人工智能驅(qū)動的工科精品課程建設(shè)與實踐創(chuàng)新

摘 要：高校作為科技、人才與創(chuàng)新的交匯點，擁有豐富的教學(xué)科研經(jīng)驗和強(qiáng)大的理論技術(shù)支撐，為工科專業(yè)與人工智能技術(shù)的融合提供了良好環(huán)境。材料專業(yè)的“固體物理”課程在此背景下進(jìn)行了一系列創(chuàng)新改革，利用人工智能技術(shù)對教學(xué)資源進(jìn)行高效整合，構(gòu)建以“固體物理”為核心的知識圖譜，并搭建了連接知識點、思政元素及應(yīng)用案例的橋梁；建立實時更新的課程案例庫，涵蓋知識點、思政元素及應(yīng)用案例。同時，利用機(jī)器學(xué)習(xí)對數(shù)十年來的教學(xué)資料進(jìn)行深入分析，準(zhǔn)確把握學(xué)情變化、學(xué)生需求及知識點掌握程度，為課程改革提供科學(xué)指導(dǎo)；利用人工智能教育平臺和技術(shù)，深入分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，形成“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的教學(xué)改革模式。這一系列舉措有效促進(jìn)了課程和教材的規(guī)范化建設(shè)，提升了材料專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量，展現(xiàn)了人工智能在高等教育改革中的巨大潛力與價值，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)人才奠定了堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：固體物理；課程改革；人工智能技術(shù)；知識圖譜；機(jī)器學(xué)習(xí)；學(xué)情分析

一、概述

人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展給教育帶來了巨大的變革，利用人工智能技術(shù)改革教學(xué)方法、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式是提高教育質(zhì)量的重要手段。國家高度重視人工智能發(fā)展，實施了一系列推動教育與人工智能深度融合、發(fā)展的舉措。這一變革對材料科學(xué)與工程專業(yè)課程教學(xué)提出了新的更高的要求。

首先，由于材料專業(yè)的特殊性和前沿性，人工智能對材料研發(fā)具有巨大的推動作用，從加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的AI指導(dǎo)的機(jī)器人實驗室ALab，到英國利物浦大學(xué)研發(fā)的能夠在短時間內(nèi)自主設(shè)計化學(xué)反應(yīng)路線并完成大量實驗的先進(jìn)機(jī)器人，人工智能正在為材料研發(fā)帶來革命性的變革。作為教師和科研工作者，我們須厘清人工智能在輔助材料研究中的核心作用，確保課程內(nèi)容與時俱進(jìn)。此外，作為一線專業(yè)教師，從教學(xué)改革的角度，應(yīng)積極運用人工智能技術(shù)及先進(jìn)的教育教學(xué)手段，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，切實提高課堂教學(xué)的質(zhì)量和效率。這不僅是當(dāng)前材料科學(xué)與工程專業(yè)課程教學(xué)改革及精品課建設(shè)的重點，也是我們培養(yǎng)新時代材料科學(xué)人才的關(guān)鍵所在。

“固體物理”是材料專業(yè)重要的?？苹A(chǔ)課程，隨著學(xué)科交叉和融合，固體物理學(xué)不僅是物理學(xué)的一個重要分支，也已成為材料科學(xué)、電子材料與技術(shù)等領(lǐng)域的重要理論基礎(chǔ)之一。熱、力、光、電、磁等先進(jìn)功能材料的研發(fā)都離不開固體物理的基礎(chǔ)知識。因此，“固體物理”課程建設(shè)關(guān)系到材料等學(xué)科的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

目前，“固體物理”課程建設(shè)的難點主要集中在以下幾個問題。首先，“固體物理”課程涉及大量物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，而目前出版的很多經(jīng)典教材涉及較為艱深的理論方法和公式推導(dǎo)，對于非物理專業(yè)學(xué)生來說，理解難度較大，因而需要有更適合材料工科學(xué)生學(xué)習(xí)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源輔助學(xué)生理解和學(xué)習(xí)。其次，固體物理知識與材料研究關(guān)系緊密，對于材料相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來說，引入實際應(yīng)用案例更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也便于知識的理解，而之前這方面的工作強(qiáng)烈依賴教師經(jīng)驗。缺乏系統(tǒng)而全面的案例庫，是建設(shè)“固體物理”精品課急需解決的問題。再次，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式是學(xué)生聽、教師講，師生溝通少，學(xué)生的學(xué)習(xí)困惑也得不到及時的反饋，教師不能夠全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況以及學(xué)習(xí)需求，這使得教學(xué)缺乏個性化和因材施教。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行的課程改革內(nèi)容不夠精準(zhǔn)，缺乏針對性，效果不夠理想，因此需要更有效的學(xué)情分析方法來輔助教師及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)。

