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        機(jī)械電子工程本科專業(yè)核心素養(yǎng)的支點(diǎn)分析

        2022-08-19 11:02:48周洲裴九芳
        中國設(shè)備工程 2022年14期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械素養(yǎng)工程

        周洲,裴九芳

        (安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

        1 前言

        學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。在開放、在包容的新工科的理念下,核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在于創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)科學(xué)、人文、工程和其它方面的融合,創(chuàng)新的道路有可行的也有不可行的,雖然可能走不遠(yuǎn),但支撐創(chuàng)新行為的學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)是不變的,這既是靈感的起點(diǎn),也是創(chuàng)新行為的支點(diǎn)。機(jī)械制造、測控等典型工科專業(yè),機(jī)械電子工程專業(yè)特色較為模糊,人才培養(yǎng)極易出現(xiàn)偏機(jī)和偏電的兩極分化,成為該專業(yè)改革方案和課程標(biāo)準(zhǔn)制訂中存在的重要問題。

        隨著智能化萬物互聯(lián)時(shí)代的到來,社會(huì)發(fā)展對于多樣化的電子信息類技術(shù)人才需求不斷增長,在機(jī)械電子領(lǐng)域,產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性的增加,包括軟件、機(jī)電一體化集成,對高素質(zhì)電氣、機(jī)械、編程和制造學(xué)科專業(yè)人員的需求越來越大。機(jī)械電子工程專業(yè)為學(xué)生整合機(jī)械、電氣、編程和制造相關(guān)理論知識,培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)、電路、嵌入式技術(shù)、數(shù)學(xué)、材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)技能,迎合時(shí)代發(fā)展需求。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以復(fù)雜算法和程序設(shè)計(jì)為核心專業(yè)素養(yǎng)的泛互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)人才逐漸走在的社會(huì)的頂端,在智能制造的背景下,對傳統(tǒng)工科人才產(chǎn)生了巨大的沖擊,特別是機(jī)械電子工程這類綜合性工科專業(yè),如何定義其專業(yè)素養(yǎng)的支點(diǎn)對機(jī)械電子工程專業(yè)高素質(zhì)人才培養(yǎng)具有重要意義。

        2 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代機(jī)械電子系統(tǒng)的特點(diǎn)

        在當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,機(jī)電系統(tǒng)不僅是機(jī)械和電子的結(jié)合,還要應(yīng)盡可能包含大型復(fù)雜領(lǐng)域的其他先進(jìn)技術(shù),同時(shí)機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠更多的集成機(jī)、電、磁、光、聲、熱、液、氣等先進(jìn)技術(shù)、具有生物化學(xué)等多種學(xué)科的特點(diǎn),研究各種學(xué)科的各個(gè)參數(shù),并正確處理彼此之間的耦合關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展是近年來的重大科技創(chuàng)新之一,萬物互聯(lián)的發(fā)展方式導(dǎo)致了傳統(tǒng)行業(yè)如制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、運(yùn)輸業(yè)中的機(jī)電產(chǎn)品激進(jìn)式擴(kuò)張和轉(zhuǎn)變,特別是以算力為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)的電氣化控制方式逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方式,對傳統(tǒng)機(jī)電人才市場產(chǎn)生了巨大沖擊。圖1對比了2012年前5年和2022年前5年區(qū)間內(nèi)機(jī)械電子關(guān)鍵詞下相關(guān)搜索結(jié)果的副標(biāo)題數(shù)量,進(jìn)而對領(lǐng)域研究趨勢進(jìn)行分析。

        圖1 近10年來機(jī)械電子行業(yè)發(fā)展研究熱點(diǎn)變化

        近10年來,隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,以程序、算法為核心的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)促進(jìn)了機(jī)電系統(tǒng)的快速轉(zhuǎn)型,相關(guān)領(lǐng)域如遠(yuǎn)程控制、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療健康等均實(shí)現(xiàn)了300%以上的增長。但相應(yīng)的,傳統(tǒng)機(jī)電行業(yè)關(guān)鍵方向,如汽車、傳感器、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等增長率低下,傳感器領(lǐng)域的研究甚至出現(xiàn)了負(fù)增長。相對于傳統(tǒng)的偏機(jī)和偏電,近10年來,機(jī)電方面人才中漸漸出現(xiàn)了偏算法的趨勢。

