交叉學(xué)科推進(jìn)復(fù)合型人才培養(yǎng)的探索*
——以機(jī)械專(zhuān)業(yè)為例

韋 遼 唐玉榮

（廣西開(kāi)放大學(xué) 文理學(xué)院，廣西 南寧 530023）

培育交叉學(xué)科是高校提升教學(xué)水平、增強(qiáng)科研能力、培養(yǎng)高質(zhì)量人才的重要基礎(chǔ)。發(fā)展交叉學(xué)科是培養(yǎng)復(fù)合型人才的重要思路[1]。高校作為高等教育與社會(huì)各行業(yè)銜接的橋梁，部分學(xué)科和專(zhuān)業(yè)開(kāi)展交叉學(xué)科研究，可以提升學(xué)生就業(yè)能力以及滿足社會(huì)的用人需求。因此，國(guó)內(nèi)外高校逐步開(kāi)展了交叉學(xué)科復(fù)合型人才培養(yǎng)模式的研究探索。文章基于DEFORM 軟件對(duì)切削加工過(guò)程進(jìn)行建模與仿真，融合材料、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等專(zhuān)業(yè)開(kāi)展研究，從交叉學(xué)科的視角開(kāi)展機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)，加強(qiáng)教學(xué)改革，改善教學(xué)環(huán)境，提高教育質(zhì)量，探索交叉學(xué)科復(fù)合型人才建設(shè)思路。

一、交叉學(xué)科與復(fù)合型人才

學(xué)科是基于人類(lèi)知識(shí)體系的劃分，交叉學(xué)科建設(shè)與知識(shí)獲取、人才培養(yǎng)息息相關(guān)。培養(yǎng)人才需要恰當(dāng)?shù)膶W(xué)科群與范圍廣泛的學(xué)科專(zhuān)業(yè)課程，建立交叉學(xué)科人才培養(yǎng)模式。高校圍繞培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人這一根本問(wèn)題，在培養(yǎng)目標(biāo)、專(zhuān)業(yè)設(shè)置與調(diào)整、課程設(shè)置、培養(yǎng)體系、培養(yǎng)方案、教學(xué)內(nèi)容等環(huán)節(jié)，形成以主干學(xué)科為主、多學(xué)科協(xié)調(diào)的工作機(jī)制。

交叉學(xué)科是指自然科學(xué)、工程技術(shù)科學(xué)、人文社會(huì)科學(xué)等學(xué)科門(mén)類(lèi)之間以及內(nèi)部的眾多學(xué)科，通過(guò)相互交叉融合而產(chǎn)生的新興學(xué)科[2]。復(fù)合型人才指具有兩個(gè)或兩個(gè)以上專(zhuān)業(yè)（或?qū)W科） 的基本知識(shí)和基本能力的人才[3]。復(fù)合型人才的培養(yǎng)就是要以交叉學(xué)科為依托構(gòu)建起一套不同學(xué)科專(zhuān)業(yè)之間融合的有機(jī)發(fā)展模式，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，更好地服務(wù)于社會(huì)發(fā)展[4]。交叉學(xué)科人才培養(yǎng)有利于滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型人才的需求。

高校作為高等教育與社會(huì)各行業(yè)銜接的橋梁，針對(duì)部分學(xué)科和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)展交叉學(xué)科研究，可以培養(yǎng)學(xué)生掌握綜合知識(shí)能力，增強(qiáng)就業(yè)能力，滿足社會(huì)用人需求。以高校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)機(jī)械加工中的材料為例，機(jī)械加工不僅涉及機(jī)械專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，還需要了解加工工件材料以及刀具材料問(wèn)題，工件的材料和刀具的材料對(duì)切削加工性能產(chǎn)生重要影響，因而機(jī)械和材料息息相關(guān)，準(zhǔn)確了解機(jī)械加工需要對(duì)材料知識(shí)有著深刻的研究和認(rèn)識(shí)。隨著機(jī)械材料專(zhuān)業(yè)發(fā)展，機(jī)械人才培養(yǎng)面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。如何依托多學(xué)科知識(shí)構(gòu)建機(jī)械類(lèi)人才培養(yǎng)體系，基于交叉學(xué)科的視角培養(yǎng)復(fù)合型機(jī)械人才，更好地提高教育質(zhì)量，引起越來(lái)越多的學(xué)者進(jìn)行思考。