高校是科技第一生產(chǎn)力、人才第一資源和創(chuàng)新第一動力的結(jié)合點，有經(jīng)驗豐富的教學(xué)和科研團(tuán)隊，有強(qiáng)大的理論和技術(shù)支持，創(chuàng)新意識強(qiáng)；高校工科專業(yè)傳授知識緊跟科技前沿，易于與人工智能技術(shù)找到很好的切入點；學(xué)生接受新事物快，對各種人工智能技術(shù)接受度高，有利于各種人工智能輔助教學(xué)手段的開展。借助人工智能輔助手段，我們針對上述問題對材料專業(yè)“固體物理”課程進(jìn)行了一系列卓有成效的課程改革。一方面，我們利用先進(jìn)人工智能對已有的教學(xué)資源進(jìn)行了整合，構(gòu)建以“固體物理”為核心向其他專業(yè)課及實際應(yīng)用輻射的知識圖譜，整合本課程優(yōu)質(zhì)的教學(xué)案例，搭建知識點與思政元素和應(yīng)用案例的橋梁。另一方面，我們利用機(jī)器學(xué)習(xí)對數(shù)十年來“固體物理”課程教學(xué)資料進(jìn)行系統(tǒng)的分析，摸清學(xué)情變化及學(xué)生需求變化和對知識點的掌握程度。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)課程改革初見成效。

二、人工智能賦能教學(xué)資源優(yōu)化

精品課程的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源構(gòu)建主要集中在兩個方面。一方面，知識圖譜的構(gòu)建，“固體物理”課程已有MOOC課程，如何將MOOC等電子資源更加合理有效地利用是關(guān)鍵，在人工智能的輔助下，知識圖譜的構(gòu)建有利于打破知識壁壘，使整個課程的知識點貫通，也方便與其他課程的知識點做更好銜接。另一方面，利用人工智能輔助課程案例庫建設(shè)和管理，對課程案例進(jìn)行篩選、整理和優(yōu)化，方便教師規(guī)范化使用及學(xué)生自主學(xué)習(xí)，有利于提高教學(xué)效果。

（一）個性化知識圖譜的構(gòu)建

“固體物理”基于知識圖譜的AI+課程的設(shè)計思路是：在“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維下重新梳理課程的教學(xué)內(nèi)容，圍繞課程主線，包括宏觀介紹、重要定理、主要公式推導(dǎo)過程、精要講解的知識點，將豐富多彩的多媒體教學(xué)資料插入相關(guān)知識點附近，包括彩圖、動畫、視頻、應(yīng)用案例和程序、習(xí)題庫、知識點講解。有針對性地設(shè)計不同的數(shù)字資源：（1）理論知識，對于比較抽象的重要定理輔以彩圖、動畫的形式給予直觀的展示；（2）一般公式推導(dǎo)過程，本課程相關(guān)的量子力學(xué)等知識，通過電子資源進(jìn)行補(bǔ)充，有助于學(xué)生拓展學(xué)習(xí)；（3）理論和應(yīng)用案例配合相關(guān)計算軟件或以視頻方式呈現(xiàn)，例如，在能帶理論部分，加入第一性原理計算金屬的能帶及電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，再配合具體應(yīng)用案例，使學(xué)生充分了解學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的重要性以及如何應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識分析問題。將知識圖譜的AI+課程和在線開放課程的建設(shè)納入一體，充分將人工智能教學(xué)工具與“固體物理”課程內(nèi)容有機(jī)融合，提高教學(xué)質(zhì)量。

