新工科背景下學科交叉中的問題與解決思路研究
——以智能制造專業為例

孫尚琪 秦立光 潘海軍

機械與軌道交通學院常州大學 江蘇常州 213164

近年來,隨著科技的不斷發展,智能制造成為當今工業領域的熱門話題。智能制造是指通過信息技術手段來實現制造過程的智能化和自動化,提高制造效率和產品質量。智能制造作為先進制造技術的代表,已經成為全球制造業的重要發展方向[1]。然而,智能制造的實現離不開各個學科之間的交叉融合,其中尤以機械工程、電子信息學、材料科學等學科的交叉為主要體現。因此,促進智能制造專業學科交叉和融合已經成為智能制造專業發展的必要條件。

在此背景下,國家提出了新工科建設的目標,旨在推進高等教育內涵式發展,培養符合新時代要求的工科人才。新工科建設要求專業課程設置科學、實踐教學環節充分、師資隊伍高水平、課程教學與科研緊密結合、產學研合作機制健全等,這與智能制造專業的學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決智能制造專業學科交叉問題,成為當今教育領域和制造業界面臨的重要問題之一。

一、新工科背景下智能制造專業的學科交叉問題

(一)交叉學科的定義

學科交叉,指不同學科之間進行合作、交流、融合,以達到共同目標的一種教育與科學研究方法。學科交叉的本質在于打破學科的邊界,超越學科的限制,以更開放、包容的態度去探索和研究問題。學科交叉的實踐表明,它不僅有利于學科間的知識共享、創新思維的激發,還能夠推動學科的發展和人才培養的多元化。學科交叉的具體形式可以是學科間的合作研究、跨學科教學、跨學科項目等。在學科交叉的過程中,各學科之間的知識和方法可以互相借鑒、融合,從而產生新的研究領域、新的研究方向和新的學科。

(二)智能制造專業學科交叉的問題

智能制造涉及多個學科的交叉,其中最主要的交叉學科包括機械工程、電子信息學、材料科學等。在新工科背景下,智能制造專業的學科交叉問題主要包括以下幾個方面:

1.知識體系不完整

隨著智能制造的快速發展,越來越多的跨學科領域涌現,其中智能制造專業也不例外。智能制造專業旨在培養能夠掌握智能制造技術和方法,具有跨學科能力的高素質人才。然而,智能制造專業學科交叉的知識體系卻存在不完整的問題。首先,知識體系來源單一,智能制造專業學科交叉的知識體系主要來源于傳統的機械制造、電子信息與材料科學等單一學科領域,缺少其他學科的支持和融合。例如,在智能制造技術的應用中,涉及自動控制、計算機科學等學科,但是這些學科的知識并沒有得到充分的融合和應用,導致智能制造專業學科交叉的知識體系不完整。其次,智能制造專業學科交叉的知識體系參差不齊,存在一些細節和深入的問題缺乏解決。例如,智能制造的過程控制中需要結合材料的物理特性和機械加工技術,但是如何有效地將這些學科領域的知識結合起來,構建一個完整的知識體系,還需要更深入地研究和探索。另外,知識體系與實踐應用脫節,智能制造專業學科交叉的知識體系與實踐應用脫節也是一個問題。雖然智能制造涉及多個學科領域的知識,但是由于現有的知識體系缺乏有效的實踐應用,導致學生對于實際操作的掌握程度較低。因此,智能制造專業需要更加注重實踐應用,將知識與實踐相結合,提高學生的操作技能。

2.師資力量不足

智能制造專業需要具備多個學科的知識背景,因此,需要擁有跨學科的教師隊伍。然而,目前跨學科的教師隊伍較為匱乏,導致智能制造專業的跨學科教學難以開展。首先,師資隊伍專業背景單一,智能制造專業涉及多個學科領域的知識,需要具備多學科交叉的背景。然而,由于師資隊伍的專業背景單一,大多數教師只掌握了某個領域的知識,難以對其他學科領域的知識進行深入講解。因此,師資隊伍需要不斷拓寬自己的知識領域,提高對跨學科領域的理解和掌握程度。其次,缺乏實踐經驗,智能制造專業需要結合實踐應用進行教學,然而,由于師資隊伍缺乏實踐經驗,無法將理論知識和實踐應用有機地結合起來,導致學生的實踐能力難以提高。因此,師資隊伍需要注重實踐經驗的積累,不斷拓寬實踐應用的范圍,提高教學質量和學生的實踐能力。另外,研究成果少,智能制造專業學科交叉性強,需要對跨學科領域進行深入研究和探索,然而,目前師資隊伍中的教師研究成果較少。因此,師資隊伍需要積極投身研究工作,發表高水平的研究論文,提高學科交叉領域的研究水平。最后,師資隊伍數量不足,智能制造專業的學科交叉性使得師資隊伍的建設面臨數量不足的問題。目前,國內高校開設智能制造專業的較少,導致該領域的師資隊伍數量不足。因此,需要加強人才培養,拓寬招聘渠道,吸引更多有實力和經驗的教師加入智能制造專業教學和研究。

