機械工程領域中的學科交叉現象及主題特征研究——基于1024篇博士學位論文的分析

齊小林 王素梅

專題研究

機械工程領域中的學科交叉現象及主題特征研究——基于1024篇博士學位論文的分析

齊小林 王素梅

探索博士學位論文的學科交叉現象，對于全面洞察學科知識領域內的交叉與融合問題具有重要意義。基于2017—2021年我國1024篇機械工程一級學科博士學位論文中的學科交叉與主題識別的分析，研究發現：機械工程博士學位論文融合傳統機械與新興領域視野；高校學科交叉的地域特征鮮明，學科特色顯著；基礎研究與應用研究結合緊密；學科交叉幅度相對穩定，研究領域主題多元。未來要不斷發揮學科交叉融合的優勢，擴展以機械學科為主在其他學科的應用，形成以交叉融合為特征的機械學科布局體系。

學科交叉；博士學位論文；機械工程；博士生教育

學科交叉研究對于人們取得科學技術原創性成果和突破性進展意義重大。現代科學技術的重大突破，新的學科生長點的產生，往往是在不同學科彼此交叉和相互滲透的過程中形成的。尤其在異質性凸出的工程技術領域，通過單一學科范疇的知識難以解決復雜性和綜合性問題，更需要通過打破學科界限，統合學科知識，在不斷融合與集成的過程中推進科學知識體系的完善與發展。而在學科交叉過程中，關鍵在于，應純粹根據問題的需要在各學科、領域之間，采取綜合性、整體性的視角分析和解決問題[1]。筆者通過分析機械工程領域博士學位論文主題，試圖從一個方面探究機械工程領域學科交叉現狀及主題特征。

一、相關文獻綜述

從哥倫比亞大學心理學家伍德沃斯（R.S. Woodworth）1926年首次提出學科交叉（Interdisciplinary）起，學科交叉被廣泛研究，同時，因其充滿靈活性和不確定性特點，具有多種不同的交叉形式[2-4]。以諾貝爾獎為例，諾貝爾獎得主的代表性論文通常具有顯著的學科交叉特質。如1999年諾貝爾化學獎得主Zewail，使用光學手段，通過機械集成的方式，研究了化學反應中鍵的斷裂與生成，開創了超快激光研究物理化學中超快現象的先河。2017年的諾貝爾化學獎，授予研發冷凍電鏡的三位物理學家，獎勵他們對生物成像領域的突出貢獻。由此可以看出，學科交叉對學科領域知識的影響深遠。學科作為同源學科間思想輸出的貢獻者，也在更多地吸納和借鑒同源學科的知識[5]，而正是不同學科知識在各領域的引用和傳播有效促進了新知識的生成[6]，挖掘學科間潛在共性主題與新生主題[7]，能夠助力新的學科生長。

學科知識領域內的交叉現象呈現了不同的特點。如物理、化學、生理學或醫學領域仍囿于本學科知識，較少借鑒其他學科知識[8]；而材料工程、電氣/信息工程和化學工程與物理、化學通常有著密切的聯系，此類學科內部的知識流入/流出表現得更活躍。正如A.L. Porter等研究發現的，科學確實正在變得更加跨學科，但只是小步前進，小步地從鄰近領域借鑒，僅適度地增加與遙遠認知領域的聯系[9]。學科交叉程度與領域內的研究內容與特點有關[10]，同時，往往具有鮮明的地域特性，與地區經濟發展狀況密切相關，不同地區之間學科交叉的側重點存在顯著差異[11-12]。然而，現有研究大都基于期刊論文、參考文獻等數據來源揭示領域內學科交叉現象及特點[13]，從機械工程領域來探究學科交叉的研究還較少，并且缺乏研究主題與學科交叉的關注。博士學位論文作為研究生培養階段最具代表性、完整性和總結性的成果，展現了科研領域前沿研究的發展趨勢，通過博士學位論文分析學科交叉的現狀與特點，對促進工科研究生培養具有重要意義。鑒于此，本研究以機械工程學科博士學位論文為研究對象，以涉及其他一級學科知識和技能作為觀測標準，采用學科數、學科覆蓋大類數等指標衡量2017—2021年博士學位論文成果，展現我國機械工程學科博士學位論文學科交叉的基本情況和發展趨勢，整體把握該學科領域內部的共性和特性，以期為學科領域內交叉學科設置和研究生培養成效提供實證依據。

