機(jī)械電子工程本科專業(yè)核心素養(yǎng)的支點(diǎn)分析

周洲，裴九芳

（安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。在開放、在包容的新工科的理念下，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在于創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、人文、工程和其它方面的融合，創(chuàng)新的道路有可行的也有不可行的，雖然可能走不遠(yuǎn)，但支撐創(chuàng)新行為的學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)是不變的，這既是靈感的起點(diǎn)，也是創(chuàng)新行為的支點(diǎn)。機(jī)械制造、測(cè)控等典型工科專業(yè)，機(jī)械電子工程專業(yè)特色較為模糊，人才培養(yǎng)極易出現(xiàn)偏機(jī)和偏電的兩極分化，成為該專業(yè)改革方案和課程標(biāo)準(zhǔn)制訂中存在的重要問(wèn)題。

隨著智能化萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，社會(huì)發(fā)展對(duì)于多樣化的電子信息類技術(shù)人才需求不斷增長(zhǎng)，在機(jī)械電子領(lǐng)域，產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性的增加，包括軟件、機(jī)電一體化集成，對(duì)高素質(zhì)電氣、機(jī)械、編程和制造學(xué)科專業(yè)人員的需求越來(lái)越大。機(jī)械電子工程專業(yè)為學(xué)生整合機(jī)械、電氣、編程和制造相關(guān)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)、電路、嵌入式技術(shù)、數(shù)學(xué)、材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)技能，迎合時(shí)代發(fā)展需求。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以復(fù)雜算法和程序設(shè)計(jì)為核心專業(yè)素養(yǎng)的泛互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)人才逐漸走在的社會(huì)的頂端，在智能制造的背景下，對(duì)傳統(tǒng)工科人才產(chǎn)生了巨大的沖擊，特別是機(jī)械電子工程這類綜合性工科專業(yè)，如何定義其專業(yè)素養(yǎng)的支點(diǎn)對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)高素質(zhì)人才培養(yǎng)具有重要意義。

2 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代機(jī)械電子系統(tǒng)的特點(diǎn)

在當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，機(jī)電系統(tǒng)不僅是機(jī)械和電子的結(jié)合，還要應(yīng)盡可能包含大型復(fù)雜領(lǐng)域的其他先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠更多的集成機(jī)、電、磁、光、聲、熱、液、氣等先進(jìn)技術(shù)、具有生物化學(xué)等多種學(xué)科的特點(diǎn)，研究各種學(xué)科的各個(gè)參數(shù)，并正確處理彼此之間的耦合關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展是近年來(lái)的重大科技創(chuàng)新之一，萬(wàn)物互聯(lián)的發(fā)展方式導(dǎo)致了傳統(tǒng)行業(yè)如制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、運(yùn)輸業(yè)中的機(jī)電產(chǎn)品激進(jìn)式擴(kuò)張和轉(zhuǎn)變，特別是以算力為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)的電氣化控制方式逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方式，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)電人才市場(chǎng)產(chǎn)生了巨大沖擊。圖1對(duì)比了2012年前5年和2022年前5年區(qū)間內(nèi)機(jī)械電子關(guān)鍵詞下相關(guān)搜索結(jié)果的副標(biāo)題數(shù)量，進(jìn)而對(duì)領(lǐng)域研究趨勢(shì)進(jìn)行分析。

圖1 近10年來(lái)機(jī)械電子行業(yè)發(fā)展研究熱點(diǎn)變化

近10年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，以程序、算法為核心的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)促進(jìn)了機(jī)電系統(tǒng)的快速轉(zhuǎn)型，相關(guān)領(lǐng)域如遠(yuǎn)程控制、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療健康等均實(shí)現(xiàn)了300%以上的增長(zhǎng)。但相應(yīng)的，傳統(tǒng)機(jī)電行業(yè)關(guān)鍵方向，如汽車、傳感器、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等增長(zhǎng)率低下，傳感器領(lǐng)域的研究甚至出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的偏機(jī)和偏電，近10年來(lái)，機(jī)電方面人才中漸漸出現(xiàn)了偏算法的趨勢(shì)。

