現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)教材課件

第6章現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)6.1現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展

6.2制造技術(shù)創(chuàng)新

6.3先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)

6.4終身學(xué)習(xí)是時代發(fā)展的必然要求

第6章現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)6.1現(xiàn)代16.1現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展

6.1.1現(xiàn)代制造科學(xué)是多學(xué)科交叉的新學(xué)科人類正邁向信息社會，生物科學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)、制造科學(xué)和管理科學(xué)將是21世紀(jì)的5個主流科學(xué)。以微電子、信息(計算機(jī)與通信、控制理論、人工智能等)、新材料、系統(tǒng)科學(xué)為代表的新一代工程科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在制造領(lǐng)域中的廣泛滲透、應(yīng)用和衍生，極大地拓展了制造活動的深度和廣度，急劇地改變了現(xiàn)代制造業(yè)的設(shè)計方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)工藝和設(shè)備以及生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一大批新的制造技術(shù)和制造模式?，F(xiàn)代制造業(yè)已成為發(fā)展速度快，技術(shù)創(chuàng)新能力強(qiáng)，技術(shù)密集甚至是知識密集的部門，許多產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值增大，進(jìn)入了高技術(shù)產(chǎn)品的行列。

6.1現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展6.1.1現(xiàn)代制造科學(xué)是多2同時，各種高新技術(shù)的綜合作用促進(jìn)了制造技術(shù)在宏觀(制造系統(tǒng)的集成)和微觀(精密、超精密和納米加工與檢測)兩個方向上的蓬勃發(fā)展，成為一門涵蓋整個生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)(含市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工準(zhǔn)備、制造裝配、監(jiān)控檢測、質(zhì)量保證、生產(chǎn)管理、售后服務(wù)、回收再利用)，包括人、機(jī)器、能量、信息等多種資源組織、控制和管理，橫跨多個學(xué)科的集成技術(shù)。推動制造技術(shù)取得持續(xù)進(jìn)步的基礎(chǔ)研究也不斷汲取其他學(xué)科前沿成果的豐富營養(yǎng)，發(fā)展為一門嶄新的交叉科學(xué)——制造科學(xué)。制造科學(xué)與其他科學(xué)的滲透、交叉將是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展趨勢。

同時，各種高新技術(shù)的綜合作用促進(jìn)了制造技術(shù)在宏觀(制造系3現(xiàn)代制造已不僅僅是機(jī)械制造，它的基本特點是大制造、全過程、多學(xué)科?！按笾圃臁睉?yīng)包括光機(jī)電產(chǎn)品的制造、工業(yè)流程制造、材料制備等，它是一種廣義制造概念。從制造方法看，它不僅包括機(jī)械加工方法，還應(yīng)包括高能束加工方法、硅微加工方法及電化學(xué)加工方法等。“全過程”不僅包括從毛坯到成品的加工制造過程，還包括產(chǎn)品的市場信息分析，產(chǎn)品決策，產(chǎn)品的設(shè)計、加工和制造過程，產(chǎn)品的銷售和售后服務(wù)，報廢產(chǎn)品的處理和回收，以至產(chǎn)品的全壽命過程的設(shè)計、制造和管理。

現(xiàn)代制造已不僅僅是機(jī)械制造，它的基本特點是大制造、全過程4“多學(xué)科”是指現(xiàn)代制造科學(xué)是個交叉學(xué)科，它涉及以下領(lǐng)域：①計算機(jī)學(xué)科、半導(dǎo)體學(xué)科中的微電子器件和計算機(jī)器件的設(shè)計與制造；②自動化學(xué)科的制造過程和制造系統(tǒng)控制理論和方法；③光學(xué)和光電子學(xué)科的器件和儀器的設(shè)計與制造，光電測試?yán)碚撆c方法；④

機(jī)械工程學(xué)科的零件和機(jī)器的設(shè)計制造理論方法，機(jī)械構(gòu)件及機(jī)電系統(tǒng)性能的模擬仿真；

“多學(xué)科”是指現(xiàn)代制造科學(xué)是個交叉學(xué)科，它涉及以下領(lǐng)域：5⑤管理學(xué)科關(guān)于可重組企業(yè)和可重組制造系統(tǒng)理論、企業(yè)管理方法和工業(yè)工程理論；⑥材料學(xué)科中的新材料制備科學(xué)，冶金學(xué)科中的材料成形科學(xué)；⑦化學(xué)工程中的化工流程科學(xué)和化工產(chǎn)品的制造科學(xué)；⑧與生物科學(xué)交叉的生物制造和仿生機(jī)械學(xué)；⑨

物理學(xué)科中的納米科學(xué)，力學(xué)學(xué)科中的機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)問題。

⑤管理學(xué)科關(guān)于可重組企業(yè)和可重組制造系統(tǒng)理論、企業(yè)管理66.1.2現(xiàn)代制造科學(xué)主要研究的科學(xué)問題21世紀(jì)制造科學(xué)領(lǐng)域至少有如下重要科學(xué)問題：(1)計算機(jī)、微電子和光學(xué)關(guān)鍵零部件的制造工藝基礎(chǔ)及新材料的制備。(2)現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論。(3)制造過程與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述、建模、仿真及優(yōu)化，制造中的計算機(jī)幾何。(4)設(shè)計及制造過程信息的獲取、表達(dá)及傳遞，非全信息狀態(tài)下的決策，非符號信息表達(dá)，制造信息保真及傳遞，海量制造信息的管理等。

6.1.2現(xiàn)代制造科學(xué)主要研究的科學(xué)問題7(5)網(wǎng)絡(luò)制造、虛擬制造基礎(chǔ)理論，網(wǎng)絡(luò)及虛擬環(huán)境下制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及全局最優(yōu)決策理論。(6)支持產(chǎn)品設(shè)計和制造過程創(chuàng)新的理論及方法。(7)現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)中的人—機(jī)—環(huán)境界面交互、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一理論。(8)先進(jìn)制造生產(chǎn)模式及管理理論與方法，研究適合中國國情及文化背景的高效、快速、可重組的先進(jìn)制造生產(chǎn)理論及其模式。

(5)網(wǎng)絡(luò)制造、虛擬制造基礎(chǔ)理論，網(wǎng)絡(luò)及虛擬環(huán)境下制造8(9)適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)和制造生產(chǎn)模式的經(jīng)營管理及虛擬企業(yè)的基礎(chǔ)理論及運作方法。(10)微米/納米系統(tǒng)的設(shè)計、制造理論與方法。(11)基于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的制造理論和方法。

(9)適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)和制造生產(chǎn)模式的經(jīng)營管理及虛96.1.3制造科學(xué)與納米科學(xué)技術(shù)的交叉——納米制造科學(xué)

納米制造科學(xué)的主要研究內(nèi)容及科學(xué)問題如下：(1)納米級精度和表面的測量儀器(如可用于加工、測量的掃描隧道顯微鏡、顯微測量激光干涉儀等)。(2)納米級表層物理、化學(xué)和機(jī)械性能的檢測。(3)納米級表面的加工(超精密切削、鏡面磨削、原子和分子的去除/搬遷/重組的掃描隧道顯微加工等)。(4)納米材料的制備，納米級微器件與微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計、制造與控制理論與技術(shù)。

