人工智能驅動的工科精品課程建設與實踐創新

摘 要：高校作為科技、人才與創新的交匯點，擁有豐富的教學科研經驗和強大的理論技術支撐，為工科專業與人工智能技術的融合提供了良好環境。材料專業的“固體物理”課程在此背景下進行了一系列創新改革，利用人工智能技術對教學資源進行高效整合，構建以“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、思政元素及應用案例。同時，利用機器學習對數十年來的教學資料進行深入分析，準確把握學情變化、學生需求及知識點掌握程度，為課程改革提供科學指導；利用人工智能教育平臺和技術，深入分析學生學習情況，形成“數據驅動”的教學改革模式。這一系列舉措有效促進了課程和教材的規范化建設，提升了材料專業的人才培養質量，展現了人工智能在高等教育改革中的巨大潛力與價值，為培養具有創新精神和實踐能力的高素質人才奠定了堅實基礎。

關鍵詞：固體物理；課程改革；人工智能技術；知識圖譜；機器學習；學情分析

一、概述

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

首先，由于材料專業的特殊性和前沿性，人工智能對材料研發具有巨大的推動作用，從加州大學伯克利分校開發的AI指導的機器人實驗室ALab，到英國利物浦大學研發的能夠在短時間內自主設計化學反應路線并完成大量實驗的先進機器人，人工智能正在為材料研發帶來革命性的變革。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，確保課程內容與時俱進。此外，作為一線專業教師，從教學改革的角度，應積極運用人工智能技術及先進的教育教學手段，以學生學習為中心，切實提高課堂教學的質量和效率。這不僅是當前材料科學與工程專業課程教學改革及精品課建設的重點，也是我們培養新時代材料科學人才的關鍵所在。

“固體物理”是材料專業重要的?？苹A課程，隨著學科交叉和融合，固體物理學不僅是物理學的一個重要分支，也已成為材料科學、電子材料與技術等領域的重要理論基礎之一。熱、力、光、電、磁等先進功能材料的研發都離不開固體物理的基礎知識。因此，“固體物理”課程建設關系到材料等學科的人才培養質量。

目前，“固體物理”課程建設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、數學基礎知識，而目前出版的很多經典教材涉及較為艱深的理論方法和公式推導，對于非物理專業學生來說，理解難度較大，因而需要有更適合材料工科學生學習的優質教學資源輔助學生理解和學習。其次，固體物理知識與材料研究關系緊密，對于材料相關專業的學生來說，引入實際應用案例更有利于激發學生的學習興趣，也便于知識的理解，而之前這方面的工作強烈依賴教師經驗。缺乏系統而全面的案例庫，是建設“固體物理”精品課急需解決的問題。再次，傳統的課堂教學模式是學生聽、教師講，師生溝通少，學生的學習困惑也得不到及時的反饋，教師不能夠全面了解學生的學習情況以及學習需求，這使得教學缺乏個性化和因材施教。在此基礎上，進行的課程改革內容不夠精準，缺乏針對性，效果不夠理想，因此需要更有效的學情分析方法來輔助教師及時掌握學生的學習動態。

高校是科技第一生產力、人才第一資源和創新第一動力的結合點，有經驗豐富的教學和科研團隊，有強大的理論和技術支持，創新意識強；高校工科專業傳授知識緊跟科技前沿，易于與人工智能技術找到很好的切入點；學生接受新事物快，對各種人工智能技術接受度高，有利于各種人工智能輔助教學手段的開展。借助人工智能輔助手段，我們針對上述問題對材料專業“固體物理”課程進行了一系列卓有成效的課程改革。一方面，我們利用先進人工智能對已有的教學資源進行了整合，構建以“固體物理”為核心向其他專業課及實際應用輻射的知識圖譜，整合本課程優質的教學案例，搭建知識點與思政元素和應用案例的橋梁。另一方面，我們利用機器學習對數十年來“固體物理”課程教學資料進行系統的分析，摸清學情變化及學生需求變化和對知識點的掌握程度。在此基礎上，指導課程改革初見成效。

二、人工智能賦能教學資源優化

精品課程的優質教學資源構建主要集中在兩個方面。一方面，知識圖譜的構建，“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鍵，在人工智能的輔助下，知識圖譜的構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和管理，對課程案例進行篩選、整理和優化，方便教師規范化使用及學生自主學習，有利于提高教學效果。

