智能制造專業(yè)新工科建設(shè)的西安交大實(shí)踐
王永泉
一、對(duì)智能制造的內(nèi)涵認(rèn)識(shí)及專業(yè)籌建發(fā)展歷程
（一）從學(xué)術(shù)概念到產(chǎn)業(yè)形態(tài)。智能制造從作為一個(gè)最初源自的學(xué)術(shù)領(lǐng)域的概念（美國學(xué)者在《Manufacturing Intelligence》一書中首次提出），已逐漸發(fā)展成為一種制造業(yè)的新模式與新業(yè)態(tài)涵蓋技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)性模式。其定義不斷演進(jìn)，從美國學(xué)者在《制造智能》中提出，到從上世紀(jì)80年代起，國內(nèi)外眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)均從不同角度給出了智能制造的定義，周濟(jì)院士基于技術(shù)維度也著眼智能制造的技術(shù)維度，提出了智能制造的三種范式。即數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造，以及新一代數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造，展現(xiàn)了技術(shù)與產(chǎn)業(yè)融合的多層次特性。與之對(duì)應(yīng)的是，人類制造模式也伴隨著四次工業(yè)/科技革命經(jīng)歷了一個(gè)內(nèi)涵深刻的演進(jìn)過程。總體上講，經(jīng)歷了從機(jī)械化到柔性化的演變，智能制造的本質(zhì)就是以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)全面以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和數(shù)字化賦能制造業(yè)，使制造業(yè)變得更“柔”（推動(dòng)大規(guī)模柔性定制）、更“軟”（工業(yè)軟件定義一切）、更“美”（綠色環(huán)保）和綠色化生產(chǎn)，重塑了生產(chǎn)效率、質(zhì)量與柔性的平衡。無論是中國的智能制造還是德國的工業(yè)4.0，其核心內(nèi)涵都是一致的，即通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化手段“人工智能+制造”的模式，重塑和優(yōu)化制造業(yè)的價(jià)值鏈與組織模式。
（二）智能制造是制造強(qiáng)國建設(shè)的主攻方向。當(dāng)下，智能制造是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，與我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)形成的歷史性交匯，是制造強(qiáng)國建設(shè)的主攻方向已被我國確立為新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的核心。習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展智能制造，并將其納入國家戰(zhàn)略。特別是“中國制造2025”戰(zhàn)略擘畫，提出了制造業(yè)發(fā)展強(qiáng)國建設(shè)的三步走戰(zhàn)略，其中智能制造被列為五大工程和十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一之首，成為提升國家制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。
（三）新工科建設(shè)與交大實(shí)踐智能制造專業(yè)建設(shè)的前期實(shí)踐。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下，教育部啟動(dòng)了新工科建設(shè)，強(qiáng)調(diào)“根據(jù)問產(chǎn)業(yè)需求建設(shè)專業(yè)”。智能制造作為跨學(xué)科領(lǐng)域，急需系統(tǒng)型人才。2017年，教育部首次將“智能制造工程”列為列入本科專業(yè)新工科專業(yè)目錄，隨后，國內(nèi)迎來第一波智能制造專業(yè)建設(shè)高潮數(shù)量急劇增加，尤其在地方和職業(yè)院校。西安交通大學(xué)自2017年起，連續(xù)牽頭兩個(gè)教育部“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目，分別聚焦智能制造人才培養(yǎng)需求和智能制造專業(yè)內(nèi)涵與傳統(tǒng)專業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之路，開展了系統(tǒng)化的理論和實(shí)踐研究。此外，還承擔(dān)了教育部機(jī)械類專業(yè)教指委有關(guān)新工科課程與教材建設(shè)、人社部《智能制造工程技術(shù)人員職業(yè)能力標(biāo)準(zhǔn)》研制等專項(xiàng)任務(wù)，通過和眾多社會(huì)力量“共研共建”，進(jìn)一步明確了智能制造人才培養(yǎng)的目標(biāo)內(nèi)涵、專業(yè)定位、建設(shè)路徑和實(shí)施重點(diǎn)，并以“3D打印”菁英班的建設(shè)為切入點(diǎn)，持續(xù)打造工程教育“新結(jié)構(gòu)”，歷經(jīng)在錢學(xué)森學(xué)院和未來技術(shù)學(xué)院兩個(gè)拔尖人才培養(yǎng)特區(qū)的探索實(shí)踐，終于在2020年成功獲批“智能制造工程”本科專業(yè)（備案），并在2022年正式啟動(dòng)招生。
二、智能制造學(xué)科建設(shè)的交大實(shí)踐
