工業革命浪潮下我國工科教育發展思路探討

楊 瀚

(蘇州工業職業技術學院,江蘇 蘇州 215104)

1 世界工業革命浪潮風起云涌

1.1 第三次工業革命

“如果選擇了第三次工業革命這條道路,中國極有可能成為亞洲的龍頭,領導亞洲進入下一個偉大經濟時代。中國也將成為第三次工業革命的主要力量,推動亞洲實現向后碳社會的轉型”[1]。美國未來學家杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)在他影響力廣泛的著作《第三次工業革命》中文版序言中提出這樣的論斷。按照里夫金對人類工業發展歷程的劃分,19世紀蒸汽機動力技術引入印刷業造就了第一次工業革命,形成了密集的城市核心區和眾多拔地而起的工廠區。20世紀初內燃機技術與電信技術的結合引發了第二次工業革命,出現了大批量生產模式,催生了工業區的繁榮和城郊房地產業的爆發。21世紀的今天,互聯網信息技術與可再生能源的結合迎來了第三次工業革命,將徹底改變人們工作、生活和消費模式,家庭住宅、辦公場所、新能源工廠生產的綠色能源將在“能源互聯網”上得以分享,世界將步入“后碳”時代。里夫金是依據通信技術與能源技術兩要素的結合來定義第三次工業革命的,被稱為第三次工業革命理論的“新能源版本”。

關于人類工業演進歷程,英國《經濟學人》雜志刊發了《第三次工業革命》特別報告,以生產方式變革作為依據對工業革命階段進行了劃分。英國的紡織業在18世紀采用機器紡織替代手工紡織,實現了紡織工業的機械化,從而產生了第一次工業革命。20世紀初產生了第二次工業革命,美國的亨利·福特(Henry Ford)發明了流水作業的裝配線,將人類引入大規模生產的時代。第三次工業革命的標志是制造業的“數字化”和“大規模定制”生產模式[2]。21世紀的制造技術將是基于集成化技術、智能化技術、網絡技術、分布式并行處理技術、人-機-環境系統技術等多學科綜合的新一代制造技術[3]。因而《經濟學人》的定義被稱為第三次工業革命的“制造業版本”,盡管兩個定義版本的視角不同,但落腳點都在互聯網及通信技術迅猛發展的基礎之上。

1.2 第四次工業革命

德國的“工業4.0”計劃被廣泛認為是第四次工業革命的標志。21世紀伊始德國政府就對新的制造模式所需要的高科技支撐進行了部署,經過政府、企業和科研機構合作研究,《國家高技術戰略》于2006年出臺,該計劃明確了創新驅動作為核心發展戰略,確定了需要重點培育的高技術領域和需要重點突破的關鍵技術。德國政府于2010年又出臺了《國家高技術戰略 2020》作為升級計劃,優先在氣候和能源、交通、信息安全和通信、健康和營養等領域建立示范研究項目,明確了各領域示范研究項目的研究重點。后續這些示范研究項目成為制定德國“工業4.0”戰略計劃的基礎,德國政府于2013年正式發布了“工業4.0”計劃。“工業4.0”提出了“互聯網+制造業”的智能制造模式,催生出大量的新型商業模式,引發了新一輪工業革命[4]。

“工業4.0”重新定義了世界工業革命演進歷史,將工業化革命分為4個階段,第一、二階段與上節的定義相似。“工業4.0”將工業革命第三階段定義為20世紀中期自動化制造水平的大幅提升,標志是可編程邏輯控制、數字控制等信息技術在制造技術中的集成。“工業4.0”將工業革命第4個發展階段定義為“基于信息物理系統CPS(Cyber-Physical System)”的新型制造模式的產生與發展,把制造業范疇從宏觀上進行了拓展。這種定義是以制造技術的創新性和復雜程度為基準,智能制造模式的產生標志著工業革命進入第四階段。

“工業4.0”提出了在“信息物理系統CPS”基礎上構建人機交互的物聯網概念。信息物理系統CPS是虛擬與現實世界可以相互結合的新技術,以構建各智能單元可以交互、通信的真實網絡世界。信息物理系統將扮演應對人口激增、自然資源匱乏、可持續發展和能源變化等基礎挑戰的中心角色。在制造業中引入和應用信息物理系統,催生了新的生產模式、生產組織和生產管理。

“工業4.0”強調智能化制造的核心作用。基于信息物理系統CPS物聯網的建立,使得信息系統與物理系統的交互集成變為可能,從而推動自動化制造技術向智能化制造技術發展。從嵌入式系統,到網絡化嵌入式系統,再到信息物理系統,第四次工業革命的發展目標是智能化制造并在此基礎上構建智慧工廠乃至智慧城市。由此可見,“工業4.0”涵蓋了制造技術創新、生產組織方式演變、企業管理模式變革,還設立了基于人工智能的智慧社會發展目標。智能制造技術因此成為第四次工業革命的核心基礎[5]。

