交叉學科推進復合型人才培養的探索*
——以機械專業為例

韋 遼 唐玉榮

（廣西開放大學 文理學院，廣西 南寧 530023）

培育交叉學科是高校提升教學水平、增強科研能力、培養高質量人才的重要基礎。發展交叉學科是培養復合型人才的重要思路[1]。高校作為高等教育與社會各行業銜接的橋梁，部分學科和專業開展交叉學科研究，可以提升學生就業能力以及滿足社會的用人需求。因此，國內外高校逐步開展了交叉學科復合型人才培養模式的研究探索。文章基于DEFORM 軟件對切削加工過程進行建模與仿真，融合材料、機械、計算機、數學等專業開展研究，從交叉學科的視角開展機械類專業復合型人才培養，加強教學改革，改善教學環境，提高教育質量，探索交叉學科復合型人才建設思路。

一、交叉學科與復合型人才

學科是基于人類知識體系的劃分，交叉學科建設與知識獲取、人才培養息息相關。培養人才需要恰當的學科群與范圍廣泛的學科專業課程，建立交叉學科人才培養模式。高校圍繞培養什么人、怎樣培養人這一根本問題，在培養目標、專業設置與調整、課程設置、培養體系、培養方案、教學內容等環節，形成以主干學科為主、多學科協調的工作機制。

交叉學科是指自然科學、工程技術科學、人文社會科學等學科門類之間以及內部的眾多學科，通過相互交叉融合而產生的新興學科[2]。復合型人才指具有兩個或兩個以上專業（或學科） 的基本知識和基本能力的人才[3]。復合型人才的培養就是要以交叉學科為依托構建起一套不同學科專業之間融合的有機發展模式，夯實學生的理論基礎，提高學生的創新能力，更好地服務于社會發展[4]。交叉學科人才培養有利于滿足社會發展對復合型人才的需求。

高校作為高等教育與社會各行業銜接的橋梁，針對部分學科和專業特點，開展交叉學科研究，可以培養學生掌握綜合知識能力，增強就業能力，滿足社會用人需求。以高校機械類專業機械加工中的材料為例，機械加工不僅涉及機械專業的知識，還需要了解加工工件材料以及刀具材料問題，工件的材料和刀具的材料對切削加工性能產生重要影響，因而機械和材料息息相關，準確了解機械加工需要對材料知識有著深刻的研究和認識。隨著機械材料專業發展，機械人才培養面臨著新的挑戰和機遇。如何依托多學科知識構建機械類人才培養體系，基于交叉學科的視角培養復合型機械人才，更好地提高教育質量，引起越來越多的學者進行思考。

二、交叉學科視角下復合型人才培養案例分析

文章以DEFORM 軟件車削仿真為例，融合材料、機械、計算機、數學等專業開展研究，闡述機械類專業復合型人才培養建設思路。高校在機械類專業人才培養中，融合多學科例如機械、材料、數學、有限元、計算機等知識，提高學生的思考分析能力和動手操作水平。在開展人才培養建設時，在培養目標上以綜合能力為本位，在教學內容上以提高學生運用知識和技術解決問題的能力為核心，在就業能力上以滿足社會發展對復合型人才的需求為目標，同時注重學生職業道德和綜合素質的培養，切實提高人才培養質量。機械加工行業的發展關鍵在于機械設計加工材料的選擇，材料的選擇應當融入可持續發展理念，為機械加工制造業的發展注入新的動力[5]。

隨著計算機技術和有限元方法理論的快速發展，有限元在切削加工中也得到應用。利用有限元法對切削加工過程、切削力、溫度場分布、應力應變等進行數值模擬，這對切削技術的發展具有重要意義。CAE 技術是現代工程設計領域的先進設計方法之一。常用的CAE 仿真軟件有DEFORM、ANSYS、ABAQUS、ADAMS 等。DEFORM軟件在金屬切削仿真中應用廣泛[6]。DEFORM 軟件幾何模型網格劃分示意圖如圖1 所示。

圖1 幾何模型網格劃分示意圖：（a） 刀具、（b） 工件

在模擬過程中，工件材料的非線性塑性行為采用Johnson-Cook 模型描述[7]，如公式（1） 所示：

其中，G 為材料的屈服應力；B 為應變硬化常數；ε 為等效應變；x、r、s 為材料特性系數；σ為等效應力；ε0為應變率；T 為變形溫度；TMEH為材料熔點；TROOM為20℃。

切削力影響工藝系統的強度和剛度，也對工件的表面質量產生重要影響[8]。在不改變切削深度和進給量的情況下，通過改變切削速度，研究切削速度（Vc=30m/min 和Vc=50m/min）對切削力和切削溫度的影響。主切削力仿真結果如下頁圖2 所示。

圖2 不同切削速度主切削力仿真：（a） V c=30m/m in、（b） V c=50m/m in

從圖2 可知，切削力隨著速度的增大而增大，原因是刀具后刀面與工件的摩擦加劇，后刀面磨損增加，使得切削力增大。此外，在DEFORM 軟件后處理結果中提取切削力數值，然后導出文本格式，通過MATLAB 軟件自身強大的科學計算功能在MATLAB 中計算運行求取切削力平均值，當Vc 分別為30m/min 和50m/min 時，平均值分別為468N 和489N。同時，通過實驗，學生利用測力儀所獲得的切削力結果數值與仿真結果數值進行對比。結果表明，仿真結果和實驗結果相近，仿真結果具有可靠性。