二、研究設計

學科交叉是以研究問題為出發點的科學研究活動[14]，以知識疊加為基礎的資源聚散過程[15]，本研究中的學科交叉是指集成和融合了國務院學位委員會和教育部頒布的《研究生教育學科專業目錄（2022年）》中兩個或兩個以上一級學科領域內的專業知識領域的信息、數據、技術、工具、視角、概念或者理論，以解決單一學科領域內無法解決的問題而進行的科學研究過程。

1.數據來源與樣本信息

本研究中所采集的數據主要來自中國知網（CNKI）博士學位論文全文數據庫，按照“學科專業名稱：機械工程”、中圖分類號等檢索要求，時間范圍選取2017—2021年，共搜索到博士學位論文36683篇，在綜合考慮時間、地域和學校層次等因素的前提下，采用隨機抽樣的方式，選取全國擁有機械工程一級學科博士學位授權點的48所高校的學位論文題目、摘要和關鍵詞等信息，共抽樣1055個，剔除無效樣本后共獲得有效樣本1024個，采集樣本的基本信息包括學位授予單位、授予時間、研究題目、摘要、關鍵詞、分類號等。需要說明的是，部分博士學位論文由于保密或其他原因并未公開，在樣本采集數量、時間、地域和辦學層次上還是出現了一定程度的樣本非均衡問題。

2.研究設計

本研究依照《研究生教育學科專業目錄（2022年）》學科分類，運用數理統計和LDA模型相結合的方法，對機械工程領域博士學位論文所涉及的學科數量、學科交叉頻次、論文研究主題等進行統計和技術識別，嘗試從多維度探索機械工程學科領域內學科交叉現象與領域研究主題的特征。LDA（Latent Dirichlet Allocation）是一種基于貝葉斯思想的主題概率生成模型，廣泛用于文本主題分類，文本關鍵詞等場景。

三、結果分析

1.基于LDA模型進行技術主題識別分析

本研究選取主題一致性指標衡量LDA模型效果，利用Word2Vec計算主題一致性程度（InnerSim）并確定最優主題數，經過多次LDA模型聚類，對自定義詞和停用詞表多次迭代和規范化處理，計算得出最優主題數為27個，并根據LDA模型聚類得到文檔—主題，主題—詞項的概率分布矩陣，按照每個主題下各詞匯概率分布高低排序，在結合論文研究內容、回顧相關文獻、參考專家意見后，選取前7位最相關詞匯進行人工主題標識（見表1）。

根據識別結果可以看出，傳統機械領域仍占據主導地位，但會圍繞領域內的研究熱點進行多元化和系統化的擴展。機械設計、加工工藝、性能優化仍是機械領域研究的重點。在擴展方面，以機械設計為核心，通過機電系統集成，實現人—機—電一體化的共融機器人及無人駕駛；以加工工藝為核心，從加工工具的優化，到復雜表面結構—功能一體化的實現；以性能優化為核心，從有限元仿真到高端裝備性能優化，不斷融入新材料、新技術、新方法、新工藝，實現機械制造在各領域的應用拓展。

2.基于博士學位論文的學科交叉頻次分析

經統計發現，機械工程學科博士學位論文研究內容共涉及34個一級學科，與其他一級學科交叉頻次占比依次為：力學（47.8%）、計算機科學與工程（28.2%）、材料科學與工程（20.9%）、控制科學與工程（20.0%）、物理（7.0%）、光學工程（5.7%）、動力工程（4.3%），而生物學、醫學、統計學及其他所涉學科占比10%。博士學位論文研究內容涉及單一學科的94篇，涉及2個一級學科的461篇，涉及3個一級學科的308篇，涉及4個一級學科的102篇，涉及5個以上一級學科的59篇。