二、交叉學(xué)科視角下復(fù)合型人才培養(yǎng)案例分析

文章以DEFORM 軟件車(chē)削仿真為例，融合材料、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等專(zhuān)業(yè)開(kāi)展研究，闡述機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)建設(shè)思路。高校在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中，融合多學(xué)科例如機(jī)械、材料、數(shù)學(xué)、有限元、計(jì)算機(jī)等知識(shí)，提高學(xué)生的思考分析能力和動(dòng)手操作水平。在開(kāi)展人才培養(yǎng)建設(shè)時(shí)，在培養(yǎng)目標(biāo)上以綜合能力為本位，在教學(xué)內(nèi)容上以提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)和技術(shù)解決問(wèn)題的能力為核心，在就業(yè)能力上以滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型人才的需求為目標(biāo)，同時(shí)注重學(xué)生職業(yè)道德和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展關(guān)鍵在于機(jī)械設(shè)計(jì)加工材料的選擇，材料的選擇應(yīng)當(dāng)融入可持續(xù)發(fā)展理念，為機(jī)械加工制造業(yè)的發(fā)展注入新的動(dòng)力[5]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法理論的快速發(fā)展，有限元在切削加工中也得到應(yīng)用。利用有限元法對(duì)切削加工過(guò)程、切削力、溫度場(chǎng)分布、應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行數(shù)值模擬，這對(duì)切削技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。CAE 技術(shù)是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法之一。常用的CAE 仿真軟件有DEFORM、ANSYS、ABAQUS、ADAMS 等。DEFORM軟件在金屬切削仿真中應(yīng)用廣泛[6]。DEFORM 軟件幾何模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖1 所示。

圖1 幾何模型網(wǎng)格劃分示意圖：（a） 刀具、（b） 工件

在模擬過(guò)程中，工件材料的非線性塑性行為采用Johnson-Cook 模型描述[7]，如公式（1） 所示：

其中，G 為材料的屈服應(yīng)力；B 為應(yīng)變硬化常數(shù)；ε 為等效應(yīng)變；x、r、s 為材料特性系數(shù)；σ為等效應(yīng)力；ε0為應(yīng)變率；T 為變形溫度；TMEH為材料熔點(diǎn)；TROOM為20℃。

切削力影響工藝系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度，也對(duì)工件的表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[8]。在不改變切削深度和進(jìn)給量的情況下，通過(guò)改變切削速度，研究切削速度（Vc=30m/min 和Vc=50m/min）對(duì)切削力和切削溫度的影響。主切削力仿真結(jié)果如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 不同切削速度主切削力仿真：（a） V c=30m/m in、（b） V c=50m/m in

從圖2 可知，切削力隨著速度的增大而增大，原因是刀具后刀面與工件的摩擦加劇，后刀面磨損增加，使得切削力增大。此外，在DEFORM 軟件后處理結(jié)果中提取切削力數(shù)值，然后導(dǎo)出文本格式，通過(guò)MATLAB 軟件自身強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能在MATLAB 中計(jì)算運(yùn)行求取切削力平均值，當(dāng)Vc 分別為30m/min 和50m/min 時(shí)，平均值分別為468N 和489N。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用測(cè)力儀所獲得的切削力結(jié)果數(shù)值與仿真結(jié)果數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，仿真結(jié)果具有可靠性。

切削用量對(duì)切削溫度的影響規(guī)律在切削加工中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。刀具切削溫度仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同切削速度刀具切削溫度仿真：（a） V c=30m/m in、（b） V c=50m/m in