（一）試點(diǎn)先行，牽引反哺——未來技術(shù)學(xué)院的探索與實(shí)踐。西安交大未來技術(shù)學(xué)院是工程拔尖人才培養(yǎng)特區(qū)，致力于突破學(xué)科專業(yè)壁壘，推動(dòng)智能制造專業(yè)學(xué)科交叉融合與產(chǎn)教融合。智能制造方向作為未來技術(shù)學(xué)院三個(gè)專業(yè)方向之一，學(xué)院聚焦航天發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與智能運(yùn)維，培養(yǎng)具有顛覆性技術(shù)視野的“不拘一格創(chuàng)造未來”的拔尖創(chuàng)新人才。課程體系以項(xiàng)目制為核心，涵蓋基礎(chǔ)到高級(jí)的七個(gè)項(xiàng)目、貫穿本科至研究生階段的七級(jí)項(xiàng)目為核心，實(shí)施以學(xué)生為中心的“采集式”學(xué)習(xí)模式。特別是在大二學(xué)期，學(xué)生將通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，掌握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能等學(xué)科基礎(chǔ)，進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目。通過跨學(xué)科教學(xué)與產(chǎn)教融合，學(xué)生將在理論與實(shí)踐中逐步培養(yǎng)創(chuàng)新能力。以下案例可以反映出未來技術(shù)學(xué)院智能制造方向項(xiàng)目制育人的生動(dòng)實(shí)踐：
案例一：在3D打印高性能制造基礎(chǔ)項(xiàng)目的研究中，學(xué)生通過應(yīng)用物理、化學(xué)知識(shí)，進(jìn)行3D打印精度控制的項(xiàng)目實(shí)踐。每周三上午，在由多學(xué)科教師（校企雙導(dǎo)師）講解基礎(chǔ)知識(shí)并對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行與項(xiàng)目解析的基礎(chǔ)上授課；下午，學(xué)生通過自主實(shí)踐鞏固和擴(kuò)展所學(xué)知識(shí)，提升項(xiàng)目應(yīng)用能力。
案例二：在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造與大數(shù)據(jù)分析初級(jí)項(xiàng)目中，學(xué)生通過學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算，應(yīng)用于航空葉片制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模與處理。示范中心的五軸機(jī)床控制系統(tǒng)為學(xué)生提供實(shí)踐平臺(tái)，推動(dòng)理論與實(shí)踐的結(jié)合。
案例三：為支撐人工智能基礎(chǔ)課程，學(xué)生參與與西安吉利公司的產(chǎn)教融合項(xiàng)目，體驗(yàn)整機(jī)外觀質(zhì)量檢測(cè)和輪胎自動(dòng)安裝等環(huán)節(jié)的實(shí)踐。此項(xiàng)目為學(xué)生提供了在企業(yè)實(shí)際環(huán)境中的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，強(qiáng)化了專業(yè)技能和實(shí)踐能力的提升。
（二）機(jī)械為干，全面賦能。自2020年起，西安交通大學(xué)開始備案智能制造本科專業(yè)，2022年正式招生。建設(shè)前期，學(xué)校進(jìn)行了充分的調(diào)研和條件論證。目前，全國已有300多個(gè)全國智能制造工程專業(yè)（備案）。西安交大智能制造專業(yè)建設(shè)的基本原則是，不搞“舊瓶新酒”“局部增城”和“課程拼盤”建設(shè)方案各異，常見的有以下幾種：一是舊瓶裝新酒，簡(jiǎn)單地更名為智能制造，未做實(shí)質(zhì)性改變；二是局部增強(qiáng)式，增加CPS實(shí)訓(xùn)或大數(shù)據(jù)、人工智能課程，但核心課程依然為機(jī)械課程；三是課程拼盤式，涉及多個(gè)學(xué)科但缺乏整體規(guī)劃。為此，西安交大是從新工科的建設(shè)目標(biāo)出發(fā)，聚焦智能制造的特征與內(nèi)涵，在需求調(diào)研基礎(chǔ)上梳理知識(shí)圖譜，形成系統(tǒng)的課程以機(jī)械工程知識(shí)體系為主干，框架。用數(shù)字化和智能化技術(shù)全面賦能設(shè)計(jì)、加工和運(yùn)維控制等技術(shù)分支，在總體目標(biāo)和框架下，使每一門傳統(tǒng)課程都擔(dān)負(fù)“智能化”改造與升級(jí)的任務(wù)。
西安交大智能制造專業(yè)建設(shè)并非局部的改革，而是全面賦能，以機(jī)械為基礎(chǔ)，通過數(shù)字化和智能化技術(shù)賦能設(shè)計(jì)、加工和運(yùn)維等傳統(tǒng)領(lǐng)域。智能制造專業(yè)的培養(yǎng)方案嚴(yán)格控制在154個(gè)學(xué)分，核心課程注重智能特征的賦予。例如，《機(jī)械設(shè)計(jì)及其智能化》課程經(jīng)過改革，相對(duì)于傳統(tǒng)的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程經(jīng)過改革，進(jìn)行了內(nèi)容體系的優(yōu)化，加入了數(shù)字孿生和變胞機(jī)構(gòu)等內(nèi)容，開發(fā)了基于AI大模型的運(yùn)動(dòng)方案生成式設(shè)計(jì)案例，重點(diǎn)是人工智能輔助設(shè)計(jì)，替代了傳統(tǒng)的傳動(dòng)原理等基礎(chǔ)內(nèi)容。此外，通過項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)，學(xué)生理解并掌握了智能制造相關(guān)的技術(shù)。通過創(chuàng)新案例，如挖掘機(jī)的AI輔助設(shè)計(jì)，學(xué)生可以通過ChatGPT和Matlab進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，進(jìn)一步提升其智能化設(shè)計(jì)能力。該課程還強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的應(yīng)用，如將仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)與形狀優(yōu)化，融入教師的等具有智能化設(shè)計(jì)屬性的科研成果融入課程項(xiàng)目，推動(dòng)學(xué)術(shù)與實(shí)踐的結(jié)合。雖然后續(xù)課程建設(shè)仍面臨較大挑戰(zhàn)，但也激勵(lì)著我們推動(dòng)智能制造教育體系的不斷完善。