在知識圖譜的構(gòu)建中，注重梳理知識結(jié)構(gòu)和知識點的擴(kuò)充，以“固體物理”課程知識點為核心，挖掘本課程知識點與其他專業(yè)課程知識點之間的聯(lián)系，打通知識點的“上下游”，配合應(yīng)用案例，打造基于目標(biāo)導(dǎo)向、面向?qū)嶋H應(yīng)用的適合工科課程的知識圖譜，將專業(yè)課與案例結(jié)合，夯實基礎(chǔ)，培養(yǎng)能力?！肮腆w物理”課程知識點與其他專業(yè)課知識點聯(lián)系緊密，下圖中給出了以“固體物理”課程中“絕熱近似”“單電子近似”為核心知識的知識圖譜，其中涵蓋“量子力學(xué)”“計算材料學(xué)”等專業(yè)課內(nèi)容，該知識點是進(jìn)行能帶計算的基礎(chǔ)，進(jìn)一步可延伸至能帶計算舉例，而案例又涉及“功能材料學(xué)”和“能源轉(zhuǎn)換材料”等相關(guān)專業(yè)課程。構(gòu)建跨課程甚至跨學(xué)科的知識圖譜，有助于學(xué)生構(gòu)建掌握完整的知識脈絡(luò)，結(jié)合實際案例，加深對理論知識的理解，真正做到目標(biāo)導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，符合工科人才能力素質(zhì)培養(yǎng)要求，真正學(xué)以致用。

以《固體物理》中“絕熱近似、單電子近似”為核心知識點的知識圖譜示意圖

（二）人工智能輔助案例庫的建立及管理

在“固體物理”課程長期授課的過程中，授課教師憑借多年從事科研和教學(xué)工作的經(jīng)驗，已經(jīng)積累了大量的課程案例，內(nèi)容涵蓋“固體物理”在磁、熱、光、電等新型功能材料設(shè)計和工業(yè)應(yīng)用方面的典型案例。建立課程案例庫電子資源，將案例錄入在線課程資源庫，學(xué)生學(xué)習(xí)不受時間空間限制，一方面，可以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；另一方面，課程結(jié)束后仍可隨時查看相關(guān)案例，在學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計和研究時，遇到相關(guān)問題可隨時查找，使教學(xué)更具有延續(xù)性。從教師隊伍培養(yǎng)的角度，以往案例輸出的效果絕大部分取決于授課教師的學(xué)術(shù)水平和專業(yè)經(jīng)驗，為了讓年輕教師隊伍快速成長，有必要將典型案例進(jìn)行梳理，嚴(yán)格把控案例的搜集、整理、呈現(xiàn)和審核及維護(hù)流程。豐富的、規(guī)范化的教學(xué)資源的建立有利于提高教師的教學(xué)效果。

利用先進(jìn)的信息及人工智能技術(shù)，對案例進(jìn)行搜索、匯總和篩選。借助數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過各類大數(shù)據(jù)模型平臺從大量的相關(guān)文獻(xiàn)和資料中選取合適的案例。案例篩選條件如下：（1）難易適中，符合現(xiàn)階段學(xué)生知識水平；（2）案例來源于權(quán)威期刊或書籍，具有代表性；（3）關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，與理論知識聯(lián)系緊密，反映具體的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生能通過案例加深對知識點理解；（4）有重要的應(yīng)用背景，重點選擇關(guān)乎國家安全、人民福祉的重要科學(xué)、工程問題；（5）關(guān)注具有思政元素的課程案例。

案例篩選后要對案例進(jìn)行總結(jié)、歸納和加工，按知識點和具體涉及材料將案例分類，建立檔案，提取案例中形象化的圖片、視頻，對于難懂的理論和機(jī)理進(jìn)行解釋，配以圖片和動畫，進(jìn)一步補(bǔ)充和當(dāng)前案例相關(guān)的背景知識或可用來舉一反三的專業(yè)知識。案例庫更貼近生產(chǎn)生活，更直觀、具體，便于理解和加深印象。將案例和知識點融合，并入知識圖譜，將案例層次化，分為支持單一知識點案例和支持多個知識點案例，注意學(xué)科交叉，對案例中出現(xiàn)的其他課程、學(xué)科知識進(jìn)行必要的補(bǔ)充。在此基礎(chǔ)上，力求將思政元素自然融入課堂教學(xué)，避免植入式的生搬硬套。