切削用量對切削溫度的影響規律在切削加工中具有重要的現實意義[9]。刀具切削溫度仿真結果如圖3 所示。

圖3 不同切削速度刀具切削溫度仿真：（a） V c=30m/m in、（b） V c=50m/m in

從圖3 可知，切削溫度隨著速度的增大有所增加，原因是刀具主后刀面磨損時，會加劇后刀面與工件間摩擦，刀具與工件接觸區域的增大造成了摩擦熱引起溫升的加劇，刃口磨損時，會加劇切屑形成過程中的塑形變形，這些因素都可以使切削溫度升高。

在建模中，采用非等分主剪切區模型，計算出考慮刀具后刀面磨損時表面溫度分布[10]。非等分主剪切區模型如下頁圖4 所示。

圖4 非等分主剪切區模型圖

本研究中，只考慮主剪切區塑性變形產生的熱對主剪切面平均溫度的影響，并假設塑性變形功中轉化成熱量形式的比例為η，則主剪切面AB上的平均溫度TAB可由二維熱傳導方程推導得公式（2） 所示[10]：

其中，τs為剪切應力；κ 為非等分系數；h為主剪切區厚度；ρ 為材料密度；C 為比熱容；V為切削速度；To為工件初始溫度，近似等于室溫。

從公式（2） 可知，平均溫度TAB與剪切角φ有直接關系。在切削加工過程中，測力儀直接測得作用在刀具上的切削分力，切削力小，刀具摩擦角小，剪切角φ 增大，sinφ 變大，根據公式（2） 平均溫度TAB將會降低，從而切削溫度降低。

總之，在機械加工中，工件的材料和刀具的材料對切削加工性能產生重要影響，機械和材料息息相關，準確了解機械加工需要對材料知識有著深刻的研究。以CAE 仿真軟件DEFORM 車削仿真為研究平臺，根據有限元法對切削加工過程進行建模和仿真，在學習過程中融合材料、機械、計算機、力學、熱學、數學等專業知識，構建交叉學科視角下復合型人才培養模式，改變以單一學科為中心的傳統人才培養模式，通過教學改革，打破專業界限，使學科之間有機交叉綜合，培養學生的創新能力，提高學生解決復雜問題的能力。

三、交叉學科推進復合型人才培養的策略

（一） 根據高校機械類專業特點，設置交叉學科課程

課程目標是教育目的的具體體現，是確定教學目標的依據，課程目標的確定對教學的質量和教育目的的實現有著重要的影響。確定教育課程目標，首先要明確課程與教育目的、培養目標的銜接關系，以便確保這些要求在課程中得到體現。其次在對學生的特點、社會的需求、學科的發展等各個方面進行深入研究的基礎上，才有可能確定行之有效的課程目標[11]。交叉學科課程需要根據本專業的實際情況與優勢設置，培養人才需要恰當的學科群與范圍廣泛的學科專業課程，交叉學科課程應體現學生廣泛的知識面以及解決問題的技巧能力。課程是人才培養的核心要素。例如，機械加工不僅涉及機械專業的知識，還需要了解加工工件材料以及刀具材料問題，在切削仿真過程中，還需要融合計算機、數學、力學等專業知識。機械類專業的課程如何與其他專業相結合，以便合理地設置交叉學科課程也是我們需要思考與探索的內容。

北京大學于2006 年成立了交叉學科研究平臺——前沿交叉學科研究院，該研究院對北京大學的學科建設、人才培養等都具有重要的作用，研究院現有納米科學與技術研究中心、生物醫學跨學科研究中心、大數據科學研究中心等10 多個研究機構，涵蓋數學、物理學、化學、生物學、醫學、工學等學科的交叉研究領域。

（二） 根據交叉學科課程特點，提高人才培養質量

推進人才培養方式改革，將提升綜合性大學交叉學科的教學水平、促進大學生整體素質的提升[4]。高校圍繞培養什么人、怎樣培養人、如何提高人才培養質量這一根本問題，在培養目標、專業設置、課程設置、培養體系、培養方案、師生教學、教學改革等環節開展研究。通過教學改革，有效打破專業界限，使學科之間有機交叉綜合，教師根據教學目標進行動態教學，學生學到多學科知識，滿足社會發展對復合型人才的需求[12]。高等教育本科院校在機械類專業人才培養中，加入其他學科如材料、數學、有限元、力學、計算機等學科知識，把培養學生的就業遷移力作為重點進行大力探索、實踐。在開展人才培養建設時，在培養目標上以綜合能力為本位，在教學內容上以提高學生運用知識和技術解決問題的能力為核心，同時還注重學生職業素質的培養，切實提高人才培養質量。

21 世紀以來，我國綜合性大學人才培養模式在進行積極探索和變革。浙江大學對于復合型人才培養模式的探索上升到了跨學科的高度，在培養過程中提出了“以人為本、整合培養、求是創新、追求卓越”的教育理念，將112 個本科專業分成了許多大的學科門類，前期實施通識教育與大類平臺基礎教育，后期開展寬口徑專業教育和跨學科學習的新模式，全面推進學分制，實施文理滲透、理工結合、多學科交叉培養的多樣化高素質人才培養模式[4]。

（三） 根據高校教學特點，培養復合型教師

對其他學科的知識了解需要教師努力掌握教育教學規律和現代教育技術手段，提高終身學習的自覺性，注重知識更新，優化知識結構，積極探索有利于啟發和調動學生積極性的學習方法[11]。復合型的教師隊伍才能培養出復合型的學生，因此，構建培養交叉學科復合型應用型的師資隊伍是高校需要解決的問題。高校在加強教師專業技能的同時，更應該注重融合其他相關學科知識的教育。

高校還要為復合型人才的培養營造良好的教育氛圍，不同專業的教師可以進行學術交流，增強教師的教學能力，提高認知水平，使得在教學過程中，學生獲得深厚的知識基礎、寬闊的專業視野和較強的適應能力。