3 以算法為核心的機(jī)電行業(yè)發(fā)展缺陷

電氣化是機(jī)電行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，其近年來(lái)激進(jìn)式的發(fā)展方式也必然帶來(lái)一定的不足與隱患。特斯拉方式是近年來(lái)機(jī)電行業(yè)普遍采取的發(fā)展方式，即以高性能處理器、傳感器以及人工智能算法為核心，為機(jī)電系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程化、智能化、快響應(yīng)、高魯棒性的調(diào)控策略。為了追求算力的提升，消費(fèi)電子領(lǐng)域的IC器件近年來(lái)被大量應(yīng)用于機(jī)電領(lǐng)域，典型的如新能源汽車、無(wú)人機(jī)等，雖然用戶體驗(yàn)急劇上升，但隱患問(wèn)題也逐漸凸顯。汽車領(lǐng)域的車機(jī)系統(tǒng)故障、癱瘓、死機(jī)情況逐年增加，僅2020年單年，這類故障投訴率即上升了5倍，隨之而來(lái)的是新能源汽車事故的增加。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IOT）也是機(jī)電專業(yè)熱點(diǎn)之一，但算法的發(fā)展并不能覆蓋整個(gè)工業(yè)的需求，首先，傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品在于互聯(lián)網(wǎng)集成過(guò)程中出現(xiàn)了軟硬件的畸形發(fā)展，機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和安全是傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵特征之一，但在IOT系統(tǒng)中，安全行為（Security）和安全性（Safety）目前國(guó)際公認(rèn)的兩大核心問(wèn)題。由于機(jī)電系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)之間必然存在的技術(shù)鴻溝，在目前技術(shù)條件下，其有機(jī)耦合過(guò)程中個(gè)人及其帶來(lái)的機(jī)電操作扮演著不可替代的角色。安全性指與IoT設(shè)備組件緊密相連的研究人員為確保其人身及機(jī)電系統(tǒng)安全而采取的措施，但任何面向互聯(lián)網(wǎng)的器件或設(shè)備都容易受到潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊。為遠(yuǎn)離這些威脅，工業(yè)企業(yè)應(yīng)該考慮如何將先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)威脅防護(hù)解決方案整合到機(jī)電系統(tǒng)的軟硬件中，包括軟件防火墻，也應(yīng)該包含重要的機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)。以機(jī)械電子系統(tǒng)的可靠性、安全性、穩(wěn)定為第一研究對(duì)象，具備精益求精的工匠精神，正是目前機(jī)電一體化專業(yè)人才應(yīng)具有的有別于計(jì)算機(jī)、控制方面人才的重要素養(yǎng)。

從技術(shù)成熟性角度，目前世界機(jī)電系統(tǒng)可以分為兩大派系，以歐美為代表的激進(jìn)派，熱衷于將消費(fèi)電子中的新技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)中，如特斯拉汽車、獵鷹九號(hào)等，通過(guò)算法壓榨機(jī)電系統(tǒng)的性能潛力，使其工作在臨界點(diǎn)附近，當(dāng)然，這類發(fā)展方式方便了設(shè)計(jì)師對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整，如歐美汽車行業(yè)通過(guò)代碼控制尾氣排放，也誕生了一系列工業(yè)丑聞。

另一派系是以日本為代表的傳統(tǒng)派系，以穩(wěn)健可靠為主旨，將老式的也是最成熟的技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)中，對(duì)成熟技術(shù)進(jìn)行延續(xù)和革新，典型的代表如日系汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等技術(shù)。從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，在半導(dǎo)體、互聯(lián)網(wǎng)底層技術(shù)受歐美壓制的今天，機(jī)械電子工程學(xué)科應(yīng)培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的需求，掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及機(jī)械電子工程的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，能在機(jī)械電子工程及相關(guān)領(lǐng)域從事機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)、檢測(cè)與控制和生產(chǎn)運(yùn)行管理等方面工作的，并具備質(zhì)檢特色的應(yīng)用型技術(shù)人才。