例如，教師在講授《晶體衍射》這一章節(jié)的布拉格方程的知識點時，會介紹布拉格方程是布拉格父子在研究晶體的X射線衍射時提出的，引入布拉格先生的學(xué)生中國科學(xué)家余瑞璜先生在X光晶體學(xué)方面的研究，1938年余瑞璜先生回國，研制出中國第一個連續(xù)抽空X光管和X光結(jié)構(gòu)分析儀，取得了一系列卓越科學(xué)成果，他在《自然》雜志上發(fā)表名為《從X光衍射相對強(qiáng)度測定絕對強(qiáng)度》的文章，是利用X光解決材料學(xué)問題的基礎(chǔ)，將課堂知識蘊含在思政中，有助于加深記憶，將思政蘊含在知識點中，更能使學(xué)生有所觸動。最后利用人工智能篩選與該知識點最相關(guān)的應(yīng)用案例，體現(xiàn)掌握晶體衍射相關(guān)知識對材料設(shè)計的重要作用。

應(yīng)用案例方面，選擇金剛石表面鍍鈦的實際應(yīng)用，依據(jù)案例篩選原則，從研究背景上來說，該研究屬于國家及行業(yè)的重大需求，在航空航天、電子設(shè)備等精密制造領(lǐng)域，對零部件的精度和表面質(zhì)量有極高的要求，鍍鈦金剛石涂層能夠提供極低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的表面質(zhì)量，有助于實現(xiàn)高精度的加工和制造，具有重要的研究價值。該部分內(nèi)容與課程內(nèi)容結(jié)合緊密，金剛石結(jié)構(gòu)是典型的具有面心立方點對稱性和滑移面微觀對稱性的復(fù)式晶格，金剛石晶體的衍射消光規(guī)律除了滿足面心立方晶體的系統(tǒng)消光條件外，還附加了微觀對稱操作引起的額外結(jié)構(gòu)消光，通過對比鍍鈦后金剛石表面X射線衍射結(jié)果，比較衍射峰的位置、強(qiáng)度和形狀等信息，分析鍍鈦金剛石表面的結(jié)構(gòu)特征，專注是否出現(xiàn)了新的衍射峰，這些新峰可能對應(yīng)于鈦鍍層與金剛石基體之間形成的化合物相。這些信息對于優(yōu)化鍍層工藝、提高鍍層與金剛石基體的結(jié)合力以及開發(fā)具高性能新型金剛石復(fù)合材料具有重要意義。

確定知識點、思政元素、應(yīng)用案例等關(guān)鍵詞，例如上面的例子：選擇關(guān)鍵詞：晶體衍射、布拉格方程、X射線衍射分析、余瑞璜、金剛石、精密制造，融入知識圖譜和案例庫，使教師備課易查找，學(xué)生便于搜索拓展學(xué)習(xí)。由此，將傳統(tǒng)的授課內(nèi)容劃分為知識點、思政元素和應(yīng)用案例，經(jīng)過加工優(yōu)化后再結(jié)合成一個有機(jī)的整體。

三、人工智能助力學(xué)情分析

教師掌握學(xué)生信息有助于課堂教學(xué)活動、內(nèi)容的精準(zhǔn)把控，全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，能夠給予學(xué)生更有針對性的指導(dǎo)?！肮腆w物理”課程一直是本專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，在授課的十余年間，積累了豐富、完善的教學(xué)資料，包括學(xué)生情況、教師教案、學(xué)生及督導(dǎo)教學(xué)反饋情況和學(xué)生課堂筆記、平時作業(yè)試卷、課程報告及期中試卷和期末試卷，從這些寶貴資料中進(jìn)行深入挖掘可獲得關(guān)鍵學(xué)情動態(tài)。

