新工科背景下学科交叉中的问题与解决思路研究——以智能制造专业为例

孙尚琪 秦立光 潘海军

机械与轨道交通学院常州大学 江苏常州 213164

近年来,随着科技的不断发展,智能制造成为当今工业领域的热门话题。智能制造是指通过信息技术手段来实现制造过程的智能化和自动化,提高制造效率和产品质量。智能制造作为先进制造技术的代表,已经成为全球制造业的重要发展方向[1]。然而,智能制造的实现离不开各个学科之间的交叉融合,其中尤以机械工程、电子信息学、材料科学等学科的交叉为主要体现。因此,促进智能制造专业学科交叉和融合已经成为智能制造专业发展的必要条件。

在此背景下,国家提出了新工科建设的目标,旨在推进高等教育内涵式发展,培养符合新时代要求的工科人才。新工科建设要求专业课程设置科学、实践教学环节充分、师资队伍高水平、课程教学与科研紧密结合、产学研合作机制健全等,这与智能制造专业的学科交叉和融合要求高度契合[2]。因此,如何在新工科背景下解决智能制造专业学科交叉问题,成为当今教育领域和制造业界面临的重要问题之一。

一、新工科背景下智能制造专业的学科交叉问题

(一)交叉学科的定义

学科交叉,指不同学科之间进行合作、交流、融合,以达到共同目标的一种教育与科学研究方法。学科交叉的本质在于打破学科的边界,超越学科的限制,以更开放、包容的态度去探索和研究问题。学科交叉的实践表明,它不仅有利于学科间的知识共享、创新思维的激发,还能够推动学科的发展和人才培养的多元化。学科交叉的具体形式可以是学科间的合作研究、跨学科教学、跨学科项目等。在学科交叉的过程中,各学科之间的知识和方法可以互相借鉴、融合,从而产生新的研究领域、新的研究方向和新的学科。

(二)智能制造专业学科交叉的问题

智能制造涉及多个学科的交叉,其中最主要的交叉学科包括机械工程、电子信息学、材料科学等。在新工科背景下,智能制造专业的学科交叉问题主要包括以下几个方面:

1.知识体系不完整

随着智能制造的快速发展,越来越多的跨学科领域涌现,其中智能制造专业也不例外。智能制造专业旨在培养能够掌握智能制造技术和方法,具有跨学科能力的高素质人才。然而,智能制造专业学科交叉的知识体系却存在不完整的问题。首先,知识体系来源单一,智能制造专业学科交叉的知识体系主要来源于传统的机械制造、电子信息与材料科学等单一学科领域,缺少其他学科的支持和融合。例如,在智能制造技术的应用中,涉及自动控制、计算机科学等学科,但是这些学科的知识并没有得到充分的融合和应用,导致智能制造专业学科交叉的知识体系不完整。其次,智能制造专业学科交叉的知识体系参差不齐,存在一些细节和深入的问题缺乏解决。例如,智能制造的过程控制中需要结合材料的物理特性和机械加工技术,但是如何有效地将这些学科领域的知识结合起来,构建一个完整的知识体系,还需要更深入地研究和探索。另外,知识体系与实践应用脱节,智能制造专业学科交叉的知识体系与实践应用脱节也是一个问题。虽然智能制造涉及多个学科领域的知识,但是由于现有的知识体系缺乏有效的实践应用,导致学生对于实际操作的掌握程度较低。因此,智能制造专业需要更加注重实践应用,将知识与实践相结合,提高学生的操作技能。

2.师资力量不足

智能制造专业需要具备多个学科的知识背景,因此,需要拥有跨学科的教师队伍。然而,目前跨学科的教师队伍较为匮乏,导致智能制造专业的跨学科教学难以开展。首先,师资队伍专业背景单一,智能制造专业涉及多个学科领域的知识,需要具备多学科交叉的背景。然而,由于师资队伍的专业背景单一,大多数教师只掌握了某个领域的知识,难以对其他学科领域的知识进行深入讲解。因此,师资队伍需要不断拓宽自己的知识领域,提高对跨学科领域的理解和掌握程度。其次,缺乏实践经验,智能制造专业需要结合实践应用进行教学,然而,由于师资队伍缺乏实践经验,无法将理论知识和实践应用有机地结合起来,导致学生的实践能力难以提高。因此,师资队伍需要注重实践经验的积累,不断拓宽实践应用的范围,提高教学质量和学生的实践能力。另外,研究成果少,智能制造专业学科交叉性强,需要对跨学科领域进行深入研究和探索,然而,目前师资队伍中的教师研究成果较少。因此,师资队伍需要积极投身研究工作,发表高水平的研究论文,提高学科交叉领域的研究水平。最后,师资队伍数量不足,智能制造专业的学科交叉性使得师资队伍的建设面临数量不足的问题。目前,国内高校开设智能制造专业的较少,导致该领域的师资队伍数量不足。因此,需要加强人才培养,拓宽招聘渠道,吸引更多有实力和经验的教师加入智能制造专业教学和研究。

