如何融合“机”与“电”,突破传统人才培养难题?段宝岩院士带领电子机械工程学科团队给出答案
来源:【未来网】
当今世界,高精度、高性能电子装备已广泛应用于世界各国国民经济、高新技术及陆海空天各重点领域,其研发与制造能力不仅代表着一个国家的制造业水平,更是国家整体科技水平与科研实力的重要体现。因此,发达国家对电子机械工程学科的人才培养都十分重视。
电子装备是机电紧密结合系统,其电性能取决于机械、电子、传热、控制等多学科的学科水平及其交叉融合——培养电子装备设计与制造高技术人才的电子机械工程学科专业,是典型的交叉融合学科专业。
那么,如何将“机”与“电”两方面课程有机结合、交叉融合学科专业如何突破传统人才培养难题?经过半世纪积极探索,西安电子科技大学电子机械工程学科做出了有益尝试,形成了富有鲜明特色的交叉融合型电子机械卓越人才模式。在近日公布的2022年高等教育(本科)国家级教学成果奖中,由中国工程院院士、西电教授段宝岩牵头的《交叉融合型电子机械卓越人才培养探索与实践》荣获国家级教学成果奖二等奖。
搭建“课程群”开设“贯通课” 重构专业课程体系段宝岩院士曾多次在学科研究发展高端论坛作面向未来的电子机械工程学科建设与人才培养主题报告。他表示,“实现交叉融合,需要在人才培养时特别注意通识教育和专才教育的有机结合,既要保证通识教育的完整性又要强调专才教育的精深性”。
多学科的交叉融合重叠往往意味着科研难度的增大。
作为交叉融合专业,电子机械工程学科除机械、力学,还需开设电路、控制、电磁场等多门课程,学时矛盾突出,加之新业态要求下急需增开的工业互联网、AI等课程,矛盾更是雪上加霜。如何平衡课程多、知识多的问题,便成了摆在面前的第一只“拦路虎”。
为此,电子机械工程学科团队进行了多方面的探索实践,从国家电子信息行业对创新人才能力的要求入手,倒推知识结构体系,以课程群建设为抓手,重构并优化专业课程。
经过审慎分析课程间的知识关联、梳理知识图谱,教师团队果断地将重复性知识点抽出,统一放在一门课中精讲、压缩重复知识点,增开数理课强化学生数理基础与专业基础,并开设4门贯通专业核心课、构建多个课程群,强化核心知识内容讲授,增进学生对多学科知识的融会贯通。
结合天线机电耦合理论模型等典型科研案例讲解泰勒级数等数学概念,以“神七”返回舱机载机箱搭建数学建模解释工程问题背后的数理本质……“这些冒着‘热气’进入专业课堂的科研成果,很受同学们的喜欢,在加深学生对数学概念理解的同时,更提升了学生对工程背后数理本质的认知”,团队教师王飞说。
建立“工程坊”
开放科教平台 强化实践出真知
“除课程设置推陈出新外,另一方面就是实践体系的建设。”段宝岩院士说。
教师团队对近30年毕业生与用人单位进行跟踪调研发现,传统培养模式下学生综合运用知识解决科技难题的能力偏弱,面对复杂表象很难抓住问题实质,着重表现为思维方法和实践能力的禁锢。
为解决这一弊端,近年来,学院搭建了机械综合实践、物联网测控等4个创新工程坊,着重实施为期一年的项目制课程实践与跨专业、跨年级的团队制工程实践。在工程坊每年动态发布的数十个课程设计项目中,学生需组建团队、综合应用课程知识和实践技能完成创新设计、加工装配、调试等任务。2022年,学院机器人工程卓越班与18位硕博士、9位学科导师共同组建了机器人视觉等6个工程实践团队,依托智能机器人创新工程坊,开发出机器人创新机构综合设计等项目,于实践中凝练培养出解决复杂工程问题的能力。
作为典型交叉融合学科专业的学生,综合运用多学科专业的实践能力尤为重要。