6.1.3制造科學(xué)與納米科學(xué)技術(shù)的交叉——納米制造科學(xué)106.1.4制造科學(xué)與管理科學(xué)的交叉——制造管理科學(xué)

制造生產(chǎn)模式是管理科學(xué)、社會人文科學(xué)與制造科學(xué)的交叉。事實已經(jīng)證明并將進(jìn)一步證明，中國制造的產(chǎn)品如果要在國際市場具有競爭能力，中國的制造商如果要想成為國際名牌企業(yè)，除了要擁有世界一流的制造技術(shù)外，更重要的是要有世界一流的組織管理模式和管理水平。當(dāng)然，其先決條件是企業(yè)內(nèi)外必須建立比較完善的市場競爭機(jī)制。

6.1.4制造科學(xué)與管理科學(xué)的交叉——制造管理科學(xué)11制造生產(chǎn)模式是制造業(yè)為了提高產(chǎn)品的競爭能力而采取的一定的組織生產(chǎn)模式。福特公司大批量生產(chǎn)模式以提供廉價的產(chǎn)品為主要目的，柔性生產(chǎn)模式以滿足顧客的多樣化需求為主要目的，敏捷生產(chǎn)模式以向顧客及時提供所需求的產(chǎn)品為主要目的，綠色制造以產(chǎn)品在整個生命周期中有利于環(huán)境的保護(hù)為主要目的。制造模式主要研究企業(yè)高效經(jīng)濟(jì)運籌、生產(chǎn)組織和管理、企業(yè)間合作、質(zhì)量保障體系、人—機(jī)—環(huán)境關(guān)系等。人是制造過程和制造系統(tǒng)中的決定性因素。因此，制造系統(tǒng)、制造過程和生產(chǎn)模式中人的思想行為、人機(jī)關(guān)系、人際關(guān)系、企業(yè)社會環(huán)境、人在制造中的積極作用就成為制造科學(xué)與社會科學(xué)、人文科學(xué)交叉的主要研究內(nèi)容。

制造生產(chǎn)模式是制造業(yè)為了提高產(chǎn)品的競爭能力而采取的一定的126.1.5制造科學(xué)與信息科學(xué)的交叉——制造信息科學(xué)信息在制造過程和制造系統(tǒng)中占有越來越重要的位置，現(xiàn)代產(chǎn)品的信息含量在產(chǎn)品價值中的比重不斷增大。在信息時代，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本主要受到制造信息的制約。制造過程主要是信息在原材料(毛坯)上的增值過程。許多現(xiàn)代產(chǎn)品的價值增值主要體現(xiàn)在信息上。因此，制造過程中信息的獲取和應(yīng)用十分重要。21世紀(jì)是信息世紀(jì)，網(wǎng)絡(luò)是獲取信息的重要手段。信息化是制造科學(xué)技術(shù)走向現(xiàn)代化和全球化的重要標(biāo)志。與制造有關(guān)的信息主要有產(chǎn)品信息、工藝信息和管理信息。這一領(lǐng)域有如下主要研究方向和內(nèi)容：

6.1.5制造科學(xué)與信息科學(xué)的交叉——制造信息科學(xué)13(1)制造信息的獲取、處理、存儲、傳輸和應(yīng)用，海量制造信息的管理及其向知識和決策的轉(zhuǎn)化。(2)非符號信息的表達(dá)，制造信息的保真?zhèn)鬟f，非完整制造信息狀態(tài)下的生產(chǎn)決策，虛擬制造，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的設(shè)計與制造，制造過程和制造系統(tǒng)中的控制科學(xué)等問題。這些內(nèi)容是制造科學(xué)與信息科學(xué)基礎(chǔ)融合的產(chǎn)物，在信息科學(xué)中獨具特色，構(gòu)成了制造科學(xué)中的新分支——制造信息學(xué)。

(1)制造信息的獲取、處理、存儲、傳輸和應(yīng)用，海量制造146.1.6制造科學(xué)與生命科學(xué)的交叉——仿生制造科學(xué)制造過程、制造系統(tǒng)和生命過程、生命系統(tǒng)在許多方面有相似之處。制造系統(tǒng)和生命系統(tǒng)都是非線性耗散系統(tǒng)，都有生命周期。生物通過基因遺傳將自己的基本特征復(fù)制給下一代；同樣，新產(chǎn)品往往是在老產(chǎn)品基礎(chǔ)上發(fā)展的。生命系統(tǒng)和現(xiàn)代制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有許多相似之處，它們都具有大腦(計算和控制系統(tǒng))、四肢(執(zhí)行系統(tǒng))、傳感和神經(jīng)(信息系統(tǒng))。生命系統(tǒng)和現(xiàn)代制造系統(tǒng)都有自組織性、自適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性和智能性?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)的這些生物特性研究是制造科學(xué)所面臨的前沿課題。如生物制造中的生物去除加工，采用生物菌對材料進(jìn)行加工，是近年來發(fā)展的一種生物電化學(xué)和微機(jī)械加工的交叉科學(xué)技術(shù)。制造科學(xué)與生命科學(xué)的交叉還表現(xiàn)在機(jī)械仿生學(xué)研究上，蛇形機(jī)器人、多足機(jī)器人、假肢、人工關(guān)節(jié)、機(jī)械手和智能機(jī)器人都是典型的機(jī)械仿生研究。6.1.6制造科學(xué)與生命科學(xué)的交叉——仿生制造科學(xué)15可以預(yù)見，21世紀(jì)將進(jìn)入制造科學(xué)與生命科學(xué)全面交叉發(fā)展的時代。這一領(lǐng)域有如下主要研究內(nèi)容：

(1)仿生機(jī)械相關(guān)的生物力學(xué)原理。(2)生物制造基礎(chǔ)理論與技術(shù)。(3)組織工程材料成形的信息模型與物理模型。(4)面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理、設(shè)計與制造基礎(chǔ)。(5)仿生系統(tǒng)的控制理論與方法。(6)仿生系統(tǒng)的集成理論與技術(shù)。

可以預(yù)見，21世紀(jì)將進(jìn)入制造科學(xué)與生命科學(xué)全面交叉發(fā)展的166.2制造技術(shù)創(chuàng)新

6.2.1可持續(xù)發(fā)展是制造技術(shù)創(chuàng)新的動力與空間

可持續(xù)發(fā)展主要指的是社會、經(jīng)濟(jì)、人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展和人的全面發(fā)展。它主張世界上任何地區(qū)、任何國家的發(fā)展不能以損害別的地區(qū)、別的國家的發(fā)展能力為代價，主張當(dāng)代人的發(fā)展不能以損害后人的發(fā)展能力為代價?？梢?，可持續(xù)發(fā)展包括這樣一些重要原則：(1)發(fā)展的持續(xù)性，現(xiàn)代的發(fā)展不損害后人的發(fā)展能力。(2)發(fā)展的整體性與協(xié)調(diào)性。

