机械电子工程本科专业核心素养的支点分析

周洲，裴九芳

（安徽工程大学机械工程学院，安徽 芜湖 241000）

1 前言

学生发展核心素养是学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。在开放、在包容的新工科的理念下，核心素养的培养在于创新，实现科学、人文、工程和其它方面的融合，创新的道路有可行的也有不可行的，虽然可能走不远，但支撑创新行为的学科专业素养是不变的，这既是灵感的起点，也是创新行为的支点。机械制造、测控等典型工科专业，机械电子工程专业特色较为模糊，人才培养极易出现偏机和偏电的两极分化，成为该专业改革方案和课程标准制订中存在的重要问题。

随着智能化万物互联时代的到来，社会发展对于多样化的电子信息类技术人才需求不断增长，在机械电子领域，产品和生产设计的复杂性的增加，包括软件、机电一体化集成，对高素质电气、机械、编程和制造学科专业人员的需求越来越大。机械电子工程专业为学生整合机械、电气、编程和制造相关理论知识，培养学生力学、电路、嵌入式技术、数学、材料技术、计算机辅助工程和设计的基础技能，迎合时代发展需求。但随着计算机技术的发展，以复杂算法和程序设计为核心专业素养的泛互联网产业人才逐渐走在的社会的顶端，在智能制造的背景下，对传统工科人才产生了巨大的冲击，特别是机械电子工程这类综合性工科专业，如何定义其专业素养的支点对机械电子工程专业高素质人才培养具有重要意义。

2 物联网时代机械电子系统的特点

在当今的物联网时代，机电系统不仅是机械和电子的结合，还要应尽可能包含大型复杂领域的其他先进技术，同时机电一体化系统能够更多的集成机、电、磁、光、声、热、液、气等先进技术、具有生物化学等多种学科的特点，研究各种学科的各个参数，并正确处理彼此之间的耦合关系。物联网技术的发展是近年来的重大科技创新之一，万物互联的发展方式导致了传统行业如制造业、服务业、运输业中的机电产品激进式扩张和转变，特别是以算力为主要衡量标准的电气化控制方式逐渐取代传统的机电一体化设计方式，对传统机电人才市场产生了巨大冲击。图1对比了2012年前5年和2022年前5年区间内机械电子关键词下相关搜索结果的副标题数量，进而对领域研究趋势进行分析。

图1 近10年来机械电子行业发展研究热点变化

近10年来，随着大数据技术的发展，以程序、算法为核心的物联网产业促进了机电系统的快速转型，相关领域如远程控制、工业自动化、医疗健康等均实现了300%以上的增长。但相应的，传统机电行业关键方向，如汽车、传感器、机电系统设计等增长率低下，传感器领域的研究甚至出现了负增长。相对于传统的偏机和偏电，近10年来，机电方面人才中渐渐出现了偏算法的趋势。

3 以算法为核心的机电行业发展缺陷

电气化是机电行业发展的大趋势，其近年来激进式的发展方式也必然带来一定的不足与隐患。特斯拉方式是近年来机电行业普遍采取的发展方式，即以高性能处理器、传感器以及人工智能算法为核心，为机电系统提供远程化、智能化、快响应、高鲁棒性的调控策略。为了追求算力的提升，消费电子领域的IC器件近年来被大量应用于机电领域，典型的如新能源汽车、无人机等，虽然用户体验急剧上升，但隐患问题也逐渐凸显。汽车领域的车机系统故障、瘫痪、死机情况逐年增加，仅2020年单年，这类故障投诉率即上升了5倍，随之而来的是新能源汽车事故的增加。

工业互联网（IOT）也是机电专业热点之一，但算法的发展并不能覆盖整个工业的需求，首先，传统机电产品在于互联网集成过程中出现了软硬件的畸形发展，机电系统的稳定、可靠和安全是传统机电系统的关键特征之一，但在IOT系统中，安全行为（Security）和安全性（Safety）目前国际公认的两大核心问题。由于机电系统和互联网之间必然存在的技术鸿沟，在目前技术条件下，其有机耦合过程中个人及其带来的机电操作扮演着不可替代的角色。安全性指与IoT设备组件紧密相连的研究人员为确保其人身及机电系统安全而采取的措施，但任何面向互联网的器件或设备都容易受到潜在的网络攻击。为远离这些威胁，工业企业应该考虑如何将先进的网络威胁防护解决方案整合到机电系统的软硬件中，包括软件防火墙，也应该包含重要的机电保护系统。以机械电子系统的可靠性、安全性、稳定为第一研究对象，具备精益求精的工匠精神，正是目前机电一体化专业人才应具有的有别于计算机、控制方面人才的重要素养。

从技术成熟性角度，目前世界机电系统可以分为两大派系，以欧美为代表的激进派，热衷于将消费电子中的新技术应用于机电系统中，如特斯拉汽车、猎鹰九号等，通过算法压榨机电系统的性能潜力，使其工作在临界点附近，当然，这类发展方式方便了设计师对系统的调整，如欧美汽车行业通过代码控制尾气排放，也诞生了一系列工业丑闻。

另一派系是以日本为代表的传统派系，以稳健可靠为主旨，将老式的也是最成熟的技术应用于机电系统中，对成熟技术进行延续和革新，典型的代表如日系汽车的发动机、变速箱等技术。从我国国情出发，在半导体、互联网底层技术受欧美压制的今天，机械电子工程学科应培养适应国家经济发展和社会发展的需求，掌握数学、自然科学以及机械电子工程的基础知识和专业知识，能在机械电子工程及相关领域从事机电产品的设计与开发、检测与控制和生产运行管理等方面工作的，并具备质检特色的应用型技术人才。