基于国家和省部级重点实验室、头部公司,学院依托“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统、“中国天眼”FAST 50m模型等搭建了多个科教平台,与华为、三星电子等建立联合实验室,并与多家骨干企业共建16个产教融合培训基地。每年有数百名学生奔赴各产教融合基地进行深度实习,面向新业态和新工科,在实践中锻炼提高交叉综合能力与工程实践能力。
科学成就离不开精神支撑,科学实践离不了开阔的思维视野。
在学院的积极邀请下,段宝岩院士、吴伟仁院士等名师大咖走进课堂,专题讲授综合交叉思维能力训练、最新科研成果,开设学科导论、新技术研讨,让电子机械工程学科最新动态与科研成果走进课堂,使学生在提升工程认知能力的同时增强创新思辨水平。
打造“导学金课”开发意志力“训练营”
让学生敢啃硬骨头
“不爱国是做不好科研的”“人才培养是电子信息技术发展的关键,西电学生应当不断进取、努力拼搏,在未来电子信息的浪潮中争当探索者和先锋者……”
这是最受西电学生欢迎的“导学金课”——由段宝岩院士领衔机电耦合导学团队教授的机电特色课程思政《开学第一课》《电子机械大视野》系列课程。院士、专家、校友们放眼科技发展长河,立足新时代人才培养现状,凝聚“西军电”红色基因,用通俗易懂的语言亲述重大科研攻关经历,在“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统、大型天线机电耦合实验平台等科研设施旁开展现场教学,为同学们推开了探索科技发展新世界的大门,在潜移默化中涵养学生的家国情怀和科学精神。
本科生独立就中国工程院发布的深空探测难题提出创新解决方案,还获得了来自“天问一号”总设计师张荣桥的肯定和鼓励——2021级机电工程学院电子封装技术专业本科生马世航做到了!
在大一应邀参加了中国工程院主办的“深空探索科学技术与应用”中国工程科技论坛后,马世航参加了学院开发的跨学科综合性“实验+实践+项目”意志力、耐挫力训练题库训练。“老师会预先开发预埋陷阱或障碍,让我们找出原因并改正,引领我们在攻坚克难中不断增强科研能力与勇气”。经过意志力提升项目的锻炼,同学们在学习科研生活中遇到难题绕着走的情况得以明显缓解。
让本科生加入研学团队、走进重大科研项目,这也是教师团队的匠心,在科研实践中激发学生对科研工作的热爱、引领未来前沿技术的拼搏信念,以及乐于钻研、献身科研的意志品质。
“亲眼观看星载可展开天线模型,还能参与‘逐日工程’——空间太阳能电站地面验证系统重大科研项目,开展微波无线传能、对日指向跟踪控制等研学活动,这可是本科阶段很少有的机会”,同学们兴奋地说。
依托大工程、大项目,团队教师们时常开辟平台,将科研育人化为课程思政第一手素材、深化课堂效果,以身边人、身边事为鲜活实例,让学生在体验式教学中学思践悟,更增强学生了敢啃、想啃硬骨头的信心,形成了导教研协同培养攻坚克难精神的育人机制,也使得研学团队成为又一高水平创新人才培养重要基地。
正是在这样的培养模式下,学院执行院长黄进教授领衔的电子装备机电耦合研学团队成功入选陕西省“重点科技创新团队”。师生坚定服务国家重大需求、解决卡脖子技术,近年来在基础理论研究不断取得创新的同时,研究成果成功应用于国家多个重大装备及重大工程中,为提升国家科技水平做出积极贡献。
学科专业建设成效显著
用人单位满意度高
利剑千锤成利器,精铁百炼出纯钢。
经过多年探索实践,由电子机械工程学科主导的交叉融合型电子机械卓越人才培养探索实践收获了显著成果。