表1 機械工程博士學位論文主題—詞項分布

注：*標識不明確主題。

從統計結果看，力學、計算機科學與技術、材料等學科交叉的頻次較高。這主要源于力學作為機械工程的理論基礎，高新技術領域的核心是信息技術，計算機作為一種輔助技術，基于知識建模、數值模擬、擬合重構等技術應用，與機械工程學科交叉頻次超過了材料、控制、動力等學科，僅次于力學，表明機械學科與信息技術領域的深度交叉融合趨勢不斷增強。新工業革命的基礎仍然是新能源和新材料，越來越多的新的表征手段、新材料出現為新知識創造了更多可能性，成為機械制造過程中所應用的新的工藝材料。控制學科是新機器系統建模，系統性能整體、適應性的反映，系統性占據絕對優勢，也是新機器系統交叉、互聯的明確體現。

3.基于地域維度的學科交叉情況分析

按照我國地理分區，將采集樣本高校所在的省域劃分為東北、華北、華中、華東、華南、西南和西北7個地區。經統計發現，不同地區高校學科交叉模式呈現不同特點：西北、東北地區高校博士學位論文呈現相近學科領域知識內的交叉居多，華南、華東地區高校博士學位論文多學科交叉融合特征顯著，融合了更多較遠學科領域內的知識。高校博士學位論文在單科研究中以西北地區占比最高，為18.18%，東北地區次之；博士學位論文涉及2個學科的在西北、東北兩地區占比分別為57.28%和50.37%，西南地區次之，占比47.96%，華北、華中地區涉及2個學科的占比分別為42.81%和40.52%；而從整體看，涉及3個以上學科領域知識的博士學位論文，在華南、華中、華北、華東四地區均超過50%，華南占比超過60%；華北、華東兩地區中運用其他學科交叉數在4個以上的博士學位論文占到25%以上。

由以上數據分析可知，地區經濟發展狀況、海外高層次人才就業流向、先進儀器設備集中，以及國家對基礎研究的經費投入傾斜等方面均是影響地區高校博士學位論文研究方向的重要因素。高新技術產業集群密集，科研資金充裕，科研實力雄厚，科研機構集中為學科交叉研究發展提供了良好的平臺，而高校特色優勢學科的多寡又直接影響了學科交叉的內容及形式。此外，獨特的歷史文化及地理環境鑄就了優勢學科的高校特色，如北京理工大學的車輛與智能交通、哈爾濱工業大學的機器人、福州大學的船舶與海洋機械、蘭州交通大學的軌道交通、桂林電子科技大學的腦控與機器學習等都保持了鮮明的學科特色，而這也成為不斷推進學科建設的原動力。

4.基于時間維度的學科交叉情況分析

從時間維度看，博士學位論文運用其他學科數量（以下統稱“學科交叉數”）為2的論文在近5年內總體呈現平穩的態勢，學科交叉數為3的論文數量隨著時間變化呈現不斷上升的趨勢，2021年同比增長16.3%，學科交叉數量在4及以上的論文數量從2019年開始保持平穩。2020年，博士學位論文多學科交叉程度則出現遞減現象，同比下降71.2%。這部分源于學科發展過程中會不斷融合其他學科的知識，經過一段時期后會達到一定程度的“成熟”和“飽和”，學科領域內的知識會有吸收、細化和延伸的過程，短期內運用更多其他領域學科知識的就會出現逐漸減少的情況，部分可能源于新冠疫情下科研條件的改變，科研工作變得不可持續，科學研究僅限于開展部分相對基礎的研究工作，跨學科的學術合作減少等因素均影響博士學位論文多學科間的交叉融合。

5.基于單一研究與多科研究的論文成果分析

選取發表學術論文數量及論文影響因子（impact factor）對博士學位論文中的成果進行對比分析，結果發現，屬多學科研究內容的博士學位論文作者在讀博期間發表成果數量及影響因子均顯著優于單一學科研究內容的作者，博士學位論文屬于單科研究內容的博士生，人均發表論文1.66篇，篇均影響因子（IF）2.60；多科內容博士學位論文的博士生人均發表論文2.84篇，篇均影響因子（IF）2.77。

