進教學評價方式與教學管理模式的創新。例如，可采用人工智能、虛擬現實（VR）等技術將一些危險性較大、成本高的實驗用VR等技術給學生展示，讓學生沉浸式體驗和參與實驗課程，可降低教學成本，避免一些安全隱患。鼓勵教師使用生成式人工智能工具備課，對學生進行個性化、專業化的問答輔導、試題輔助、備課輔助，有效提高教學質量和效率。

2.3"利用人工智能技術賦能課程體系構建，搭建豐富的材料科學與工程課程體系

借助生成式人工智能工具，以科研項目為教學基礎，構建線上平臺與線下課堂相互融合的教學環境，推動材料科學與工程教學模式的發展。例如，半導體材料作為電子信息材料的一種，因具有較寬的禁帶寬度和高的載流子遷移率成為了人們關注的熱點材料之一。在實驗教學中，我們通過水熱法制備了不同質量分數"Ag摻雜（0，"1%，"3%"，5%"，7%）的"MoS2"復合材料，采用"XRD、SEM、FT-IR、Raman和催化性能分析等手段對"Ag摻雜"MoS2"復合材料的晶體結構、微觀形貌、光譜性能和催化性能進行了測試與表征。結果表明，MoS2"復合材料對于可見光和紫外光的吸收能力增強，5%（質量分數）Ag摻雜的"MoS2"復合材料的吸收強度最高。Ag的摻雜顯著提高了"MoS2"的光催化活性，在光照120min時，5%（質量分數）Ag摻雜的"MoS2"復合材料對"RhB的降解效率達到了最大值92.79%，相比純"MoS2降解效率提高了129.74%，Ag摻雜MoS2"復合材料在光催化降解方面有著潛在的應用價值。通過人工智能工具，將實驗視頻、實驗原理等模擬模型將這些技術用于課堂展示中，減少學生實驗操作失誤，保證實驗過程安全。

2.4"利用人工智能技術賦能就業，構建材料科學與工程就業數據庫。

我國高等教育能力供給存在趨同化趨勢，各類院校貢獻最大的都是容易被替代的基礎認知能力，而創新創造等難以被AI替代的核心能力發展水平不僅起點低，而且增長緩慢。除此之外，在各項能力發展趨勢上，雖然我國大學生各項能力發展都呈現出上升趨勢，但是能力間增長態勢極不均衡，基礎認知能力增長最快，其次是技術應用能力，然后是社交協作和問題解決能力，創新創造能力增速最低。可借助人工智能技術整合行業、產業、企業、崗位等職場信息，為學生認識職場提供強大數據與案例支撐，補齊就業指導短板，對學生進行性格測試、特長分析、就業擇業指導，構建屬于本專業的就業數據庫，指導學生針對性選修相關課程，開展實習、投遞簡歷、面試等，對學生進行就業指導，發掘學生的個性和特點，對學生進行特色化專業化指導，整合在招生、培養、就業等各個環節的學生成績、獲獎情況等“硬”數據與個性特點、興趣愛好等“軟”數據，，進行綜合分析，推動“招生—培養—就業”的全方位聯動，有效反饋人才培養，推動高校人才培養與社會經濟發展需要精準適配。

結語

高等教育肩負著為國家和社會培養高端人才的使命，人工智能驅動的高等教育變革已成為全球趨勢，通過挖掘分析企業的人才需求特點，結合學校的定位特色和地方優勢，完善培養方案，豐富教學手段，構建材料科學與工程行業專家庫，學生就業數據庫，借助人工智能的優勢，打造全方位多角度一體化的工程師培養方案，為材料科學與工程專業領域人才培養構建堅實基礎。

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基金項目：山西省高等學校一般性教學改革創新立項項目“人工智能時代背景下材料科學與工程專業工程師的培養方案研究”（項目編號：J20231796）

作者簡介：喬迎晨（1993-），女，漢族，山西臨汾人，碩士，助教，研究方向：人工智能時代背景下材料科學與工程專業教學