（一）個性化知識圖譜的構建

“固體物理”基于知識圖譜的AI+課程的設計思路是：在“互聯網+”的思維下重新梳理課程的教學內容，圍繞課程主線，包括宏觀介紹、重要定理、主要公式推導過程、精要講解的知識點，將豐富多彩的多媒體教學資料插入相關知識點附近，包括彩圖、動畫、視頻、應用案例和程序、習題庫、知識點講解。有針對性地設計不同的數字資源：（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）一般公式推導過程，本課程相關的量子力學等知識，通過電子資源進行補充，有助于學生拓展學習；（3）理論和應用案例配合相關計算軟件或以視頻方式呈現，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構的內容，再配合具體應用案例，使學生充分了解學習基礎知識的重要性以及如何應用基礎理論知識分析問題。將知識圖譜的AI+課程和在線開放課程的建設納入一體，充分將人工智能教學工具與“固體物理”課程內容有機融合，提高教學質量。

在知識圖譜的構建中，注重梳理知識結構和知識點的擴充，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課程知識點之間的聯系，打通知識點的“上下游”，配合應用案例，打造基于目標導向、面向實際應用的適合工科課程的知識圖譜，將專業課與案例結合，夯實基礎，培養能力?！肮腆w物理”課程知識點與其他專業課知識點聯系緊密，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”“計算材料學”等專業課內容，該知識點是進行能帶計算的基礎，進一步可延伸至能帶計算舉例，而案例又涉及“功能材料學”和“能源轉換材料”等相關專業課程。構建跨課程甚至跨學科的知識圖譜，有助于學生構建掌握完整的知識脈絡，結合實際案例，加深對理論知識的理解，真正做到目標導向培養學生分析問題、解決問題的能力，符合工科人才能力素質培養要求，真正學以致用。

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工作的經驗，已經積累了大量的課程案例，內容涵蓋“固體物理”在磁、熱、光、電等新型功能材料設計和工業應用方面的典型案例。建立課程案例庫電子資源，將案例錄入在線課程資源庫，學生學習不受時間空間限制，一方面，可以引導學生自主學習；另一方面，課程結束后仍可隨時查看相關案例，在學生做畢業設計和研究時，遇到相關問題可隨時查找，使教學更具有延續性。從教師隊伍培養的角度，以往案例輸出的效果絕大部分取決于授課教師的學術水平和專業經驗，為了讓年輕教師隊伍快速成長，有必要將典型案例進行梳理，嚴格把控案例的搜集、整理、呈現和審核及維護流程。豐富的、規范化的教學資源的建立有利于提高教師的教學效果。

利用先進的信息及人工智能技術，對案例進行搜索、匯總和篩選。借助數據挖掘、機器學習技術，通過各類大數據模型平臺從大量的相關文獻和資料中選取合適的案例。案例篩選條件如下：（1）難易適中，符合現階段學生知識水平；（2）案例來源于權威期刊或書籍，具有代表性；（3）關聯性強，與理論知識聯系緊密，反映具體的教學內容，學生能通過案例加深對知識點理解；（4）有重要的應用背景，重點選擇關乎國家安全、人民福祉的重要科學、工程問題；（5）關注具有思政元素的課程案例。

案例篩選后要對案例進行總結、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理進行解釋，配以圖片和動畫，進一步補充和當前案例相關的背景知識或可用來舉一反三的專業知識。案例庫更貼近生產生活，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，注意學科交叉，對案例中出現的其他課程、學科知識進行必要的補充。在此基礎上，力求將思政元素自然融入課堂教學，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生中國科學家余瑞璜先生在X光晶體學方面的研究，1938年余瑞璜先生回國，研制出中國第一個連續抽空X光管和X光結構分析儀，取得了一系列卓越科學成果，他在《自然》雜志上發表名為《從X光衍射相對強度測定絕對強度》的文章，是利用X光解決材料學問題的基礎，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，更能使學生有所觸動。最后利用人工智能篩選與該知識點最相關的應用案例，體現掌握晶體衍射相關知識對材料設計的重要作用。