4 機(jī)械電子工程專業(yè)素養(yǎng)的思考

“我思故我在”，思考是哲學(xué)的支點(diǎn)，也是一切專業(yè)知識(shí)體系的支點(diǎn)，康德將知識(shí)分為感性、理性和知性三個(gè)層次，具有機(jī)電專業(yè)知識(shí)的本科學(xué)生通常期望解決復(fù)雜、新穎的工程問(wèn)題，但這些問(wèn)題的解決通常伴隨著一些隨機(jī)性或運(yùn)氣性，這種碰運(yùn)氣式的問(wèn)題解決過(guò)程僅僅取決于運(yùn)氣，并不是一種方法。從機(jī)械電子工程專業(yè)的知識(shí)性質(zhì)和特點(diǎn)出發(fā)，必須理清本專業(yè)所必須的核心思考方法的支點(diǎn)。

4．1 通過(guò)專業(yè)課培養(yǎng)穩(wěn)健的感性知識(shí)體系

在本科教學(xué)領(lǐng)域，感性知識(shí)指從書本上學(xué)習(xí)的基本知識(shí)，這些知識(shí)不建立在實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，只是語(yǔ)言、圖像等基本元素的傳達(dá)在學(xué)生意識(shí)中形成的初步印象，在機(jī)電專業(yè)中，感性知識(shí)通常表現(xiàn)為數(shù)學(xué)公式和基本的機(jī)械、電路模型，通過(guò)感性知識(shí)的學(xué)習(xí)，了解機(jī)械電子工程領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)/開發(fā)方法和技術(shù)，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素，典型課程如數(shù)學(xué)類課程、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、電路分析、微機(jī)原理這類抽象課程。

有別于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化以及測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)科，機(jī)械電子工程的基本知識(shí)因偏重于應(yīng)用于機(jī)械裝置的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析能力，針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)、溫升兩大類限制性能和可靠性的基本問(wèn)題，在傳統(tǒng)知識(shí)結(jié)構(gòu)中穿插振動(dòng)學(xué)和傳熱學(xué)的基本思想方法，讓學(xué)生建立機(jī)電系統(tǒng)之所以需要不斷發(fā)展、是因?yàn)槟壳案呔鈾C(jī)電設(shè)備在環(huán)境、溫度、可靠性方面不斷突破的需求導(dǎo)致的。以航空航天等高精尖機(jī)電系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程為要點(diǎn)，從思政角度建立學(xué)生穩(wěn)健、可靠的學(xué)科基本素養(yǎng)精神。典型知識(shí)點(diǎn)如機(jī)械設(shè)計(jì)中的四類應(yīng)力模型，電路中的失效分析、振動(dòng)系統(tǒng)中的模態(tài)匹配，熱力學(xué)與電、磁場(chǎng)耦合時(shí)的退磁和絕緣等問(wèn)題，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到機(jī)械電子工程并是不偏機(jī)、偏電的分裂學(xué)科，而是面向機(jī)械系統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)科，讓學(xué)生發(fā)展處從機(jī)械需要的角度進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的本能，從而形成完善的感性知識(shí)體系和基本學(xué)科素養(yǎng)。

4．2 通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)探索知性知識(shí)的結(jié)構(gòu)

“吃一塹，長(zhǎng)一智”，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)，但在感性教育階段，純灌輸?shù)闹R(shí)難以使學(xué)生完成感性到知性的轉(zhuǎn)變。知性所處理的對(duì)象是感性知識(shí)，是對(duì)感性知識(shí)進(jìn)行再整理。

