“智能制造”背景下新工科人才的跨學科培養方法探索

何利華 倪敬

摘 要：摘 要：智能制造已經在全球范圍內成為了大趨勢。本文就“智能制造”背景下新工科人才的跨學科培養方法的探索與研究，分析了跨學科協同培養新工科人才的必要性以及國內外工科人才教育現狀，探討了新工科人才的跨學科協同培養方法，重點結合“任務驅動（項目+競賽）”的培養模式，將培養“機械+”交叉復合型新工科人才作為最終目標，逐漸形成機械與材料工程、機械與管理工程等全面發展與個性發展相結合的素質教育模式。

關鍵詞：智能制造;跨學科;新工科;人才培養

智能制造成為現代制造業發展的前沿技術，那么與之相適應的創新型拔尖人才培養必然需要加強，從而推動產業升級，提升國家核心競爭力，實現國家戰略目標。大學作為高等教育主要陣地，必須意識到在智能制造領域中，只有培養能同時滿足不同學科不同層次需求的人才，才能順應時代的發展。

一、跨學科協同培養新工科人才的必要性分析

（一）順應時代發展、符合國家戰略

新形勢下的國際經濟與制造業環境發生了變化，德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部于2013年推出了“工業4.0”，利用物聯信息系統將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，隨后被列入了《德國2020高技術戰略》，成為其中十大未來項目之一。日美在自身已有的強工業基礎之上相繼參與領銜“工業4.0”，繼而英、印、加、南非等國家也開始紛紛提出與“工業4.0”相對應的工業轉型戰略規劃。為此，我國也在自身內在需求（經濟發展、民生發展等）和外在動力（技術水平、產業結構調整等）的雙重推動下于2015年推出《中國制造2025》，把智能制造作為主攻方向，隨后國務院又于2017年實施《新一代人工智能發展規劃》，明確指出加快推進并實現智能制造[1]。

（二）應對我國新工科教育的改革

我國高等教育改革從2017年開始全面鋪開：加快推進“雙一流”建設，加強改進新形勢下高校思政教育，深化產教融合、課程體系、課堂教育等改革。工程教育作為連接高等教育和工業應用的最直接紐帶，已受到國家教育部的高度重視，改革理念包括提出新工科概念。相較于傳統的工科，新工科更加倡導與產業互通互融，與學科交叉相融，與創業互建體系，更加注重學生的家國情懷和全球視野。美國國家工程學會指出，未來的工科畢業生在立足具體知識和專業學科的基礎上，應具備較強的分析能力、發現問題能力、解決問題能力等。

因此，探索“智能制造”背景下新工科人才的跨學科培養，是我國工科教育應對新一輪科技革命和產業革命，落實“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等國家戰略，探索新時代下工程教育人才培養的“新模式”?？梢姡渲匾院捅匾圆谎远?。

二、國內外工科人才教育現狀分析

（一）國外工科教育相關研究

國外很早就在工科教育、工程教育等方面作了較為完善的研究。美國Michael Grubbs等從基礎教育及其形式的角度出發，提出將工程理論與實踐融入小學、初中、高中等基礎教育學科目錄，使學生在青少年階段就可以近距離感受更為真實和有意義的工程活動，培養現實工程批判思維能力[2]。隨著德國工業4.0的提出，墨西哥Ramirez-Mendoza提出了引導學生主動學習工程教育，顛覆傳統的被動式教育模式，以此來迅速應對環境的改變[3]。日本齊藤智樹也提出教育不必受學科的限制，特別強調體驗與實踐類教學可以培養學生解決實際問題的能力，而在當前我們正處于技術高度且快速變革的時代，由智能制造引出的工程教育改革問題必須在高等教育中得到體現[4]。

高等教育應該緊跟時代發展的腳步，利用技術與新型教學技術創新、測試新型教學方法來推動我國高等教育模式的轉變。新型教學模式應首先關注學生的學習過程，結合先進的教學技術，引導學生探索基于現實世界的活動，要求學生提出問題的解決方案，形成了如基于項目的學習（Project-Based Learning，PBL）和基于項目導向學習（Project-Oriented Learning，POL）的教育模式。Elias Pekkola等針對芬蘭教育體系展開研究，特別是國家發展策略、首都的地域優勢、國家產業導向對坦佩雷的工業發展起到了作用，繼而引導國家建立的高等教育院校（如坦佩雷大學）調整教學模式來適應當地的工業發展，服務當地的企業建設，達到協同增長的目的[5]。

（二）國內“新工科”相關研究

為主動應對《中國制造2025》的國家戰略，教育部從2017年2月開始積極推進“新工科”建設，形成了復旦共識、天大行動和北京指南。對此，國家高等教育工作者紛紛展開探討與實踐。天津大學校長鐘登華院士對于“新工科”的內涵提出了相應的見解，他認為當前卓越工程人才的培養應當繼往開來，順應時代的變化，以立德樹人為中心，交叉融合、協調共享[6]。李華等認為“新工科”可表述為“工科+”，即在工程教育中植入新理念、新模式、新技術等核心要素，使其更加符合科學發展規律并適應新經濟發展[6]。