教研組成員將這些教學(xué)資料進(jìn)行整理，提取課程重難點、考核知識點、學(xué)生對知識點掌握程度等重要信息，建立學(xué)情數(shù)據(jù)庫。以學(xué)生需求為核心、學(xué)習(xí)效果為目標(biāo)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，處理缺失值和異常值，從出席情況、隨堂測試成績、期末卷面答題情況中提取特征值，通過監(jiān)督學(xué)習(xí)分析，使用回歸模型預(yù)測學(xué)生的期末成績或知識點的掌握程度，以了解不同屆學(xué)生的整體學(xué)習(xí)水平；采用無監(jiān)督學(xué)習(xí)分析，使用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘分析知識點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以了解哪些知識點容易被掌握或者遺漏。圍繞學(xué)生知識體系的變化、學(xué)習(xí)目標(biāo)需求的變化和對知識點掌握程度等要素的全面剖析，一方面找到影響學(xué)生本課程學(xué)習(xí)效果的重要因素，為課程改革提供依據(jù)；另一方面可以全面掌握近十余年來的學(xué)情變化，給出學(xué)生學(xué)習(xí)需求的變化趨勢，為新一輪課程內(nèi)容、課程設(shè)計提供方向。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，近年來學(xué)生普遍更加關(guān)注與實際生產(chǎn)生活連接緊密的應(yīng)用問題。特別隨著材料計算在材料研究領(lǐng)域作用日益凸顯，學(xué)生對于能帶結(jié)構(gòu)計算等內(nèi)容興趣濃厚。基于此，筆者在編寫《固體物理》研究生教材中首次加入了密度泛函理論的內(nèi)容，該內(nèi)容將能帶理論和新材料設(shè)計緊密連接起來。在研究中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，學(xué)生對一些包含數(shù)學(xué)或物理公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)理論知識掌握程度下降，針對這一問題，教師在課堂教學(xué)上做了改進(jìn)，一方面在教學(xué)上側(cè)重物理知識的邏輯性，另一方面涉及相關(guān)數(shù)學(xué)及量子力學(xué)知識在課堂中予以適當(dāng)補(bǔ)充。

在整合過往數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，我們在課程體系中恰當(dāng)?shù)厝谌肓苏{(diào)查問卷，并有效利用雨課堂這一平臺促進(jìn)課堂互動。積極鼓勵學(xué)生通過雨課堂即時反饋課堂學(xué)習(xí)體驗，同時系統(tǒng)性地收集并分析學(xué)生在該平臺上的出勤率、互動參與度、隨堂測驗成績及整體學(xué)習(xí)表現(xiàn)等多維度數(shù)據(jù)。這一舉措使我們能夠?qū)崟r洞察學(xué)生對各知識點的掌握情況，從而靈活調(diào)整教學(xué)策略，確保教學(xué)方案的有效性與針對性。為了更深入地理解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況及其動態(tài)變化，我們進(jìn)行了細(xì)致的學(xué)情調(diào)查與持續(xù)追蹤，把握了本專業(yè)學(xué)生中的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，還為后續(xù)新形態(tài)教材的研發(fā)提供了寶貴的實證依據(jù)。最終，我們提出了一套規(guī)范化的“固體物理”課程教學(xué)設(shè)計方案，旨在不斷優(yōu)化教學(xué)流程，提升教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)語

利用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，以“固體物理”課程為核心，構(gòu)建本專業(yè)知識圖譜；建立從知識點到思政元素和應(yīng)用案例的實時更新的課程案例庫；利用以往教學(xué)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，充分利用各種人工智能教育平臺和技術(shù)，摸索學(xué)生學(xué)情的變化規(guī)律和影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵因素，以“數(shù)據(jù)驅(qū)動”教學(xué)改革，促進(jìn)課程和教材規(guī)范化建設(shè)，提升本專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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基金項目：本文系2022年黑龍江省研究生省精品課建設(shè)項目（“固體物理”課程）；2022年黑龍江省教育改革項目（項目編號：230E20）支持項目

作者簡介：鄭曉航（1983— ），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)博士，教授，從事新能源材料的設(shè)計及應(yīng)用工作；趙瑜（1985— ），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)博士，研究員，從事氧化物功能薄膜設(shè)計與應(yīng)用工作。

*通信作者：費維棟（1962— ），男，漢族，吉林吉林人，工學(xué)博士，教授，從事功能材料研究工作。