6.2制造技術(shù)創(chuàng)新6.2.1可持續(xù)發(fā)展是制造技術(shù)創(chuàng)176.2.2知識化是制造技術(shù)創(chuàng)新的資源隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越趨向集成化和復(fù)合化，新產(chǎn)品開發(fā)所需要的知識越來越多，尤其是面對市場國際化的激烈競爭，產(chǎn)品設(shè)計活動越來越要求以最快的時間將所需要的新知識融入產(chǎn)品之中。產(chǎn)品設(shè)計是否成功，取決于所需要的知識，尤其是高新知識的含量。

6.2.2知識化是制造技術(shù)創(chuàng)新的資源18技術(shù)的產(chǎn)品和工藝(TPP)創(chuàng)新是實現(xiàn)了技術(shù)上新的產(chǎn)品和工藝，以及技術(shù)上有重大改進(jìn)的產(chǎn)品和工藝。所謂TPP創(chuàng)新的實現(xiàn)是指它被引入市場(產(chǎn)品創(chuàng)新)或應(yīng)用于生產(chǎn)工藝(工藝創(chuàng)新)。TPP創(chuàng)新包括科學(xué)、技術(shù)、組織、金融和商業(yè)等一系列的活動，而且是這一系列活動措施的綜合。因此，也可以說，TPP創(chuàng)新依賴于科學(xué)知識、工程技術(shù)知識、管理知識和經(jīng)濟(jì)知識的積累與綜合。而科學(xué)知識和工程技術(shù)是對制造技術(shù)創(chuàng)新的首要支持。

技術(shù)的產(chǎn)品和工藝(TPP)創(chuàng)新是實現(xiàn)了技術(shù)上新的產(chǎn)品和工19實現(xiàn)不同領(lǐng)域的TPP創(chuàng)新，是以領(lǐng)域主導(dǎo)知識(或使能知識)為主，而綜合應(yīng)用眾多的領(lǐng)域輔助知識來完成的。對制造技術(shù)創(chuàng)新而言，領(lǐng)域主導(dǎo)知識是有關(guān)制造本身的機(jī)理、規(guī)律、技術(shù)、技能、裝置及系統(tǒng)等方面的知識，有量化的知識，更有眾多非量化知識，如經(jīng)驗等。領(lǐng)域主導(dǎo)知識也是一種動態(tài)知識，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，領(lǐng)域主導(dǎo)知識也在不斷更新。以對加工過程建模為例，傳統(tǒng)的方法已不適應(yīng)對加工過程的非線性、復(fù)雜性的描述，而基于人工智能(AI)的建模方法，或基于AI與解析法、數(shù)值法綜合而成的建模方法則得到了發(fā)展，對加工過程有了進(jìn)一步認(rèn)識，充實完善了領(lǐng)域主導(dǎo)知識。有了扎實的領(lǐng)域主導(dǎo)知識背景，才有可能激發(fā)出創(chuàng)新靈感，創(chuàng)新才會有的放矢，才會有實用推廣價值。

實現(xiàn)不同領(lǐng)域的TPP創(chuàng)新，是以領(lǐng)域主導(dǎo)知識(或使能知識)20領(lǐng)域輔助知識面很廣，如計算機(jī)、信息論、生態(tài)學(xué)、管理科學(xué)……它是為領(lǐng)域主導(dǎo)知識服務(wù)的，用以促進(jìn)領(lǐng)域主導(dǎo)知識的現(xiàn)代化，共同成為創(chuàng)新的資源。領(lǐng)域主導(dǎo)知識要做到四“知道”，即知道是什么，知道為什么，知道怎么做和知道誰有知識。而對領(lǐng)域輔助知識只要求做到三“知道”，即不必知道為什么。技術(shù)創(chuàng)新帶有較強(qiáng)的個人行為特征，只有把握領(lǐng)域主導(dǎo)知識，掌握所需的領(lǐng)域輔助知識，領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)新成果才可能有深度，有應(yīng)用前景；反之，創(chuàng)新往往立不住足，這類的事例并不罕見。

領(lǐng)域輔助知識面很廣，如計算機(jī)、信息論、生態(tài)學(xué)、管理科學(xué)…216.2.3數(shù)字化是制造技術(shù)創(chuàng)新的手段人類技術(shù)文明史進(jìn)入了信息時代，計算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展給信息的普及、應(yīng)用提供了技術(shù)手段。面對21世紀(jì)的制造技術(shù)創(chuàng)新，數(shù)字化是主要手段。數(shù)字化的核心是離散化，如何將自然界的連續(xù)物理現(xiàn)象、模糊的不確定現(xiàn)象，以及人的經(jīng)驗與技能等離散化，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)字化，是技術(shù)創(chuàng)新成敗、優(yōu)劣的關(guān)鍵問題。繼計算幾何、計算力學(xué)問世之后，計算切削工學(xué)、計算制造、數(shù)字化制造、新型材料零件數(shù)字化設(shè)計與制造等陸續(xù)被提出，明顯地看出數(shù)字化是技術(shù)創(chuàng)新的重要手段。

6.2.3數(shù)字化是制造技術(shù)創(chuàng)新的手段22為了充分發(fā)揮計算機(jī)輔助技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，需要對領(lǐng)域主導(dǎo)知識進(jìn)一步實現(xiàn)數(shù)字化處理。例如：制造過程的物理量(力、熱、聲、振動、速度、誤差等)的數(shù)字化模型，它們是伴隨制造過程的幾何量而產(chǎn)生的，如何將兩者的數(shù)字化量及相互關(guān)系融合到計算機(jī)系統(tǒng)中，尚有大量工作要做；利用社會學(xué)、心理學(xué)、人體結(jié)構(gòu)與行為科學(xué)等，更好地發(fā)揮人在企業(yè)中的作用，利用計算機(jī)仿真與人機(jī)界面技術(shù)模擬企業(yè)環(huán)境，研究人的最佳工作狀態(tài)，重視人們的滿足感與舒適感，這些都有大量數(shù)字化問題。

為了充分發(fā)揮計算機(jī)輔助技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，需要對領(lǐng)域23計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)字化信息的傳遞、為實現(xiàn)“光速貿(mào)易”提供了技術(shù)手段。重要的是數(shù)字化全部信息，不僅要數(shù)字化技術(shù)信息，也要數(shù)字化評估信息，以便在信息冗余的當(dāng)今能選擇到有用的信息，還要數(shù)字化濾掉干擾信息和偽假信息，保證數(shù)字化信息暢通無誤。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也為實現(xiàn)全球化制造、基于網(wǎng)絡(luò)的制造提供了物理保證，這不僅有利于參與市場競爭，促進(jìn)設(shè)備資源的共享，更有利于快速獲得制造技術(shù)信息，激發(fā)創(chuàng)新靈感，是實現(xiàn)數(shù)字化制造的重要保證。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)字化信息的傳遞、為實現(xiàn)“光速貿(mào)易”提供了技24為了改善數(shù)字化在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，要求計算機(jī)工具盡可能早地進(jìn)入工程過程中，以允許更廣泛地探討和多方案地信息化選擇；要求人機(jī)界面向自然化接口過渡，以加快信息的流暢交換；要求計算機(jī)在實現(xiàn)自復(fù)位工程輔助作用時，由被動變成主動，即計算機(jī)能主動向操作人員建議有關(guān)方案并傳送相關(guān)信息。