（三）平臺(tái)支撐，助力轉(zhuǎn)型——數(shù)智化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及條件建設(shè)。西安交大依托兩個(gè)實(shí)體化的國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，持續(xù)推薦智能制造綜合實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)，其成果先后獲得了中國高等教育學(xué)會(huì)“產(chǎn)教融合、“雙百計(jì)劃””的優(yōu)秀案例，并榮獲及陜西省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。學(xué)校建設(shè)了兩個(gè)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，重點(diǎn)構(gòu)建智能制造的實(shí)踐平臺(tái)。平臺(tái)采用數(shù)字化集成制造模式，具備網(wǎng)絡(luò)層、感知層和應(yīng)用層，可模擬對(duì)標(biāo)實(shí)際生產(chǎn)的智能車間。此外，學(xué)校還自主開發(fā)了數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室，利用自研技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)信號(hào)與虛擬仿真結(jié)合，支持遠(yuǎn)程驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)，突出培養(yǎng)學(xué)生的二次開發(fā)能力。
（四）賽教融合，實(shí)戰(zhàn)育人。未來技術(shù)學(xué)院西安交大機(jī)械工程學(xué)院注重創(chuàng)新文化建設(shè)，通過實(shí)施CDIO項(xiàng)目，構(gòu)建了“課程—項(xiàng)目—競(jìng)賽”有機(jī)聯(lián)動(dòng)的工作機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生參與大創(chuàng)基金和各類競(jìng)賽。通過競(jìng)賽與項(xiàng)目相結(jié)合，形成了保障機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制，促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力提升。近年來，西安交大在中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽、“挑戰(zhàn)杯”和大學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+”和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等頂級(jí)大賽賽事中取得了成績(jī)優(yōu)異成績(jī)，特別是在智能制造賽中。連續(xù)五年組織和參與“智能制造大賽”，并將競(jìng)賽項(xiàng)目競(jìng)賽成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生項(xiàng)目，融入課程教學(xué)（例如將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽題目應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)大數(shù)據(jù)項(xiàng)目），積極推動(dòng)課程建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)資源的開發(fā)。
三、問題及未來面臨的挑戰(zhàn)
第一，要構(gòu)建學(xué)科交叉融合的動(dòng)力與保障機(jī)制。智能制造作為一門新興專業(yè)，其發(fā)展核心在于學(xué)科交叉融合。然而，如何在交叉點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)突破并構(gòu)建高效的保障機(jī)制，仍是亟需解決的關(guān)鍵問題。
第二，建立人事與教育評(píng)價(jià)改革的制度支撐。師資隊(duì)伍建設(shè)和有效支撐是新型專業(yè)發(fā)展的重要保障。然而，當(dāng)前盡管已擁有50余位國家級(jí)高層次人才，并持續(xù)引入青年學(xué)者，但在支撐智能制造類新興專業(yè)教學(xué)方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。因此，培養(yǎng)符合新型專業(yè)需求的師資隊(duì)伍，亟需通過人事制度和教育評(píng)價(jià)體系的深層次改革，建立適配的新型制度框架。
第三，具體來看，智能制造專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容與方法需緊密結(jié)合，以確保專業(yè)建設(shè)的前沿性與實(shí)效性。如果教學(xué)模式和手段仍停留于傳統(tǒng)方式，無疑與專業(yè)特性背道而馳。因此，在專業(yè)建設(shè)中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與方式的統(tǒng)一，尤其是在人工智能賦能的深度應(yīng)用上取得突破，以進(jìn)一步推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新。在專業(yè)路徑和課程內(nèi)容體系建設(shè)方面，學(xué)院持續(xù)深化面向工程教育的新型結(jié)構(gòu)，并將人工智能賦能作為核心方向之一。作為教育部指定的12所人工智能賦能試點(diǎn)高校之一，西安交大重點(diǎn)承擔(dān)學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域大模型的建設(shè)任務(wù)，旨在以技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革。
第四，如何實(shí)現(xiàn)堅(jiān)持智能制造與機(jī)械工程專業(yè)的目標(biāo)定位與差異化發(fā)展。智能制造與機(jī)械工程兩個(gè)專業(yè)在當(dāng)前高校教育體系中長(zhǎng)期共存，但其各自的目標(biāo)定位及發(fā)展路徑亟需明確。是堅(jiān)持差異化發(fā)展、各有側(cè)重，還是最終融合為一體，需根據(jù)教育需求和學(xué)科發(fā)展規(guī)律進(jìn)一步探索。