新工科背景下材料/構件一體化制造新知識體系探討
——輕合金材料和構件制造基礎理論與前沿裝備技術融合

龔 海，張 濤，黃始全，易幼平

（中南大學 輕合金研究院，湖南 長沙 410083）

引言

國家綜合實力的競爭越來越體現在尖端科技領域的較量，尤其是基礎學科拔尖創新人才的競爭［1］。打好“教育強國”和“人才強國”之基礎是強化國家戰略科技力量、搶占科技制高點的核心所在。

空天領域已成為當今世界強國競相搶占的戰略制高點，高端輕合金構件占空天裝備結構重量的70%以上，是其重要基礎與保障。空天輕合金構件制造是多學科、多技術模塊交叉集成的復雜過程，其產品的研制、開發需要掌握多學科和前沿知識、綜合思維和實踐創造的新工科人才，當前的工科專業知識體系和人才培養模式難以完成這一使命。

作為新工科背景下的工科學生，要想成就自己的事業，成為國家的人才，必須具備家國情懷、創新創業精神、跨學科交叉融合意識、批判性思維、全球視野、自主終身學習意識、溝通與協商能力、數字化能力［2］。而開展科技前沿知識教育教學，讓學生具備學科發展的前沿意識，已經成為高校教育必不可少的任務，也是課程發展的重要方向。探索如何傳承和突破高等教育，建設知識與能力融合、思維與實踐融合的人才培養模式，支撐我國空天領域對新工科人才的迫切需求，高校層面要有科技前沿滲透的總體布局，學科要有前沿知識的課程滲透，教師與學生之間要有科技前沿知識的互動，教師在學科前沿知識研究方面要有所成長［3］。

一、學科發展面臨的挑戰

中南大學輕合金研究院是中南大學下屬的以科研為主的二級科研、教學機構，依托機械工程、材料科學與工程等兩個“雙一流”A類學科，面向我國航空航天、國防軍工與交通運輸領域對輕量化高性能構件制造的重大需求，開展輕質合金材料設計、構件成形制造、服役性能評估等制造全過程的科學技術研究，培養輕質合金材料/構件一體化制造領域的高水平人才。

本學科方向瞄準當代制造技術的制高點為空天運載工具與裝備結構制造，以此領域的知識發掘、表征、技術化與集成應用為目標，圍繞本學科方向的核心知識“流變制造”為中心，組織科研、教學過程。“流變制造科學與工程”是根據高端裝備、產品制造的真實過程和發展需求提出的一個學科概念，既反映了制造過程的客觀規律，又提出了發展產品制造對科學與技術的客觀需求，其核心是揭示與掌握材料科學與制造科學融合產生的客觀規律，并將其轉化為新的成形制造方法和技術。

傳統的材料學科和制造學科的學習和研究往往是分離的，形成了材料與制造各自“獨善其身”的發展路線與狀態，實則阻礙了社會生產力的發展，特別是在面臨空、天運載工具超大型化和超高性能與超高可靠需求下，傳統學科與相應工程的制造系統已不能適應需求，目前學術界已認識到這一問題并力圖解決，但仍存在嚴峻的挑戰。

（一）如何將材料科學與制造科學、制造基礎理論與前沿裝備技術相融合

目前的狀態是學科、技術、工程、產品生產企業全部分開，以致人們形成了習慣思維，分別尋求各自發展中所面臨問題的解決方案。因此，如何將各自完整的科學體系與實際由多學科交叉形成的科學過程中的真實邏輯融合為一個邏輯體系和學科，這是需要思考和解決的問題。高性能構件的制造要害應是構件結構質量利用的高效率、材料性能的制造挖掘及產品高品質綜合性能的突破。學科融合交叉的任務是將這些目標參量結合為一個函數，表征和求解，因此，基礎研究的任務十分艱巨，亟須形成新型交叉學科融合多個相關學科知識。