這主要源于多科交叉研究的工作很多是具有開創性的。以問題為導向的研究，需要跨越學科界限，結合不同學科知識實現創新解決方案，在高水平期刊發表的機會高于單科研究。但目前多科研究內容篇均影響因子優勢差異不大，則表明發表的期刊文章雖然有一定程度的學科交叉，但在交叉融合的深度上還不夠深入。而屬于單一學科研究內容的論文多于傳統機械類期刊發表，且影響因子在同一學科內差異較小，單一學科的研究成果影響因子保持相對平穩的狀態。

6.基于學位授予單位的學科交叉情況分析

本研究依據2017年發布的第四輪機械工程學科評估結果，將樣本高校分為A、B、C三種類型，其中，A類高校22所，B類高校13所，C類高校13所，按照各高校機械工程學科評選結果整體水平得分位次百分位，將前70%的學科按照A（A+、A、A?）、B（B+、B、B?）、C（C+、C、C?）三個層級進行分檔，以展現不同層級下學科交叉的基本情況。從統計結果可見，學科交叉數在4以上的博士學位論文數量A類院校至C類院校呈遞減趨勢。A類院校在單一學科和運用4個以上學科的博士學位論文數量均明顯高于其他類型的高校，學科交叉數為2?3的博士學位論文數量B類院校最多，A類院校次之，C類院校最少，這表明A類院校在傳統單一學科和多學科研究領域研究都處于明顯的優勢地位，在傳統機械與新興領域的研究繁榮共存。B類高校多數是以2?3個優勢特色學科居多，在單一學科領域研究較其他類型高校較少，部分源于院校優勢學科的數量決定了學科交叉程度，傳統方向是學科發展的基礎，只有當學科發展水平較高時，學科間的交叉才有基礎和潛力。而高校特色優勢學科的大多數學科方向多以知識共同體內進行學科知識間的流動，所以，優勢特色學科數量多寡直接為學科間的交叉提供了重要基礎。此外，博士學位論文所涉學科交叉數量與研究主題強相關，也就是說，研究主題和方向直接決定了學科交叉的形式和內容。

四、研究結論

1.融合傳統機械與新興領域視野，近緣學科交叉為主

機械工程博士學位論文學科交叉現象明顯，大部分論文主要以機械工程領域傳統研究方向為核心，圍繞國家重大需求和國民經濟發展所需關鍵結構的設計、加工、應用開展研究；在研究過程中，會根據研究需求，融合近緣學科研究方法，推動研究內容深入并產生實際應用。少數博士學位論文注重基礎理論與方法的創新，在應用研究和基礎研究部分比重相對均衡，往往與生物、醫療、信息技術、新能源材料等研究領域進行交叉與融合，從而衍生出了數字制造、增材制造、納米制造、生物制造等新興細分的研究方向，使傳統制造技術煥發出新的活力，研究領域呈現出“百花齊放、繁花似錦”的景象。

2.學科交叉的地域特征鮮明，高校學科特色顯著

機械工程博士學位論文學科交叉主要受區域和學科影響，與區域環境、高校學科布局密切相關。如東北地區重工業發達，地區內高校長期深耕與重工業結合緊密的學科，多以基礎學科內的交叉為主；華東、華南地區新產業繁榮，該地區博士學位論文內容以機械領域和前沿成果交叉為主，圍繞電子技術、新材料、工藝設計、美學等學科領域展開研究；西北地區則立足傳統優勢學科，面向工業互聯網、無人駕駛、新型智能終端等領域進行擴展；西南地區以電子信息產業為先導，圍繞集成電路、區塊鏈、云計算、5G等相關領域，在先進材料、裝備制造、信息與控制、環境資源、現代農業與生物等領域形成了優勢特色學科。整體而言，依托地域特色、高校學科優勢，我國機械工程領域形成了一批行業特色鮮明的交叉學科，服務國家戰略和地方經濟社會發展。

