机械类专业中科学问题与技术问题的界定及相互关系探讨_程晓亮.pdf

科技视界Science&Technology Vision0引言近年来，为落实新时代科技强国战略，国家提出工业 4.0 目标，并对高等院校发出新工科倡议1。科技是科学和技术的总称，在一个学科内，可以将其所涉及的内容及衍生出的问题分为科学问题和技术问题。机械学科是工业体系建设与科技创新的重要基石。国家自然科学基金委员会将机械学科的内涵定义为：它通过对自然科学领域的成果进行综合利用和转化，形成发明创造各种机械装备、功能产品及仪器装置的理论方法和技术体系2。可以看出，机械学科是有关发明创造机械产品的一系列理论方法和技术体系的综合体，包涵了科学与技术两个范畴。然而，在机械学科的教学和科研实践中，仍然存在科学问题与技术问题混淆、重技术轻科学等问题，导致学生难以形成清晰严谨的知识体系，严重影响其解决工程问题和科研攻关能力，违背我国加快培养工程能力与科研能力兼具的高端创新人才的重大需求。因此，机械类专业大学生和相关从业人员应了解机械学科的这一特点，掌握学科内科学问题与技术问题的区别和联系，从两者辩证统一的角度，构建合理的机械学科知识体系，为机械学科的科技创新实践奠定坚实的理论基础。本文从机械学科实践中的科学内涵弱化现状及新工科建设实践的新趋势出发，对学科内的科学问题和技术问题给出科学通用的界定，结合先进制造的科研攻关实践，探讨两者的迭代关系在科技创新中的重要作用。1机械学科实践中科学内涵弱化现象及新趋势在我国工科高校的院系设置中，除了少数院校如华中科技大学，将机械类专业为主体的学院命名为“机械科学与工程学院”外，大多数高等院校的机械相关学院命名，缺乏“科学”这一关键词，最具代表性的是众多“机电工程学院”和“机械工程学院”，这些院系名称的共同特点是强调机械学科的工程（技术）内涵，弱化了科学内涵。机械学科院系的这种命名方法，已脱离了当今机械学科的发展趋势。根据国家自然科学基金委的研DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.30.44机械类专业中科学问题与技术问题的界定及相互关系探讨程晓亮*汪爽刘志博（安徽工程大学 机械工程学院，安徽 芜湖241000）【摘要】机 械学 科是当代制 造 工 业 体 系 建 设 与 科 技 创 新 的 重 要 基 石。培 养 兼 具 扎 实 工 程 基 础 和 科 学 研 究 潜 质 的优 秀人 才，是 机 械类 专业 的重要 培 养目 标。针 对目 前 机械 类 专 业 大学 生 对本 专 业 的 科 学与 技 术 问 题 界 定 不 明，影 响 其科 技 创 新 的 思 路 等 问 题，本 文 论 述 了 机 械 类 专 业 科 学 问 题 与 技 术 问 题 的 界 定，结 合 先 进 制 造 科 技 攻 关 具 体 实 例，阐 明机 械学 科的 科 研 项目 是 在其科 学问 题 和技 术问题 的 反复 迭 代中 实 现既 定 目标，并 不 断 获得创 新发展 的 机制。【关 键词】机 械类 专业；科学 问 题；技术 问 题；科 技 实践基 金项目：安徽 工 程 大 学校 级 科 研启动 基金（S022021002）。作 者 简介：程 晓亮，讲师，博 士，研 究方 向 为航 天 材料 先 进切 割 技术。科学课堂148Science&Technology Vision科技视界判，机械学科未来 15 年的主要发展趋势是吸收多学科的最新成果，实现制造尺度、维度和方法的提升。其中，涉及很多新原理、新理论是其他学科与机械学科在科学内涵上的交叉融合，而不是简单的技术整合。因此，机械学科的发展需要加强科学内涵建设，这不仅是适应学科发展的必然要求，也是机械学科创新性人才必备的科学知识构架模式和前沿思维范式。在当代高等教育阶段培养机械学科人才过程中，特别是在 2017 年教育部发布“新工科”建设通知以来，并结合“互联网+”大赛等具体实施方案，高等院校按照新工科建设精神，不断探索并逐步形成了“教学-竞赛-科研”融合的机械类专业人才培养新模式3。大学生教学和竞赛中获得的主要是对业内已有知识的掌握和应用。因此，这两个环节对科研环节所需的学科基础知识提供了有力保障。然而，要实现从“学习知识”（前两个环节）到“生产知识”（科研环节）的飞跃，面对的首要问题是明晰科学与技术的区别与联系。因此，有必要对科学问题和技术问题的界定进行探究。2机械学科中科学与技术问题的界定这里将科学和技术都作为“知识生产”的范畴，区别“知识学习”的阶段。