機械電子工程本科專業核心素養的支點分析

周洲，裴九芳

（安徽工程大學機械工程學院，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

學生發展核心素養是學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。在開放、在包容的新工科的理念下，核心素養的培養在于創新，實現科學、人文、工程和其它方面的融合，創新的道路有可行的也有不可行的，雖然可能走不遠，但支撐創新行為的學科專業素養是不變的，這既是靈感的起點，也是創新行為的支點。機械制造、測控等典型工科專業，機械電子工程專業特色較為模糊，人才培養極易出現偏機和偏電的兩極分化，成為該專業改革方案和課程標準制訂中存在的重要問題。

隨著智能化萬物互聯時代的到來，社會發展對于多樣化的電子信息類技術人才需求不斷增長，在機械電子領域，產品和生產設計的復雜性的增加，包括軟件、機電一體化集成，對高素質電氣、機械、編程和制造學科專業人員的需求越來越大。機械電子工程專業為學生整合機械、電氣、編程和制造相關理論知識，培養學生力學、電路、嵌入式技術、數學、材料技術、計算機輔助工程和設計的基礎技能，迎合時代發展需求。但隨著計算機技術的發展，以復雜算法和程序設計為核心專業素養的泛互聯網產業人才逐漸走在的社會的頂端，在智能制造的背景下，對傳統工科人才產生了巨大的沖擊，特別是機械電子工程這類綜合性工科專業，如何定義其專業素養的支點對機械電子工程專業高素質人才培養具有重要意義。

2 物聯網時代機械電子系統的特點

在當今的物聯網時代，機電系統不僅是機械和電子的結合，還要應盡可能包含大型復雜領域的其他先進技術，同時機電一體化系統能夠更多的集成機、電、磁、光、聲、熱、液、氣等先進技術、具有生物化學等多種學科的特點，研究各種學科的各個參數，并正確處理彼此之間的耦合關系。物聯網技術的發展是近年來的重大科技創新之一，萬物互聯的發展方式導致了傳統行業如制造業、服務業、運輸業中的機電產品激進式擴張和轉變，特別是以算力為主要衡量標準的電氣化控制方式逐漸取代傳統的機電一體化設計方式，對傳統機電人才市場產生了巨大沖擊。圖1對比了2012年前5年和2022年前5年區間內機械電子關鍵詞下相關搜索結果的副標題數量，進而對領域研究趨勢進行分析。

圖1 近10年來機械電子行業發展研究熱點變化

近10年來，隨著大數據技術的發展，以程序、算法為核心的物聯網產業促進了機電系統的快速轉型，相關領域如遠程控制、工業自動化、醫療健康等均實現了300%以上的增長。但相應的，傳統機電行業關鍵方向，如汽車、傳感器、機電系統設計等增長率低下，傳感器領域的研究甚至出現了負增長。相對于傳統的偏機和偏電，近10年來，機電方面人才中漸漸出現了偏算法的趨勢。

3 以算法為核心的機電行業發展缺陷

電氣化是機電行業發展的大趨勢，其近年來激進式的發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電行業普遍采取的發展方式，即以高性能處理器、傳感器以及人工智能算法為核心，為機電系統提供遠程化、智能化、快響應、高魯棒性的調控策略。為了追求算力的提升，消費電子領域的IC器件近年來被大量應用于機電領域，典型的如新能源汽車、無人機等，雖然用戶體驗急劇上升，但隱患問題也逐漸凸顯。汽車領域的車機系統故障、癱瘓、死機情況逐年增加，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。

工業互聯網（IOT）也是機電專業熱點之一，但算法的發展并不能覆蓋整個工業的需求，首先，傳統機電產品在于互聯網集成過程中出現了軟硬件的畸形發展，機電系統的穩定、可靠和安全是傳統機電系統的關鍵特征之一，但在IOT系統中，安全行為（Security）和安全性（Safety）目前國際公認的兩大核心問題。由于機電系統和互聯網之間必然存在的技術鴻溝，在目前技術條件下，其有機耦合過程中個人及其帶來的機電操作扮演著不可替代的角色。安全性指與IoT設備組件緊密相連的研究人員為確保其人身及機電系統安全而采取的措施，但任何面向互聯網的器件或設備都容易受到潛在的網絡攻擊。為遠離這些威脅，工業企業應該考慮如何將先進的網絡威脅防護解決方案整合到機電系統的軟硬件中，包括軟件防火墻，也應該包含重要的機電保護系統。以機械電子系統的可靠性、安全性、穩定為第一研究對象，具備精益求精的工匠精神，正是目前機電一體化專業人才應具有的有別于計算機、控制方面人才的重要素養。

從技術成熟性角度，目前世界機電系統可以分為兩大派系，以歐美為代表的激進派，熱衷于將消費電子中的新技術應用于機電系統中，如特斯拉汽車、獵鷹九號等，通過算法壓榨機電系統的性能潛力，使其工作在臨界點附近，當然，這類發展方式方便了設計師對系統的調整，如歐美汽車行業通過代碼控制尾氣排放，也誕生了一系列工業丑聞。

