人工智能工具在高校材料學(xué)專業(yè)中的應(yīng)用研究

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.20.001

Research on the Application of Artificial Intelligence Tools in Materials Science Majors in Universities

QI Lun

（School of Materials Science and Engineering， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039）

Abstract This study explores the current application status and innovative application methods of artificial intelligence tools inthe teaching ofmaterialssciencemajors inuniversities.Withtherapiddevelopmentof artificial intellgence，itsapplication in the field of materials science is becoming increasingly widespread，which not only promote innovation in material design and manufacturing，but also provides new ideas for the innovation of teaching methods. The article takes the artificial inteligence tools DeepSeek and ChatGPTas the research objects，and explores the technical path of building interdisiplinary fusion learning basedon artificial intellgence tools by systematically analyzing thecurrent application practice of artificial intelligence in materials sience majors in universities.The research aims to achieve a deep integration of artificial intelligence and professional knowledge systems，forming innovative educational and teaching models.

Keywordsartificial intelligence tools;materials science major; ChatGPT

人工智能工具自2022年起，在智能問答、創(chuàng)意創(chuàng)作及專業(yè)知識檢索等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。美國OpenAI研究實驗室率先發(fā)布基于語言模型的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)Chat-GPT，谷歌隨即宣布推出“APPrenticeBard\"平臺，我國也相繼推出DeepSeek、文心一言等智能系統(tǒng)1。由于人工智能在教育領(lǐng)域展現(xiàn)出智能問答、快速檢索和個性化學(xué)習(xí)推薦等輔助教學(xué)功能，眾多先進(jìn)的人工智能技術(shù)開始被高等教育與科研工作者廣泛采用[2-3]。

人工智能工具在高等教育中的應(yīng)用日益深化，為教育領(lǐng)域的教學(xué)改革帶來新的契機。相較于早期的人工智能技術(shù)，新一代人工智能技術(shù)憑借其顯著提升專業(yè)檢索速度、代碼編譯和內(nèi)容創(chuàng)作的能力，通過深化人機交互維度、拓展信息交互邊界，構(gòu)建智能化的知識服務(wù)體系。以O(shè)penAI開發(fā)的ChatGPT為例，該系統(tǒng)不僅可根據(jù)用戶需求生成高質(zhì)量文本、創(chuàng)意文案，還支持跨平臺信息檢索與整合，這種強大的智能輔助能力既為教師的科研創(chuàng)新提供了數(shù)據(jù)支撐，又為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了個性化發(fā)展條件。人工智能憑借其獨特的智能交互優(yōu)勢，正在成為教育領(lǐng)域最具革新潛力的前沿技術(shù)方向之一[4。

與此相對應(yīng)的是，傳統(tǒng)教學(xué)難以支撐學(xué)生高效完成理論知識的獲取、理解與轉(zhuǎn)化應(yīng)用。材料學(xué)專業(yè)特有的多學(xué)科交叉特性，涉及物理、化學(xué)、工程等領(lǐng)域，進(jìn)一步增加了學(xué)習(xí)的復(fù)雜程度。當(dāng)前，專業(yè)教學(xué)的核心挑戰(zhàn)在于如何科學(xué)運用人工智能工具。在這個AI時代，教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力，使他們避免成為人工智能技術(shù)的“傳聲筒\"和“復(fù)印機”。

綜上所述，本文以人工智能工具DeepSeek和ChatGPT為典型案例，系統(tǒng)研究其在高校材料學(xué)專業(yè)教學(xué)中的實踐應(yīng)用。文章重點聚焦于分析新型人工智能技術(shù)在教學(xué)場景中的功能，探索AI賦能下提升專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的方法；研究人工智能技術(shù)技術(shù)支持多學(xué)科交叉融合學(xué)習(xí)的路徑，旨在為高校材料學(xué)專業(yè)師生構(gòu)建人工智能工具的科學(xué)應(yīng)用框架，為智能教育創(chuàng)新提供借鑒。

