交叉学科推进复合型人才培养的探索*——以机械专业为例

韦 辽 唐玉荣

（广西开放大学 文理学院，广西 南宁 530023）

培育交叉学科是高校提升教学水平、增强科研能力、培养高质量人才的重要基础。发展交叉学科是培养复合型人才的重要思路[1]。高校作为高等教育与社会各行业衔接的桥梁，部分学科和专业开展交叉学科研究，可以提升学生就业能力以及满足社会的用人需求。因此，国内外高校逐步开展了交叉学科复合型人才培养模式的研究探索。文章基于DEFORM 软件对切削加工过程进行建模与仿真，融合材料、机械、计算机、数学等专业开展研究，从交叉学科的视角开展机械类专业复合型人才培养，加强教学改革，改善教学环境，提高教育质量，探索交叉学科复合型人才建设思路。

一、交叉学科与复合型人才

学科是基于人类知识体系的划分，交叉学科建设与知识获取、人才培养息息相关。培养人才需要恰当的学科群与范围广泛的学科专业课程，建立交叉学科人才培养模式。高校围绕培养什么人、怎样培养人这一根本问题，在培养目标、专业设置与调整、课程设置、培养体系、培养方案、教学内容等环节，形成以主干学科为主、多学科协调的工作机制。

交叉学科是指自然科学、工程技术科学、人文社会科学等学科门类之间以及内部的众多学科，通过相互交叉融合而产生的新兴学科[2]。复合型人才指具有两个或两个以上专业（或学科） 的基本知识和基本能力的人才[3]。复合型人才的培养就是要以交叉学科为依托构建起一套不同学科专业之间融合的有机发展模式，夯实学生的理论基础，提高学生的创新能力，更好地服务于社会发展[4]。交叉学科人才培养有利于满足社会发展对复合型人才的需求。

高校作为高等教育与社会各行业衔接的桥梁，针对部分学科和专业特点，开展交叉学科研究，可以培养学生掌握综合知识能力，增强就业能力，满足社会用人需求。以高校机械类专业机械加工中的材料为例，机械加工不仅涉及机械专业的知识，还需要了解加工工件材料以及刀具材料问题，工件的材料和刀具的材料对切削加工性能产生重要影响，因而机械和材料息息相关，准确了解机械加工需要对材料知识有着深刻的研究和认识。随着机械材料专业发展，机械人才培养面临着新的挑战和机遇。如何依托多学科知识构建机械类人才培养体系，基于交叉学科的视角培养复合型机械人才，更好地提高教育质量，引起越来越多的学者进行思考。

二、交叉学科视角下复合型人才培养案例分析

文章以DEFORM 软件车削仿真为例，融合材料、机械、计算机、数学等专业开展研究，阐述机械类专业复合型人才培养建设思路。高校在机械类专业人才培养中，融合多学科例如机械、材料、数学、有限元、计算机等知识，提高学生的思考分析能力和动手操作水平。在开展人才培养建设时，在培养目标上以综合能力为本位，在教学内容上以提高学生运用知识和技术解决问题的能力为核心，在就业能力上以满足社会发展对复合型人才的需求为目标，同时注重学生职业道德和综合素质的培养，切实提高人才培养质量。机械加工行业的发展关键在于机械设计加工材料的选择，材料的选择应当融入可持续发展理念，为机械加工制造业的发展注入新的动力[5]。

随着计算机技术和有限元方法理论的快速发展，有限元在切削加工中也得到应用。利用有限元法对切削加工过程、切削力、温度场分布、应力应变等进行数值模拟，这对切削技术的发展具有重要意义。CAE 技术是现代工程设计领域的先进设计方法之一。常用的CAE 仿真软件有DEFORM、ANSYS、ABAQUS、ADAMS 等。DEFORM软件在金属切削仿真中应用广泛[6]。DEFORM 软件几何模型网格划分示意图如图1 所示。

图1 几何模型网格划分示意图：（a） 刀具、（b） 工件

在模拟过程中，工件材料的非线性塑性行为采用Johnson-Cook 模型描述[7]，如公式（1） 所示：

其中，G 为材料的屈服应力；B 为应变硬化常数；ε 为等效应变；x、r、s 为材料特性系数；σ为等效应力；ε0为应变率；T 为变形温度；TMEH为材料熔点；TROOM为20℃。

切削力影响工艺系统的强度和刚度，也对工件的表面质量产生重要影响[8]。在不改变切削深度和进给量的情况下，通过改变切削速度，研究切削速度（Vc=30m/min 和Vc=50m/min）对切削力和切削温度的影响。主切削力仿真结果如下页图2 所示。

图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

从图2 可知，切削力随着速度的增大而增大，原因是刀具后刀面与工件的摩擦加剧，后刀面磨损增加，使得切削力增大。此外，在DEFORM 软件后处理结果中提取切削力数值，然后导出文本格式，通过MATLAB 软件自身强大的科学计算功能在MATLAB 中计算运行求取切削力平均值，当Vc 分别为30m/min 和50m/min 时，平均值分别为468N 和489N。同时，通过实验，学生利用测力仪所获得的切削力结果数值与仿真结果数值进行对比。结果表明，仿真结果和实验结果相近，仿真结果具有可靠性。