        3 以算法為核心的機(jī)電行業(yè)發(fā)展缺陷

        電氣化是機(jī)電行業(yè)發(fā)展的大趨勢,其近年來激進(jìn)式的發(fā)展方式也必然帶來一定的不足與隱患。特斯拉方式是近年來機(jī)電行業(yè)普遍采取的發(fā)展方式,即以高性能處理器、傳感器以及人工智能算法為核心,為機(jī)電系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程化、智能化、快響應(yīng)、高魯棒性的調(diào)控策略。為了追求算力的提升,消費(fèi)電子領(lǐng)域的IC器件近年來被大量應(yīng)用于機(jī)電領(lǐng)域,典型的如新能源汽車、無人機(jī)等,雖然用戶體驗(yàn)急劇上升,但隱患問題也逐漸凸顯。汽車領(lǐng)域的車機(jī)系統(tǒng)故障、癱瘓、死機(jī)情況逐年增加,僅2020年單年,這類故障投訴率即上升了5倍,隨之而來的是新能源汽車事故的增加。

        工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(IOT)也是機(jī)電專業(yè)熱點(diǎn)之一,但算法的發(fā)展并不能覆蓋整個(gè)工業(yè)的需求,首先,傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品在于互聯(lián)網(wǎng)集成過程中出現(xiàn)了軟硬件的畸形發(fā)展,機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和安全是傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵特征之一,但在IOT系統(tǒng)中,安全行為(Security)和安全性(Safety)目前國際公認(rèn)的兩大核心問題。由于機(jī)電系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)之間必然存在的技術(shù)鴻溝,在目前技術(shù)條件下,其有機(jī)耦合過程中個(gè)人及其帶來的機(jī)電操作扮演著不可替代的角色。安全性指與IoT設(shè)備組件緊密相連的研究人員為確保其人身及機(jī)電系統(tǒng)安全而采取的措施,但任何面向互聯(lián)網(wǎng)的器件或設(shè)備都容易受到潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊。為遠(yuǎn)離這些威脅,工業(yè)企業(yè)應(yīng)該考慮如何將先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)威脅防護(hù)解決方案整合到機(jī)電系統(tǒng)的軟硬件中,包括軟件防火墻,也應(yīng)該包含重要的機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)。以機(jī)械電子系統(tǒng)的可靠性、安全性、穩(wěn)定為第一研究對象,具備精益求精的工匠精神,正是目前機(jī)電一體化專業(yè)人才應(yīng)具有的有別于計(jì)算機(jī)、控制方面人才的重要素養(yǎng)。

        從技術(shù)成熟性角度,目前世界機(jī)電系統(tǒng)可以分為兩大派系,以歐美為代表的激進(jìn)派,熱衷于將消費(fèi)電子中的新技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)中,如特斯拉汽車、獵鷹九號等,通過算法壓榨機(jī)電系統(tǒng)的性能潛力,使其工作在臨界點(diǎn)附近,當(dāng)然,這類發(fā)展方式方便了設(shè)計(jì)師對系統(tǒng)的調(diào)整,如歐美汽車行業(yè)通過代碼控制尾氣排放,也誕生了一系列工業(yè)丑聞。

        另一派系是以日本為代表的傳統(tǒng)派系,以穩(wěn)健可靠為主旨,將老式的也是最成熟的技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)中,對成熟技術(shù)進(jìn)行延續(xù)和革新,典型的代表如日系汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等技術(shù)。從我國國情出發(fā),在半導(dǎo)體、互聯(lián)網(wǎng)底層技術(shù)受歐美壓制的今天,機(jī)械電子工程學(xué)科應(yīng)培養(yǎng)適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的需求,掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及機(jī)械電子工程的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識,能在機(jī)械電子工程及相關(guān)領(lǐng)域從事機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)、檢測與控制和生產(chǎn)運(yùn)行管理等方面工作的,并具備質(zhì)檢特色的應(yīng)用型技術(shù)人才。

