0. 引言

当前，随着世界范围内新工业革命的兴起，世界各国综合国力的竞争愈发激烈，面对这种形势，各国均在积极向新经济发展发力，积极推动新经济发展，以抢占新一轮工业革命的制高点。。为此，在教育部的推进下，我国众多综合高校、工程学科优势高校及地方高校，意识到加强工程教育改革的必要性和紧迫性，于2017年开始陆续形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”等改革共识，同时发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》等多项政策文件，提出主动服务国家创新驱动发展和“一带一路”、“中国制造2025”、“互联网+”等重大战略实施，加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才^[1-3]。

从国内“新工科”的研究现状来看，培养模式的宏观研究较多，对于“新工科”的内涵探讨也已经比较深入，但从“新工科”理念出发，对包含课程改造方法在内的微观研究较少^{[4, 5]}。而机械设计制造及其自动化等机械类专业是属于典型的传统工科专业，一方面开设面广，人才需求量大，国内几乎所有理工和综合类大学均开设有该专业，但另一方面，其课程内容多按传统方式进行设置，存在与“新工科”教育教学理念适配难题，难以有效应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略。

针对以上问题，本文从操作底层出发，针对机械类本科课程内容，从知识工程角度出发，深入研究面向“新工科”培养需求的课程内容改革方法，探讨了机械学科知识演化路径，分析了现代机械的知识结构，并以此为基础提出了机械类专业课程内容改革措施，完成相关课程实践，相关研究有助于进一步补充完善“新工科”培养的理论体系。

1. 不同时期机械学科的知识演化

机械学科是一门古老的学科，早在公元前7000年左右，就已经出现了最早的机械工具-车轮，并逐渐发展出了制陶台、水车、马车等各类机械装置。在古代，机械学科知识更多地是经验性总结，如明朝《天工开物》描绘了一百余项生成技术及相应机械工具，但更多是对已有的方法和经验知识进行综述^[6]。在这一时期，机械学科知识以应用为主，基本来源于实践经验。

到十七世纪，由文艺复兴运动导致的基础科学发展，也带动机械学科从经验性学科逐渐发展成为理论与经验相结合的学科，特别是以牛顿开创的热力学理论为基础，为蒸汽机改良指明了道路，并以瓦特发明的实用蒸汽机为标志，促成了第一次工业革命诞生，而以电磁理论的应用为基础，促成了第二次工业革命。在这一时期，机械学科中逐渐出现了基础学科理论较强的内容，包括齿轮啮合定律、结构理论等，知识不仅来源于实践经验，也来源于理论推演。

到二十世纪，为进一步提高生产效率，机械学科逐渐发展了自动化技术，并以控制论、系统论和信息论的出现为标志，促成了第三次工业革命，即信息控制技术革命。在这一时期，机械学科知识主要来源于理论发展，实践则主要起验证和应用作用。

从时间历程来看，不同时期机械学科知识具有显著区别，古时机械学科知识以经验为主，针对具体工具，泛用性有限；到近代，机械学科知识为经验与理论并重，多针对某类设备，具有一定泛用性；到现代，机械学科知识理论与应用开始具备明显层级，理论层面针对学科共性问题，具有较强泛用性，而应用层面则是以理论为基础，结合具体应用场景或应用问题进一步发展专门化的知识技术。

2. 现代机械学科的知识结构分析

从现代机械学科知识结构来看，现代机械学科知识内容包含以下3部分：1. 基础知识，主要与科学知识相对应，包括数学、物理、化学等学科知识；2. 专业知识，主要是与工程知识所对应，包括电子工程学、机构学、控制论等学科知识；3. 应用知识，主要与技术知识相对应，包括数控加工、装备设计及计算机辅助分析等学科知识。

在现代机械学科知识体系中，对于数学等基础知识，尽管其学科本身前沿知识仍在涌现，但机械学科本身所应用的知识基本保持稳定，目前仍以十九世纪以前的知识为主。对于机构学等专业知识，其知识相对较为成熟，能够形成闭环体系，其知识更新和迭代速度相对较为平缓，较少出现颠覆性知识。而对于应用知识，则与社会发展密切相连，且其迭代更新速度逐渐加快，目前，在机械工程领域每隔几年就有新的技术热点产生，如2010年的表面工程技术，2014年左右爆发式发展的3D打印技术，2016年开始快速发展的服务机器人技术以及近年来热门的机器视觉、大数据分析及机器学习等技术。

从对机械学科知识组成结构的分析中可以看出，不同层级的知识在机械学科体系中具有显著差异性，基础知识相对固化，专业知识迭代较为缓慢，而应用知识更新则较为迅速。同时，不同层级知识量级也相差巨大，因此，在机械类课程内容设置中，需要合理调控各部分知识比例，特别是对知识进行取舍，才能在有限教学时长条件下满足第四次工业革命背景下技术快速发展对创新性人才的培养目标要求。

3. 基于知识的机械类专业课程改革措施

从以上论述可以看出，课程内容更新要服从知识产生、扩散规律。因此，本节提出要从知识跟踪、知识引入、知识重构和知识评价四个方面开展机械类专业课程改革，提升学生解决复杂工程问题能力的教学设计和面向全过程的课程科学考核体系四个方面开展课程改革与建设工作，如图1所示，以有效提升课程内容质量。