為了改善數(shù)字化在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，要求計算機(jī)工具盡可能早256.2.4可視化是制造技術(shù)創(chuàng)新的虛擬檢驗虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)近幾年來獲得了飛速發(fā)展，其虛擬環(huán)境可以表示任意三維環(huán)境，不論它是現(xiàn)實的或抽象的。VR可以重構(gòu)人和信息技術(shù)之間的界面，可以實現(xiàn)過程的可視性和思路的創(chuàng)意表述。21世紀(jì)中的VR技術(shù)將對實用性技術(shù)的創(chuàng)新提供虛擬原型和技術(shù)的虛擬檢驗。比如，要求由一種特殊合成材料制成實用的零件，選用激光選擇性燒結(jié)(SIS)工藝，它可以取代冶煉、傳統(tǒng)意義上的切削加工等工藝過程。試想把該零件的SIS成形置于虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，通過材料成分配比分析，激光燒結(jié)過程中不同掃描路徑下的溫度場、應(yīng)力場顯示，被燒結(jié)成形的零件在這種工藝參數(shù)組合下，虛擬出原型。

6.2.4可視化是制造技術(shù)創(chuàng)新的虛擬檢驗266.3先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)

6.3.1先進(jìn)制造技術(shù)對創(chuàng)新人才的要求

1．更加重視大環(huán)境因素的作用現(xiàn)代的先進(jìn)制造技術(shù)對人才的培養(yǎng)提出了新的要求，因為現(xiàn)代的人才常常面對的是“大環(huán)境下的工程”，也稱之為“宏大工程(MacroEngineering)”。它是包括設(shè)計、制造、管理、市場等方面的一個復(fù)雜環(huán)境下的集成系統(tǒng)，要求人才在具備較寬基礎(chǔ)知識的前提下，并具有較強(qiáng)的工程設(shè)計能力、制造能力、管理能力、市場開發(fā)能力、知識集成與系統(tǒng)分析能力等；并且，這些技術(shù)集成系統(tǒng)同時也要與社會、經(jīng)濟(jì)、文化、政治等環(huán)境因素有密切聯(lián)系。這就要求工程人員在重視工程本身的同時，更要關(guān)注人口增長、環(huán)境惡化、資源短缺等社會化問題，開發(fā)與應(yīng)用能源與生產(chǎn)過程清潔、廢物再生、農(nóng)業(yè)生態(tài)化等能促使社會協(xié)調(diào)、健康的可持續(xù)發(fā)展理論與技術(shù)，養(yǎng)成新的價值觀念、行為方式和工業(yè)規(guī)范。

6.3先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)6.3.1先進(jìn)制造27

2．更加突出知識整合能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練根據(jù)現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)的知識分類體系，廣義知識可分為陳述性知識(回答“是什么”的知識)、程序性知識(關(guān)于“怎么做”的知識)、策略性知識(關(guān)于“控制自己認(rèn)知和思維過程”的知識)。學(xué)習(xí)者一旦形成了包括策略性知識在內(nèi)的完整知識分類體系，就具備了整合知識的基本能力?，F(xiàn)代的先進(jìn)制造技術(shù)與系統(tǒng)集成度越來越高，對工程技術(shù)人員的知識整合能力提出了更高要求，這主要體現(xiàn)在思維方式、實踐能力、創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力和群體協(xié)作能力等方面。

2．更加突出知識整合能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練28

3．更加關(guān)注技術(shù)與管理科學(xué)的統(tǒng)一管理科學(xué)從古典學(xué)派到現(xiàn)代學(xué)派發(fā)展的特點之一是向管理科學(xué)滲透和交叉的學(xué)科越來越多，如統(tǒng)計學(xué)、社會學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、控制論科學(xué)及信息科學(xué)等。這是因為管理過程中需要運用諸多學(xué)科的理論和方法進(jìn)行共同研究才能解決好。當(dāng)今世界復(fù)雜高新技術(shù)工程系統(tǒng)的開發(fā)呈現(xiàn)出長周期、全局性戰(zhàn)略謀劃，以及綜合運用各相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)新成果的典型特征。系統(tǒng)發(fā)展研究表明，系統(tǒng)、權(quán)衡、優(yōu)化與科學(xué)管理已經(jīng)成為越來越突出的問題。從國家現(xiàn)代化建設(shè)、高新技術(shù)工程系統(tǒng)開發(fā)與建設(shè)的整體目標(biāo)出發(fā)，思考、探索解決國家現(xiàn)代化建設(shè)的技術(shù)和管理問題，已經(jīng)成為目前世界科技發(fā)展的核心問題之一。

3．更加關(guān)注技術(shù)與管理科學(xué)的統(tǒng)一29

4．樹立學(xué)科交叉與融合的培養(yǎng)新模式現(xiàn)代的先進(jìn)制造技術(shù)的綜合性來源于制造活動的社會性和制造系統(tǒng)的開放性。人類的制造活動涉及國計民生，關(guān)系到千家萬戶，人類的制造系統(tǒng)每時每刻都在與外界交換物質(zhì)、能量和信息。因此，制造科學(xué)不可能在孤立封閉的狀態(tài)下發(fā)展，必然要走一條吸納百家之長的開放道路。與此相對應(yīng)，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才的方式上，也應(yīng)該采取學(xué)科交叉與融合的培養(yǎng)模式。

4．樹立學(xué)科交叉與融合的培養(yǎng)新模式306.3.2AMT創(chuàng)新人才的綜合模式根據(jù)現(xiàn)代的AMT對人才的需求，可建立如圖6-1所示的人才需求模型。該模型可以簡單地概括為一個主體(創(chuàng)新型人才)、三大支撐(素質(zhì)、能力與知識)、十項指標(biāo)。以機(jī)械工程學(xué)科為例，三大支撐的具體內(nèi)容可見圖6-2、圖6-3、圖6-4。

6.3.2AMT創(chuàng)新人才的綜合模式31圖6-1AMT對創(chuàng)新型人才的需求模型

圖6-1AMT對創(chuàng)新型人才的需求模型32圖6-2AMT創(chuàng)新型人才的素質(zhì)結(jié)構(gòu)

圖6-2AMT創(chuàng)新型人才的素質(zhì)結(jié)構(gòu)33圖6-3AMT創(chuàng)新型人才的知識結(jié)構(gòu)

圖6-3AMT創(chuàng)新型人才的知識結(jié)構(gòu)34圖6-4AMT創(chuàng)新型人才的能力結(jié)構(gòu)

圖6-4AMT創(chuàng)新型人才的能力結(jié)構(gòu)356.4終身學(xué)習(xí)是時代發(fā)展的必然要求

當(dāng)前時代的特點是學(xué)科的相互交叉和高度綜合。如一名AMT工程師僅僅掌握機(jī)械(包括機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、成形工藝等)方面的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。電子、光學(xué)、流體、計算機(jī)、控制、材料學(xué)、生物學(xué)、生命科學(xué)、原子物理、化學(xué)、管理科學(xué)、金融、商務(wù)、人文科學(xué)、社會科學(xué)、心理學(xué)和美學(xué)等，都是與AMT相關(guān)的學(xué)科。要把這么多的知識(即使只是某一領(lǐng)域的知識)通過學(xué)校教育傳授給學(xué)生，是不可能的。而且由于新的知識不斷涌現(xiàn)，很多知識都是學(xué)生在走出校門后新形成的，因此每一個人的知識都在老化。要不落伍、要跟上時代，就要不斷學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)。對于其他領(lǐng)域的從業(yè)人員，同樣如此。

