《材料信息學(xué)導(dǎo)論》課程開設(shè)的初步探討

雷毅敏

摘要：隨著材料科學(xué)的發(fā)展和因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，材料信息的數(shù)據(jù)量非常龐雜，由此產(chǎn)生了一門新興的交叉學(xué)科，即材料信息學(xué)。材料信息學(xué)涉及到海量材料科學(xué)數(shù)據(jù)的管理、篩選、運(yùn)用，并最終實(shí)現(xiàn)材料信息的資源共享和知識(shí)創(chuàng)新、材料科研效率的大幅提升以及新材料研發(fā)的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本的大幅降低。材料信息學(xué)的發(fā)展有利于解決材料科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，順應(yīng)了當(dāng)代材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)。然而，材料信息學(xué)的發(fā)展需要面臨很多問(wèn)題，如何通過(guò)開設(shè)基礎(chǔ)課程來(lái)加快信息學(xué)人才的培養(yǎng)是關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文將從材料科學(xué)材料信息學(xué)導(dǎo)論課程的開展展開討論，探索材料信息學(xué)導(dǎo)論課程在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方式方面的構(gòu)想，對(duì)未來(lái)材料相關(guān)專業(yè)開設(shè)本課程提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：材料信息學(xué)導(dǎo)論;材料科學(xué);課程開設(shè)

1、引言

隨著新材料、新技術(shù)、新工藝和新方法的不斷出現(xiàn)，材料信息的數(shù)據(jù)量越來(lái)越龐雜。在現(xiàn)如今的新材料研發(fā)過(guò)程中，如何最大限度地從已有的海量數(shù)據(jù)中高效、快速、準(zhǔn)確的挖掘有價(jià)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(jìn)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(xué)的發(fā)展對(duì)中國(guó)的材料科學(xué)研究具有重要的意義。

材料信息學(xué)的發(fā)展需要復(fù)合型人才，要求對(duì)材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)都比較熟悉。目前材料信息學(xué)發(fā)展的最大障礙就是材料信息學(xué)專業(yè)人才匱乏，必須加快我國(guó)材料信息學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)。在此，可以建議高等院校材料院系開設(shè)材料信息學(xué)相關(guān)課程，爭(zhēng)取在材料信息學(xué)人才培養(yǎng)方面發(fā)揮更加積極的作用。在現(xiàn)有基礎(chǔ)和條件下，考慮到材料信息學(xué)的交叉性和應(yīng)用性的特點(diǎn)，開設(shè)該領(lǐng)域課程是需要很多新舉措和創(chuàng)新手段的。對(duì)于如何在課程教學(xué)過(guò)程中最大化的培養(yǎng)學(xué)生的材料信息學(xué)素養(yǎng)是需要不斷探索和逐步完善的。

2、《材料信息學(xué)導(dǎo)論》課程的定位和教學(xué)目的

這門課程定位“導(dǎo)論”，是希望通過(guò)這門課的講授讓學(xué)生建立起材料信息學(xué)的基本概念，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的材料學(xué)向材料信息化的認(rèn)知過(guò)渡。相比傳統(tǒng)的材料學(xué)教學(xué)，《材料信息學(xué)導(dǎo)論》更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的材料的工程應(yīng)用特點(diǎn)以及對(duì)材料分類和性能的體系性認(rèn)知，其教學(xué)重點(diǎn)有別于某類材料的具體性能、微觀結(jié)構(gòu)、表征分析等。另外，由于材料信息學(xué)和信息技術(shù)交叉的特點(diǎn)，在課程教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該強(qiáng)調(diào)使用材料數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)的材料選擇軟件，但不涉及數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)搭建和軟件編程技術(shù)。

對(duì)于材料專業(yè)學(xué)生，本課程的教學(xué)目的在于幫助學(xué)生理解材料科學(xué)在實(shí)際工程中是如何實(shí)現(xiàn)信息化應(yīng)用的，并建立“設(shè)計(jì)為導(dǎo)向”的材料工程學(xué)認(rèn)知。對(duì)于非材料專業(yè)其他工程類專業(yè)的學(xué)生，本課程的教學(xué)目的在于幫助學(xué)生如何從成為一名合格工程師的角度，學(xué)會(huì)利用材料數(shù)據(jù)庫(kù)軟件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的材料選擇。

