“中国制造 2025”背景下，高校“智造材料”创新人才培养体系的建立
郭永春 梁艳峰 杨忠 高培虎
摘? 要：国际对智能制造技术日益重视，然而高校传统材料专业在支撑智能制造相关领域技术人才培养方面凸显薄弱。文章结合西安工业大学“金属材料工程”国家级特色专业改造升级实践，论述了“中国制造 2025”背景下材料学科与机械学科交叉融合的必要性，提出了金属材料工程与智能制造的跨界融合契入点，建立了包含理念探索-人才培养模式-保障措施的“智造材料”创新人才培养体系。
关键词：材料学科;金属材料工程;智能制造;创新人才
中图分类号：C961? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2021）11-0060-04
Abstract： Facing the international attention to intelligent manufacturing technology， the traditional specialty of materials in colleges and universities is difficult to support the training needs of technical talents in the related fields of intelligent manufacturing. The necessity of crossing integration of materials discipline and mechanical discipline was discussed combining with the specialty upgrading practice of "metallic materials engineering" in Xi'an University of Technology（National characteristic specialty）. The entry point of crossing integration of metal material engineering and intelligent manufacturing was proposed. The innovative talent training system of "intelligent manufacturing materials" including concept exploration， talent training mode and safeguard measures was established.
Keywords： materials discipline; metal material engineering; intelligent manufacturing; innovative talents
一、概述
2013年，德国提出了“工业4.0”的高科技战略计划， 拉开了国际领域以智能制造为主导的第四次工业革命的序幕[1]。面对德国“工业4.0”，中国于2015年5月8日提出了《中国制造 2025》，是我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。《中国制造 2025》中指出，当前我国建设制造强国任务艰巨而紧迫，应以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次多类型人才培养体系。
高等教育的基本载体是专业。以《中国制造 2025》为指导思想的专业改革应根据我国制造业形势的变化和社会对高等专业技术人才的需求，及时调整专业方向，更新教学内容，才能精准服务于国家建设，才能与行业、企业持续联动，才能提高人才供给与劳动力市场需求、专业链与产业链、教学链与生产链的契合。智能制造是“中国制造 2025”的主攻方向，是我国从制造大国转向制造强国的根本路径。而材料是保障制造产品质量的基本条件，更是中国发展智能制造的重要基石。据工信部调查，中国智能制造关键新材料中32%国内完全空白，52%严重依赖进口[2]。智能制造产业中材料发展滞
后，已成为中国制造业迈向中高端的硬约束。因此，瞄准智能制造的高校材料專业改造升级对于精准把握全球新材料与智能制造产业的创新发展趋势、对接国家战略需求具有重要意义[3-4]。
2017年2月，教育部高等教育司《关于开展新工科研究与实践的通知》中提出新工科建设要围绕工程教育改革的“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”五个方面展开;教育部相关文件以及“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”共同为新工科建设的工程教育改革和创新指明了方向。因此，传统工科专业在新形势下，也迫切需要转型升级，从而满足其对人才支撑的需求[5-7]。