1人工智能工具在教育教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

人工智能技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用正加速向縱深發(fā)展。學(xué)生對人工智能工具的應(yīng)用深度伴隨技術(shù)迭代呈現(xiàn)螺旋式上升態(tài)勢。這種發(fā)展態(tài)勢深刻改變了教育形態(tài)，從傳統(tǒng)教學(xué)模式中的“教師一學(xué)生”二元互動，向“教師一AI一人工智能\"三元協(xié)同轉(zhuǎn)型，由此催生出教學(xué)范式、科研路徑及人才培養(yǎng)體系的系統(tǒng)性變革。

1.1人工智能工具在教學(xué)中的運用情況

人工智能技術(shù)在材料學(xué)實驗?zāi)M與仿真領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著賦能效應(yīng)。傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式高度依賴實驗試錯，而伴隨著計算機科學(xué)的突破性進(jìn)展，專業(yè)仿真工具已構(gòu)建起較為完善的材料性能預(yù)測體系。以ANSYS和COMSOL為代表的材料性能仿真軟件，通過構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，不僅可以精準(zhǔn)預(yù)測材料的性能，還能輔助研究者優(yōu)化實驗方案，顯著提升研究效能[5。這種“仿真先行”的范式革新具有雙重價值：其一，面對大量實驗數(shù)據(jù)，智能算法能快速提取關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)對信息的高效凝練；其二，人工智能技術(shù)通過虛擬實驗預(yù)演，既降低了資源消耗，又確保了實驗過程的可復(fù)現(xiàn)性，為定量研究建立了可靠基準(zhǔn)。

人工智能技術(shù)不僅重塑了知識獲取路徑，還推動了教育模式的革新。以材料學(xué)為例，人工智能技術(shù)可通過深度挖掘?qū)嶒灁?shù)據(jù)，精準(zhǔn)構(gòu)建材料性能預(yù)測模型，為復(fù)雜工況下的材料設(shè)計提供量化依據(jù)。這種技術(shù)賦能使教師得以突破傳統(tǒng)實驗范式，既顯著壓縮了實驗時間成本與經(jīng)濟(jì)成本，又提升了操作的安全性和方案的靈活性，由此構(gòu)建了理論與實踐的雙向賦能機制。值得注意的是，在多學(xué)科耦合場景的應(yīng)用中，仍存在系統(tǒng)整合難度大、協(xié)同效率低等瓶頸問題，這要求教育工作者不斷創(chuàng)新教學(xué)方法，探索人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)教研深度融合的路徑。

1.2人工智能工具在個性化學(xué)習(xí)方面的運用情況

以往對于專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生通常通過課堂聽講和網(wǎng)絡(luò)搜索等傳統(tǒng)路徑，存在顯著的效率瓶頸。高等教育階段特有的自主學(xué)習(xí)時間，為智能技術(shù)的介入創(chuàng)造了理想場景。通過學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)可動態(tài)生成個性化學(xué)習(xí)方案，有效突破傳統(tǒng)模式的時空限制。此外，當(dāng)前各類網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺還可依據(jù)學(xué)生的專業(yè)方向、學(xué)習(xí)目標(biāo)及已修課程，智能匹配適合的進(jìn)階或跨學(xué)科課程，幫助學(xué)生構(gòu)建更加完善的知識體系。

新一代人工智能工具正在重塑個性化學(xué)習(xí)方法。以DeepSeek和ChatGPT為代表的智能平臺，通過持續(xù)追蹤用戶學(xué)習(xí)興趣和檢索內(nèi)容等行為的數(shù)據(jù)，可形成對用戶學(xué)習(xí)習(xí)慣和方向的精準(zhǔn)認(rèn)知，通過構(gòu)建場景化學(xué)習(xí)模塊，顯著提升用戶的知識獲取效率。當(dāng)前學(xué)生對人工智能技術(shù)的掌握程度已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)教育體系的技術(shù)融合深度，但由于現(xiàn)行教學(xué)方法尚未建立與智能工具的協(xié)同機制，人工智能在學(xué)情分析、資源適配等環(huán)節(jié)的潛力未能充分釋放，客觀上制約了教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