        4 機(jī)械電子工程專業(yè)素養(yǎng)的思考

        “我思故我在”,思考是哲學(xué)的支點(diǎn),也是一切專業(yè)知識體系的支點(diǎn),康德將知識分為感性、理性和知性三個(gè)層次,具有機(jī)電專業(yè)知識的本科學(xué)生通常期望解決復(fù)雜、新穎的工程問題,但這些問題的解決通常伴隨著一些隨機(jī)性或運(yùn)氣性,這種碰運(yùn)氣式的問題解決過程僅僅取決于運(yùn)氣,并不是一種方法。從機(jī)械電子工程專業(yè)的知識性質(zhì)和特點(diǎn)出發(fā),必須理清本專業(yè)所必須的核心思考方法的支點(diǎn)。

        4.1 通過專業(yè)課培養(yǎng)穩(wěn)健的感性知識體系

        在本科教學(xué)領(lǐng)域,感性知識指從書本上學(xué)習(xí)的基本知識,這些知識不建立在實(shí)驗(yàn)認(rèn)識的基礎(chǔ)上,只是語言、圖像等基本元素的傳達(dá)在學(xué)生意識中形成的初步印象,在機(jī)電專業(yè)中,感性知識通常表現(xiàn)為數(shù)學(xué)公式和基本的機(jī)械、電路模型,通過感性知識的學(xué)習(xí),了解機(jī)械電子工程領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)/開發(fā)方法和技術(shù),機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素,典型課程如數(shù)學(xué)類課程、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、電路分析、微機(jī)原理這類抽象課程。

        有別于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化以及測控技術(shù)與儀器學(xué)科,機(jī)械電子工程的基本知識因偏重于應(yīng)用于機(jī)械裝置的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析能力,針對機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)、溫升兩大類限制性能和可靠性的基本問題,在傳統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)中穿插振動(dòng)學(xué)和傳熱學(xué)的基本思想方法,讓學(xué)生建立機(jī)電系統(tǒng)之所以需要不斷發(fā)展、是因?yàn)槟壳案呔鈾C(jī)電設(shè)備在環(huán)境、溫度、可靠性方面不斷突破的需求導(dǎo)致的。以航空航天等高精尖機(jī)電系統(tǒng)的研發(fā)過程為要點(diǎn),從思政角度建立學(xué)生穩(wěn)健、可靠的學(xué)科基本素養(yǎng)精神。典型知識點(diǎn)如機(jī)械設(shè)計(jì)中的四類應(yīng)力模型,電路中的失效分析、振動(dòng)系統(tǒng)中的模態(tài)匹配,熱力學(xué)與電、磁場耦合時(shí)的退磁和絕緣等問題,讓學(xué)生認(rèn)識到機(jī)械電子工程并是不偏機(jī)、偏電的分裂學(xué)科,而是面向機(jī)械系統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)科,讓學(xué)生發(fā)展處從機(jī)械需要的角度進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的本能,從而形成完善的感性知識體系和基本學(xué)科素養(yǎng)。

        4.2 通過實(shí)踐環(huán)節(jié)探索知性知識的結(jié)構(gòu)

        “吃一塹,長一智”,實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn),但在感性教育階段,純灌輸?shù)闹R難以使學(xué)生完成感性到知性的轉(zhuǎn)變。知性所處理的對象是感性知識,是對感性知識進(jìn)行再整理。