金属材料工程专业是传统材料类专业的典型代表，全国88所院校开设这一专业。中国科教评价网“2020-2021年中国大学本科教育专业排名”显示，包括西安工业大学在内的九所院校获得五星评价。本文结合西安工业大学“金属材料工程”国家级特色专业改造升级实践，论述“智造材料”创新人才培养体系的建立。
二、金属材料工程专业的改革基础
（一）西安工业大学金属材料工程专业简介
西安工业大学创建于1955年，是国家“一五”计划156个重点建设项目的军工配套项目，具有鲜明的军工特色，是兵器行业部署在西北地区唯一的本科院校。西安工业大学金属材料工程专业源于1955年建立的机械工程专业材料成型方向，1979年设立金属材料及热处理专业，1983年设立铸造专业，1998年国家专业调整后，金属材料及热处理专业和铸造专业合并为金属材料工程专业;该专业于2008年入选国家级特色专业建设项目。
以《中国制造 2025》为指导思想，重新审视该专业本科人才培养现状发现，在新一轮科技革命和产业变革中，特别是智能制造已成为世界各国抢占发展机遇的制高点和主攻方向的形势下，金属材料工程专业作为曾经的优势特色专业，专业内涵老旧对学生吸引力弱的共性问题日益突出。传统热加工行业污染重，环境差。随着材料成型技术领域智能制造的兴起，新型的热加工企业智能化程度越来越高。因此金属材料工程专业在“智能制造”新形势下难以支撑服务智能制造相关领域技术人才的培养需求，亟待改革[8-10]。
（二）金屬材料工程与智能制造跨界融合的契入点
传统的金属材料工程专业依据工种差别分为铸造、焊接、热处理及表面处理三个方向。这些方向均可以采用计算机应用技术、人工智能技术、大数据计算等智能制造新工具来升级改造，赋予传统优势特色专业新内涵，突出计算技术与传统专业方向的结合，打造新工科特色鲜明的金属材料工程专业内涵。原来的铸造、焊接方向合并为“智能热加工”方向，可以突出自动化制造条件下的工艺设计和结果分析;原来热处理及表面处理方向改造为“金属功能材料”方向，可以突出新型智能制造相关功能材料制备工艺;增设“新材料设计与制备”新工科方向，可以突出基于材料基因组工程的材料研发。对传统专业的人才培养定位进行再设计，可以实现材料学科与机械制造学科、智能学科的交叉与融合，从而培养以解决智能制造材料领域复杂工程问题能力见长的复合型和创新型人才;同时可以结合学科原有的军民融合国防特色，就能更好服务区域经济和国防工业的人才培养需求。
（三）已有的实践基础
在教育部“卓越工程师培养”计划的支持下，自2010年8月起，以金属材料专业卓越工程师培养为目标，本专业已探索将“材料计算技术”引入到金属材料热加工工艺中，开始金属材料专业人才培养模式的创新尝试。这一专业改革实践为金属材料工程与智能制造的跨界融合提供了先期实践经验。
2013年，西安工业大学金属材料专业获批教育部“卓越工程师培养计划”试点专业。在实验班运行探索中，逐渐凝练出了“以材料计算技术为专业特长，以材料加工工程设计创新能力培养为目标，建立‘材料科学基础引领，材料计算模块化设计，逐层递进，理论与实践相结合的课程体系：建立突出工艺设计与仿真的实践课程体系，建立长时间深入技术核心层面的企业实践体系”的高度符合卓越计划要求，特色鲜明的金属材料人才培养新模式，并将该模式在金属材料工程普通本科班推广。2018年，教育部工程教育认证专家入校对金属材料进行现场考察，专家高度肯定了专业改革成果，2019年金属材料专业获批通过工程教育认证，同年获批国家级一流本科建设专业。
目前西安工业大学金属材料工程专业已具备稳定的产学研实习基地，代表性实习基地有北方通用动力有限责任公司、曲阜金皇活塞股份有限公司和陕西柴油机重工有限公司。在深厚的“产学研”校企合作基础上，形成了“学习提高+创新实践”递进式企业学习新模式，探索实践材料学科与管理学、计算机以及机械学科的相互融合，形成了“学习提高+创新实践”递进式企业学习新模式。
三、“智造材料”创新人才培养体系的建立
图1是“智造材料”创新人才培养体系的框架图。首先进行“智造材料”理念探索。在研究智能制造产业发展对材料需求的基础上，厘清金属材料专业发展存在的问题，将智能制造与传统热加工专业相结合，找到契合点;通过企业问卷调查、毕业生调研、行业专家研讨等多种方式，确立以需求为导向的培养目标，要求毕业学生具有解决智能制造材料领域复杂问题的能力，据此提出对课程体系、教学资源改革和建设的新途径;然后对“智造材料”人才培养模式再设计，提出材料学科、机械学科和计算机学科的跨学科交叉融合的人才培养模式，以适应人才培养新目标要求;最后从资源保障角度，引入跨学科师资力量，丰富壮大师资队伍，并开展课程教材建设和实践教学基地建设，全方位确保理念探索的落地和新型人才培养模式的实践实施。
（一）从传统“金属材料”向“智造材料”过渡的理念探索