3.領域研究需求決定學科交叉形式，基礎性與應用性緊密結合

博士學位論文研究主題決定學科是否交叉，而具體研究方向則決定學科交叉形式。工程領域中的具體問題從不限于遵循單一學科的分類邏輯，不同的研究主題需要整合和集成不同學科領域的知識以期創新性地提出解決方案。如無人駕駛研究領域，決定了其研究要涉及信息技術、人機交互、導航定位、通信系統、信號識別、計算科學等領域內的知識；而裝備是整體性能集成系統研究，包括新材料、新技術、控制系統、新概念施工、美學、人體工程學等多學科技術的融合。從偏重基礎理論，到面向工程應用，從設計新方法、制造新原理、探索新技術、制備新工藝等方面呈現出基礎研究和工程應用研究緊密結合，推動了科學研究與工程應用的高度融合和發展，培養了具有實踐創新能力的高素質復合型人才，助力高等教育強國建設。

4.高校基礎研究深厚，學科交叉融合優勢明顯

習近平總書記指出，重大原始創新成果往往萌發于深厚的基礎研究，產生于學科交叉領域。高校依據學科的客觀規律和學科自身的特點，不斷發揮基礎研究深厚的優勢，以學科建設為引領，形成不同類型和層次的交叉學科，推動機械學科內部和外部學科間的交叉融合。如以西安交通大學、西北工業大學為代表的高校，在傳統學科方向基礎上不斷吸收其他學科最新成果，拓展了很多新的研究領域和熱點方向；上海交通大學也發揮優勢學科特色，不斷融入生物、醫學、聲學、導航等新興領域前沿成果，不斷衍生和細化新的領域，擴展知識的廣度和深度，呈現出圍繞一個研究領域向四周輻射的“雪花模式”。高校聚力基礎研究，不斷匯聚創新資源，為關鍵核心技術突破奠定了堅實的基礎。

5.學科交叉幅度相對穩定，研究領域主題多元

機械工程學科領域內的研究熱點更多元，研究內容更系統。博士學位論文研究內容主要涉及精密加工、高效高質加工、難加工材料等方面，關注數值和參數協同優化下系統整體性能的提升。例如，將傳統制造與電化學、超聲、激光等新手段結合，通過多系統集成的方法形成智能制造新范式，拓展了制造極限能力，實現質量和效率的共同提升。而在傳感、檢測與儀器方面，與生產實際結合緊密，多以實驗研究為主。需求/應用牽引的內容多，技術/方法研究占比高，科學/理論也有一席之地，并呈現管理生產逐步提升的趨勢。整體而言，機械工程學科交叉在內容和構架上呈現“聚焦—散焦”現象，圍繞核心學科發展的同時，與多領域研究方法進行交叉和融合，交叉幅度總體保持在相對穩定的狀態。

五、討論及建議

制造業作為國民經濟的主體和生產力發展的基石，是立國之本、興國之器、強國之基。而機械學科是當代制造工業體系建設與科技創新的重要基石，承載著創造和發展新裝備及其制造技術的重任[17]，在我國高等院校學科布局中占據重要地位。學科領域知識的發展決定了學科專業的樣態，多學科交叉融合勢必成為推動制造領域科技創新的重要途徑。鑒于機械工程學科是一個具有高度交叉性的學科領域，高校在自主設置交叉學科時，應充分考慮分科知識、共性原理、應用領域的相互關系[17]；應統籌考慮知識的邏輯結構，根據具體研究內容，細分研究領域和研究方向，對新興學科與交叉學科設置應留有充足空間；同時，保持機械工程一級學科下二級學科設置的動態性和開放性。優化學科專業結構，不斷發揮學科交叉融合的優勢，加強多學科融合的現代工程和技術科學研究，以需求為牽引，帶動基礎科學和工程技術發展，擴展以機械學科為主，并在其他學科中加以應用，形成以交叉融合為特征的機械學科布局體系。不斷提升科學研究的集成創造力，用好學科交叉融合的“催化劑”，促使機械學科煥發出新的活力，讓人才創新創造活力競相迸發。在研究生培養上，實現跨學科學習成果需要積極參與跨學科課程開發，將組織資源、人員和想法以新穎的方式加以利用，以一種促進學生掌握的方式引入學科和跨學科內容至關重要[18]。未來研究可結合博士學位授予單位博士學位論文的研究內容，追蹤調查畢業生未來職業發展軌跡，通過考察早期研究人員就職科研教職崗位的比例以及開展新領域研究的情況，展示個人職業發展方面學科交叉學位成就的成果，了解跨學科教育及人才培養的實效，進而為學科課程設置以及跨學科人才培養方案提供實證數據。