6.4終身學(xué)習(xí)是時代發(fā)展的必然要求當(dāng)前時代的特點是36當(dāng)今時代是知識經(jīng)濟(jì)時代，產(chǎn)品的價值主要取決于知識的含量。產(chǎn)品要不斷創(chuàng)新，要在質(zhì)量、成本、反應(yīng)速度等方面經(jīng)得起考驗，在競爭中取勝，沒有一批具有豐富知識的高素質(zhì)人才是不可能的。市場的競爭歸根結(jié)底是人才的競爭、知識的競爭。現(xiàn)代社會教育越來越成為一種貫穿于人的一生連續(xù)不斷的學(xué)習(xí)過程，終身教育應(yīng)成為每個人在不同時期的共同需要。逐步建立和完善有利于終身學(xué)習(xí)的制度，實現(xiàn)教育的縱向一體化和橫向一體化，使教育既貫穿于人的一生，又始終與生活保持密切聯(lián)系，已成為21世紀(jì)世界教育改革和發(fā)展的共同趨勢。

當(dāng)今時代是知識經(jīng)濟(jì)時代，產(chǎn)品的價值主要取決于知識的含量。37終身學(xué)習(xí)是適應(yīng)社會發(fā)展和個人進(jìn)步的選擇。隨著工作特性、娛樂方式、職業(yè)功能等因素的變化，人們產(chǎn)生了重新學(xué)習(xí)的迫切愿望，教育在人的自我實現(xiàn)、自我完善方面的作用得到了進(jìn)一步肯定。如果系統(tǒng)的學(xué)習(xí)僅僅局限在傳統(tǒng)的學(xué)校教育，那么教育的社會功能和發(fā)展功能很難實現(xiàn)。特別是在信息多元化、全球化的21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展不僅使知識的絕對數(shù)量不斷成幾何級數(shù)增長，使知識的更新周期加速，而且知識的技術(shù)和工作結(jié)構(gòu)也變得越來越細(xì)密和復(fù)雜。另一方面，隨著社會財富的增加，人們可供支配的收入和閑暇時間也日漸增多，人的平均壽命也在延長，成人的絕對數(shù)量在整個人口中的比例加大，人生在各個時期、各個領(lǐng)域、各個層次的學(xué)習(xí)積極性、主動性也相應(yīng)高漲。求真、創(chuàng)美、行善，這是人類自古以來就孜孜不倦的永恒追求，人們的學(xué)習(xí)需要也在向著更快、更高、更強(qiáng)的目標(biāo)不斷發(fā)展和完善。

終身學(xué)習(xí)是適應(yīng)社會發(fā)展和個人進(jìn)步的選擇。隨著工作特性、娛38我國明確宣布，到2010年基本建立起終身學(xué)習(xí)體系。這個體系是要實現(xiàn)基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、成人教育和高等教育相互銜接；正規(guī)教育、非正規(guī)教育、非正式教育相結(jié)合，職前與職后教育培訓(xùn)相互貫通；學(xué)校教育、家庭教育、社會教育相配合。由于市場競爭的加劇，再加上通信、交通等提供的方便條件，使得人才競爭在加劇，人才流動在加速。個人為了實現(xiàn)更高的人生價值、謀求更好的職位，也需要通過學(xué)習(xí)，提高自己的競爭實力。學(xué)習(xí)是終身任務(wù)，這是時代的必然要求。

我國明確宣布，到2010年基本建立起終身學(xué)習(xí)體系。這個體39第6章現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)6.1現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展

6.2制造技術(shù)創(chuàng)新

6.3先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)

6.4終身學(xué)習(xí)是時代發(fā)展的必然要求

第6章現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)6.1現(xiàn)代406.1現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展

6.1.1現(xiàn)代制造科學(xué)是多學(xué)科交叉的新學(xué)科人類正邁向信息社會，生物科學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)、制造科學(xué)和管理科學(xué)將是21世紀(jì)的5個主流科學(xué)。以微電子、信息(計算機(jī)與通信、控制理論、人工智能等)、新材料、系統(tǒng)科學(xué)為代表的新一代工程科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在制造領(lǐng)域中的廣泛滲透、應(yīng)用和衍生，極大地拓展了制造活動的深度和廣度，急劇地改變了現(xiàn)代制造業(yè)的設(shè)計方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)工藝和設(shè)備以及生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一大批新的制造技術(shù)和制造模式?，F(xiàn)代制造業(yè)已成為發(fā)展速度快，技術(shù)創(chuàng)新能力強(qiáng)，技術(shù)密集甚至是知識密集的部門，許多產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值增大，進(jìn)入了高技術(shù)產(chǎn)品的行列。

6.1現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展6.1.1現(xiàn)代制造科學(xué)是多41同時，各種高新技術(shù)的綜合作用促進(jìn)了制造技術(shù)在宏觀(制造系統(tǒng)的集成)和微觀(精密、超精密和納米加工與檢測)兩個方向上的蓬勃發(fā)展，成為一門涵蓋整個生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)(含市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工準(zhǔn)備、制造裝配、監(jiān)控檢測、質(zhì)量保證、生產(chǎn)管理、售后服務(wù)、回收再利用)，包括人、機(jī)器、能量、信息等多種資源組織、控制和管理，橫跨多個學(xué)科的集成技術(shù)。推動制造技術(shù)取得持續(xù)進(jìn)步的基礎(chǔ)研究也不斷汲取其他學(xué)科前沿成果的豐富營養(yǎng)，發(fā)展為一門嶄新的交叉科學(xué)——制造科學(xué)。制造科學(xué)與其他科學(xué)的滲透、交叉將是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展趨勢。

同時，各種高新技術(shù)的綜合作用促進(jìn)了制造技術(shù)在宏觀(制造系42現(xiàn)代制造已不僅僅是機(jī)械制造，它的基本特點是大制造、全過程、多學(xué)科。“大制造”應(yīng)包括光機(jī)電產(chǎn)品的制造、工業(yè)流程制造、材料制備等，它是一種廣義制造概念。從制造方法看，它不僅包括機(jī)械加工方法，還應(yīng)包括高能束加工方法、硅微加工方法及電化學(xué)加工方法等?！叭^程”不僅包括從毛坯到成品的加工制造過程，還包括產(chǎn)品的市場信息分析，產(chǎn)品決策，產(chǎn)品的設(shè)計、加工和制造過程，產(chǎn)品的銷售和售后服務(wù)，報廢產(chǎn)品的處理和回收，以至產(chǎn)品的全壽命過程的設(shè)計、制造和管理。

現(xiàn)代制造已不僅僅是機(jī)械制造，它的基本特點是大制造、全過程43“多學(xué)科”是指現(xiàn)代制造科學(xué)是個交叉學(xué)科，它涉及以下領(lǐng)域：①計算機(jī)學(xué)科、半導(dǎo)體學(xué)科中的微電子器件和計算機(jī)器件的設(shè)計與制造；②自動化學(xué)科的制造過程和制造系統(tǒng)控制理論和方法；③光學(xué)和光電子學(xué)科的器件和儀器的設(shè)計與制造，光電測試?yán)碚撆c方法；④