3.1 形成面向未来技术的知识跟踪方案

信息技术快速发展使得技术传播方式越来越多样化，在这一现状下，需要面向未来技术及本科培养需求对未来技术传播方式予以梳理，形成有效的知识跟踪方案。面向，首先应从知识稳定性出发，以综述资料、图书书目等为主要资料来源，收集多个领域机械工程技术的知识内容，以基础的点线模型为基础，利用命题和命题网络的形式，建立结构化的机械工程技术描述框架，形成工程技术的知识表达方法。进一步面向前沿知识，以大数据、智能制造和机器人等前沿技术为基本案例，通过文献溯源的方式，分析其从技术萌芽、传播到社会规模化应用过程中的传播机构、介质和模式，确定技术跟踪的实施者、技术跟踪的范围和技术跟踪的手段，建立动态的机械工程技术知识跟踪体制。

3.2 建立课程前沿知识引入机制

第四次工业革命背景下前沿技术层出不穷，但在有限的教学时常中需要对其进行取舍。首先从工程技术史出发，通过历史追溯的方法，分析历史上各时期的主要工程技术，同时补充工程技术的时序信息，获取工程技术沿时间历程的知识变化情况。沿时间轴对机械工程技术内容进行进一步考察，分析历史上典型技术从萌发、传播到广泛应用的周期，探讨科学技术快速发展情况下重大工程技术变革发生的周期规律，从而形成知识引入周期的预估方法。基于机械类学科主要面向工业发展的特点，还需要进一步面向中小企业、传统制造企业和高新技术企业进行调研，提取不同类型企业引入新技术的主要考虑因素，新技术的一般使用部门，面向未来技术发展和企业实际需求，建立面向本科培养的前沿知识引入评估机制。

3.3 发展课程知识动态重构方法

以人的素质模型为基础，考察新工业革命背景的人才知识结构需求。完成对当前机械设计制造及其自动化专业课程体系进行解构，明确各课程的依赖知识及知识目标，并将知识目标与工程技术所依赖的知识结构进行匹配，确定课程定位。进一步根据依赖知识与知识目标建立课程间联系，并考虑人的认知规律，实现课程间递进关系的清晰化。然后，基于各课程间的链接关系和课程定位，将课程内容分为基础知识（即基本不变的基础理论）、核心技术（即基础理论基础上支撑技术实现关键部分）与应用案例（即利用核心技术具体实现的产品）三个方面完成单门课程内容分解，明确课程各部分内容任务，并以此为基础定义课程内内容接口和课程间内容接口，形成敏捷模式下可调整的课程内容架构。同样面向智能制造、大数据分析等前沿技术，对其知识构成进行分解，结合课程内容的分解方案和学生按学年累积知识量，在核心技术与应用案例两个层面提取课程与前沿技术的最大公约集，建立面向前沿技术的课程匹配度评估方法。以课程匹配度为基本依据，基于可调整的课程内容架构，通过核心技术内容的增减，应用案例的动态调整，提出利用前沿引入知识的课程知识重构方法。

4. 课程改革应用情况

以数控加工工艺及程序编制课程为例，在对课程知识进行改革前，该课程以工艺设计和G代码为主体知识内容，企业和学生均普遍反映内容陈旧，且与生产实际较为脱节，学生基本只能实现简单零部件的加工设计。在课程改革中，对该课及相关课程知识进行了梳理和归并，通过将工艺内容与机械制造工艺学课程内容归并等措施，明确各课程接口。基于课程知识任务，通过文献跟踪，搜集了3D打印、多机协同、数字孪生等较新的相关技术知识，进一步通过企业调研，将自动化程序编制引入到课程核心技术内容中，将3D打印、多机协同等知识作为应用案例进行课程知识重构，最后每四年根据企业、学生的反馈意见对知识内容或知识比例进行调整。在进行课程知识改革后，学生学习兴趣和能力成长较为显著，能够完成较为复杂零部件的设计、代码生成及程序调试全过程，并对前沿技术现状和原理有所了解，培养质量提升较为显著，学生独立完成的典型零件作业如图2所示。

图2 学生完成的零部件数控加工程序仿真结果

5. 结语

第四次工业革命背景下新技术知识层出不穷，也对机械类学科教学带来新的挑战和机遇。在技术大爆发的情况下，为使得人才培养满足国家、社会和企业发展需求，本科课程知识需要即满足人的认知规律，亦紧跟未来技术发展。本文面向“新工科”培养需求，研究了机械工程知识演化过程，分析了机械工程知识结构特点，并从跟踪、引入、重构和评价四个方面提出了课程知识改革措施，从操作层面对“新工科”培养理论体系进行补充，有助于面向未来技术挑战，发展具有高度活力的机械类创新课程。

参考文献

[1] 祝士明, 李姗. 我国新工科研究热点、主题演进与未来展望——基于Ucinet和Cite Space的可视化分析[J]. 天津大学学报(社会科学版), 2022, 24 (03): 193-202.

[2] 耿直. 新工科教育漫谈与展望[J]. 科教文汇, 2022, (01): 135.

[3] 马廷奇, 刘思远. 新工业革命时代工程人才就业技能新需求与培养模式改革[J]. 现代教育管理, 2022, (05): 91-99.

[4] 胡金江, 马宏, 胡潇月,等. 我国新工科建设研究现状——基于CNKI相关文献的数理统计及可视化分析[J]. 高教学刊, 2022, 8 (05): 1-6.

[5] 刘鑫桥, 王庚, 吴津蕊. 新工科的研究现状、实践进展与未来趋势[J]. 西北工业大学学报(社会科学版), 2021, (04): 63-70.

[6] 杨树栋. 机械工程——中国古代技术进化的标志[J]. 山西大学学报(哲学社会科学版), 2005, (01): 98-101.

项目资助：重庆理工大学本科教育教学改革研究项目（2021YB36, 2021YB33）

作者简介：谭儒龙(1987——)，男，工学博士，副教授，硕士生导师。研究方向为计算力学

通讯作者：向召伟(1991——)，男，工学博士，讲师。研究方向为智能制造