機械創(chuàng)新設(shè)計之新時代發(fā)展需求

摘 要：推動制造業(yè)和實體經(jīng)濟發(fā)展是建設(shè)制造強國的重要抓手，也是當(dāng)前和今后一段時間經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎，機械的創(chuàng)新設(shè)計至關(guān)重要。隨著第四次工業(yè)革命給制造業(yè)帶來的深刻影響，人工智能、新技術(shù)和信息化等智能制造技術(shù)的引入對新時代的機械創(chuàng)新設(shè)計提出了新的需求。文章從課程設(shè)置需求、學(xué)科競賽需求、就業(yè)創(chuàng)業(yè)需求、服務(wù)社會需求和踐行中國精神需求五個方面進行論述，并提出了思考和建議。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計 新時代 需求

黨的二十大報告中明確指出要扎實推動實體經(jīng)濟特別是壯大制造業(yè)的發(fā)展，加快建設(shè)制造強國。國家和各省圍繞制造強國建設(shè)紛紛出臺了一系列行動方案和計劃，如《江西省制造業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化建設(shè)“1269”行動計劃（2023-2026年）》、湖南省出臺的“楚怡工匠計劃”，主要聚焦推動制造業(yè)智能化、高端化、綠色化發(fā)展以及技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)。鑒于此，裝備制造業(yè)要緊跟社會發(fā)展要求，勇于技術(shù)革新，而機械創(chuàng)新設(shè)計是裝備制造業(yè)發(fā)展中最為重要的環(huán)節(jié)之一。高校機械、機電類專業(yè)直接對口機械創(chuàng)新設(shè)計人才的培養(yǎng)，編制科學(xué)的人才培養(yǎng)方案尤為重要。相關(guān)文獻報道認為，要對標企業(yè)人才和崗位需求，突出理實銜接，優(yōu)化教學(xué)方法，構(gòu)建課程體系，開發(fā)課程資源，建立多元教學(xué)評價體系[1]。

機械設(shè)計作為一門專業(yè)核心課，主要涉及針對零件的失效形式確定的設(shè)計和校核計算，通常需要結(jié)合機械原理相關(guān)的知識。然而，處于人工智能、信息技術(shù)高度交叉的第四次革命的新時代下，對機械的創(chuàng)新設(shè)計也提出了新的時代需求。近年來，筆者一直從事機電類專業(yè)的教學(xué)和科研工作，在師資培訓(xùn)、企業(yè)調(diào)研和對部分已就業(yè)學(xué)生回訪的過程中發(fā)現(xiàn)，為適應(yīng)新時代背景下機械、機電類專業(yè)的人才培養(yǎng)需求，需要從課程設(shè)置、學(xué)科競賽、就業(yè)創(chuàng)業(yè)和服務(wù)社會發(fā)展四個方面予以關(guān)注。

1 課程設(shè)置需求

新時代下，技術(shù)變革快速更新迭代、國際競爭日趨激烈、高端人才供給不充分等問題是機械制造行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和不足[2]。此外，新興技術(shù)的發(fā)展形成已然不再是某一個專業(yè)就能形成的，它一定是多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展?？鐚W(xué)科成為現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢，也是科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的源泉。因此，積極探索跨學(xué)科交叉融合背景下的人才培養(yǎng)模式，進一步增強學(xué)生跨學(xué)科的意識，有利于激發(fā)他們的創(chuàng)新活力，使其在工作中更富競爭力和創(chuàng)造力[3]?？鐚W(xué)科的關(guān)鍵在于課程的設(shè)置，課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是教育最微觀的問題，解決教育最根本的問題也是課程。