3、《材料信息學(xué)》課程的開設(shè)思路

開設(shè)《材料信息學(xué)導(dǎo)論》課程，首先必須讓學(xué)生明確這門課程的材料信息學(xué)的研究對(duì)象就是材料信息。在材料科學(xué)研究和工程中的使用包括材料信息的產(chǎn)生、信息的獲取、信息的存儲(chǔ)與顯示、信息的傳遞、信息的利用、信息的轉(zhuǎn)化、知識(shí)的產(chǎn)生、新信息的產(chǎn)生等幾個(gè)階段。課程的研究?jī)?nèi)容可以從八個(gè)方面展開：（1）材料信息的形成機(jī)理、類型及特征;（2）材料信息的表征、標(biāo)準(zhǔn)化和共享;（3）材料信息的存儲(chǔ)、管理和利用;（4）材料信息的關(guān)聯(lián)性理論;（5）材料信息的可視化;（6）材料信息的知識(shí)挖掘;（7）材料信息學(xué)應(yīng)用研究;（8）材料數(shù)字化科研協(xié)作環(huán)境的搭建。在對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行展開講解的過(guò)程中，要時(shí)刻對(duì)比傳統(tǒng)材料學(xué)課程的內(nèi)容，讓學(xué)生真正理解和掌握材料信息學(xué)的基本理論和內(nèi)涵。

4、《材料信息學(xué)》課程的教學(xué)手段

材料信息學(xué)一經(jīng)提出，在材料學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了巨大的凡響。國(guó)外紛紛建立專門研究機(jī)構(gòu)開展研究。美國(guó)和歐洲在材料信息學(xué)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在組合材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，許多機(jī)構(gòu)開始建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)輔助材料設(shè)計(jì)和材料組合設(shè)計(jì)，并致力于材料信息學(xué)方面的研究。Symyx技術(shù)公司開發(fā)了進(jìn)行材料組合和測(cè)試的儀器設(shè)備（Symyx Tools）及用于實(shí)驗(yàn)管理，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取、存儲(chǔ)和分析的軟件（Symyx Software）。Accelrys公司旗下的軟件產(chǎn)品 Materials Studio 是Accelrys專為材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的可運(yùn)行于 PC 機(jī)上的新一代材料計(jì)算軟件，其中 MS Matinformatics是 Materials Studio 軟件中的一組材料信息學(xué)產(chǎn)品，用于對(duì)組合材料數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。另外劍橋大學(xué)M. Ashby教授牽頭的GRANTA公司的CES EDUPACK材料信息學(xué)教學(xué)軟件，也是一個(gè)集數(shù)據(jù)庫(kù)和材料設(shè)計(jì)為一體的軟件平臺(tái)。因此，在本課程的授課過(guò)程除了講授部分，還可以增設(shè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生使用如CES EDUPACK之類較成熟的軟件，幫助學(xué)生快速領(lǐng)悟材料信息學(xué)的研究?jī)?nèi)容，并迅速掌握材料設(shè)計(jì)的基本思路。

5、總結(jié)

材料信息學(xué)是材料科學(xué)認(rèn)知與信息化技術(shù)相融合的一門交叉學(xué)科，也是伴隨著信息技術(shù)發(fā)展而興起的新型學(xué)科。材料信息學(xué)導(dǎo)論課程的開設(shè)的最終目標(biāo)培養(yǎng)一批具有材料信息學(xué)素養(yǎng)的材料科研工作者，讓他們一方面更快捷的借助龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)研發(fā)出更豐富種類的新材料，另一方面可以讓大大節(jié)省研發(fā)材料的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]材料信息學(xué)基礎(chǔ)及材料信息學(xué)平臺(tái)工程應(yīng)用研究[D]. 魏群義，重慶大學(xué)， 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