另一派系是以日本為代表的傳統派系，以穩健可靠為主旨，將老式的也是最成熟的技術應用于機電系統中，對成熟技術進行延續和革新，典型的代表如日系汽車的發動機、變速箱等技術。從我國國情出發，在半導體、互聯網底層技術受歐美壓制的今天，機械電子工程學科應培養適應國家經濟發展和社會發展的需求，掌握數學、自然科學以及機械電子工程的基礎知識和專業知識，能在機械電子工程及相關領域從事機電產品的設計與開發、檢測與控制和生產運行管理等方面工作的，并具備質檢特色的應用型技術人才。

4 機械電子工程專業素養的思考

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

4．1 通過專業課培養穩健的感性知識體系

在本科教學領域，感性知識指從書本上學習的基本知識，這些知識不建立在實驗認識的基礎上，只是語言、圖像等基本元素的傳達在學生意識中形成的初步印象，在機電專業中，感性知識通常表現為數學公式和基本的機械、電路模型，通過感性知識的學習，了解機械電子工程領域的工程設計和產品開發全周期、全流程的基本設計/開發方法和技術，機電產品設計目標和技術方案的各種因素，典型課程如數學類課程、機械設計、機械原理、電路分析、微機原理這類抽象課程。

有別于機械設計制造及其自動化以及測控技術與儀器學科，機械電子工程的基本知識因偏重于應用于機械裝置的電氣系統設計和分析能力，針對機械系統振動、溫升兩大類限制性能和可靠性的基本問題，在傳統知識結構中穿插振動學和傳熱學的基本思想方法，讓學生建立機電系統之所以需要不斷發展、是因為目前高精尖機電設備在環境、溫度、可靠性方面不斷突破的需求導致的。以航空航天等高精尖機電系統的研發過程為要點，從思政角度建立學生穩健、可靠的學科基本素養精神。典型知識點如機械設計中的四類應力模型，電路中的失效分析、振動系統中的模態匹配，熱力學與電、磁場耦合時的退磁和絕緣等問題，讓學生認識到機械電子工程并是不偏機、偏電的分裂學科，而是面向機械系統的電子系統設計學科，讓學生發展處從機械需要的角度進行電氣系統設計的本能，從而形成完善的感性知識體系和基本學科素養。

4．2 通過實踐環節探索知性知識的結構

“吃一塹，長一智”，實踐是檢驗真理的標準，但在感性教育階段，純灌輸的知識難以使學生完成感性到知性的轉變。知性所處理的對象是感性知識，是對感性知識進行再整理。

知性的一切活動都可以歸結為判斷，也可以說，知性就是判斷的能力，在哲學領域，可以總結為量、質、關系、模態。在機電專業領域，通過實踐環節，可以建立學生對于不同器件、結構、元件數值的基本經驗概念，如機械尺寸大概多少，電阻、電感、電容該用多大，系統能承受的溫度可能是多少，振動頻率預計數值等，即量的概念；在不斷的實踐環節中，學生自我動手時不可避免的出現各種問題，發現問題與解決問題中會出現問題的升華，如數電向模電、經典控制理論向現代控制理論、材料力學向彈性力學等的升華，即在實踐中發現知識體系的層次結構，這既是一種質變，也是后續知識關系概念的萌芽，通過實踐理清知識關系，元器件、結構的量、質如何統一成穩定的機電系統；最后即模態，量、質、關系是知識體系的范疇，模態是知識對自己主體的影響，學生通過機電類實踐課程，運用所學感性知識，通過實踐過程中的失敗、經驗和教訓，訓練沉穩、細致、偏保守的學科基本素養。

4．3 通過畢業設計培養理性知識的萌芽

理性知識指將知識總結為原理的能力，在工科領域，可以理解為感性知識和知性知識的創新和發散。機械電子工程學科并不是一門激進的學科，但其應用的場景可以是先進的，前沿的，如與生物醫療、化學化工、氣象環境以及航空航天的交叉融合。在學科擴展過程中，機械電子工程學科因秉持穩定、可靠的專業基本素養，從能用、好用的角度對跨學科融合的課題進行探索和改進。畢業設計是學生走向社會之前的最后檢驗環節，也是無拘無束發揮想象力和創造力的最佳平臺，在畢業設計階段，要注意培養學生獨立工作的能力，從問題提出開始，通過調研、文獻檢索和閱讀、方案設計與比較、數據分析與處理計算、計算機應用、綜合分析及畢業設計報告等環節，培養學生獨立分析問題與解決問題的能力，培養學生嚴謹的科學意識、正確的思想方法、認真負責的態度、腳踏實地、埋頭苦干的作風、不畏艱難、敢于攻堅的勇氣，以及相互幫助、團結協作的團隊精神，提高適應社會的綜合素質。學生在畢業設計完成后，逐漸形成理性分析能力的萌芽，為社會生產工作打下基礎。

5 結語

機械電子工程專業具有極強的覆蓋性，幾乎可以與現有所有工科專業交叉相融合，也造成學生在專業學習過程中出現目的不強，找不到專業介入點的問題。本文認為，機械電子工程專業因解讀為面向機械的電子系統工程，以機械系統可靠性、穩定性為基本學科素養的支點，面向先進技術但設計思想應具有保守型，建立穩健的感性和知性知識體系，從機電產品質量角度建立理性思維能力，培養具有機械系統穩定電路控制系統設計能力的專業人才。