此外，“新工科”帶來的工程教育反思必須正視教育發展路徑以及教育實踐案例。顧佩華從工程和工程教育發展的歷史視角出發，通過共同學習和相互借鑒，建立適應經濟發展的新工程教育范式，使工程教育隨科技和社會的進步產生新的釋義和理解，形成一種可傳承和漸變的工程教育范式[8]。

三、新工科人才的跨學科協同培養方法探索

探索“智能制造”背景下新工科人才的跨學科協同培養方法，應鼓勵學生走進實驗室團隊并勇于參與國家科研項目，重點結合“任務驅動（項目+競賽）”的培養模式，充分發揮我校學科優勢，將培養“機械+”交叉復合型新工科人才作為最終目標，逐漸形成機械與材料工程、機械與管理工程等全面發展與個性發展相結合的素質教育模式。本文主要圍繞新工科人才培養理念、方法、模式等三個方面的內容展開。

（一）新工科人才培養理念——“T”型人才

現代社會經濟發展僅靠單一的專業知識已不能適應現實對學生的要求。“T”型人才培養理念就是指工科學生不僅需要掌握本專業的科學技術基礎知識和工程專業技能，還要有一定的跨學科知識來解決復雜工程問題。為了實現這一培養理念，本文提出引入“綠色納米切削液的基礎應用與研究”項目，分別進行縱向（“”）和橫向（”）技能培養，一方面不斷深入學習機械工程領域理論基礎和技術技能，達到系統規劃、系統集成、系統優化等能力，另一方面還需學習適用于研究項目的化學、材料、管理等理論知識，在應對復雜工程問題時充分表現出自身的領導力、決斷力、創新力，提出系統的完全的解決方案。

（二）新工科人才培養方法——“PBL”教學法

PBL情景式教學法充分考慮現實問題或項目，與自身的學科知識和實踐能力相結合，團隊配合解決各種問題，使學生在探究、溝通、創新、協作過程中提升自我。本文擬圍繞引入的“綠色納米切削液的基礎應用與研究”項目，進一步開發出以問題Problem——“什么是綠色納米切削液”、項目Project——“實現高性能綠色納米切削液的方法”、產品Product——“配制一種高性能綠色納米切削液”為導向的P立方學習方法，培養學生主動探究和思考問題，能在大學階段有針對性、有目標性地學習、推理、思考，最終掌握和實現解決復雜工程問題的能力。

（三）新工科人才培養模式——“OBE”教育模式

OBE（Outcomes-based Education）教育模式重點評價學生的學習產出，圍繞“預期定義—過程實現—結果評價”這條主線展開。本文基于擬引入的“綠色納米切削液的基礎應用與研究”項目，要求首先清楚定義能力產出概念，充分結合學校各項學生項目申報、競賽安排，層層分解，從項目和競賽中提煉出新工科人才培養所應具備的能力要求;之后依據學生已掌握的學習能力來“反向設計”課程內容和教學方法，以適應新工科人才培養要求，將相應的能力導入各課程體系，增強學生在課程體系中繼續發揮優勢，實現與學生預期產出相匹配的學習效果，最終達到無縫對接。

四、結語

發展新型交叉學科，培養復合型人才，要求我們必須在“智能制造”背景下，在機械學科的基礎上，融合材料工程、掌握電子信息工程、自動控制工程、計算機工程和工業工程等多領域學科，同時包括數學、物理、化學等基礎科學，還將引入云計算和大數據，結合虛擬現實、人工智能等技術。“智能制造”在不斷推進我國制造業技術向更高端更先進的方向前行，高校作為新工科人才培養的主要基地，更應聚焦智能制造領域，在學科集成、能力創新等方面順應時代的發展，探索出一套多學科交叉融合的復合型人才培養方法。

參考文獻：

[1]陽曉偉，閉明雄.德國制造業科技創新體系及其對中國的啟示[J].技術經濟與管理研究，2019（05）：32-36.

[2]Michael Grubbs，Greg Strimel，Tanner Huffman.Engineering Education：A Clear Content Base for Standards[J].The Technology and Engineering Teacher，2018，4：32-28.

[3]Ricardo A.Ramírez-Mendoza，Lorena Cruz-Matus，Elisa Vázquez，et al.Towards a Disruptive Active Learning Engineering Education[J].2018：1251-1258.

[4]李婷.工程科學知識進化機制初探[D].哈爾濱工業大學，2018.

[5]Francisco Ortega-Colomer，Elias Pekkola，Tuomo Heinonen.Role of engineering education in the transition of industry：central steering or local resilience[J].2018：231-247.

[6]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

[7]李華，胡娜，游振聲.新工科：形態、內涵與方向[J].高等工程教育研究，2017，（04）：16-19.

[8]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑[J].高等工程教育研究，2017，（6）：1-13.

基金項目：杭州電子科技大學高等教育教學改革研究項目（YBJG201921）;浙江省自然科學基金探索項目Q（LQ20E050012）

作者簡介：何利華（1987— ），男，漢族，浙江杭州人，博士研究生，講師，從事綠色納米液滴的表界面演化及動力學研究、高等教育研究。