3.實踐教學環節不足

智能制造專業需要通過實踐來鍛煉學生的實際操作能力,但是,由于智能制造涉及的技術和設備比較復雜,實踐教學環節難以開展。首先,實踐教學環節缺乏,智能制造專業的學科交叉性決定了實踐教學環節必不可少。然而,目前智能制造專業的實踐教學環節仍然存在不足。由于設備、場地、經費等方面的原因,很多學校無法提供足夠的實踐教學環節,導致學生的實踐能力無法得到有效的提高。其次,實踐教學內容缺乏,智能制造專業的實踐教學需要涉及多個學科領域,然而,由于實踐教學內容的缺乏,學生在實踐過程中往往無法有效地應用相關的學科知識,難以達到實踐教學的目的。因此,需要在實踐教學中注重學科交叉性的應用,提高學生的實踐能力。另外,實踐教學環節設計不合理,智能制造專業的實踐教學環節需要具有一定的科學性和針對性。然而,由于實踐教學環節設計不合理,往往無法達到教學目的,學生的實踐能力得不到有效的提高。因此,需要加強實踐教學環節的設計,針對學生的實踐需求進行合理的設計和安排。最后,實踐教學師資力量不足,智能制造專業的實踐教學需要有具備多學科交叉背景的教師來進行指導。然而,目前師資隊伍中缺乏具備相關實踐經驗和跨學科背景的教師,導致實踐教學的效果無法達到預期。因此,需要加強師資隊伍的建設,提高師資隊伍的實踐教學能力。

4.學科交叉的教學模式需要探索

目前大部分學校的智能制造課程設置還停留在單一學科領域,缺少多學科交叉教學的實踐。實踐教學是智能制造專業教學的重要組成部分,是培養學生實踐能力和創新能力的關鍵。因此,設計適合智能制造專業的實踐教學模式是十分必要的。探索新的實踐教學模式,不僅可以提高學生的實踐能力,還可以提高學生的跨學科背景和跨專業交流的能力,為學生將來的就業打下堅實的基礎。首先,課堂教學需要和實驗室實踐相結合,智能制造專業的課程體系比較豐富,需要學生掌握多種技能和理論知識。因此,在實踐教學中可以采用課堂教學和實驗室實踐相結合的方式,讓學生通過理論課程學習相關的基礎知識,然后再通過實驗室實踐進行鞏固和應用。這樣可以使學生更好地理解理論知識,并將理論知識應用到實際操作中。其次,實踐教學需要和校外實踐相結合,智能制造專業需要學生具備一定的實踐能力,而校內的實驗室可能無法滿足學生的實踐需求。因此,可以通過組織學生參加校外實踐活動,讓學生親身體驗工業制造流程和現代制造技術,增強學生的實踐能力和職業素養。另外,需要跨學科教學模式,智能制造專業涉及多個學科領域,因此需要采用跨學科的教學模式,讓學生接觸和學習不同領域的知識和技能。例如,可以組織機械工程和計算機科學的教師一起授課,讓學生同時學習機械和計算機的相關知識。這種跨學科教學模式可以提高學生的綜合素質,讓學生具備更強的跨學科能力。

二、智能制造專業學科交叉問題的解決思路

為了解決智能制造專業學科交叉問題,需要采取一系列措施來促進學科之間的交叉和融合。具體來說,可以從以下幾個方面進行思考。

(一)優化課程設置

智能制造專業學科交叉課程的優化需要考慮課程設置、教材使用和教學方法等方面。首先,課程設置應該注重交叉融合,強化學科之間的聯系,以此提高學生的綜合素質和創新能力[3]。例如,在機械工程、電子工程和材料科學等學科之間建立聯系,設計一些跨學科的實踐項目,如智能機器人等,以此加強學生的綜合能力和跨學科的思維能力。其次,可以引入前沿技術以拓展課程深度和廣度。智能制造專業學科交叉課程應該緊跟科技發展的前沿,引入一些新的技術和理念,如物聯網、大數據、云計算等,以此拓展課程深度和廣度,增強學生的創新能力和實踐能力。另外,還可以采用靈活多樣的教學方式,例如采用多元化的教學方式,包括課堂教學、項目教學、實踐教學等[4],以此加強學生的實踐能力和探究能力。除了教學內容的整合和重構,智能制造專業學科交叉課程還需要優化教學方法。通過采用多種教學方法和手段,可以提高學生的學習興趣和學習效果,促進學生的主動學習和實踐能力的提升。例如,在智能制造與人工智能的交叉課程中,可以設計一個項目,讓學生通過實踐來實現一個智能化生產線的設計,從而深入了解智能制造和人工智能的交叉應用。

