新工科背景下材料/构件一体化制造新知识体系探讨——轻合金材料和构件制造基础理论与前沿装备技术融合

龚 海，张 涛，黄始全，易幼平

（中南大学 轻合金研究院，湖南 长沙 410083）

引言

国家综合实力的竞争越来越体现在尖端科技领域的较量，尤其是基础学科拔尖创新人才的竞争［1］。打好“教育强国”和“人才强国”之基础是强化国家战略科技力量、抢占科技制高点的核心所在。

空天领域已成为当今世界强国竞相抢占的战略制高点，高端轻合金构件占空天装备结构重量的70%以上，是其重要基础与保障。空天轻合金构件制造是多学科、多技术模块交叉集成的复杂过程，其产品的研制、开发需要掌握多学科和前沿知识、综合思维和实践创造的新工科人才，当前的工科专业知识体系和人才培养模式难以完成这一使命。

作为新工科背景下的工科学生，要想成就自己的事业，成为国家的人才，必须具备家国情怀、创新创业精神、跨学科交叉融合意识、批判性思维、全球视野、自主终身学习意识、沟通与协商能力、数字化能力［2］。而开展科技前沿知识教育教学，让学生具备学科发展的前沿意识，已经成为高校教育必不可少的任务，也是课程发展的重要方向。探索如何传承和突破高等教育，建设知识与能力融合、思维与实践融合的人才培养模式，支撑我国空天领域对新工科人才的迫切需求，高校层面要有科技前沿渗透的总体布局，学科要有前沿知识的课程渗透，教师与学生之间要有科技前沿知识的互动，教师在学科前沿知识研究方面要有所成长［3］。

一、学科发展面临的挑战

中南大学轻合金研究院是中南大学下属的以科研为主的二级科研、教学机构，依托机械工程、材料科学与工程等两个“双一流”A类学科，面向我国航空航天、国防军工与交通运输领域对轻量化高性能构件制造的重大需求，开展轻质合金材料设计、构件成形制造、服役性能评估等制造全过程的科学技术研究，培养轻质合金材料/构件一体化制造领域的高水平人才。

本学科方向瞄准当代制造技术的制高点为空天运载工具与装备结构制造，以此领域的知识发掘、表征、技术化与集成应用为目标，围绕本学科方向的核心知识“流变制造”为中心，组织科研、教学过程。“流变制造科学与工程”是根据高端装备、产品制造的真实过程和发展需求提出的一个学科概念，既反映了制造过程的客观规律，又提出了发展产品制造对科学与技术的客观需求，其核心是揭示与掌握材料科学与制造科学融合产生的客观规律，并将其转化为新的成形制造方法和技术。

传统的材料学科和制造学科的学习和研究往往是分离的，形成了材料与制造各自“独善其身”的发展路线与状态，实则阻碍了社会生产力的发展，特别是在面临空、天运载工具超大型化和超高性能与超高可靠需求下，传统学科与相应工程的制造系统已不能适应需求，目前学术界已认识到这一问题并力图解决，但仍存在严峻的挑战。

（一）如何将材料科学与制造科学、制造基础理论与前沿装备技术相融合

目前的状态是学科、技术、工程、产品生产企业全部分开，以致人们形成了习惯思维，分别寻求各自发展中所面临问题的解决方案。因此，如何将各自完整的科学体系与实际由多学科交叉形成的科学过程中的真实逻辑融合为一个逻辑体系和学科，这是需要思考和解决的问题。高性能构件的制造要害应是构件结构质量利用的高效率、材料性能的制造挖掘及产品高品质综合性能的突破。学科融合交叉的任务是将这些目标参量结合为一个函数，表征和求解，因此，基础研究的任务十分艰巨，亟须形成新型交叉学科融合多个相关学科知识。

（二）如何传授融合的知识培养人才

空天运载工具与装备制造学科方向的发展，需要不断培养知识面广（覆盖机械、材料、控制和力学等学科）、具有参与重大工程实践经验、创新水平高、动手能力和工程转化能力强、工程组织能力优良的复合型、国际型、创新型精英本科人才，形成团队持续发展与更迭机制，保持团队旺盛的创新力。

根据我国制造业转型升级的新形势及学院的办学定位，参照高校人才培养总目标，本学科的人才培养目标是：以国家与社会需求为导向，以实际生产工程为背景，以相关自然科学与工程科学为知识基础，以工程技术为能力基础，着力培养具有爱国情操、职业道德和勇于创新等优良品质，掌握制造工程、材料工程、智能化、信息化相关理论及实验与检测计算方法，通晓构件设计与成形原理、技术与装备，具有进行材料成形、构件制造、工艺装备研发与工程化过程集成能力的材料与制造工程领域的高素质工程技术人才。需要培养的人才具有多学科知识背景，具备知识融合与集成实现能力。

如何将材料科学与制造科学融合、制造基础理论与前沿装备技术融合的知识有效传授给学生，培养制造领域复合型高精尖人才，是学科发展迫切需要解决的难题。

二、知识体系改革探索

（一）在空天前沿装备技术攻关中创造新的交叉学科知识

1.在轻合金材料/构件一体化制造全流程中践行多学科交叉融合。学科分类难以系统解决当前空天高端装备迅速发展面临的复杂科学与技术问题，高端装备对材料/构件一体化制造技术的需求与挑战日益突出，如我国战机、导弹等光学铝合金反射镜制造精度要求达到纳米级，材料完全依赖进口。对此，团队组建了多学科深度交叉融合的团队，从材料设计、构件成形制造、服役性能评估等全流程制造的特征微结构协同调控出发，形成材料与机械相交融的创新知识体系，建立了如成分优化—超纯熔炼铸—超均质锻造开坯—超细晶强流变成型热处理的光学微晶铝镜坯制备新原理与新技术，镜坯表面加工精度粗糙度小于1 nm，达到世界先进水平，填补了国内空白。