围绕电子信息行业对电子机械人才需求,西电电子机械工程学科已构建了包括机械设计制造及其自动化等6个国家一流专业构成的专业群,在总学时压缩9.3%的基础上,学生对课程平均满意度由86.8%升至92.5%,学生骨干平均成绩、上研率及重点单位就业率分别提高了10.5%、11.5%及12.6%,获2021年陕西省教学成果特等奖在内的诸多奖项。近五年,该专业学生在学科竞赛中获国家一等奖32项、二等奖130项。毕业生中涌现出一批重点项目总师、国家杰青等行业领军人才和技术骨干。包括酒泉卫星发射中心测控总师王录在内的多名毕业生都认为课程体系和思维实践能力培养对个人成长具有重要作用。
“(西电)形成了面向国家重大需求的机电交叉融合专业人才培养模式,培养了一大批有爱国奉献精神、专业基础扎实、创新能力强的毕业生”,中国电子学会电子机械工程分会就该项实践探索做出高度评价。中电41所、兵器206所、华为等多家用人单位也给予了“很多毕业生已在重要领域、关键岗位得到重用”的肯定。
目前,相关人才培养理念与做法正被电子科技大学、大连理工大学、合肥工业大学、桂林电子科技大学、杭州电子科技大学等院校借鉴采用,取得良好推广效果。
亮眼成绩单的背后,是老师团队的坚守与担当、广大学生的成长与蜕变,更是一个学科专业半世纪以来薪火相传、弦歌不辍的精神传统。
立报国之志,育创新人才,担当历史使命,肩负强国重任,博采众家之长,勇于创新实践,师生齐心共同开创了学院学科发展的崭新局面。
征途未有穷期,奋进永不止步。随着新科技革命与电子信息产业变革的到来,工业与信息技术的深度融合势在必行,更对电子装备设计制造与电子机械创新人才能力培养提出了前所未有的挑战。
新的征程上,西安电子科技大学电子机械工程学科人才培养团队将牢记为党育人、为国育才初心使命,坚持立德树人根本任务,聚焦国家战略和产业发展重大需求,坚定心有大我、至诚报国理想,立志攀登创新高峰,努力打造国家战略科技力量,持续引领我国交叉融合型电子机械卓越人才培养发展,为加快建设教育强国、科技强国、人才强国贡献更多更大的西电力量。(通讯员:史倩云)
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《我的专业能干啥》之机械电子工程
大学专业学习内容与社会上的工作脱轨是一个重要的问题。这种脱节使得大学毕业生在就业市场上面临着困难和竞争压力。
学习是人一辈子的修行,而学什么,将来能干什么,才是每个人时刻思索的问题。
一、机械电子工程是什么
机械电子工程涉及机械、电子、信息、计算机、人工智能等诸多领域,主要研习机械工业自动化、电力电子和计算机应用等技术,包括基础理论知识和机械设计制造方法、计算机软硬件应用能力等,从而进行各类机电产品和系统的设计、制造、试验和开发。例如:智能机器人的研发、电子词典等电子产品的功能设计、自动售票机的制造等。
关键词:人工智能 机器人 电子产品 机电一体化
考研方向:机械工程、机械设计及理论、机械电子工程、机械制造及其自动化、车辆工程
二、培养目标
本专业培养具备机械、电子、控制等学科的基本理论和基础知识,能在机电行业及相关领域从事机电一体化产品和系统的设计制造、研究开发、工程应用、运行管理等方面工作的高素质复合型工程技术人才。
三、培养要求
1、掌握本专业所需的相关数学和机械电子学等基本理论和基础知识,了解本专业领域的发展现状和趋势;
2、掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取信息的基本方法,具有综合运用所学理论、知识和技术设计机电一体化系统、部件和过程的能力;
3、掌握科学的思维方法,具有制订实验方案、完成实验、处理和分析数据的能力;
4、具有对机电工程问题进行系统表达、建立模型、分析求解、论证优化和过程管理的初步能力;