切削用量对切削温度的影响规律在切削加工中具有重要的现实意义[9]。刀具切削温度仿真结果如图3 所示。

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

从图3 可知，切削温度随着速度的增大有所增加，原因是刀具主后刀面磨损时，会加剧后刀面与工件间摩擦，刀具与工件接触区域的增大造成了摩擦热引起温升的加剧，刃口磨损时，会加剧切屑形成过程中的塑形变形，这些因素都可以使切削温度升高。

在建模中，采用非等分主剪切区模型，计算出考虑刀具后刀面磨损时表面温度分布[10]。非等分主剪切区模型如下页图4 所示。

图4 非等分主剪切区模型图

本研究中，只考虑主剪切区塑性变形产生的热对主剪切面平均温度的影响，并假设塑性变形功中转化成热量形式的比例为η，则主剪切面AB上的平均温度TAB可由二维热传导方程推导得公式（2） 所示[10]：

其中，τs为剪切应力；κ 为非等分系数；h为主剪切区厚度；ρ 为材料密度；C 为比热容；V为切削速度；To为工件初始温度，近似等于室温。

从公式（2） 可知，平均温度TAB与剪切角φ有直接关系。在切削加工过程中，测力仪直接测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 变大，根据公式（2） 平均温度TAB将会降低，从而切削温度降低。

总之，在机械加工中，工件的材料和刀具的材料对切削加工性能产生重要影响，机械和材料息息相关，准确了解机械加工需要对材料知识有着深刻的研究。以CAE 仿真软件DEFORM 车削仿真为研究平台，根据有限元法对切削加工过程进行建模和仿真，在学习过程中融合材料、机械、计算机、力学、热学、数学等专业知识，构建交叉学科视角下复合型人才培养模式，改变以单一学科为中心的传统人才培养模式，通过教学改革，打破专业界限，使学科之间有机交叉综合，培养学生的创新能力，提高学生解决复杂问题的能力。

三、交叉学科推进复合型人才培养的策略

（一） 根据高校机械类专业特点，设置交叉学科课程

课程目标是教育目的的具体体现，是确定教学目标的依据，课程目标的确定对教学的质量和教育目的的实现有着重要的影响。确定教育课程目标，首先要明确课程与教育目的、培养目标的衔接关系，以便确保这些要求在课程中得到体现。其次在对学生的特点、社会的需求、学科的发展等各个方面进行深入研究的基础上，才有可能确定行之有效的课程目标[11]。交叉学科课程需要根据本专业的实际情况与优势设置，培养人才需要恰当的学科群与范围广泛的学科专业课程，交叉学科课程应体现学生广泛的知识面以及解决问题的技巧能力。课程是人才培养的核心要素。例如，机械加工不仅涉及机械专业的知识，还需要了解加工工件材料以及刀具材料问题，在切削仿真过程中，还需要融合计算机、数学、力学等专业知识。机械类专业的课程如何与其他专业相结合，以便合理地设置交叉学科课程也是我们需要思考与探索的内容。

北京大学于2006 年成立了交叉学科研究平台——前沿交叉学科研究院，该研究院对北京大学的学科建设、人才培养等都具有重要的作用，研究院现有纳米科学与技术研究中心、生物医学跨学科研究中心、大数据科学研究中心等10 多个研究机构，涵盖数学、物理学、化学、生物学、医学、工学等学科的交叉研究领域。

（二） 根据交叉学科课程特点，提高人才培养质量

推进人才培养方式改革，将提升综合性大学交叉学科的教学水平、促进大学生整体素质的提升[4]。高校围绕培养什么人、怎样培养人、如何提高人才培养质量这一根本问题，在培养目标、专业设置、课程设置、培养体系、培养方案、师生教学、教学改革等环节开展研究。通过教学改革，有效打破专业界限，使学科之间有机交叉综合，教师根据教学目标进行动态教学，学生学到多学科知识，满足社会发展对复合型人才的需求[12]。高等教育本科院校在机械类专业人才培养中，加入其他学科如材料、数学、有限元、力学、计算机等学科知识，把培养学生的就业迁移力作为重点进行大力探索、实践。在开展人才培养建设时，在培养目标上以综合能力为本位，在教学内容上以提高学生运用知识和技术解决问题的能力为核心，同时还注重学生职业素质的培养，切实提高人才培养质量。

21 世纪以来，我国综合性大学人才培养模式在进行积极探索和变革。浙江大学对于复合型人才培养模式的探索上升到了跨学科的高度，在培养过程中提出了“以人为本、整合培养、求是创新、追求卓越”的教育理念，将112 个本科专业分成了许多大的学科门类，前期实施通识教育与大类平台基础教育，后期开展宽口径专业教育和跨学科学习的新模式，全面推进学分制，实施文理渗透、理工结合、多学科交叉培养的多样化高素质人才培养模式[4]。

（三） 根据高校教学特点，培养复合型教师

对其他学科的知识了解需要教师努力掌握教育教学规律和现代教育技术手段，提高终身学习的自觉性，注重知识更新，优化知识结构，积极探索有利于启发和调动学生积极性的学习方法[11]。复合型的教师队伍才能培养出复合型的学生，因此，构建培养交叉学科复合型应用型的师资队伍是高校需要解决的问题。高校在加强教师专业技能的同时，更应该注重融合其他相关学科知识的教育。

高校还要为复合型人才的培养营造良好的教育氛围，不同专业的教师可以进行学术交流，增强教师的教学能力，提高认知水平，使得在教学过程中，学生获得深厚的知识基础、宽阔的专业视野和较强的适应能力。