當(dāng)前，一些專業(yè)的邊界不強，人才培養(yǎng)方案存在一定的交叉，專業(yè)特色鮮明度不高，課程的設(shè)置不完全能滿足行業(yè)的發(fā)展需求。以機械電子工程專業(yè)為例，該專業(yè)畢業(yè)生主要從事機電類產(chǎn)品機器本體結(jié)構(gòu)的維修、設(shè)計，同時還要求開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。然而，針對該專業(yè)的課程設(shè)置多是學(xué)科體系下單個課程的講解，如關(guān)于機械設(shè)計相關(guān)的三維造型、機械系統(tǒng)裝配等；關(guān)于電氣控制相關(guān)的課程包括微機原理、傳感器等，顯然，單一的這些學(xué)科課程無法滿足現(xiàn)時代下的機械創(chuàng)新設(shè)計需求。

新時代背景下的機械創(chuàng)新設(shè)計需要結(jié)合信息技術(shù)和人工智能技術(shù)，因此，在課程設(shè)置上除了原有的課程體系外，還需增加結(jié)構(gòu)優(yōu)化和算法、系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的課程，即交叉融合信息技術(shù)專業(yè)的部分課程。當(dāng)然，在課程的具體實施上，可以采用模塊化的課程設(shè)置，如采用兩個較為綜合的主題設(shè)計，從而將新技術(shù)、新方法運用在機器的創(chuàng)新設(shè)計中。當(dāng)然，教育也需要慢工出細活，課程的設(shè)置要有周詳?shù)恼{(diào)研，下文中第四點對此有較為詳細的闡述。

2 學(xué)科競賽需求

以賽促教、以賽促學(xué)、賽教融合是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效舉措。筆者長期指導(dǎo)學(xué)生參加教育部發(fā)布的高校競賽榜單中與機械創(chuàng)新設(shè)計相關(guān)的賽項，包括“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽和中國大學(xué)生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽等，通過總結(jié)對比這幾年的賽題發(fā)現(xiàn)，競賽主題通常是需要完成特種作業(yè)或一般機器難以完成的復(fù)雜工況，并且越來越傾向在機器的設(shè)計中增加人工智能技術(shù)和5G技術(shù)的融合應(yīng)用，并且強調(diào)了在理論計算的同時還應(yīng)采用仿真軟件對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，即考慮各結(jié)構(gòu)中材料的疲勞和損傷，充分考察了學(xué)生的數(shù)字化設(shè)計和人工智能等知識的掌握程度。就參賽學(xué)生團隊完成的情況來看，學(xué)生的跨專業(yè)能力存在較大不足，團隊中機械專業(yè)的學(xué)生三維造型能力較強，對典型機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點掌握較好，并且可以采用增材制造技術(shù)完成關(guān)鍵零部件的加工，從而能夠完成機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制作，傳動方案較為合理，末端執(zhí)行機構(gòu)能完成既定的任務(wù)，但電氣控制方面則較為薄弱，甚至無法對主要電氣元器件進行選型，控制程序的開發(fā)、優(yōu)化存在較大困難，基本無法搭建軟件界面。而電氣專業(yè)的學(xué)生則難以完成機構(gòu)的三維造型和運動仿真，機器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為困難。

綜上，于與機械創(chuàng)新設(shè)計相關(guān)的學(xué)科競賽而言，著重考察作品的兩個方面：一是機器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對各個機構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，能夠通過數(shù)字化設(shè)計手段完成其三維造型、運動仿真，實現(xiàn)用最簡單的機構(gòu)完成機器的運動。此外，虛擬仿真驗證后還需通過增材制造和機加工（通常為減材制造）的方法完成樣機的制作。同時，需采用工程軟件完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如輕量化設(shè)計；二是智能控制系統(tǒng)的搭建，充分結(jié)合人工智能和5G技術(shù)的應(yīng)用，合理編寫算法程序，使其能夠達到使用需要的精度和效率，同時，還需搭建數(shù)字管理系統(tǒng)，即軟件界面的開發(fā)。

