工业革命浪潮下我国工科教育发展思路探讨

杨 瀚

(苏州工业职业技术学院,江苏 苏州 215104)

1 世界工业革命浪潮风起云涌

1.1 第三次工业革命

“如果选择了第三次工业革命这条道路,中国极有可能成为亚洲的龙头,领导亚洲进入下一个伟大经济时代。中国也将成为第三次工业革命的主要力量,推动亚洲实现向后碳社会的转型”[1]。美国未来学家杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)在他影响力广泛的著作《第三次工业革命》中文版序言中提出这样的论断。按照里夫金对人类工业发展历程的划分,19世纪蒸汽机动力技术引入印刷业造就了第一次工业革命,形成了密集的城市核心区和众多拔地而起的工厂区。20世纪初内燃机技术与电信技术的结合引发了第二次工业革命,出现了大批量生产模式,催生了工业区的繁荣和城郊房地产业的爆发。21世纪的今天,互联网信息技术与可再生能源的结合迎来了第三次工业革命,将彻底改变人们工作、生活和消费模式,家庭住宅、办公场所、新能源工厂生产的绿色能源将在“能源互联网”上得以分享,世界将步入“后碳”时代。里夫金是依据通信技术与能源技术两要素的结合来定义第三次工业革命的,被称为第三次工业革命理论的“新能源版本”。

关于人类工业演进历程,英国《经济学人》杂志刊发了《第三次工业革命》特别报告,以生产方式变革作为依据对工业革命阶段进行了划分。英国的纺织业在18世纪采用机器纺织替代手工纺织,实现了纺织工业的机械化,从而产生了第一次工业革命。20世纪初产生了第二次工业革命,美国的亨利·福特(Henry Ford)发明了流水作业的装配线,将人类引入大规模生产的时代。第三次工业革命的标志是制造业的“数字化”和“大规模定制”生产模式[2]。21世纪的制造技术将是基于集成化技术、智能化技术、网络技术、分布式并行处理技术、人-机-环境系统技术等多学科综合的新一代制造技术[3]。因而《经济学人》的定义被称为第三次工业革命的“制造业版本”,尽管两个定义版本的视角不同,但落脚点都在互联网及通信技术迅猛发展的基础之上。

1.2 第四次工业革命

德国的“工业4.0”计划被广泛认为是第四次工业革命的标志。21世纪伊始德国政府就对新的制造模式所需要的高科技支撑进行了部署,经过政府、企业和科研机构合作研究,《国家高技术战略》于2006年出台,该计划明确了创新驱动作为核心发展战略,确定了需要重点培育的高技术领域和需要重点突破的关键技术。德国政府于2010年又出台了《国家高技术战略 2020》作为升级计划,优先在气候和能源、交通、信息安全和通信、健康和营养等领域建立示范研究项目,明确了各领域示范研究项目的研究重点。后续这些示范研究项目成为制定德国“工业4.0”战略计划的基础,德国政府于2013年正式发布了“工业4.0”计划。“工业4.0”提出了“互联网+制造业”的智能制造模式,催生出大量的新型商业模式,引发了新一轮工业革命[4]。

“工业4.0”重新定义了世界工业革命演进历史,将工业化革命分为4个阶段,第一、二阶段与上节的定义相似。“工业4.0”将工业革命第三阶段定义为20世纪中期自动化制造水平的大幅提升,标志是可编程逻辑控制、数字控制等信息技术在制造技术中的集成。“工业4.0”将工业革命第4个发展阶段定义为“基于信息物理系统CPS(Cyber-Physical System)”的新型制造模式的产生与发展,把制造业范畴从宏观上进行了拓展。这种定义是以制造技术的创新性和复杂程度为基准,智能制造模式的产生标志着工业革命进入第四阶段。

“工业4.0”提出了在“信息物理系统CPS”基础上构建人机交互的物联网概念。信息物理系统CPS是虚拟与现实世界可以相互结合的新技术,以构建各智能单元可以交互、通信的真实网络世界。信息物理系统将扮演应对人口激增、自然资源匮乏、可持续发展和能源变化等基础挑战的中心角色。在制造业中引入和应用信息物理系统,催生了新的生产模式、生产组织和生产管理。

“工业4.0”强调智能化制造的核心作用。基于信息物理系统CPS物联网的建立,使得信息系统与物理系统的交互集成变为可能,从而推动自动化制造技术向智能化制造技术发展。从嵌入式系统,到网络化嵌入式系统,再到信息物理系统,第四次工业革命的发展目标是智能化制造并在此基础上构建智慧工厂乃至智慧城市。由此可见,“工业4.0”涵盖了制造技术创新、生产组织方式演变、企业管理模式变革,还设立了基于人工智能的智慧社会发展目标。智能制造技术因此成为第四次工业革命的核心基础[5]。