機(jī)械工程學(xué)科的零件和機(jī)器的設(shè)計制造理論方法，機(jī)械構(gòu)件及機(jī)電系統(tǒng)性能的模擬仿真；

“多學(xué)科”是指現(xiàn)代制造科學(xué)是個交叉學(xué)科，它涉及以下領(lǐng)域：44⑤管理學(xué)科關(guān)于可重組企業(yè)和可重組制造系統(tǒng)理論、企業(yè)管理方法和工業(yè)工程理論；⑥材料學(xué)科中的新材料制備科學(xué)，冶金學(xué)科中的材料成形科學(xué)；⑦化學(xué)工程中的化工流程科學(xué)和化工產(chǎn)品的制造科學(xué)；⑧與生物科學(xué)交叉的生物制造和仿生機(jī)械學(xué)；⑨

物理學(xué)科中的納米科學(xué)，力學(xué)學(xué)科中的機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)問題。

⑤管理學(xué)科關(guān)于可重組企業(yè)和可重組制造系統(tǒng)理論、企業(yè)管理456.1.2現(xiàn)代制造科學(xué)主要研究的科學(xué)問題21世紀(jì)制造科學(xué)領(lǐng)域至少有如下重要科學(xué)問題：(1)計算機(jī)、微電子和光學(xué)關(guān)鍵零部件的制造工藝基礎(chǔ)及新材料的制備。(2)現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論。(3)制造過程與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述、建模、仿真及優(yōu)化，制造中的計算機(jī)幾何。(4)設(shè)計及制造過程信息的獲取、表達(dá)及傳遞，非全信息狀態(tài)下的決策，非符號信息表達(dá)，制造信息保真及傳遞，海量制造信息的管理等。

6.1.2現(xiàn)代制造科學(xué)主要研究的科學(xué)問題46(5)網(wǎng)絡(luò)制造、虛擬制造基礎(chǔ)理論，網(wǎng)絡(luò)及虛擬環(huán)境下制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及全局最優(yōu)決策理論。(6)支持產(chǎn)品設(shè)計和制造過程創(chuàng)新的理論及方法。(7)現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)中的人—機(jī)—環(huán)境界面交互、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一理論。(8)先進(jìn)制造生產(chǎn)模式及管理理論與方法，研究適合中國國情及文化背景的高效、快速、可重組的先進(jìn)制造生產(chǎn)理論及其模式。

(5)網(wǎng)絡(luò)制造、虛擬制造基礎(chǔ)理論，網(wǎng)絡(luò)及虛擬環(huán)境下制造47(9)適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)和制造生產(chǎn)模式的經(jīng)營管理及虛擬企業(yè)的基礎(chǔ)理論及運作方法。(10)微米/納米系統(tǒng)的設(shè)計、制造理論與方法。(11)基于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的制造理論和方法。

(9)適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)和制造生產(chǎn)模式的經(jīng)營管理及虛486.1.3制造科學(xué)與納米科學(xué)技術(shù)的交叉——納米制造科學(xué)

納米制造科學(xué)的主要研究內(nèi)容及科學(xué)問題如下：(1)納米級精度和表面的測量儀器(如可用于加工、測量的掃描隧道顯微鏡、顯微測量激光干涉儀等)。(2)納米級表層物理、化學(xué)和機(jī)械性能的檢測。(3)納米級表面的加工(超精密切削、鏡面磨削、原子和分子的去除/搬遷/重組的掃描隧道顯微加工等)。(4)納米材料的制備，納米級微器件與微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計、制造與控制理論與技術(shù)。

6.1.3制造科學(xué)與納米科學(xué)技術(shù)的交叉——納米制造科學(xué)496.1.4制造科學(xué)與管理科學(xué)的交叉——制造管理科學(xué)

制造生產(chǎn)模式是管理科學(xué)、社會人文科學(xué)與制造科學(xué)的交叉。事實已經(jīng)證明并將進(jìn)一步證明，中國制造的產(chǎn)品如果要在國際市場具有競爭能力，中國的制造商如果要想成為國際名牌企業(yè)，除了要擁有世界一流的制造技術(shù)外，更重要的是要有世界一流的組織管理模式和管理水平。當(dāng)然，其先決條件是企業(yè)內(nèi)外必須建立比較完善的市場競爭機(jī)制。

6.1.4制造科學(xué)與管理科學(xué)的交叉——制造管理科學(xué)50制造生產(chǎn)模式是制造業(yè)為了提高產(chǎn)品的競爭能力而采取的一定的組織生產(chǎn)模式。福特公司大批量生產(chǎn)模式以提供廉價的產(chǎn)品為主要目的，柔性生產(chǎn)模式以滿足顧客的多樣化需求為主要目的，敏捷生產(chǎn)模式以向顧客及時提供所需求的產(chǎn)品為主要目的，綠色制造以產(chǎn)品在整個生命周期中有利于環(huán)境的保護(hù)為主要目的。制造模式主要研究企業(yè)高效經(jīng)濟(jì)運籌、生產(chǎn)組織和管理、企業(yè)間合作、質(zhì)量保障體系、人—機(jī)—環(huán)境關(guān)系等。人是制造過程和制造系統(tǒng)中的決定性因素。因此，制造系統(tǒng)、制造過程和生產(chǎn)模式中人的思想行為、人機(jī)關(guān)系、人際關(guān)系、企業(yè)社會環(huán)境、人在制造中的積極作用就成為制造科學(xué)與社會科學(xué)、人文科學(xué)交叉的主要研究內(nèi)容。

制造生產(chǎn)模式是制造業(yè)為了提高產(chǎn)品的競爭能力而采取的一定的516.1.5制造科學(xué)與信息科學(xué)的交叉——制造信息科學(xué)信息在制造過程和制造系統(tǒng)中占有越來越重要的位置，現(xiàn)代產(chǎn)品的信息含量在產(chǎn)品價值中的比重不斷增大。在信息時代，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本主要受到制造信息的制約。制造過程主要是信息在原材料(毛坯)上的增值過程。許多現(xiàn)代產(chǎn)品的價值增值主要體現(xiàn)在信息上。因此，制造過程中信息的獲取和應(yīng)用十分重要。21世紀(jì)是信息世紀(jì)，網(wǎng)絡(luò)是獲取信息的重要手段。信息化是制造科學(xué)技術(shù)走向現(xiàn)代化和全球化的重要標(biāo)志。與制造有關(guān)的信息主要有產(chǎn)品信息、工藝信息和管理信息。這一領(lǐng)域有如下主要研究方向和內(nèi)容：

6.1.5制造科學(xué)與信息科學(xué)的交叉——制造信息科學(xué)52(1)制造信息的獲取、處理、存儲、傳輸和應(yīng)用，海量制造信息的管理及其向知識和決策的轉(zhuǎn)化。(2)非符號信息的表達(dá)，制造信息的保真?zhèn)鬟f，非完整制造信息狀態(tài)下的生產(chǎn)決策，虛擬制造，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的設(shè)計與制造，制造過程和制造系統(tǒng)中的控制科學(xué)等問題。這些內(nèi)容是制造科學(xué)與信息科學(xué)基礎(chǔ)融合的產(chǎn)物，在信息科學(xué)中獨具特色，構(gòu)成了制造科學(xué)中的新分支——制造信息學(xué)。