3 就業(yè)創(chuàng)業(yè)需求

高校深化教育改革的一項重要措施是將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專業(yè)教育當(dāng)中，這也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑之一[4]。當(dāng)前，機械設(shè)計中的新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，以及與之關(guān)聯(lián)的新材料正加速發(fā)展，各種成形落地的產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)，機械類專業(yè)發(fā)展前景廣闊，畢業(yè)生未來發(fā)展也大有可為。如前所述，傳統(tǒng)的機械類專業(yè)高度融合信息技術(shù)和人工智能技術(shù)后，其創(chuàng)新空間得到了極大提升，由此衍生出的新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用范圍逐漸廣泛，這不僅極大地拓寬了畢業(yè)生的就業(yè)渠道、豐富了他們的就業(yè)選擇，也為畢業(yè)生今后能夠?qū)⒑玫膭?chuàng)新設(shè)計成果落地為適合時代需求的產(chǎn)品，繼而需要創(chuàng)業(yè)提供了種子。

筆者在指導(dǎo)學(xué)生參加中國國際大學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生針對新材料的制備參與開發(fā)的新工藝和新設(shè)備創(chuàng)新性很高，經(jīng)過反復(fù)測試該新工藝較為合理，具有可復(fù)制的推廣價值，搭建的新設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單但控制效果較好，存在一定的商業(yè)價值，不足之處在于他們對創(chuàng)業(yè)之所需了解很少。盡管開設(shè)了創(chuàng)業(yè)課程，但仍不知如何撰寫好的商業(yè)計劃書，特別是對商業(yè)模式理解較薄弱，當(dāng)然還有對財務(wù)和融資等方面的知識也有所欠缺，所以應(yīng)針對裝備制造類的創(chuàng)新設(shè)計孵化成可落地產(chǎn)品所需的創(chuàng)業(yè)能力予以培養(yǎng)。如上所述，機械類專業(yè)畢業(yè)生不僅就業(yè)選擇面廣，不僅可以面向裝備制造類的研發(fā)和維護崗位，還可以從事電氣系統(tǒng)的裝調(diào)維修以及算法的優(yōu)化和軟件的開發(fā)，而且有一定成功創(chuàng)業(yè)的概率。因此，新時代背景下的機械設(shè)計專業(yè)更應(yīng)有針對性地滿足就業(yè)創(chuàng)業(yè)的需求。

4 服務(wù)社會發(fā)展需求

第四次工業(yè)革命給科技和產(chǎn)業(yè)帶來了深刻變革，這就給機械專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的要求，即需將當(dāng)前經(jīng)濟形勢、地區(qū)發(fā)展趨勢和社會對崗位人才的需求緊密結(jié)合起來[5]。高校的一項重要職責(zé)是服務(wù)地方經(jīng)濟社會發(fā)展。以江西省為例，在2023年9月發(fā)布的《江西省制造業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化建設(shè)“1269”行動計劃（2023-2026年）》中指出目標是：實現(xiàn)電子信息、有色金屬和裝備制造等12條制造業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平全面提升，打造電子、銅基新材料和航空等6個綜合實力和競爭力強的先進制造業(yè)集群。而機械類專業(yè)就是屬于典型的裝備制造業(yè)，與上述目標中的任務(wù)高度吻合。因此，服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展責(zé)無旁貸，也將大有可為。

新時代下的機械創(chuàng)新設(shè)計對服務(wù)社會發(fā)展的需求更加凸顯。當(dāng)前和今后的一段時間，裝備制造業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇，同時也要看到千帆競發(fā)的競爭挑戰(zhàn)，只有緊緊圍繞國家發(fā)展需求才能辦好專業(yè)，從而更好地服務(wù)社會發(fā)展。為此，高校機械類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案不僅能適應(yīng)當(dāng)前，更要有一定的前瞻性，應(yīng)充分開展多層次、多樣化的專業(yè)調(diào)研，根據(jù)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)需求確定培養(yǎng)目標，進而對課程體系進行重構(gòu)，結(jié)合調(diào)研確定的培養(yǎng)目標明確課程目標，在這一過程中要融入相關(guān)的標準，設(shè)計識記、理解、應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造的六維成果，這也是模塊化課程設(shè)計的過程。學(xué)一課，成一事，只有對標行業(yè)需求，把課程體系重構(gòu)好，才能讓專業(yè)更好地為社會經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展賦能。