(二)加強師資隊伍建設

針對智能制造專業學科交叉問題,需要建立專業的跨學科師資隊伍。首先,教師不僅要熟悉機械、電子、計算機等傳統學科的知識,還要具備掌握人工智能、物聯網、云計算等新興技術的能力。只有這樣,才能夠更好地跨越學科的邊界,提供更加全面、深入的教學。其次,需要加強師資的培養和引進工作。在培養方面,需要制訂具有前瞻性的培養計劃,培養學生的跨學科能力,同時也要注重教師的跨學科培養。在引進方面,應該通過合理的引進政策,吸引具有豐富跨學科教學經驗的優秀教師加盟。另外,對于已有教師的培養,也要建立完善的培訓機制,提升其跨學科能力,使其能夠更好地融合不同學科的知識,開展跨學科研究和教學。此外,還需要加強教師的交流與合作,促進跨學科交叉的深入發展。學校可以通過組織跨學科研究團隊、召開跨學科交流會議、開展教學研討等方式,促進教師之間的交流與合作。同時,也要建立跨學科課程的評估和監督機制,確?？鐚W科教學質量的穩定和提高[5]。最后,要重視教師的激勵機制。對于跨學科師資隊伍,學校應該建立起合理的激勵機制,包括薪酬、職稱評定、獎勵等方面的政策。這樣可以激發教師的積極性,提高他們的工作熱情和投入度,從而推動跨學科教學的發展。

(三)加強實踐教學環節

在智能制造專業學科交叉的實踐教學中,行業合作是非常重要的一環。通過與企業合作,學生可以接觸到實際的生產環境和行業需求,深入了解企業的生產過程和流程控制,提高實踐操作和問題解決能力[6]。首先,可以建立行業合作平臺,通過與企業合作開展實踐教學活動,包括實地調研、生產過程模擬、生產線調試、生產優化等活動,提高學生的實踐能力,培養學生面對實際問題的解決能力。其次,探索多元化的實踐教學模式。智能制造專業涉及機械、電子、計算機等多個學科,實踐教學內容也非常豐富。再次,在教學過程中,需要探索多種實踐教學模式。例如,可以采用案例教學、項目式教學、模擬實驗等方式,讓學生通過真實案例、實際項目、虛擬實驗等多種形式進行實踐操作和問題解決,從而提高學生的實踐能力和解決問題的能力。另外,需提供實踐教學資源和設備支持。智能制造涉及很多高端的設備和技術,學生需要進行相關實踐操作和應用。最后,學?？梢约訌妼嵺`教學資源和設備的投入,提供先進的實踐教學設備和平臺,包括3D打印、數控加工、機器人等,為學生提供更好的實踐教學環境和條件,使其更好地掌握專業技能和實踐能力。學校還要加強實踐教學管理。實踐教學管理是保障實踐教學質量的關鍵環節[7]。學校應該建立完善的實踐教學管理體系,明確教學目標和教學內容,確保教學環節的安全和規范。

(四)建立產學研合作機制

可以通過建立產學研合作機制,來促進學科之間的交叉和融合。通過企業實踐和科研項目的合作,可以讓學生更好地了解智能制造的應用和發展趨勢。隨著產業升級和技術進步,智能制造已經成為制造業轉型升級的必由之路[8]。而智能制造的實現離不開產學研合作的支持和推動,這也是智能制造專業學科交叉中重要的一環。因此,建立產學研合作機制,開展跨學科合作,共同推進智能制造的研究和應用具有非常重要的意義。首先,產學研合作機制有利于加強專業學科交叉的教學與研究。在智能制造專業學科交叉中,產業界擁有更加豐富的實踐經驗和技術資源,學校則擁有更加先進的學術理論和研究方法。通過建立產學研合作機制,學?？梢越柚髽I的實踐資源,更好地開展智能制造專業的實踐教學,并探索新的研究方向和應用場景。同時,企業可以通過與學校的合作,獲取到更加前沿的技術研究成果和高素質的人才,為自身的技術創新和產業升級提供支撐和動力。其次,產學研合作機制有利于搭建智能制造創新平臺。通過產學研合作機制,可以形成由企業、學校和科研機構組成的創新聯盟,共同探索智能制造領域的前沿技術和應用,促進產業的技術升級和轉型發展。同時,這種合作機制也有助于建立智能制造產業鏈和生態圈,實現產學研深度融合和資源共享,形成智能制造產業的良性發展格局[9]。最后,建立產學研合作機制有利于提高智能制造專業的就業和創業能力。通過產學研合作,學校可以將產業界的需求納入教學和研究中,更好地培養符合企業需求的高素質人才。同時,企業也可以通過與學校的合作,挖掘和培養優秀的人才,并為其提供更好的就業和創業機會。這種緊密的產學研合作關系,可以為智能制造專業的人才培養和就業創業搭建更廣闊的平臺。

結語

本文從新工科背景下的智能制造出發,探討了智能制造專業學科交叉問題,并對智能制造專業學科交叉問題的解決思路進行了探討。通過加強師資隊伍建設、優化課程設置、加強實踐教學環節和建立產學研合作機制等措施,可以促進智能制造專業學科交叉和融合,為培養具有跨學科綜合素質的智能制造人才奠定良好的基礎。通過本文的探討,可以看出當前智能制造專業學科交叉存在的問題,也可以看到未來智能制造專業學科交叉的解決思路與發展方向。只有不斷完善和深化跨學科的教學體系和培養模式,才能夠培養出更多的智能制造人才,推動智能制造的不斷發展和進步。