5、具有较强的创新意识和进行机电一体化产品与系统开发和设计、技术改造与创新的初步能力;
6、具有较好的人文科学素养、较强的社会责任感和良好的工程职业道德,熟悉与本专业相关的法律法规,能正确认识本专业对客观世界和社会的影响;
7、具有一定的组织管理能力、较强的表达能力和人际交往能力以及在团队中发挥作用的能力;
四、主要课程
该专业主要有如下课程:工程力学、机械原理及机械零件、电工与电子技术、微型计算机原理及应用、热加工工艺基础、热加工工艺设备及设计、检测技术及控制工程、CAD/CAM基础等。
1、 工程力学:掌握分析和解决机械工程中的力学问题所需的基本原理和方法,理解和设计机械系统、构建机械模型以及进行工程项目的力学计算。
a、 静力学:学习质点和刚体的平衡条件,包括力的合成与分解、力矩和力偶、静力平衡和刚体平衡等。
b、 动力学:研究物体在运动状态下的力学问题,包括直线运动、曲线运动、平面运动和空间运动等。
c、 集中力系统:学习集中力的作用和效果,包括受力分析、受力计算和平衡条件等。
d、 分布力系统:研究分布力的作用和效果,包括分布力的受力计算、平衡条件和刚体平衡等。
e、 力的分析方法:学习力的分析和计算方法,包括力的三角法、力的向量法、力的坐标法等。
f、 惯性力:研究因物体自身运动而引起的惯性力,包括转动惯量、角加速度和角动量等。
g、 力矩和力偶:学习通过力矩和力偶对力的效果进行分析和计算。
h、 力的分解与合成:学习将力分解为三个坐标方向上的分力和合力。
2、 机械原理及机械零件:掌握机械系统设计和机械元件选择的基本原理和方法,了解机械部件的结构和功能,以及机械加工和连接等基本技术。
a、 机械原理:学习机械系统的基本原理和工作原理,包括力的传递和转换、能量的传递和转换以及运动学和动力学分析等。
b、 机械设计:学习机械元件和系统的设计原理和方法,包括从需求分析到设计方案确定以及详细设计等。
c、 机械零件:研究各种机械元件的结构、功能、应用和设计,包括齿轮、轴承、连接件、传动装置、制动器等。
d、 机械传动:学习机械传动装置的原理、设计和分析,包括齿轮传动、链传动、带传动、联轴器等。
e、 机械连接:研究机械连接件的种类、结构和设计要求,包括螺纹连接、键连接、销连接、焊接等。
f、 机械加工:学习基本的机械加工工艺和方法,包括车削、铣削、钻削、磨削等,以及数控机床的概念和应用。
g、 机械润滑与密封:研究机械零件的润滑要求和方法,以及机械零件的密封技术和材料。
3、 电子电工技术:
a、 电路理论:学习基本的电路理论和分析方法,包括电压、电流、电阻、电感、电容等基本概念,以及电路分析和设计技术。
b、 电子元件和器件:研究各种常见的电子元件和器件,包括二极管、晶体管、放大器、逻辑门、传感器等,了解它们的工作原理和应用场景。
c、 模拟电子技术:学习模拟电路的设计和分析方法,包括放大器、滤波器、振荡器等的设计和性能优化。
d、 数字电子技术:研究数字电路的原理和设计方法,包括数字逻辑门、计数器、寄存器、加法器等数字电子元件和电路的设计与分析。
e、 电源与电力电子技术:学习电源设计的基本原理,包括开关电源、线性电源和AC/DC转换等,以及电力电子技术的应用和控制。
f、 电路板设计与布线:学习电路板设计的方法和工具,包括布线规划、元件布局、信号完整性和EMC设计等。
g、 电子测量与仪器:研究电子测量方法和仪器的原理和应用,包括示波器、信号发生器、多用途测试仪等。
h、 电子系统设计与集成:学习电子系统设计的方法和流程,包括硬件和软件的集成、通信和数据传输等。
i、 电子制造技术:了解电子制造的基本流程和技术,包括表面组装技术、焊接技术和质量控制等。