5 踐行中國精神需求

課程思政元素在機械創(chuàng)新設(shè)計相關(guān)的課程中不可或缺，必須充分挖掘新時代中國制造精神和大國工匠精神內(nèi)涵，并融合時政理念和科學(xué)發(fā)展理念，實現(xiàn)專業(yè)知識和時政理念的有機融合[6]。新時代的裝備制造業(yè)要面向更加復(fù)雜、更加多樣、更加柔性的應(yīng)用領(lǐng)域和場景，同時全球競爭也日趨激烈，新技術(shù)、新設(shè)備的更新周期愈發(fā)短暫，而機械的創(chuàng)新設(shè)計難度大、周期長且要求高，容不得半點馬虎，否則將帶來無可預(yù)測的后果，給創(chuàng)新設(shè)計帶來挑戰(zhàn)，從而要求從業(yè)人員要有久久為功、持續(xù)學(xué)習(xí)、一絲不茍、善作善成的工作態(tài)度和作風(fēng)，這就需要從偉大的中國精神中汲取強大的力量并認真踐行。

人無精神不立，國無精神不強。講好第一節(jié)課的課程思政教學(xué)非常重要[7]。近年來，筆者連續(xù)為大一新生作“開學(xué)第一課”的報告，呼吁同學(xué)們愛國愛校，激勵新生們要不忘初心勇做追夢人，腳踏實地、篤行不怠，爭做圓夢人。同時，積極樹立遠大理想，將個人發(fā)展同祖國需要緊密結(jié)合起來，把“小我”融入國家和民族、人民和人類的“大我”中，用青春理想指引人生航向。特別是面臨第四次工業(yè)革命給產(chǎn)業(yè)帶來深刻變革，要想引領(lǐng)這一次工業(yè)革命的發(fā)展，裝備制造的高質(zhì)量快速發(fā)展至關(guān)重要，其中少不了機械的創(chuàng)新設(shè)計。新時代下機械創(chuàng)新設(shè)計需要有不怕苦、百折不撓的長征精神，具備崇高思想、優(yōu)秀品德的大慶精神，還要有信仰忠誠、愛崗敬業(yè)的雷鋒精神，更要有追求夢想、勇于探索、協(xié)同攻堅、合作共贏的探月精神等中國精神作為支撐。

6 結(jié)語

歷史的接力一棒接一棒向前奔跑，人類進步事業(yè)在對時代之問的回答中一程接著一程向前邁進。未來值得期許，挑戰(zhàn)必須應(yīng)對。新時代下的機械創(chuàng)新設(shè)計要主動適應(yīng)第四次工業(yè)革命技術(shù)的發(fā)展方向，即智能化和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用。高校作為人才培養(yǎng)的主陣地，擔(dān)負著推動時代發(fā)展的重任，因而在人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)中應(yīng)充分考慮時代的需求。具體來說，機械類專業(yè)在課程的設(shè)置上要充分融合信息技術(shù)、人工智能技術(shù)和綠色化改造等領(lǐng)域的課程，培養(yǎng)既能巧妙設(shè)計機械結(jié)構(gòu)又能完成控制系統(tǒng)的搭建，還能開發(fā)效率和精度高的復(fù)合型創(chuàng)新人才；要進一步深化學(xué)科競賽的促教、促學(xué)功能，通過瞄準學(xué)科競賽的新需求，充分調(diào)研、吸收并運用好現(xiàn)代機械創(chuàng)新設(shè)計的理念、技術(shù)和方法；要注重就業(yè)創(chuàng)業(yè)的指導(dǎo)和服務(wù)，讓創(chuàng)新設(shè)計的種子在未來得以生根，成為好的產(chǎn)品并實現(xiàn)創(chuàng)業(yè)；要積極對接地方重點產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，主動作為，從而更好地服務(wù)社會經(jīng)濟發(fā)展；要生動講好中國故事，從中國精神中汲取強大動力，為推動制造業(yè)和實體經(jīng)濟發(fā)展賦予時代需求。

基金項目：江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)技術(shù)項目（2022KJ02）。

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