4 机械电子工程专业素养的思考

“我思故我在”，思考是哲学的支点，也是一切专业知识体系的支点，康德将知识分为感性、理性和知性三个层次，具有机电专业知识的本科学生通常期望解决复杂、新颖的工程问题，但这些问题的解决通常伴随着一些随机性或运气性，这种碰运气式的问题解决过程仅仅取决于运气，并不是一种方法。从机械电子工程专业的知识性质和特点出发，必须理清本专业所必须的核心思考方法的支点。

4．1 通过专业课培养稳健的感性知识体系

在本科教学领域，感性知识指从书本上学习的基本知识，这些知识不建立在实验认识的基础上，只是语言、图像等基本元素的传达在学生意识中形成的初步印象，在机电专业中，感性知识通常表现为数学公式和基本的机械、电路模型，通过感性知识的学习，了解机械电子工程领域的工程设计和产品开发全周期、全流程的基本设计/开发方法和技术，机电产品设计目标和技术方案的各种因素，典型课程如数学类课程、机械设计、机械原理、电路分析、微机原理这类抽象课程。

有别于机械设计制造及其自动化以及测控技术与仪器学科，机械电子工程的基本知识因偏重于应用于机械装置的电气系统设计和分析能力，针对机械系统振动、温升两大类限制性能和可靠性的基本问题，在传统知识结构中穿插振动学和传热学的基本思想方法，让学生建立机电系统之所以需要不断发展、是因为目前高精尖机电设备在环境、温度、可靠性方面不断突破的需求导致的。以航空航天等高精尖机电系统的研发过程为要点，从思政角度建立学生稳健、可靠的学科基本素养精神。典型知识点如机械设计中的四类应力模型，电路中的失效分析、振动系统中的模态匹配，热力学与电、磁场耦合时的退磁和绝缘等问题，让学生认识到机械电子工程并是不偏机、偏电的分裂学科，而是面向机械系统的电子系统设计学科，让学生发展处从机械需要的角度进行电气系统设计的本能，从而形成完善的感性知识体系和基本学科素养。

4．2 通过实践环节探索知性知识的结构

“吃一堑，长一智”，实践是检验真理的标准，但在感性教育阶段，纯灌输的知识难以使学生完成感性到知性的转变。知性所处理的对象是感性知识，是对感性知识进行再整理。

知性的一切活动都可以归结为判断，也可以说，知性就是判断的能力，在哲学领域，可以总结为量、质、关系、模态。在机电专业领域，通过实践环节，可以建立学生对于不同器件、结构、元件数值的基本经验概念，如机械尺寸大概多少，电阻、电感、电容该用多大，系统能承受的温度可能是多少，振动频率预计数值等，即量的概念；在不断的实践环节中，学生自我动手时不可避免的出现各种问题，发现问题与解决问题中会出现问题的升华，如数电向模电、经典控制理论向现代控制理论、材料力学向弹性力学等的升华，即在实践中发现知识体系的层次结构，这既是一种质变，也是后续知识关系概念的萌芽，通过实践理清知识关系，元器件、结构的量、质如何统一成稳定的机电系统；最后即模态，量、质、关系是知识体系的范畴，模态是知识对自己主体的影响，学生通过机电类实践课程，运用所学感性知识，通过实践过程中的失败、经验和教训，训练沉稳、细致、偏保守的学科基本素养。

4．3 通过毕业设计培养理性知识的萌芽

理性知识指将知识总结为原理的能力，在工科领域，可以理解为感性知识和知性知识的创新和发散。机械电子工程学科并不是一门激进的学科，但其应用的场景可以是先进的，前沿的，如与生物医疗、化学化工、气象环境以及航空航天的交叉融合。在学科扩展过程中，机械电子工程学科因秉持稳定、可靠的专业基本素养，从能用、好用的角度对跨学科融合的课题进行探索和改进。毕业设计是学生走向社会之前的最后检验环节，也是无拘无束发挥想象力和创造力的最佳平台，在毕业设计阶段，要注意培养学生独立工作的能力，从问题提出开始，通过调研、文献检索和阅读、方案设计与比较、数据分析与处理计算、计算机应用、综合分析及毕业设计报告等环节，培养学生独立分析问题与解决问题的能力，培养学生严谨的科学意识、正确的思想方法、认真负责的态度、脚踏实地、埋头苦干的作风、不畏艰难、敢于攻坚的勇气，以及相互帮助、团结协作的团队精神，提高适应社会的综合素质。学生在毕业设计完成后，逐渐形成理性分析能力的萌芽，为社会生产工作打下基础。

5 结语

机械电子工程专业具有极强的覆盖性，几乎可以与现有所有工科专业交叉相融合，也造成学生在专业学习过程中出现目的不强，找不到专业介入点的问题。本文认为，机械电子工程专业因解读为面向机械的电子系统工程，以机械系统可靠性、稳定性为基本学科素养的支点，面向先进技术但设计思想应具有保守型，建立稳健的感性和知性知识体系，从机电产品质量角度建立理性思维能力，培养具有机械系统稳定电路控制系统设计能力的专业人才。