3.实践教学环节不足

智能制造专业需要通过实践来锻炼学生的实际操作能力,但是,由于智能制造涉及的技术和设备比较复杂,实践教学环节难以开展。首先,实践教学环节缺乏,智能制造专业的学科交叉性决定了实践教学环节必不可少。然而,目前智能制造专业的实践教学环节仍然存在不足。由于设备、场地、经费等方面的原因,很多学校无法提供足够的实践教学环节,导致学生的实践能力无法得到有效的提高。其次,实践教学内容缺乏,智能制造专业的实践教学需要涉及多个学科领域,然而,由于实践教学内容的缺乏,学生在实践过程中往往无法有效地应用相关的学科知识,难以达到实践教学的目的。因此,需要在实践教学中注重学科交叉性的应用,提高学生的实践能力。另外,实践教学环节设计不合理,智能制造专业的实践教学环节需要具有一定的科学性和针对性。然而,由于实践教学环节设计不合理,往往无法达到教学目的,学生的实践能力得不到有效的提高。因此,需要加强实践教学环节的设计,针对学生的实践需求进行合理的设计和安排。最后,实践教学师资力量不足,智能制造专业的实践教学需要有具备多学科交叉背景的教师来进行指导。然而,目前师资队伍中缺乏具备相关实践经验和跨学科背景的教师,导致实践教学的效果无法达到预期。因此,需要加强师资队伍的建设,提高师资队伍的实践教学能力。

4.学科交叉的教学模式需要探索

目前大部分学校的智能制造课程设置还停留在单一学科领域,缺少多学科交叉教学的实践。实践教学是智能制造专业教学的重要组成部分,是培养学生实践能力和创新能力的关键。因此,设计适合智能制造专业的实践教学模式是十分必要的。探索新的实践教学模式,不仅可以提高学生的实践能力,还可以提高学生的跨学科背景和跨专业交流的能力,为学生将来的就业打下坚实的基础。首先,课堂教学需要和实验室实践相结合,智能制造专业的课程体系比较丰富,需要学生掌握多种技能和理论知识。因此,在实践教学中可以采用课堂教学和实验室实践相结合的方式,让学生通过理论课程学习相关的基础知识,然后再通过实验室实践进行巩固和应用。这样可以使学生更好地理解理论知识,并将理论知识应用到实际操作中。其次,实践教学需要和校外实践相结合,智能制造专业需要学生具备一定的实践能力,而校内的实验室可能无法满足学生的实践需求。因此,可以通过组织学生参加校外实践活动,让学生亲身体验工业制造流程和现代制造技术,增强学生的实践能力和职业素养。另外,需要跨学科教学模式,智能制造专业涉及多个学科领域,因此需要采用跨学科的教学模式,让学生接触和学习不同领域的知识和技能。例如,可以组织机械工程和计算机科学的教师一起授课,让学生同时学习机械和计算机的相关知识。这种跨学科教学模式可以提高学生的综合素质,让学生具备更强的跨学科能力。

二、智能制造专业学科交叉问题的解决思路

为了解决智能制造专业学科交叉问题,需要采取一系列措施来促进学科之间的交叉和融合。具体来说,可以从以下几个方面进行思考。

(一)优化课程设置

智能制造专业学科交叉课程的优化需要考虑课程设置、教材使用和教学方法等方面。首先,课程设置应该注重交叉融合,强化学科之间的联系,以此提高学生的综合素质和创新能力[3]。例如,在机械工程、电子工程和材料科学等学科之间建立联系,设计一些跨学科的实践项目,如智能机器人等,以此加强学生的综合能力和跨学科的思维能力。其次,可以引入前沿技术以拓展课程深度和广度。智能制造专业学科交叉课程应该紧跟科技发展的前沿,引入一些新的技术和理念,如物联网、大数据、云计算等,以此拓展课程深度和广度,增强学生的创新能力和实践能力。另外,还可以采用灵活多样的教学方式,例如采用多元化的教学方式,包括课堂教学、项目教学、实践教学等[4],以此加强学生的实践能力和探究能力。除了教学内容的整合和重构,智能制造专业学科交叉课程还需要优化教学方法。通过采用多种教学方法和手段,可以提高学生的学习兴趣和学习效果,促进学生的主动学习和实践能力的提升。例如,在智能制造与人工智能的交叉课程中,可以设计一个项目,让学生通过实践来实现一个智能化生产线的设计,从而深入了解智能制造和人工智能的交叉应用。