2 中國式現代化對制造業發展提出新要求

黨的二十大報告對我國制造業高質量發展提出了“推進新型工業化,加快建設制造強國、質量強國、航天強國、交通強國、網絡強國、數字中國”的新要求,確立了到2035年基本實現新型工業化的戰略目標,這也是實現中國式現代化的重要基礎。面對第四次工業革命浪潮的沖擊、信息技術的爆發式增長和產業形態的劇烈變革,要瞄碇實現新型工業化的戰略目標,大力推進我國制造技術向智能化方向轉型升級,推動生產制造模式的變革,催生新業態的不斷涌現。

21世紀初,制造業達成了以“及時上市、高質量、低成本、好服務、柔性化、環境友好”TQCSFE為發展目標的共識,為追求好的TQCSFE效益,信息技術、新材料、新工藝和新生產管理理念等得以集成起來,形成具有智能系統內核的先進制造技術。廣義而言,精益制造(Lean Manufacturing)、敏捷制造(Agile Manufacturing)、虛擬制造(Virtual Manufacturing)、計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing Systems)等都可以看作是智能制造的基礎模式。智能制造(Intelligent Manufacturing)被描述為:一種人機交互的智能一體化系統,在產品生產制造流程中可實現產品分析、工藝選擇、故障診斷、管理決策等智能化活動。智能化人機交互通信可大幅度替代產品生產制造過程中人類的體力和腦力勞動,因而將制造技術推向高度集成化、柔性化和智能化[6]。

我國工信部等8部門于2021年12月發布了《“十四五”智能制造發展規劃》,提出了我國智能制造“兩步走”發展戰略,明確了我國制造業“以新一代信息技術與先進制造技術深度融合為主線”的發展思路和發展過程中需要堅持的5項基本原則,確立了至2035年的遠景發展目標以及四大重點任務,并細分為30余項重點工作[7]。

《“十四五”智能制造發展規劃》的實施為我國制造業高質量發展和提升國際競爭力提供了有力保障,同時也對政府、企業、科研院所、高等院校等各個層面提出了新要求。

2.1 政府主要面臨的新要求

各級政府在執行規劃過程中應遵循“五個堅持”基本原則,即“堅持創新驅動、堅持市場主導、堅持融合發展、堅持安全可控、堅持系統推進”的原則,前瞻謀劃、統籌布局,一以貫之地將國家戰略部署貫徹執行到位。充分發揮政府的引領作用,在各區域、各領域的規劃編制、政策法規制定、 智能制造相關標準制定和公共服務供給等方面進行指導與調控。努力營造促進智能制造產業發展的良好生態,以創新驅動作為智能制造產業升級發展的內生動力,通過政策調控激發各類市場主體的活力。注重提升制造產業集群智能化水平,打造智能制造技術創新和示范應用的集聚區。統籌推進區域智能制造創新發展、特色發展,推動跨地域人才培養、關鍵技術研發和產品生產供需協同合作。

2.2 企業主要面臨的新要求

樹立制造企業在智能制造發展中的主體地位,制造業的龍頭企業要發揮引導作用,推動產業鏈、供應鏈深度協同互聯,帶動上下游企業的智能制造水平同步提升,切實推進中小企業數字化升級。重點在加工裝備聯網、關鍵工序數控化、管理系統云端化等方面進行升級改造,實現大中小企業的智能制造水平協調發展。深化企業、科研機構、高等院校的合作,在人工智能、數字孿生等領域開展協同創新,面向制造全過程構建智能制造系統,加強數據共享,推廣智能制造系統和裝備的應用。突破制造全過程的系統集成技術,推進高精密加工工藝等先進制造工藝的研發及應用,重構精益管理和業務流程,實現數據分享、泛在感知、互聯集成、人機交互及分析優化,提升制造全過程的智能化水平。

2.3 高等院校和科研機構主要面臨的新要求

加強產學研用的深度融合和聯合創新,在生產制造技術、高新工藝、智能裝備和軟件、生產管理模式等方面進行協同創新,在關鍵核心技術和系統集成技術研發上實現突破。促進跨領域、跨學科、跨行業的合作,強化軟件企業、裝備制造業、科研院所、高等院校的協同,研發面向產品全生命周期和制造全過程的核心軟件,形成自主的嵌入式工業軟件和細分行業的集成工業軟件產品。推進新工科建設,建設智能制造領域的現代產業學院和示范性軟件學院。改革和優化學科專業課程體系,探索智能制造高端人才培養新路徑。強化職業技術學院和高技能人才培訓基地的技能教育及培訓功能,對各類人員開展職業培訓和數字化技能培訓。深化智能制造企業與職業院校的深度融合,提高產教融合的實際效益。借鑒國際職業教育成功經驗,建設具有中國特色的職業教育體系,創建智能制造領域的職業標準。