從圖3 可知，切削溫度隨著速度的增大有所增加，原因是刀具主后刀面磨損時(shí)，會(huì)加劇后刀面與工件間摩擦，刀具與工件接觸區(qū)域的增大造成了摩擦熱引起溫升的加劇，刃口磨損時(shí)，會(huì)加劇切屑形成過(guò)程中的塑形變形，這些因素都可以使切削溫度升高。

在建模中，采用非等分主剪切區(qū)模型，計(jì)算出考慮刀具后刀面磨損時(shí)表面溫度分布[10]。非等分主剪切區(qū)模型如下頁(yè)圖4 所示。

圖4 非等分主剪切區(qū)模型圖

本研究中，只考慮主剪切區(qū)塑性變形產(chǎn)生的熱對(duì)主剪切面平均溫度的影響，并假設(shè)塑性變形功中轉(zhuǎn)化成熱量形式的比例為η，則主剪切面AB上的平均溫度TAB可由二維熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)得公式（2） 所示[10]：

其中，τs為剪切應(yīng)力；κ 為非等分系數(shù)；h為主剪切區(qū)厚度；ρ 為材料密度；C 為比熱容；V為切削速度；To為工件初始溫度，近似等于室溫。

從公式（2） 可知，平均溫度TAB與剪切角φ有直接關(guān)系。在切削加工過(guò)程中，測(cè)力儀直接測(cè)得作用在刀具上的切削分力，切削力小，刀具摩擦角小，剪切角φ 增大，sinφ 變大，根據(jù)公式（2） 平均溫度TAB將會(huì)降低，從而切削溫度降低。

總之，在機(jī)械加工中，工件的材料和刀具的材料對(duì)切削加工性能產(chǎn)生重要影響，機(jī)械和材料息息相關(guān)，準(zhǔn)確了解機(jī)械加工需要對(duì)材料知識(shí)有著深刻的研究。以CAE 仿真軟件DEFORM 車(chē)削仿真為研究平臺(tái)，根據(jù)有限元法對(duì)切削加工過(guò)程進(jìn)行建模和仿真，在學(xué)習(xí)過(guò)程中融合材料、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、力學(xué)、熱學(xué)、數(shù)學(xué)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，構(gòu)建交叉學(xué)科視角下復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，改變以單一學(xué)科為中心的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式，通過(guò)教學(xué)改革，打破專(zhuān)業(yè)界限，使學(xué)科之間有機(jī)交叉綜合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

三、交叉學(xué)科推進(jìn)復(fù)合型人才培養(yǎng)的策略

（一） 根據(jù)高校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，設(shè)置交叉學(xué)科課程

課程目標(biāo)是教育目的的具體體現(xiàn)，是確定教學(xué)目標(biāo)的依據(jù)，課程目標(biāo)的確定對(duì)教學(xué)的質(zhì)量和教育目的的實(shí)現(xiàn)有著重要的影響。確定教育課程目標(biāo)，首先要明確課程與教育目的、培養(yǎng)目標(biāo)的銜接關(guān)系，以便確保這些要求在課程中得到體現(xiàn)。其次在對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)、社會(huì)的需求、學(xué)科的發(fā)展等各個(gè)方面進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，才有可能確定行之有效的課程目標(biāo)[11]。交叉學(xué)科課程需要根據(jù)本專(zhuān)業(yè)的實(shí)際情況與優(yōu)勢(shì)設(shè)置，培養(yǎng)人才需要恰當(dāng)?shù)膶W(xué)科群與范圍廣泛的學(xué)科專(zhuān)業(yè)課程，交叉學(xué)科課程應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生廣泛的知識(shí)面以及解決問(wèn)題的技巧能力。課程是人才培養(yǎng)的核心要素。例如，機(jī)械加工不僅涉及機(jī)械專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，還需要了解加工工件材料以及刀具材料問(wèn)題，在切削仿真過(guò)程中，還需要融合計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、力學(xué)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)。機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的課程如何與其他專(zhuān)業(yè)相結(jié)合，以便合理地設(shè)置交叉學(xué)科課程也是我們需要思考與探索的內(nèi)容。