知性的一切活動(dòng)都可以歸結(jié)為判斷，也可以說(shuō)，知性就是判斷的能力，在哲學(xué)領(lǐng)域，可以總結(jié)為量、質(zhì)、關(guān)系、模態(tài)。在機(jī)電專業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以建立學(xué)生對(duì)于不同器件、結(jié)構(gòu)、元件數(shù)值的基本經(jīng)驗(yàn)概念，如機(jī)械尺寸大概多少，電阻、電感、電容該用多大，系統(tǒng)能承受的溫度可能是多少，振動(dòng)頻率預(yù)計(jì)數(shù)值等，即量的概念；在不斷的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生自我動(dòng)手時(shí)不可避免的出現(xiàn)各種問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的升華，如數(shù)電向模電、經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論、材料力學(xué)向彈性力學(xué)等的升華，即在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)知識(shí)體系的層次結(jié)構(gòu)，這既是一種質(zhì)變，也是后續(xù)知識(shí)關(guān)系概念的萌芽，通過(guò)實(shí)踐理清知識(shí)關(guān)系，元器件、結(jié)構(gòu)的量、質(zhì)如何統(tǒng)一成穩(wěn)定的機(jī)電系統(tǒng)；最后即模態(tài)，量、質(zhì)、關(guān)系是知識(shí)體系的范疇，模態(tài)是知識(shí)對(duì)自己主體的影響，學(xué)生通過(guò)機(jī)電類實(shí)踐課程，運(yùn)用所學(xué)感性知識(shí)，通過(guò)實(shí)踐過(guò)程中的失敗、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，訓(xùn)練沉穩(wěn)、細(xì)致、偏保守的學(xué)科基本素養(yǎng)。

4．3 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)理性知識(shí)的萌芽

理性知識(shí)指將知識(shí)總結(jié)為原理的能力，在工科領(lǐng)域，可以理解為感性知識(shí)和知性知識(shí)的創(chuàng)新和發(fā)散。機(jī)械電子工程學(xué)科并不是一門激進(jìn)的學(xué)科，但其應(yīng)用的場(chǎng)景可以是先進(jìn)的，前沿的，如與生物醫(yī)療、化學(xué)化工、氣象環(huán)境以及航空航天的交叉融合。在學(xué)科擴(kuò)展過(guò)程中，機(jī)械電子工程學(xué)科因秉持穩(wěn)定、可靠的專業(yè)基本素養(yǎng)，從能用、好用的角度對(duì)跨學(xué)科融合的課題進(jìn)行探索和改進(jìn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向社會(huì)之前的最后檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，也是無(wú)拘無(wú)束發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的最佳平臺(tái)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，要注意培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的能力，從問(wèn)題提出開始，通過(guò)調(diào)研、文獻(xiàn)檢索和閱讀、方案設(shè)計(jì)與比較、數(shù)據(jù)分析與處理計(jì)算、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、綜合分析及畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)意識(shí)、正確的思想方法、認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度、腳踏實(shí)地、埋頭苦干的作風(fēng)、不畏艱難、敢于攻堅(jiān)的勇氣，以及相互幫助、團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神，提高適應(yīng)社會(huì)的綜合素質(zhì)。學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成后，逐漸形成理性分析能力的萌芽，為社會(huì)生產(chǎn)工作打下基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械電子工程專業(yè)具有極強(qiáng)的覆蓋性，幾乎可以與現(xiàn)有所有工科專業(yè)交叉相融合，也造成學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)目的不強(qiáng)，找不到專業(yè)介入點(diǎn)的問(wèn)題。本文認(rèn)為，機(jī)械電子工程專業(yè)因解讀為面向機(jī)械的電子系統(tǒng)工程，以機(jī)械系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性為基本學(xué)科素養(yǎng)的支點(diǎn)，面向先進(jìn)技術(shù)但設(shè)計(jì)思想應(yīng)具有保守型，建立穩(wěn)健的感性和知性知識(shí)體系，從機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量角度建立理性思維能力，培養(yǎng)具有機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的專業(yè)人才。