4、 微型计算机原理及应用:深入理解计算机系统的工作原理和设计思想,掌握计算机硬件和软件的基本知识,培养以问题为导向的编程和系统设计能力。还可以学习嵌入式系统的开发和应用,为电子技术与计算机技术的融合提供基础。
a、 计算机组成与结构:学习计算机硬件的组成和结构,包括中央处理器(CPU)、内存、I/O设备等,并了解它们之间的连接与协作关系。
b、 汇编语言与计算机体系结构:掌握计算机汇编语言的基本概念、语法规则和编程技巧,了解计算机体系结构的基本原理和设计思想。
c、 操作系统原理与实践:研究操作系统的原理和功能,包括进程管理、内存管理、文件系统、输入输出管理等,以及操作系统的实践与应用。
d、 数据结构与算法:学习常见的数据结构和算法,包括线性表、树和图等,了解它们的特点和应用,以及常用算法的设计与分析方法。
e、 编程语言与程序设计:掌握至少一种常见的高级编程语言,如C/C++、Java等,学习程序设计的基本原理和方法,包括面向过程和面向对象的程序设计思想。
f、 微型计算机接口与控制:研究微型计算机与外部设备的接口与控制方法,包括串口、并口、ADC/DAC等,了解嵌入式系统的设计和实现。
g、 微处理器原理与应用:学习微处理器的基本原理和工作方式,掌握常见微处理器的体系结构和指令集,并了解其应用于实际系统的方法和技巧。
h、 嵌入式系统设计:研究嵌入式系统的设计原理和方法,包括硬件和软件的协同设计、嵌入式操作系统的应用、外设的驱动与控制等。
5、 热加工工艺基础:了解金属材料在加热过程中的热传导、相变和塑性行为,掌握热加工的原理和方法,培养热加工工艺设计与控制的能力。
a、 金属材料热学基础:学习金属材料的热学性质,包括热传导、热膨胀、热容等,以了解材料在加热过程中的特性与行为。
b、 金属加热与冷却:研究金属材料的加热与冷却过程,包括加热方法、加热装置和控制技术等,以及金属材料的相变和晶体粗化等现象。
c、 热力学与相变:学习热力学基本原理和相变规律,包括热力学函数、热力学平衡和相图等,以了解金属材料在加工过程中的热力学行为。
d、 金属材料的塑性变形:研究金属材料的塑性变形机制,包括塑性流动、变形行为、应力应变关系等,以及塑性加工理论和实践技术。
e、 热处理工艺:学习金属材料的热处理工艺,包括退火、淬火、回火等热处理方法和工艺参数的选择与控制。
f、 热成形与热锻:研究金属材料的热成形工艺,包括热轧、热挤压、热拉拔等,以及热锻工艺和设备的应用与优化。
g、 焊接与热处理工艺:学习金属材料的焊接工艺,包括焊接过程、焊接材料选择和热处理后的变形和组织控制等。
h、 表面热处理:研究金属材料表面的热处理工艺,包括热喷涂、热助金属处理等,以改善材料的表面性能和使用寿命。
6、 热加工工艺设备及设计:掌握热加工设备的工作原理和设计方法,了解热加工工艺选择和优化的关键要素,培养热加工设备选型、布局、控制和维护等方面的能力。
a、 热加工设备概论:介绍各种常见的热加工设备,包括热轧机、热挤压机、热拉拔机等,了解它们的结构、原理和性能特点。
b、 设备选型与布置:学习热加工设备的选型原则和布置规划方法,包括设备参数的选择、设备配置和生产线的布局等。
c、 热加工设备控制:研究热加工设备的控制系统和方法,包括传感器与执行器的应用、自动化控制原理和技术等。
d、 热加工模具设计:学习热加工模具的设计原理与方法,包括模具结构设计、材料选择、装配和试验等。
e、 热加工参数与工艺优化:研究热加工过程中的参数选择与优化方法,包括温度、压力、速度等参数的控制和调节。