北京大學(xué)于2006 年成立了交叉學(xué)科研究平臺(tái)——前沿交叉學(xué)科研究院，該研究院對(duì)北京大學(xué)的學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)等都具有重要的作用，研究院現(xiàn)有納米科學(xué)與技術(shù)研究中心、生物醫(yī)學(xué)跨學(xué)科研究中心、大數(shù)據(jù)科學(xué)研究中心等10 多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，涵蓋數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工學(xué)等學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域。

（二） 根據(jù)交叉學(xué)科課程特點(diǎn)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量

推進(jìn)人才培養(yǎng)方式改革，將提升綜合性大學(xué)交叉學(xué)科的教學(xué)水平、促進(jìn)大學(xué)生整體素質(zhì)的提升[4]。高校圍繞培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、如何提高人才培養(yǎng)質(zhì)量這一根本問(wèn)題，在培養(yǎng)目標(biāo)、專(zhuān)業(yè)設(shè)置、課程設(shè)置、培養(yǎng)體系、培養(yǎng)方案、師生教學(xué)、教學(xué)改革等環(huán)節(jié)開(kāi)展研究。通過(guò)教學(xué)改革，有效打破專(zhuān)業(yè)界限，使學(xué)科之間有機(jī)交叉綜合，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)教學(xué)，學(xué)生學(xué)到多學(xué)科知識(shí)，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型人才的需求[12]。高等教育本科院校在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中，加入其他學(xué)科如材料、數(shù)學(xué)、有限元、力學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科知識(shí)，把培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)遷移力作為重點(diǎn)進(jìn)行大力探索、實(shí)踐。在開(kāi)展人才培養(yǎng)建設(shè)時(shí)，在培養(yǎng)目標(biāo)上以綜合能力為本位，在教學(xué)內(nèi)容上以提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)和技術(shù)解決問(wèn)題的能力為核心，同時(shí)還注重學(xué)生職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)綜合性大學(xué)人才培養(yǎng)模式在進(jìn)行積極探索和變革。浙江大學(xué)對(duì)于復(fù)合型人才培養(yǎng)模式的探索上升到了跨學(xué)科的高度，在培養(yǎng)過(guò)程中提出了“以人為本、整合培養(yǎng)、求是創(chuàng)新、追求卓越”的教育理念，將112 個(gè)本科專(zhuān)業(yè)分成了許多大的學(xué)科門(mén)類(lèi)，前期實(shí)施通識(shí)教育與大類(lèi)平臺(tái)基礎(chǔ)教育，后期開(kāi)展寬口徑專(zhuān)業(yè)教育和跨學(xué)科學(xué)習(xí)的新模式，全面推進(jìn)學(xué)分制，實(shí)施文理滲透、理工結(jié)合、多學(xué)科交叉培養(yǎng)的多樣化高素質(zhì)人才培養(yǎng)模式[4]。

（三） 根據(jù)高校教學(xué)特點(diǎn)，培養(yǎng)復(fù)合型教師

對(duì)其他學(xué)科的知識(shí)了解需要教師努力掌握教育教學(xué)規(guī)律和現(xiàn)代教育技術(shù)手段，提高終身學(xué)習(xí)的自覺(jué)性，注重知識(shí)更新，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，積極探索有利于啟發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性的學(xué)習(xí)方法[11]。復(fù)合型的教師隊(duì)伍才能培養(yǎng)出復(fù)合型的學(xué)生，因此，構(gòu)建培養(yǎng)交叉學(xué)科復(fù)合型應(yīng)用型的師資隊(duì)伍是高校需要解決的問(wèn)題。高校在加強(qiáng)教師專(zhuān)業(yè)技能的同時(shí)，更應(yīng)該注重融合其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)的教育。

高校還要為復(fù)合型人才的培養(yǎng)營(yíng)造良好的教育氛圍，不同專(zhuān)業(yè)的教師可以進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，增強(qiáng)教師的教學(xué)能力，提高認(rèn)知水平，使得在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生獲得深厚的知識(shí)基礎(chǔ)、寬闊的專(zhuān)業(yè)視野和較強(qiáng)的適應(yīng)能力。