2 中国式现代化对制造业发展提出新要求

党的二十大报告对我国制造业高质量发展提出了“推进新型工业化,加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国”的新要求,确立了到2035年基本实现新型工业化的战略目标,这也是实现中国式现代化的重要基础。面对第四次工业革命浪潮的冲击、信息技术的爆发式增长和产业形态的剧烈变革,要瞄碇实现新型工业化的战略目标,大力推进我国制造技术向智能化方向转型升级,推动生产制造模式的变革,催生新业态的不断涌现。

21世纪初,制造业达成了以“及时上市、高质量、低成本、好服务、柔性化、环境友好”TQCSFE为发展目标的共识,为追求好的TQCSFE效益,信息技术、新材料、新工艺和新生产管理理念等得以集成起来,形成具有智能系统内核的先进制造技术。广义而言,精益制造(Lean Manufacturing)、敏捷制造(Agile Manufacturing)、虚拟制造(Virtual Manufacturing)、计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems)等都可以看作是智能制造的基础模式。智能制造(Intelligent Manufacturing)被描述为:一种人机交互的智能一体化系统,在产品生产制造流程中可实现产品分析、工艺选择、故障诊断、管理决策等智能化活动。智能化人机交互通信可大幅度替代产品生产制造过程中人类的体力和脑力劳动,因而将制造技术推向高度集成化、柔性化和智能化[6]。

我国工信部等8部门于2021年12月发布了《“十四五”智能制造发展规划》,提出了我国智能制造“两步走”发展战略,明确了我国制造业“以新一代信息技术与先进制造技术深度融合为主线”的发展思路和发展过程中需要坚持的5项基本原则,确立了至2035年的远景发展目标以及四大重点任务,并细分为30余项重点工作[7]。

《“十四五”智能制造发展规划》的实施为我国制造业高质量发展和提升国际竞争力提供了有力保障,同时也对政府、企业、科研院所、高等院校等各个层面提出了新要求。

2.1 政府主要面临的新要求

各级政府在执行规划过程中应遵循“五个坚持”基本原则,即“坚持创新驱动、坚持市场主导、坚持融合发展、坚持安全可控、坚持系统推进”的原则,前瞻谋划、统筹布局,一以贯之地将国家战略部署贯彻执行到位。充分发挥政府的引领作用,在各区域、各领域的规划编制、政策法规制定、 智能制造相关标准制定和公共服务供给等方面进行指导与调控。努力营造促进智能制造产业发展的良好生态,以创新驱动作为智能制造产业升级发展的内生动力,通过政策调控激发各类市场主体的活力。注重提升制造产业集群智能化水平,打造智能制造技术创新和示范应用的集聚区。统筹推进区域智能制造创新发展、特色发展,推动跨地域人才培养、关键技术研发和产品生产供需协同合作。

2.2 企业主要面临的新要求

树立制造企业在智能制造发展中的主体地位,制造业的龙头企业要发挥引导作用,推动产业链、供应链深度协同互联,带动上下游企业的智能制造水平同步提升,切实推进中小企业数字化升级。重点在加工装备联网、关键工序数控化、管理系统云端化等方面进行升级改造,实现大中小企业的智能制造水平协调发展。深化企业、科研机构、高等院校的合作,在人工智能、数字孪生等领域开展协同创新,面向制造全过程构建智能制造系统,加强数据共享,推广智能制造系统和装备的应用。突破制造全过程的系统集成技术,推进高精密加工工艺等先进制造工艺的研发及应用,重构精益管理和业务流程,实现数据分享、泛在感知、互联集成、人机交互及分析优化,提升制造全过程的智能化水平。

2.3 高等院校和科研机构主要面临的新要求

加强产学研用的深度融合和联合创新,在生产制造技术、高新工艺、智能装备和软件、生产管理模式等方面进行协同创新,在关键核心技术和系统集成技术研发上实现突破。促进跨领域、跨学科、跨行业的合作,强化软件企业、装备制造业、科研院所、高等院校的协同,研发面向产品全生命周期和制造全过程的核心软件,形成自主的嵌入式工业软件和细分行业的集成工业软件产品。推进新工科建设,建设智能制造领域的现代产业学院和示范性软件学院。改革和优化学科专业课程体系,探索智能制造高端人才培养新路径。强化职业技术学院和高技能人才培训基地的技能教育及培训功能,对各类人员开展职业培训和数字化技能培训。深化智能制造企业与职业院校的深度融合,提高产教融合的实际效益。借鉴国际职业教育成功经验,建设具有中国特色的职业教育体系,创建智能制造领域的职业标准。