        知性的一切活動(dòng)都可以歸結(jié)為判斷,也可以說,知性就是判斷的能力,在哲學(xué)領(lǐng)域,可以總結(jié)為量、質(zhì)、關(guān)系、模態(tài)。在機(jī)電專業(yè)領(lǐng)域,通過實(shí)踐環(huán)節(jié),可以建立學(xué)生對于不同器件、結(jié)構(gòu)、元件數(shù)值的基本經(jīng)驗(yàn)概念,如機(jī)械尺寸大概多少,電阻、電感、電容該用多大,系統(tǒng)能承受的溫度可能是多少,振動(dòng)頻率預(yù)計(jì)數(shù)值等,即量的概念;在不斷的實(shí)踐環(huán)節(jié)中,學(xué)生自我動(dòng)手時(shí)不可避免的出現(xiàn)各種問題,發(fā)現(xiàn)問題與解決問題中會(huì)出現(xiàn)問題的升華,如數(shù)電向模電、經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論、材料力學(xué)向彈性力學(xué)等的升華,即在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)知識體系的層次結(jié)構(gòu),這既是一種質(zhì)變,也是后續(xù)知識關(guān)系概念的萌芽,通過實(shí)踐理清知識關(guān)系,元器件、結(jié)構(gòu)的量、質(zhì)如何統(tǒng)一成穩(wěn)定的機(jī)電系統(tǒng);最后即模態(tài),量、質(zhì)、關(guān)系是知識體系的范疇,模態(tài)是知識對自己主體的影響,學(xué)生通過機(jī)電類實(shí)踐課程,運(yùn)用所學(xué)感性知識,通過實(shí)踐過程中的失敗、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),訓(xùn)練沉穩(wěn)、細(xì)致、偏保守的學(xué)科基本素養(yǎng)。

        4.3 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)理性知識的萌芽

        理性知識指將知識總結(jié)為原理的能力,在工科領(lǐng)域,可以理解為感性知識和知性知識的創(chuàng)新和發(fā)散。機(jī)械電子工程學(xué)科并不是一門激進(jìn)的學(xué)科,但其應(yīng)用的場景可以是先進(jìn)的,前沿的,如與生物醫(yī)療、化學(xué)化工、氣象環(huán)境以及航空航天的交叉融合。在學(xué)科擴(kuò)展過程中,機(jī)械電子工程學(xué)科因秉持穩(wěn)定、可靠的專業(yè)基本素養(yǎng),從能用、好用的角度對跨學(xué)科融合的課題進(jìn)行探索和改進(jìn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向社會(huì)之前的最后檢驗(yàn)環(huán)節(jié),也是無拘無束發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的最佳平臺,在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段,要注意培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的能力,從問題提出開始,通過調(diào)研、文獻(xiàn)檢索和閱讀、方案設(shè)計(jì)與比較、數(shù)據(jù)分析與處理計(jì)算、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、綜合分析及畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告等環(huán)節(jié),培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題與解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)意識、正確的思想方法、認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度、腳踏實(shí)地、埋頭苦干的作風(fēng)、不畏艱難、敢于攻堅(jiān)的勇氣,以及相互幫助、團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神,提高適應(yīng)社會(huì)的綜合素質(zhì)。學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成后,逐漸形成理性分析能力的萌芽,為社會(huì)生產(chǎn)工作打下基礎(chǔ)。

        5 結(jié)語

        機(jī)械電子工程專業(yè)具有極強(qiáng)的覆蓋性,幾乎可以與現(xiàn)有所有工科專業(yè)交叉相融合,也造成學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)目的不強(qiáng),找不到專業(yè)介入點(diǎn)的問題。本文認(rèn)為,機(jī)械電子工程專業(yè)因解讀為面向機(jī)械的電子系統(tǒng)工程,以機(jī)械系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性為基本學(xué)科素養(yǎng)的支點(diǎn),面向先進(jìn)技術(shù)但設(shè)計(jì)思想應(yīng)具有保守型,建立穩(wěn)健的感性和知性知識體系,從機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量角度建立理性思維能力,培養(yǎng)具有機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的專業(yè)人才。

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