1.3人工智能工具在教學(xué)方法上的運用情況

材料學(xué)科在智能化教學(xué)轉(zhuǎn)型方面也面臨多重挑戰(zhàn)。以實踐教學(xué)環(huán)節(jié)為例，當(dāng)前人工智能工具的應(yīng)用多停留在淺層知識服務(wù)層面，學(xué)生僅將DeepSeek、ChatGPT等智能系統(tǒng)作為術(shù)語解釋工具，使其淪為電子詞典般的“知識復(fù)讀機”。即便在仿真實驗場景中，人工智能技術(shù)也常被局限于參數(shù)計算、文獻(xiàn)檢索等輔助性功能，未能深度參與實驗設(shè)計環(huán)節(jié)。這種工具使用的表面化現(xiàn)象，在教學(xué)評估領(lǐng)域同樣存在，本質(zhì)上反映了人工智能技術(shù)與教育本質(zhì)融合的不足。

材料科學(xué)研究高度依賴復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，客觀上要求教學(xué)系統(tǒng)須建立有效的效果反饋機制。然而，當(dāng)前的教學(xué)創(chuàng)新面臨結(jié)構(gòu)性矛盾，人工智能工具、理論框架與實踐技能的深度融合方法尚未形成，導(dǎo)致材料學(xué)教育在維持理論深度與實踐效度之間顧此失彼。為了突破這一難點，一方面亟須教師通過跨學(xué)科協(xié)作構(gòu)建“理論一工具一實踐”三位一體的教學(xué)新范式；另一方面，教師應(yīng)不斷創(chuàng)新開發(fā)基于人工智能技術(shù)的沉浸式實驗系統(tǒng)和智能評估模型，使技術(shù)工具真正轉(zhuǎn)化為教學(xué)賦能手段，形成適應(yīng)智能時代的新型教學(xué)模式。

2人工智能工具提升教學(xué)效果的路徑探索

人工智能是一把雙刃劍，當(dāng)智能工具以全天候知識服務(wù)的姿態(tài)融入高校場景時，其不僅構(gòu)建了虛實融合的新型學(xué)習(xí)生態(tài)，還解構(gòu)了傳統(tǒng)教育模式的時空邊界。人工智能工具帶給高校師生教與學(xué)便利的同時，也為高校教育帶來了不小的沖擊和挑戰(zhàn)，如何基于人工智能工具輔助專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，加強學(xué)生與教師間的溝通進(jìn)而提升學(xué)生獲取知識的能力，成為當(dāng)下教育教學(xué)中的重點課題。

2.1增強人工智能輔助設(shè)計

人工智能工具在教育科研場景中的角色定位具有明確邊界，其核心價值在于輔助性賦能而非替代性執(zhí)行。以數(shù)據(jù)處理任務(wù)為例，當(dāng)涉及復(fù)雜建模運算或?qū)I(yè)工具操作（如Exce1函數(shù)嵌套）時，單純依賴語言處理的生成式人工智能難以保證任務(wù)的完成度。研究實踐表明，通過ChatGPT與MATLAB/Python等專業(yè)工具的集成化應(yīng)用，或開發(fā)API接口實現(xiàn)與科研計算平臺的深度耦合，可有效突破單一工具的效能瓶頸，形成“智能中樞 +^- 專業(yè)工具\"的協(xié)同工作模式，在一定程度上提升人工智能技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用效能。

以筆者在各類多組分材料建模的過程為例，將所有填料粒子的坐標(biāo)，根據(jù)ChatGPT推薦的公式代碼進(jìn)行修改，并由MATLAB生成，再根據(jù)隨機分布公式生成坐標(biāo)，并傳輸至COMSOL仿真軟件中，即可實現(xiàn)多粒子形狀的隨機建立。該技術(shù)路徑展現(xiàn)出三大教學(xué)價值：其一，人工智能技術(shù)驅(qū)動的代碼生成顯著降低了編程門檻，使材料學(xué)專業(yè)學(xué)生能專注于對物理機制的探索；其二，通過構(gòu)建MAT-LAB-COMSOL數(shù)據(jù)通道，直觀展示了多軟件協(xié)同的研究方法；其三，模塊化流程設(shè)計為學(xué)生提供了可復(fù)現(xiàn)的研究框架，有效支撐計算材料學(xué)課程的實踐環(huán)節(jié)。為此，合理使用人工智能工具，建立多個算法軟件之間的聯(lián)系，可為材料學(xué)科的教育教學(xué)提供強大支持。