3 新時代背景下工科教育的升級發展思路

為應對第四次工業革命對我國工科教育帶來的影響和挑戰,2017年教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會,30所國內一流高校參會,會議對新時期工程技術人才培養進行了深入討論,共同探討了新工科的內涵特征和新工科建設與發展的路徑選擇,形成了“復旦共識”[8]。“復旦共識”強調新工科建設“對工程科技創新和產業創新發揮主體作用、對催生新技術和孕育新產業發揮引領作用”。

我國已進入全面建設社會主義現代化強國的新時代,黨的二十大報告對中國式高等教育現代化發展提出了新的更高要求,賦予了工科教育在新時代要肩負的使命和任務。為應對第四次工業革命浪潮沖擊,適應新型工業化的建設與發展需要,筆者認為我國工科教育在發展思路上應注重以下4個方面的轉型升級。

3.1 教學方式向“多重維度”轉型升級

隨著智能制造技術對專業人才的需求,教育方式方法要轉向多維度,教學主體和內容也要轉向多維度。在新一代網絡通信技術和人工智能的支撐下,真人實景化教學可轉變為虛擬場景教學,口述型教育可轉變為體驗式、設計式和行動式教育,靜態化教育可轉變為動態化教育,將學習從單純的視聽活動過程轉變為三維沉浸式、綜合分析、智能輔助結合模式。在智慧教學系統和大數據技術支持下,教師可以實時進行知識學習特征診斷,及時掌握學生的學習狀況,制定和調整符合實際的教學計劃,以提升教學的科學性和實效性。在“互聯網 + 教育”行動計劃不斷實施形勢下,知識傳播越來越呈現出開放性、多元性和共享性,多維度的知識供給將提升學生獲取知識的廣度和深度,有效地建構多元知識基礎和多元知識體系。

3.2 學科專業設置向“跨界交叉”轉型升級

在推進新型工業化過程中,不同行業領域在物聯網和互聯網的支持下聯系更為緊密,非線性、非常規、系統性、整體性的工程問題將成倍增長。新一代信息通信、新材料、 新能源等技術不斷取得突破,加速與先進制造技術融合,促進制造產業不斷向智能化、柔性化、綠色化方向發展。智能制造集成系統和各類嵌入式工業軟件的應用,要求學生學習掌握跨學科、跨領域的各類基礎知識,并具備將各類知識進行共性分析、抽象組合、綜合運用的能力。因而,新時代的工科教育在人才培養模式、學科專業設置方面進行跨領域、跨學科、跨專業探索顯得十分重要,要建立跨學科課程體系,以適應新一代信息技術、智能制造、人工智能等集成而產生的復合知識體系需求。

3.3 實踐技能教學向“復合工匠”轉型升級

第四次工業革命是以人工智能、新材料和新能源為核心的智能化革命,構建出新的經濟發展模式。面向智能設計、大規模定制、網絡協同制造、共享制造、智能管理服務等新制造模式,培養掌握復合知識體系的“復合工匠”型工程技術人才將是推進制造產業智能化的有力支撐。“復合工匠”需在數據分享、泛在感知、互聯集成、人機交互及分析優化等領域具備相應的工程實踐能力,面向智能制造的實踐技能教學環節升級十分必要。

《職業教育產教融合賦能提升行動實施方案(2023—2025年)》的頒布,對統籌人才培養和產業發展、持續優化人力資源供給結構作了宏觀戰略部署。產教深度融合培養模式是“復合工匠”型人才培養的切實可行路徑,學校和企業共同制定人才培養目標、計劃,合作共建實驗室和實習基地,合作進行科研活動,解決生產實際中的技術問題,為學生就業構建可預見性的、可接受的渠道。這種模式可有效解決人才培養和產業發展脫節問題,以教促產、以產助教,不斷延伸教育鏈、服務鏈、供應鏈,加快形成產教良性互動、校企優勢互補的發展格局。

3.4 教育培養模式向“終身教育”轉型升級

進入新時代,傳統的生產方式、商業模式、生活方式將隨著新一代信息技術、智能制造、人工智能技術發展而產生巨大變化,知識更新周期不斷縮短,知識的廣度和深度不斷增加,知識量也呈爆炸式增長。人類要適應第四次工業革命帶來的影響,不得不改變學習知識的方式,樹立終身學習、終身教育的理念,更高效率地掌握新知識,更主動地培養適合信息技術、智能制造技術需求的新技能,不斷地更新知識“數據庫”,不斷增強分析解決復雜工程問題的能力。

為應對人口老齡化,需要在全民范圍樹立終身化教育理念,由政府主導構建適合國情的終身教育體系。在工業工程領域,各類各層次高校承接終身教育任務,提升成人教育的質量和水平,為我國制造業提供源源不竭的專業人才支持。通過完善終身教育體系建設,有效推動學習型社會建設。

為契合我國人口規模巨大的國情,工科教育應當承擔促進人的高質量全面發展、增進人的可持續發展能力的歷史使命,探索在高等教育大國基礎上建設高水平“終身教育”體系的道路,以人的可持續高質量發展促進經濟社會持續高質量發展,實現從“中國制造”向“中國智造”的轉型跨越。