(1)制造信息的獲取、處理、存儲、傳輸和應(yīng)用，海量制造536.1.6制造科學(xué)與生命科學(xué)的交叉——仿生制造科學(xué)制造過程、制造系統(tǒng)和生命過程、生命系統(tǒng)在許多方面有相似之處。制造系統(tǒng)和生命系統(tǒng)都是非線性耗散系統(tǒng)，都有生命周期。生物通過基因遺傳將自己的基本特征復(fù)制給下一代；同樣，新產(chǎn)品往往是在老產(chǎn)品基礎(chǔ)上發(fā)展的。生命系統(tǒng)和現(xiàn)代制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有許多相似之處，它們都具有大腦(計算和控制系統(tǒng))、四肢(執(zhí)行系統(tǒng))、傳感和神經(jīng)(信息系統(tǒng))。生命系統(tǒng)和現(xiàn)代制造系統(tǒng)都有自組織性、自適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性和智能性?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)的這些生物特性研究是制造科學(xué)所面臨的前沿課題。如生物制造中的生物去除加工，采用生物菌對材料進(jìn)行加工，是近年來發(fā)展的一種生物電化學(xué)和微機(jī)械加工的交叉科學(xué)技術(shù)。制造科學(xué)與生命科學(xué)的交叉還表現(xiàn)在機(jī)械仿生學(xué)研究上，蛇形機(jī)器人、多足機(jī)器人、假肢、人工關(guān)節(jié)、機(jī)械手和智能機(jī)器人都是典型的機(jī)械仿生研究。6.1.6制造科學(xué)與生命科學(xué)的交叉——仿生制造科學(xué)54可以預(yù)見，21世紀(jì)將進(jìn)入制造科學(xué)與生命科學(xué)全面交叉發(fā)展的時代。這一領(lǐng)域有如下主要研究內(nèi)容：

(1)仿生機(jī)械相關(guān)的生物力學(xué)原理。(2)生物制造基礎(chǔ)理論與技術(shù)。(3)組織工程材料成形的信息模型與物理模型。(4)面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理、設(shè)計與制造基礎(chǔ)。(5)仿生系統(tǒng)的控制理論與方法。(6)仿生系統(tǒng)的集成理論與技術(shù)。

可以預(yù)見，21世紀(jì)將進(jìn)入制造科學(xué)與生命科學(xué)全面交叉發(fā)展的556.2制造技術(shù)創(chuàng)新

6.2.1可持續(xù)發(fā)展是制造技術(shù)創(chuàng)新的動力與空間

可持續(xù)發(fā)展主要指的是社會、經(jīng)濟(jì)、人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展和人的全面發(fā)展。它主張世界上任何地區(qū)、任何國家的發(fā)展不能以損害別的地區(qū)、別的國家的發(fā)展能力為代價，主張當(dāng)代人的發(fā)展不能以損害后人的發(fā)展能力為代價?？梢?，可持續(xù)發(fā)展包括這樣一些重要原則：(1)發(fā)展的持續(xù)性，現(xiàn)代的發(fā)展不損害后人的發(fā)展能力。(2)發(fā)展的整體性與協(xié)調(diào)性。

6.2制造技術(shù)創(chuàng)新6.2.1可持續(xù)發(fā)展是制造技術(shù)創(chuàng)566.2.2知識化是制造技術(shù)創(chuàng)新的資源隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越趨向集成化和復(fù)合化，新產(chǎn)品開發(fā)所需要的知識越來越多，尤其是面對市場國際化的激烈競爭，產(chǎn)品設(shè)計活動越來越要求以最快的時間將所需要的新知識融入產(chǎn)品之中。產(chǎn)品設(shè)計是否成功，取決于所需要的知識，尤其是高新知識的含量。

6.2.2知識化是制造技術(shù)創(chuàng)新的資源57技術(shù)的產(chǎn)品和工藝(TPP)創(chuàng)新是實現(xiàn)了技術(shù)上新的產(chǎn)品和工藝，以及技術(shù)上有重大改進(jìn)的產(chǎn)品和工藝。所謂TPP創(chuàng)新的實現(xiàn)是指它被引入市場(產(chǎn)品創(chuàng)新)或應(yīng)用于生產(chǎn)工藝(工藝創(chuàng)新)。TPP創(chuàng)新包括科學(xué)、技術(shù)、組織、金融和商業(yè)等一系列的活動，而且是這一系列活動措施的綜合。因此，也可以說，TPP創(chuàng)新依賴于科學(xué)知識、工程技術(shù)知識、管理知識和經(jīng)濟(jì)知識的積累與綜合。而科學(xué)知識和工程技術(shù)是對制造技術(shù)創(chuàng)新的首要支持。

技術(shù)的產(chǎn)品和工藝(TPP)創(chuàng)新是實現(xiàn)了技術(shù)上新的產(chǎn)品和工58實現(xiàn)不同領(lǐng)域的TPP創(chuàng)新，是以領(lǐng)域主導(dǎo)知識(或使能知識)為主，而綜合應(yīng)用眾多的領(lǐng)域輔助知識來完成的。對制造技術(shù)創(chuàng)新而言，領(lǐng)域主導(dǎo)知識是有關(guān)制造本身的機(jī)理、規(guī)律、技術(shù)、技能、裝置及系統(tǒng)等方面的知識，有量化的知識，更有眾多非量化知識，如經(jīng)驗等。領(lǐng)域主導(dǎo)知識也是一種動態(tài)知識，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，領(lǐng)域主導(dǎo)知識也在不斷更新。以對加工過程建模為例，傳統(tǒng)的方法已不適應(yīng)對加工過程的非線性、復(fù)雜性的描述，而基于人工智能(AI)的建模方法，或基于AI與解析法、數(shù)值法綜合而成的建模方法則得到了發(fā)展，對加工過程有了進(jìn)一步認(rèn)識，充實完善了領(lǐng)域主導(dǎo)知識。有了扎實的領(lǐng)域主導(dǎo)知識背景，才有可能激發(fā)出創(chuàng)新靈感，創(chuàng)新才會有的放矢，才會有實用推廣價值。

實現(xiàn)不同領(lǐng)域的TPP創(chuàng)新，是以領(lǐng)域主導(dǎo)知識(或使能知識)59領(lǐng)域輔助知識面很廣，如計算機(jī)、信息論、生態(tài)學(xué)、管理科學(xué)……它是為領(lǐng)域主導(dǎo)知識服務(wù)的，用以促進(jìn)領(lǐng)域主導(dǎo)知識的現(xiàn)代化，共同成為創(chuàng)新的資源。領(lǐng)域主導(dǎo)知識要做到四“知道”，即知道是什么，知道為什么，知道怎么做和知道誰有知識。而對領(lǐng)域輔助知識只要求做到三“知道”，即不必知道為什么。技術(shù)創(chuàng)新帶有較強(qiáng)的個人行為特征，只有把握領(lǐng)域主導(dǎo)知識，掌握所需的領(lǐng)域輔助知識，領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)新成果才可能有深度，有應(yīng)用前景；反之，創(chuàng)新往往立不住足，這類的事例并不罕見。