(二)加强师资队伍建设

针对智能制造专业学科交叉问题,需要建立专业的跨学科师资队伍。首先,教师不仅要熟悉机械、电子、计算机等传统学科的知识,还要具备掌握人工智能、物联网、云计算等新兴技术的能力。只有这样,才能够更好地跨越学科的边界,提供更加全面、深入的教学。其次,需要加强师资的培养和引进工作。在培养方面,需要制订具有前瞻性的培养计划,培养学生的跨学科能力,同时也要注重教师的跨学科培养。在引进方面,应该通过合理的引进政策,吸引具有丰富跨学科教学经验的优秀教师加盟。另外,对于已有教师的培养,也要建立完善的培训机制,提升其跨学科能力,使其能够更好地融合不同学科的知识,开展跨学科研究和教学。此外,还需要加强教师的交流与合作,促进跨学科交叉的深入发展。学校可以通过组织跨学科研究团队、召开跨学科交流会议、开展教学研讨等方式,促进教师之间的交流与合作。同时,也要建立跨学科课程的评估和监督机制,确保跨学科教学质量的稳定和提高[5]。最后,要重视教师的激励机制。对于跨学科师资队伍,学校应该建立起合理的激励机制,包括薪酬、职称评定、奖励等方面的政策。这样可以激发教师的积极性,提高他们的工作热情和投入度,从而推动跨学科教学的发展。

(三)加强实践教学环节

在智能制造专业学科交叉的实践教学中,行业合作是非常重要的一环。通过与企业合作,学生可以接触到实际的生产环境和行业需求,深入了解企业的生产过程和流程控制,提高实践操作和问题解决能力[6]。首先,可以建立行业合作平台,通过与企业合作开展实践教学活动,包括实地调研、生产过程模拟、生产线调试、生产优化等活动,提高学生的实践能力,培养学生面对实际问题的解决能力。其次,探索多元化的实践教学模式。智能制造专业涉及机械、电子、计算机等多个学科,实践教学内容也非常丰富。再次,在教学过程中,需要探索多种实践教学模式。例如,可以采用案例教学、项目式教学、模拟实验等方式,让学生通过真实案例、实际项目、虚拟实验等多种形式进行实践操作和问题解决,从而提高学生的实践能力和解决问题的能力。另外,需提供实践教学资源和设备支持。智能制造涉及很多高端的设备和技术,学生需要进行相关实践操作和应用。最后,学校可以加强实践教学资源和设备的投入,提供先进的实践教学设备和平台,包括3D打印、数控加工、机器人等,为学生提供更好的实践教学环境和条件,使其更好地掌握专业技能和实践能力。学校还要加强实践教学管理。实践教学管理是保障实践教学质量的关键环节[7]。学校应该建立完善的实践教学管理体系,明确教学目标和教学内容,确保教学环节的安全和规范。

(四)建立产学研合作机制

可以通过建立产学研合作机制,来促进学科之间的交叉和融合。通过企业实践和科研项目的合作,可以让学生更好地了解智能制造的应用和发展趋势。随着产业升级和技术进步,智能制造已经成为制造业转型升级的必由之路[8]。而智能制造的实现离不开产学研合作的支持和推动,这也是智能制造专业学科交叉中重要的一环。因此,建立产学研合作机制,开展跨学科合作,共同推进智能制造的研究和应用具有非常重要的意义。首先,产学研合作机制有利于加强专业学科交叉的教学与研究。在智能制造专业学科交叉中,产业界拥有更加丰富的实践经验和技术资源,学校则拥有更加先进的学术理论和研究方法。通过建立产学研合作机制,学校可以借助企业的实践资源,更好地开展智能制造专业的实践教学,并探索新的研究方向和应用场景。同时,企业可以通过与学校的合作,获取到更加前沿的技术研究成果和高素质的人才,为自身的技术创新和产业升级提供支撑和动力。其次,产学研合作机制有利于搭建智能制造创新平台。通过产学研合作机制,可以形成由企业、学校和科研机构组成的创新联盟,共同探索智能制造领域的前沿技术和应用,促进产业的技术升级和转型发展。同时,这种合作机制也有助于建立智能制造产业链和生态圈,实现产学研深度融合和资源共享,形成智能制造产业的良性发展格局[9]。最后,建立产学研合作机制有利于提高智能制造专业的就业和创业能力。通过产学研合作,学校可以将产业界的需求纳入教学和研究中,更好地培养符合企业需求的高素质人才。同时,企业也可以通过与学校的合作,挖掘和培养优秀的人才,并为其提供更好的就业和创业机会。这种紧密的产学研合作关系,可以为智能制造专业的人才培养和就业创业搭建更广阔的平台。

结语

本文从新工科背景下的智能制造出发,探讨了智能制造专业学科交叉问题,并对智能制造专业学科交叉问题的解决思路进行了探讨。通过加强师资队伍建设、优化课程设置、加强实践教学环节和建立产学研合作机制等措施,可以促进智能制造专业学科交叉和融合,为培养具有跨学科综合素质的智能制造人才奠定良好的基础。通过本文的探讨,可以看出当前智能制造专业学科交叉存在的问题,也可以看到未来智能制造专业学科交叉的解决思路与发展方向。只有不断完善和深化跨学科的教学体系和培养模式,才能够培养出更多的智能制造人才,推动智能制造的不断发展和进步。