應用案例方面，選擇金剛石表面鍍鈦的實際應用，依據案例篩選原則，從研究背景上來說，該研究屬于國家及行業的重大需求，在航空航天、電子設備等精密制造領域，對零部件的精度和表面質量有極高的要求，鍍鈦金剛石涂層能夠提供極低的摩擦系數和優異的表面質量，有助于實現高精度的加工和制造，具有重要的研究價值。該部分內容與課程內容結合緊密，金剛石結構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式晶格，金剛石晶體的衍射消光規律除了滿足面心立方晶體的系統消光條件外，還附加了微觀對稱操作引起的額外結構消光，通過對比鍍鈦后金剛石表面X射線衍射結果，比較衍射峰的位置、強度和形狀等信息，分析鍍鈦金剛石表面的結構特征，專注是否出現了新的衍射峰，這些新峰可能對應于鈦鍍層與金剛石基體之間形成的化合物相。這些信息對于優化鍍層工藝、提高鍍層與金剛石基體的結合力以及開發具高性能新型金剛石復合材料具有重要意義。

確定知識點、思政元素、應用案例等關鍵詞，例如上面的例子：選擇關鍵詞：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，學生便于搜索拓展學習。由此，將傳統的授課內容劃分為知識點、思政元素和應用案例，經過加工優化后再結合成一個有機的整體。

三、人工智能助力學情分析

教師掌握學生信息有助于課堂教學活動、內容的精準把控，全面了解學生的學習需求和學生的學習情況，能夠給予學生更有針對性的指導。“固體物理”課程一直是本專業基礎核心課程，在授課的十余年間，積累了豐富、完善的教學資料，包括學生情況、教師教案、學生及督導教學反饋情況和學生課堂筆記、平時作業試卷、課程報告及期中試卷和期末試卷，從這些寶貴資料中進行深入挖掘可獲得關鍵學情動態。

教研組成員將這些教學資料進行整理，提取課程重難點、考核知識點、學生對知識點掌握程度等重要信息，建立學情數據庫。以學生需求為核心、學習效果為目標，對數據進行清洗，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，通過監督學習分析，使用回歸模型預測學生的期末成績或知識點的掌握程度，以了解不同屆學生的整體學習水平；采用無監督學習分析，使用關聯規則挖掘分析知識點之間的關聯關系，以了解哪些知識點容易被掌握或者遺漏。圍繞學生知識體系的變化、學習目標需求的變化和對知識點掌握程度等要素的全面剖析，一方面找到影響學生本課程學習效果的重要因素，為課程改革提供依據；另一方面可以全面掌握近十余年來的學情變化，給出學生學習需求的變化趨勢，為新一輪課程內容、課程設計提供方向。

經研究發現，近年來學生普遍更加關注與實際生產生活連接緊密的應用問題。特別隨著材料計算在材料研究領域作用日益凸顯，學生對于能帶結構計算等內容興趣濃厚。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容，該內容將能帶理論和新材料設計緊密連接起來。在研究中也發現了一些問題，學生對一些包含數學或物理公式推導的基礎理論知識掌握程度下降，針對這一問題，教師在課堂教學上做了改進，一方面在教學上側重物理知識的邏輯性，另一方面涉及相關數學及量子力學知識在課堂中予以適當補充。

在整合過往數據資料的基礎上，我們在課程體系中恰當地融入了調查問卷，并有效利用雨課堂這一平臺促進課堂互動。積極鼓勵學生通過雨課堂即時反饋課堂學習體驗，同時系統性地收集并分析學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習表現等多維度數據。這一舉措使我們能夠實時洞察學生對各知識點的掌握情況，從而靈活調整教學策略，確保教學方案的有效性與針對性。為了更深入地理解學生的學習狀況及其動態變化，我們進行了細致的學情調查與持續追蹤，把握了本專業學生中的學習現狀，還為后續新形態教材的研發提供了寶貴的實證依據。最終，我們提出了一套規范化的“固體物理”課程教學設計方案，旨在不斷優化教學流程，提升教學質量。

結語

利用先進的人工智能技術，以“固體物理”課程為核心，構建本專業知識圖譜；建立從知識點到思政元素和應用案例的實時更新的課程案例庫；利用以往教學資料進行數據分析，通過機器學習，充分利用各種人工智能教育平臺和技術，摸索學生學情的變化規律和影響學生學習效果的關鍵因素，以“數據驅動”教學改革，促進課程和教材規范化建設，提升本專業的人才培養質量。

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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，工學博士，教授，從事新能源材料的設計及應用工作；趙瑜（1985— ），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，工學博士，研究員，從事氧化物功能薄膜設計與應用工作。

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