f、 设备维护与管理:学习热加工设备的日常维护和管理,包括设备保养、故障排除、安全操作和现场管理等。
g、 设备创新与改进:了解热加工设备的创新和改进技术,包括新型设备的研发、智能化技术的应用和工艺流程的优化等。
h、 热加工工艺设计案例分析:通过分析实际的热加工工艺设计案例,了解不同热加工工艺的设计思路、流程和实施方法。
7、 检测技术及控制工程:掌握工业生产过程中的检测和控制技术,了解各种传感器和检测元件的性能和选择原则,掌握自动控制的基本原理和方法,以及工业自动化和过程控制的技术与实践。
a、 检测技术概论:学习检测技术的基本概念、分类和发展历程,了解不同检测方法的原理和应用领域。
b、 传感器与检测元件:研究不同类型传感器的工作原理、特性和应用,包括温度传感器、压力传感器、液位传感器等,以及其他检测元件如光学传感器、声学传感器等。
c、 信号处理与数据分析:学习信号处理和数据分析的基本原理与方法,包括滤波、放大、模数转换等信号处理技术,以及数据的采集、存储和分析方法。
d、 自动控制理论:研究自动控制的基本原理和方法,包括控制系统的数学模型、控制器的设计方法、系统性能分析和稳定性判据等。
e、 控制器与执行器:了解不同类型的控制器和执行器的工作原理和选择原则,包括PID控制器、PLC控制器、伺服电机等,以及它们之间的配合与调节。
f、 智能控制技术:学习基于人工智能和模糊理论的智能控制方法和应用,包括模糊控制、神经网络控制和遗传算法优化等。
g、 工业自动化与过程控制:研究工业自动化和过程控制的基本概念和技术,包括PLC编程、DCS系统、MES系统、过程监控与优化等。
h、 故障诊断与控制工程实践:通过实际案例分析和工程实践,学习故障诊断和控制工程的实施方法,包括故障诊断技术的应用、控制系统调试和优化等。
8、 CAD/CAM基础:掌握计算机辅助设计和制造的基本原理和方法,熟练使用CAD软件进行模型的建立和编辑,了解数控加工的基本概念和工艺流程,掌握CAM程序的编制和优化技术。
a、 计算机辅助设计基础:学习CAD的基本原理和方法,包括CAD软件的使用界面、绘图操作、图形编辑和图元属性等。
b、 CAD建模与造型:研究CAD建模的基本技术和方法,包括2D绘图、3D建模、曲线与曲面造型等,以及CAD模型的编辑和修复。
c、 数字化测量与数据采集:学习数字化测量设备和技术,包括三维扫描、激光测量和影像处理等,以获取物体的数字化数据。
d、 零件设计与装配:研究机械零件的CAD设计技术,包括零件的参数化设计、装配关系的建立和约束等。
e、 CAD数据管理与文档控制:了解CAD数据管理系统的基本原理和方法,包括文件版本管理、数据备份与恢复、权限控制等。
f、 计算机辅助制造基础:学习计算机辅助制造的基本概念和工艺过程,包括数控加工原理、工艺规划和工艺评估等。
g、 CAM程序设计与优化:研究数控加工程序的编制和优化方法,包括刀具路径规划、加工顺序设计、切削力分析和工艺参数选择等。
h、 数控机床操作与编程:了解数控机床的操作方法和编程语言,包括G代码、M代码的使用,以及数控机床的机构和控制原理。
五、专业能干什么
公务员方向:报考工程类的职位。
机械设计/制造:项目工程师,建筑机电工程师,CNC工程师,机械技术员,设计工程师。
质量管理:检验员,品质管理,体系工程师/审核员,体系工程师,QE工程师。
电子/电器通用技术:产品结构工程师,产品工艺/制程工程师,FAE现场应用工程师,结构设计师,设计工程师,工程/设备工程师
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