智能制造领域需要既懂材料又懂智能制造的新型复合型人才，需要从人才培养源头上将材料专业与智能制造融合起来，探索培养“智造材料”复合型人才之路。因此专业改革的思路为：以传统金属材料专业为基础，引入智能制造、新材料设计等新工科专业方向;突出计算技术与传统专业方向的结合，建立材料与智能制造交叉融合的跨学科材料类工程人才培养新模式;注重创新能力培养的资源保障新途径，解决服务智能制造相关领域技术人才的培养需求，从而形成“智造材料”创新人才的培养体系。
（二）交叉融合的跨学科“智造材料”人才培养模式
交叉融合的跨学科“智造材料”人才培养首先要解决专业设置问题，可通过学部制改革，建立大学部，突破材料学科和机械学科的壁垒，促进两学科在智能制造领域的交叉。具体实施中，可实行学分制和高年级专业方向分流制，学生在分流前通过大量通识课程和广泛选修课程以开阔知识视野，发现自己的兴趣与潜能所在，从而更理性地选择专业方向。
其次建立传统材料与智能制造交叉的课程体系。在课程结构上注重学科交叉，构建传统材料与智能制造、大数据计算等多学科交叉的材料专业课程平台，构建嵌入交叉学科课程模块，允许跨学科选修等方式来促进学科交叉。在课程内容上强调多元综合，成型类课程中纳入智能制造内容，在材料类课程中纳入计算材料内容。
交叉融合的跨学科“智造材料”人才培养过程中，还要同时实现全面多元的教学评价方式。通过多渠道的评价主体、多方面的评价内容与多种评价方式，建立科学的评价指标体系，发挥评价的导向、激励、调控与改进功能。具体实施中，可将过程性评价和终结性评价相结合，推行课程责任教授制，评教分离，多元化考核。创新成果和实践活动评价均可作为过程性评价的一部分。推动创新研究和科技竞赛全学生覆盖，将科研论文和创新作品、竞赛作品的外部评价引入学生的能力评价体系，突出互联网+创新创业大赛等国家级竞赛成绩。
（三）“智造材料”人才培养保障措施
为确保交叉融合的跨学科“智造材料”人才培养体系在实践中落地，就必须进行资源建设，从师资队伍、课程教材、硬件设备三方面做好保障措施。
目前师资队伍资源缺乏问题最为突出，归因于高校引进人才制度倾向于科研业绩，忽略了跨专业跨领域人才的引进。许多高校实行“非升即走”人才引进机制，考核政策以考察论文成果等科研业绩为主，对跨专业学習经历关注较少，甚至排斥本硕博在不同专业领域就读的人才。没有坚强的跨领域教师队伍，很难制定出高质量的跨专业人才培养方案，建立不起强支撑的多领域课程体系，直接制约着新型复合型人才的培养。
师资队伍建设： 建立适应跨学科特色的人才引进方案，有计划有目标地重点引进在跨专业学习的材料人才，适当引进熟悉智能制造的其他专业人才;建立材料、机械、智能制造等多学科的教师协作平台，邀请其他学科教师任教本专业的相关课程;建立校企合作的宽领域教师队伍，聘请智能制造企业专家到校讲座、任教。
课程教材资源建设：逐步改造现有的工艺类课程和设计类实践环节，加入智能制造内容与环节。特别是课程设计环节加入计算机辅助设计、金属3D打印、计算机辅助分析等内容。逐步优化课程体系，开设更多先进制造类课程和实践环节。如先进材料制造技术、增材制造技术、金属3D打印技术、砂型3D打印技术、蜡模3D打印技术等，培养学生从事跨学科工作的能力。
硬件设备建设：注重材料领域创新能力的智能制造教学基地建设，利用学科建设经费，打造金属材料3D打印制造中心，建设智能制造材料实验教学基地，增加增材制造高端科研教学设备，增加树脂砂3D打印，光敏树脂3D打印设备，塑料3D打印的台套数以满足教学需求。
“‘新工科建设复旦共识”中注重高校类型以及定位的多元化，针对地方高校，强调其对区域经济发展与产业转型升级的支撑作用，要求主动对接地方经济社会发展需要和企业技术创新要求，把握行业人才需求方向，充分利用地方资源。因此在资源建设方面，除师资队伍、课程教材、硬件设备，还应充分考虑陕西雄厚的装备制造业基础，有众多加工制造类企业，材料类专业涵盖几乎所有加工制造类企业。系统梳理陕西制造类企业材料技术短板，更要充分利用地方资源，寻找企业对人才的需求点，实现“优势互补、互惠共赢”，将陕西高校的材料类人才优势与陕西企业的制造优势统一于传统材料学科的改造升级中。
四、结束语
在新一轮科技革命与产业变革的背景下，智能制造成为中国制造业发展的主攻方向。关键新材料发展滞后，成为中国制造业转型升级的硬约束。我国本科高等教育急需培养出大批同时具有“智能制造”和“材料”相关知识技能且具有国际视野的复合型人才，以应对未来科技的发展。因此将计算机应用技术、人工智能技术、大数据计算等新工具引入传统材料专业的升级改造中，可赋予传统优势特色专业新内涵，并拓展老工科专业育人新体系。这将有力提升中国智能制造关键新材料自主创新能力，有助于推进中国智能制造实现从跟跑向并跑、领跑的跨越。
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