基于材料、机械等学科高度交叉与融合，进行协作攻关和技术创新，解决了传统学科分类与技术发展之间的矛盾，为我国空天装备制造领域培养了具备跨学科知识与能力的高水平复合型专业人才，支撑了重型运载火箭等重大型号的研制。

2.创建“基础理论—空天高端装备制造前沿知识”融合的新工科知识体系。面向空天运载等领域对掌握前沿知识人才的迫切需求，结合重型运载火箭等重大项目，在解决行业最前沿关键材料与构件研制问题的同时，创造和挖掘前沿新知识，建立残余结晶相的认知与控制新知识体系，发现合金微结构的多能场调控机理及其构效关系理论，探明亚结构产生与利用的能量条件与调控机理。

在此基础上，形成了材料/构件加工基础理论与前沿装备技术融合的知识体系，取得了系列关键技术突破与前沿知识创新挖掘，如世界最大直径10 m级铝合金整体过渡环、纳米级精度光学微晶铝反射镜镜坯的成功研制等，其中，直径10 m级铝合金整体过渡环入选中国高校十大科技进展，解决了知识结构与科技前沿脱节的难题。

（二）结合科研探讨课程体系改革

1.课程体系改革探索。根据空天战略装备领域高端轻合金材料/构件制造前沿对交叉学科知识的系统化要求，对传统的机械专业课程体系进行改革。（1）培养和激发学生的学习兴趣，设置专业导论课程。设置材料/构件一体化制造科学与技术导论课程，结合本单位的科研实际，通过分析航空航天重点型号攻关项目案例，如研制世界最大直径10 m级铝合金整体过渡环，剖析新型号装备对构件性能的极端挖掘对制造技术带来的巨大挑战，以及中南大学轻合金研究院如何通过组建多学科深度交叉融合的团队，从材料设计、构件成形制造、服役性能评估等全流程制造的特征微结构协同调控出发，解决极端制造中的“卡脖子”难题。让学生在进入学校刚接触专业时就能了解国家空天战略领域前沿的发展动态，培养学生的报国情怀、奉献精神、工程创新精神和专业自信，激发学生的学习兴趣。（2）机械课程模块。轻合金材料与构件的研制与机械密切相关，产品的设计、制造、性能检测与分析都属于机械范畴。拟采用大课程方式，整合设计与制造类课程，主要课程有：“机械设计基础”（包含“工程图学”“机械设计”“三维造型设计”等）、“制造工程基础”、“热与流体力学”（包含“热力学”“流体力学”）、“检测与控制”（包含“控制工程基础”“机械工程测试技术基础”“微机原理及应用”“计算机接口与控制技术”“机电设备状态监测与故障诊断”“机器视觉技术基础”“机器人传感与检测技术”等）。（3）材料与成形制造课程模块。轻质材料与构件的全过程研制，需要从微观层面发掘材料的本质，提升材料和构件的性能，当前，机械专业课程体系缺乏关于基础材料、材料研究方法和材料性能基本测试分析方法的课程，同时，没有设置与轻合金密切相关的专业类课程。拟进行相应的课程调整，主要课程有：“材料科学基础”“材料性能学”“材料设计与计算”“材料物理”等材料基础类课程；“金属塑性成形原理”“压力加工原理及其工艺与装备”“材料成型过程与计算机模拟”“材料成形设备控制与自动化管理”等材料成形类课程；“构件组织性能与残余应力测试基础”“材料物理性能与测试”“材料力学性能与测试”等材料检测类课程；“铝与铝合金”“镁及镁合金”“钛及钛合金”等轻合金课程。（4）信息技术课程模块。当前，制造业集成化、自动化、网络化是发展热点，也是轻合金材料/构件制造的重要研究方向和发展趋势，当前机械专业的课程设置老化，拟增加以CPS（Cyber Physical Systems）为代表的物联网课程，主要课程有：“信息物理系统（CPS）”“物联网导论”“制造系统自动化”等。（5）力学课程模块。开展轻合金材料/构件的从材料设计、结构设计、形性协同一体化制造到服役性能评价的全过程研究，需要从材料的微结构演变、金属宏观塑性流动和力在晶界等微观尺度传递等多方面全面揭示其性能形成的规律，机械专业开设的“工程力学”（“理论力学”+“材料力学”）课程无法支撑开展相关研究，故拟增加“固体力学”“弹塑性力学”“量子力学”“晶体塑性”等力学课程。

2.设置专题课程、企业专家专题讲座，扩展学术和工程视野。在材料/构件一体化制造科学与技术导论课程初步介绍专业方向的内涵的基础上，开设深化的高性能制造专题课程，将创建的“基础理论—空天高端装备制造前沿知识”融合的新工科知识理论引入课堂，将最新的制造前沿技术展现在学生面前，形成基础理论—新知识高度融合的知识传授体系，解决知识结构与科技前沿脱节的难题。

同时，邀请航空航天领域行业知名专家，如长征五号总设计师等进行学术讲座，让学生感受航空航天事业的艰辛和航空航天人矢志报国的情怀，培养学生的爱国主义情怀，增强学生的民族自信与专业自信，增强学生对工程技术的认知，拓展制造前沿学术思想，拓宽工程眼界。

结语

面向材料与构件制造基础理论解决空天领域极端服役性能、极高精度轻合金构件制造难题的局限性，开展新工科背景下轻合金材料/构件一体化制造基础理论与前沿装备技术融合知识体系的研究，对于提升空天高端装备领域新工科人才的知识结构、扩展学术和工程视野及提高学生个人素质，将起到积极的推动作用。