科学作为一种知识生产模式，它遵循哲学演绎、科学实验、原理归纳和推理论证等程式和逻辑，以认知、编码和建构同质域知识为主要形式4。技术作为一种知识生产模式，它强调生产的知识在解决社会实际问题中的工具价值和应用属性，是指人们利用现有事物形成新事物，或是改变现有事物功能、性能的方法。技术应具备明确的使用范围和被其他人认知的形式和载体。为了对机械学科中的科学和技术问题进行界定的探讨，以水导激光微细加工技术，这一解决飞机制造等保障国家安全领域关键问题的热点方法为例，对涉及的科学问题和技术问题进行界定。3机械学科科技攻关中科学与技术问题关系分析在 21 世纪初，水导激光加工技术是一项重要的科技攻关项目5。我国科技人员在完成整个项目过程中，需要首先明确其中的未知科学问题，并突破其中的关键技术问题，最终的目的是可实现水导加工设备的研制，又能在深入理解其中加工机理等科学原理的基础上，制定碳纤维复合材料等飞机制造领域先进材料的高质量切割工艺，完成其预期的加工质量可靠性和一致性等效能。为了填补国内在水导激光微细加工技术领域的空白，开发出国产化、性能可靠的水导激光微细加工设备，需要从科学和技术两个维度，从无到有实现相关领域科学与技术的创造和集成。在科学方面：深入研究这一技术过程涉及的光学、流体力学、传热学理论，将这些基础科学理论按照水导激光加工的物理过程进行组合，建立以耦合方程组为核心的数学模型和物理模型，借助数值求解方法，建立激光加工工艺参数与最终加工质量指标之间关联的科学模型。厘清并求解这些科学问题的目的是搭建水导加工设备，开发水导加工设备的相关软件，并确定合理的加工工艺参数等技术目标。为了完成这些技术目标，按照建立的物理模型将其分解为以下技术内容：（1）激光束与水束光纤耦合技术；（2）稳定性水束光纤的生成技术；（3）耦合能量束切割工件技术；（4）水导激光微细加工系统搭建技术。为了解决以上技术问题，这四方面技术问题又分别涉及以下核心的科学问题：（1）多模激光光束在水束中的衰减规律；（2）水束光纤生成的流体动力学原理；（3）耦合场对工件作用过程的固体蚀除机理；（4）激光加工参数对加工效果的影响规律。由此可见，科学与技术问题既有清晰的界定，又是相互关联的。从以上典型机械学科领域技术空白填补案例中，可以清楚地看出：机械学科是在经典力学、机械学、材料科学、传热传质学等基本科学理论上综合建立起来的。为了填补一个具体的技术领域空白，需首先将一个机械学科项目分解和抽象为物理过程，明晰物理过程涉及的相关科学理论，建立具有严谨逻辑的以物理模型和数学模型为主题的理论模型；其次，依据物理过程，列出实现该物理过程的具体技术步骤和各步骤具体技术目标；然后，找出具体技术步骤中的关键科学问题。最后，通过实验或先进技术手段解决其中的关键科学问题，进而将所有技术步骤进行整合，实现项目的目标。可以将以上过程抽象为如图 1 所示的科科学课堂149科技视界Science&Technology Vision学问题与技术问题交互关联的技术路线图。从图 1 中可以看出，科研项目的目标正是在科学问题和技术问题的不断迭代中实现。因此，具体的科技创新实践中，需要首先找出其中的重大科学问题，这是科技创新的第一步。然后，找出其中关键科学问题的解决需要突破的技术难题，完成技术突破过程中又有可能发现新的科学问题，如此反复迭代，不断将科学技术推向新高度，实现更多卡脖子问题的突破，同时，这也是科技创新的一种重要的思路。4结语在国家大力发展装备制造业，并提出工业 4.0 目标和对高等院校发出新工科建设倡议的背景下，机械学科作为整个制造业的基石，担负高层次人才培养和关键技术储备的重任。为助力机械学科培养技术扎实和科研潜力兼备的新时代大国工匠，论述了机械类专业科学问题与技术问题的界定，以先进制造科技攻关实例，探讨学科科技实践中科学与技术问题的迭代关系，构建了科学问题和技术问题反复迭代，驱动机械学科科研项目实现既定目标并不断获取新成果的科研范式，目的是启发学科内的科技创新思路。【参考文献】1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（5）：1-6.2国家自然科学基金委工程与材料学部著.机械工程学科发展战略报告（2021-2035）M.北京：科学出版社，2021：1-3.3方梁菲，周昕，张馨悦.新工科背景下学科竞赛和大创项目驱动的机械类专业实践教学创新模式探索J.北京印刷学院学报，2020，28（S2）：189-191.4杨冬.从科学范式到工程范式：高质量新工科人才培养的逻辑向度与行动路径：基于知识生产模式转型框架J/OL.大学教育科学：1-92022-03-18.http：/