（二）如何傳授融合的知識培養人才

空天運載工具與裝備制造學科方向的發展，需要不斷培養知識面廣（覆蓋機械、材料、控制和力學等學科）、具有參與重大工程實踐經驗、創新水平高、動手能力和工程轉化能力強、工程組織能力優良的復合型、國際型、創新型精英本科人才，形成團隊持續發展與更迭機制，保持團隊旺盛的創新力。

根據我國制造業轉型升級的新形勢及學院的辦學定位，參照高校人才培養總目標，本學科的人才培養目標是：以國家與社會需求為導向，以實際生產工程為背景，以相關自然科學與工程科學為知識基礎，以工程技術為能力基礎，著力培養具有愛國情操、職業道德和勇于創新等優良品質，掌握制造工程、材料工程、智能化、信息化相關理論及實驗與檢測計算方法，通曉構件設計與成形原理、技術與裝備，具有進行材料成形、構件制造、工藝裝備研發與工程化過程集成能力的材料與制造工程領域的高素質工程技術人才。需要培養的人才具有多學科知識背景，具備知識融合與集成實現能力。

如何將材料科學與制造科學融合、制造基礎理論與前沿裝備技術融合的知識有效傳授給學生，培養制造領域復合型高精尖人才，是學科發展迫切需要解決的難題。

二、知識體系改革探索

（一）在空天前沿裝備技術攻關中創造新的交叉學科知識

1.在輕合金材料/構件一體化制造全流程中踐行多學科交叉融合。學科分類難以系統解決當前空天高端裝備迅速發展面臨的復雜科學與技術問題，高端裝備對材料/構件一體化制造技術的需求與挑戰日益突出，如我國戰機、導彈等光學鋁合金反射鏡制造精度要求達到納米級，材料完全依賴進口。對此，團隊組建了多學科深度交叉融合的團隊，從材料設計、構件成形制造、服役性能評估等全流程制造的特征微結構協同調控出發，形成材料與機械相交融的創新知識體系，建立了如成分優化—超純熔煉鑄—超均質鍛造開坯—超細晶強流變成型熱處理的光學微晶鋁鏡坯制備新原理與新技術，鏡坯表面加工精度粗糙度小于1 nm，達到世界先進水平，填補了國內空白。

基于材料、機械等學科高度交叉與融合，進行協作攻關和技術創新，解決了傳統學科分類與技術發展之間的矛盾，為我國空天裝備制造領域培養了具備跨學科知識與能力的高水平復合型專業人才，支撐了重型運載火箭等重大型號的研制。

2.創建“基礎理論—空天高端裝備制造前沿知識”融合的新工科知識體系。面向空天運載等領域對掌握前沿知識人才的迫切需求，結合重型運載火箭等重大項目，在解決行業最前沿關鍵材料與構件研制問題的同時，創造和挖掘前沿新知識，建立殘余結晶相的認知與控制新知識體系，發現合金微結構的多能場調控機理及其構效關系理論，探明亞結構產生與利用的能量條件與調控機理。

在此基礎上，形成了材料/構件加工基礎理論與前沿裝備技術融合的知識體系，取得了系列關鍵技術突破與前沿知識創新挖掘，如世界最大直徑10 m級鋁合金整體過渡環、納米級精度光學微晶鋁反射鏡鏡坯的成功研制等，其中，直徑10 m級鋁合金整體過渡環入選中國高校十大科技進展，解決了知識結構與科技前沿脫節的難題。