[1] MEETH L R. Interdisciplinary studies: a matter of definition[J]. Change, 1978(7): 1-10.

[2] KLEIN J T. A taxonomy of interdisciplinarity[J]. The Oxford handbook of interdisciplinarity, 2010, 15(6): 15.

[3] MILLER R C. Varieties of interdisciplinary approaches in the social sciences: a 1981 overview[J]. Issues in interdisciplinary studies, 1982.

[4] 袁廣林. 學科交叉、研究領域與原始創新——世界一流學科生成機理與建設路徑分析[J]. 學位與研究生教育, 2022(1): 13-20.

[5] CRONIN B, MEHO L I. The shifting balance of intellectual trade in information studies[J]. Journal of the American Society for Information Science and Technology, 2008, 59(4): 551-564.

[6] DAVIES M, DEVLIN M T. Interdisciplinary higher education: implications for teaching and learning[M]. Melbourne: Centre for the Study of Higher Education, 2007.

[7] 王連喜, 曹樹金. 學科交叉視角下的網絡輿情研究主題比較分析——以國內圖書情報學和新聞傳播學為例[J]. 情報學報, 2017(2): 53-63.

[8] SZELL M, MA Y, SINATRA R. A nobel opportunity for interdisciplinarity[J]. Nature physics, 2018, 14(11): 1075-1078.

[9] PORTER A, RAFOLS I. Is science becoming more interdisciplinary? measuring and mapping six research fields over time[J]. Scientometrics, 2009, 81(3): 719-745.

[10] 楊良斌. 科研論文合作在跨學科研究中的作用分析[J]. 情報雜志, 2013, 32(6): 80-84.

[11] 王思茗, 魏玉梅, 滕廣青, 等. 圖書情報學領域中的學科交叉現象及其地區差異[J]. 情報理論與實踐, 2019, 42(12): 8-15.

[12] SCHUMMER J. Multidisciplinarity, interdisciplinarity, and patterns of research collaboration in nanoscience and nanotechnology[J]. Scientometrics, 2004, 59(3): 425-465.

[13] 程瑩, 劉念才. SCIE、SSCI期刊跨學科現象的定量分析[J]. 情報科學, 2005, 23(2): 237-240.

[14] 羅生全. 學科交叉的源動力與創新發展機制[J]. 南京社會科學, 2022(9): 140-146.

[15] 馬煥靈. 論學科交叉的發展樣態與行動策略[J]. 南京社會科學, 2022(9): 147-155.

[16] RUBIO C M, ABRAMOWITZ M. Handbook of mathematical functions[M]. New York: Dover Publications, 1972.

[17] 國家自然科學基金委員會工程與材料科學部. 機械工程學科發展戰略報告（2021—2035）[M]. 北京: 科學出版社, 2021: 7.

[18] WEIDMAN J C, DEANGELO L. Socialization in higher education and the early career: theory, research and application[M]. Berlin: Springer Nature Switzerland AG, 2020: 269-284.

10.16750/j.adge.2023.02.005

齊小林，北京理工大學人文與社會科學學院博士研究生，北京 100081；王素梅，北京理工大學機械與車輛學院研究員，北京 100081。

（責任編輯 黃歡）