2.2提升人工智能、教師和學(xué)生之間的聯(lián)系

教育哲學(xué)家杜威指出，每個人的活動會因同伴而修改和調(diào)整。這一論斷揭示了人際協(xié)作對教育過程的關(guān)鍵價值。在高校材料學(xué)教育領(lǐng)域，教師一學(xué)生、學(xué)生一學(xué)生的認(rèn)知碰撞不僅可以深化學(xué)生對知識的理解，還構(gòu)建出了多維度的育人空間。然而，人工智能工具的普及正在重塑學(xué)習(xí)行為模式，當(dāng)技術(shù)終端成為首選答疑對象，專業(yè)教育特有的“教師一學(xué)生”知識傳承模式被逐漸弱化。材料學(xué)作為理論抽象與實驗探索深度耦合的學(xué)科，尤其需要導(dǎo)師的針對性指導(dǎo)以及與同學(xué)的思維碰撞。若學(xué)生過度依賴人工智能技術(shù)，可能導(dǎo)致教師失去對學(xué)生認(rèn)知節(jié)奏的精準(zhǔn)把握，難以捕捉學(xué)生創(chuàng)新思維的亮點。

新型人工智能技術(shù)為高校材料學(xué)教育創(chuàng)新開辟了新維度。教師先通過構(gòu)建人工智能技術(shù)驅(qū)動的虛擬研討平臺，便于學(xué)生基于材料工程等前沿議題開展探究式學(xué)習(xí)，智能系統(tǒng)即時提供文獻(xiàn)支撐和模擬驗證；隨后引入材料設(shè)計案例，要求學(xué)生在人工智能工具的幫助下完成配方優(yōu)化一性能設(shè)計，在實驗室中進(jìn)行測試一工藝驗證，并利用De-epSeek快速統(tǒng)計和獲取學(xué)生對知識的掌握程度。這種“人工智能一教師一學(xué)生\"的模式不僅保留了教育的人文溫度，還將人工智能算力的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展的推力。

2.3改進(jìn)教育教學(xué)方法

材料科學(xué)的知識體系具有嚴(yán)密的邏輯演進(jìn)特征，其認(rèn)知建構(gòu)遵循“基礎(chǔ)一專業(yè)一前沿”的遞進(jìn)規(guī)律。然而，以ChatGPT和DeepSeek為代表的生成式人工智能雖具備語義解析能力，但其知識輸出呈現(xiàn)典型的離散化特征，這與學(xué)科認(rèn)知的連續(xù)性需求形成矛盾。對于正處于知識體系構(gòu)建關(guān)鍵階段的大學(xué)生而言，長期依賴此類碎片化知識源，可能影響其全面、深入理解能力的形成。

人工智能作為教育變革的催化劑，其角色定位必須清晰，教師始終是認(rèn)知航程的舵手，技術(shù)工具只是拓展學(xué)習(xí)可能性的輔助裝備。教師應(yīng)構(gòu)建“人工智能一教師一學(xué)生”協(xié)同的新型教學(xué)模式。一方面引導(dǎo)學(xué)生通過人工智能工具開展探究式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其解決復(fù)雜工程問題的能力；另一方面運用智能系統(tǒng)實時更新工業(yè)案例庫，構(gòu)建多解思維訓(xùn)練場景，擺脫傳統(tǒng)“單一正確答案\"的教育思路。這種教育轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在于建立技術(shù)工具的批判性使用機制，使人工智能工具既成為認(rèn)知延伸的利器，又不僭越教育的人文本質(zhì)，成為教育教學(xué)轉(zhuǎn)變的又一重要方向。

3結(jié)語

本文基于高校材料學(xué)等理工科專業(yè)知識的特點，分析了人工智能工具在材料專業(yè)教育教學(xué)方法上的應(yīng)用情況和應(yīng)用難點，提出了人工智能工具提升教育教學(xué)效果的方法，分析了新型人工智能工具在材料學(xué)科方面的進(jìn)一步發(fā)展方向和案例，并提出改進(jìn)措施。此外，還探索了ChatGPT在計算和程序編譯方面的創(chuàng)新性應(yīng)用，強調(diào)了教育過程中以學(xué)生為主體的重要性，這些探索為推動人工智能工具在高校材料學(xué)專業(yè)教學(xué)中的發(fā)展提供了一定的參考。

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