（二）結合科研探討課程體系改革

1.課程體系改革探索。根據空天戰略裝備領域高端輕合金材料/構件制造前沿對交叉學科知識的系統化要求，對傳統的機械專業課程體系進行改革。（1）培養和激發學生的學習興趣，設置專業導論課程。設置材料/構件一體化制造科學與技術導論課程，結合本單位的科研實際，通過分析航空航天重點型號攻關項目案例，如研制世界最大直徑10 m級鋁合金整體過渡環，剖析新型號裝備對構件性能的極端挖掘對制造技術帶來的巨大挑戰，以及中南大學輕合金研究院如何通過組建多學科深度交叉融合的團隊，從材料設計、構件成形制造、服役性能評估等全流程制造的特征微結構協同調控出發，解決極端制造中的“卡脖子”難題。讓學生在進入學校剛接觸專業時就能了解國家空天戰略領域前沿的發展動態，培養學生的報國情懷、奉獻精神、工程創新精神和專業自信，激發學生的學習興趣。（2）機械課程模塊。輕合金材料與構件的研制與機械密切相關，產品的設計、制造、性能檢測與分析都屬于機械范疇。擬采用大課程方式，整合設計與制造類課程，主要課程有：“機械設計基礎”（包含“工程圖學”“機械設計”“三維造型設計”等）、“制造工程基礎”、“熱與流體力學”（包含“熱力學”“流體力學”）、“檢測與控制”（包含“控制工程基礎”“機械工程測試技術基礎”“微機原理及應用”“計算機接口與控制技術”“機電設備狀態監測與故障診斷”“機器視覺技術基礎”“機器人傳感與檢測技術”等）。（3）材料與成形制造課程模塊。輕質材料與構件的全過程研制，需要從微觀層面發掘材料的本質，提升材料和構件的性能，當前，機械專業課程體系缺乏關于基礎材料、材料研究方法和材料性能基本測試分析方法的課程，同時，沒有設置與輕合金密切相關的專業類課程。擬進行相應的課程調整，主要課程有：“材料科學基礎”“材料性能學”“材料設計與計算”“材料物理”等材料基礎類課程；“金屬塑性成形原理”“壓力加工原理及其工藝與裝備”“材料成型過程與計算機模擬”“材料成形設備控制與自動化管理”等材料成形類課程；“構件組織性能與殘余應力測試基礎”“材料物理性能與測試”“材料力學性能與測試”等材料檢測類課程；“鋁與鋁合金”“鎂及鎂合金”“鈦及鈦合金”等輕合金課程。（4）信息技術課程模塊。當前，制造業集成化、自動化、網絡化是發展熱點，也是輕合金材料/構件制造的重要研究方向和發展趨勢，當前機械專業的課程設置老化，擬增加以CPS（Cyber Physical Systems）為代表的物聯網課程，主要課程有：“信息物理系統（CPS）”“物聯網導論”“制造系統自動化”等。（5）力學課程模塊。開展輕合金材料/構件的從材料設計、結構設計、形性協同一體化制造到服役性能評價的全過程研究，需要從材料的微結構演變、金屬宏觀塑性流動和力在晶界等微觀尺度傳遞等多方面全面揭示其性能形成的規律，機械專業開設的“工程力學”（“理論力學”+“材料力學”）課程無法支撐開展相關研究，故擬增加“固體力學”“彈塑性力學”“量子力學”“晶體塑性”等力學課程。

2.設置專題課程、企業專家專題講座，擴展學術和工程視野。在材料/構件一體化制造科學與技術導論課程初步介紹專業方向的內涵的基礎上，開設深化的高性能制造專題課程，將創建的“基礎理論—空天高端裝備制造前沿知識”融合的新工科知識理論引入課堂，將最新的制造前沿技術展現在學生面前，形成基礎理論—新知識高度融合的知識傳授體系，解決知識結構與科技前沿脫節的難題。

同時，邀請航空航天領域行業知名專家，如長征五號總設計師等進行學術講座，讓學生感受航空航天事業的艱辛和航空航天人矢志報國的情懷，培養學生的愛國主義情懷，增強學生的民族自信與專業自信，增強學生對工程技術的認知，拓展制造前沿學術思想，拓寬工程眼界。

結語

面向材料與構件制造基礎理論解決空天領域極端服役性能、極高精度輕合金構件制造難題的局限性，開展新工科背景下輕合金材料/構件一體化制造基礎理論與前沿裝備技術融合知識體系的研究，對于提升空天高端裝備領域新工科人才的知識結構、擴展學術和工程視野及提高學生個人素質，將起到積極的推動作用。