3 新时代背景下工科教育的升级发展思路

为应对第四次工业革命对我国工科教育带来的影响和挑战,2017年教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会,30所国内一流高校参会,会议对新时期工程技术人才培养进行了深入讨论,共同探讨了新工科的内涵特征和新工科建设与发展的路径选择,形成了“复旦共识”[8]。“复旦共识”强调新工科建设“对工程科技创新和产业创新发挥主体作用、对催生新技术和孕育新产业发挥引领作用”。

我国已进入全面建设社会主义现代化强国的新时代,党的二十大报告对中国式高等教育现代化发展提出了新的更高要求,赋予了工科教育在新时代要肩负的使命和任务。为应对第四次工业革命浪潮冲击,适应新型工业化的建设与发展需要,笔者认为我国工科教育在发展思路上应注重以下4个方面的转型升级。

3.1 教学方式向“多重维度”转型升级

随着智能制造技术对专业人才的需求,教育方式方法要转向多维度,教学主体和内容也要转向多维度。在新一代网络通信技术和人工智能的支撑下,真人实景化教学可转变为虚拟场景教学,口述型教育可转变为体验式、设计式和行动式教育,静态化教育可转变为动态化教育,将学习从单纯的视听活动过程转变为三维沉浸式、综合分析、智能辅助结合模式。在智慧教学系统和大数据技术支持下,教师可以实时进行知识学习特征诊断,及时掌握学生的学习状况,制定和调整符合实际的教学计划,以提升教学的科学性和实效性。在“互联网 + 教育”行动计划不断实施形势下,知识传播越来越呈现出开放性、多元性和共享性,多维度的知识供给将提升学生获取知识的广度和深度,有效地建构多元知识基础和多元知识体系。

3.2 学科专业设置向“跨界交叉”转型升级

在推进新型工业化过程中,不同行业领域在物联网和互联网的支持下联系更为紧密,非线性、非常规、系统性、整体性的工程问题将成倍增长。新一代信息通信、新材料、 新能源等技术不断取得突破,加速与先进制造技术融合,促进制造产业不断向智能化、柔性化、绿色化方向发展。智能制造集成系统和各类嵌入式工业软件的应用,要求学生学习掌握跨学科、跨领域的各类基础知识,并具备将各类知识进行共性分析、抽象组合、综合运用的能力。因而,新时代的工科教育在人才培养模式、学科专业设置方面进行跨领域、跨学科、跨专业探索显得十分重要,要建立跨学科课程体系,以适应新一代信息技术、智能制造、人工智能等集成而产生的复合知识体系需求。

3.3 实践技能教学向“复合工匠”转型升级

第四次工业革命是以人工智能、新材料和新能源为核心的智能化革命,构建出新的经济发展模式。面向智能设计、大规模定制、网络协同制造、共享制造、智能管理服务等新制造模式,培养掌握复合知识体系的“复合工匠”型工程技术人才将是推进制造产业智能化的有力支撑。“复合工匠”需在数据分享、泛在感知、互联集成、人机交互及分析优化等领域具备相应的工程实践能力,面向智能制造的实践技能教学环节升级十分必要。

《职业教育产教融合赋能提升行动实施方案(2023—2025年)》的颁布,对统筹人才培养和产业发展、持续优化人力资源供给结构作了宏观战略部署。产教深度融合培养模式是“复合工匠”型人才培养的切实可行路径,学校和企业共同制定人才培养目标、计划,合作共建实验室和实习基地,合作进行科研活动,解决生产实际中的技术问题,为学生就业构建可预见性的、可接受的渠道。这种模式可有效解决人才培养和产业发展脱节问题,以教促产、以产助教,不断延伸教育链、服务链、供应链,加快形成产教良性互动、校企优势互补的发展格局。

3.4 教育培养模式向“终身教育”转型升级

进入新时代,传统的生产方式、商业模式、生活方式将随着新一代信息技术、智能制造、人工智能技术发展而产生巨大变化,知识更新周期不断缩短,知识的广度和深度不断增加,知识量也呈爆炸式增长。人类要适应第四次工业革命带来的影响,不得不改变学习知识的方式,树立终身学习、终身教育的理念,更高效率地掌握新知识,更主动地培养适合信息技术、智能制造技术需求的新技能,不断地更新知识“数据库”,不断增强分析解决复杂工程问题的能力。

为应对人口老龄化,需要在全民范围树立终身化教育理念,由政府主导构建适合国情的终身教育体系。在工业工程领域,各类各层次高校承接终身教育任务,提升成人教育的质量和水平,为我国制造业提供源源不竭的专业人才支持。通过完善终身教育体系建设,有效推动学习型社会建设。

为契合我国人口规模巨大的国情,工科教育应当承担促进人的高质量全面发展、增进人的可持续发展能力的历史使命,探索在高等教育大国基础上建设高水平“终身教育”体系的道路,以人的可持续高质量发展促进经济社会持续高质量发展,实现从“中国制造”向“中国智造”的转型跨越。