領(lǐng)域輔助知識面很廣，如計算機(jī)、信息論、生態(tài)學(xué)、管理科學(xué)…606.2.3數(shù)字化是制造技術(shù)創(chuàng)新的手段人類技術(shù)文明史進(jìn)入了信息時代，計算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展給信息的普及、應(yīng)用提供了技術(shù)手段。面對21世紀(jì)的制造技術(shù)創(chuàng)新，數(shù)字化是主要手段。數(shù)字化的核心是離散化，如何將自然界的連續(xù)物理現(xiàn)象、模糊的不確定現(xiàn)象，以及人的經(jīng)驗與技能等離散化，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)字化，是技術(shù)創(chuàng)新成敗、優(yōu)劣的關(guān)鍵問題。繼計算幾何、計算力學(xué)問世之后，計算切削工學(xué)、計算制造、數(shù)字化制造、新型材料零件數(shù)字化設(shè)計與制造等陸續(xù)被提出，明顯地看出數(shù)字化是技術(shù)創(chuàng)新的重要手段。

6.2.3數(shù)字化是制造技術(shù)創(chuàng)新的手段61為了充分發(fā)揮計算機(jī)輔助技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，需要對領(lǐng)域主導(dǎo)知識進(jìn)一步實現(xiàn)數(shù)字化處理。例如：制造過程的物理量(力、熱、聲、振動、速度、誤差等)的數(shù)字化模型，它們是伴隨制造過程的幾何量而產(chǎn)生的，如何將兩者的數(shù)字化量及相互關(guān)系融合到計算機(jī)系統(tǒng)中，尚有大量工作要做；利用社會學(xué)、心理學(xué)、人體結(jié)構(gòu)與行為科學(xué)等，更好地發(fā)揮人在企業(yè)中的作用，利用計算機(jī)仿真與人機(jī)界面技術(shù)模擬企業(yè)環(huán)境，研究人的最佳工作狀態(tài)，重視人們的滿足感與舒適感，這些都有大量數(shù)字化問題。

為了充分發(fā)揮計算機(jī)輔助技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，需要對領(lǐng)域62計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)字化信息的傳遞、為實現(xiàn)“光速貿(mào)易”提供了技術(shù)手段。重要的是數(shù)字化全部信息，不僅要數(shù)字化技術(shù)信息，也要數(shù)字化評估信息，以便在信息冗余的當(dāng)今能選擇到有用的信息，還要數(shù)字化濾掉干擾信息和偽假信息，保證數(shù)字化信息暢通無誤。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也為實現(xiàn)全球化制造、基于網(wǎng)絡(luò)的制造提供了物理保證，這不僅有利于參與市場競爭，促進(jìn)設(shè)備資源的共享，更有利于快速獲得制造技術(shù)信息，激發(fā)創(chuàng)新靈感，是實現(xiàn)數(shù)字化制造的重要保證。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)字化信息的傳遞、為實現(xiàn)“光速貿(mào)易”提供了技63為了改善數(shù)字化在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，要求計算機(jī)工具盡可能早地進(jìn)入工程過程中，以允許更廣泛地探討和多方案地信息化選擇；要求人機(jī)界面向自然化接口過渡，以加快信息的流暢交換；要求計算機(jī)在實現(xiàn)自復(fù)位工程輔助作用時，由被動變成主動，即計算機(jī)能主動向操作人員建議有關(guān)方案并傳送相關(guān)信息。

為了改善數(shù)字化在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，要求計算機(jī)工具盡可能早646.2.4可視化是制造技術(shù)創(chuàng)新的虛擬檢驗虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)近幾年來獲得了飛速發(fā)展，其虛擬環(huán)境可以表示任意三維環(huán)境，不論它是現(xiàn)實的或抽象的。VR可以重構(gòu)人和信息技術(shù)之間的界面，可以實現(xiàn)過程的可視性和思路的創(chuàng)意表述。21世紀(jì)中的VR技術(shù)將對實用性技術(shù)的創(chuàng)新提供虛擬原型和技術(shù)的虛擬檢驗。比如，要求由一種特殊合成材料制成實用的零件，選用激光選擇性燒結(jié)(SIS)工藝，它可以取代冶煉、傳統(tǒng)意義上的切削加工等工藝過程。試想把該零件的SIS成形置于虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，通過材料成分配比分析，激光燒結(jié)過程中不同掃描路徑下的溫度場、應(yīng)力場顯示，被燒結(jié)成形的零件在這種工藝參數(shù)組合下，虛擬出原型。

6.2.4可視化是制造技術(shù)創(chuàng)新的虛擬檢驗656.3先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)

6.3.1先進(jìn)制造技術(shù)對創(chuàng)新人才的要求

1．更加重視大環(huán)境因素的作用現(xiàn)代的先進(jìn)制造技術(shù)對人才的培養(yǎng)提出了新的要求，因為現(xiàn)代的人才常常面對的是“大環(huán)境下的工程”，也稱之為“宏大工程(MacroEngineering)”。它是包括設(shè)計、制造、管理、市場等方面的一個復(fù)雜環(huán)境下的集成系統(tǒng)，要求人才在具備較寬基礎(chǔ)知識的前提下，并具有較強(qiáng)的工程設(shè)計能力、制造能力、管理能力、市場開發(fā)能力、知識集成與系統(tǒng)分析能力等；并且，這些技術(shù)集成系統(tǒng)同時也要與社會、經(jīng)濟(jì)、文化、政治等環(huán)境因素有密切聯(lián)系。這就要求工程人員在重視工程本身的同時，更要關(guān)注人口增長、環(huán)境惡化、資源短缺等社會化問題，開發(fā)與應(yīng)用能源與生產(chǎn)過程清潔、廢物再生、農(nóng)業(yè)生態(tài)化等能促使社會協(xié)調(diào)、健康的可持續(xù)發(fā)展理論與技術(shù)，養(yǎng)成新的價值觀念、行為方式和工業(yè)規(guī)范。

6.3先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)6.3.1先進(jìn)制造66

2．更加突出知識整合能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練根據(jù)現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)的知識分類體系，廣義知識可分為陳述性知識(回答“是什么”的知識)、程序性知識(關(guān)于“怎么做”的知識)、策略性知識(關(guān)于“控制自己認(rèn)知和思維過程”的知識)。學(xué)習(xí)者一旦形成了包括策略性知識在內(nèi)的完整知識分類體系，就具備了整合知識的基本能力?，F(xiàn)代的先進(jìn)制造技術(shù)與系統(tǒng)集成度越來越高，對工程技術(shù)人員的知識整合能力提出了更高要求，這主要體現(xiàn)在思維方式、實踐能力、創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力和群體協(xié)作能力等方面。

2．更加突出知識整合能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練67

3．更加關(guān)注技術(shù)與管理科學(xué)的統(tǒng)一管理科學(xué)從古典學(xué)派到現(xiàn)代學(xué)派發(fā)展的特點之一是向管理科學(xué)滲透和交叉的學(xué)科越來越多，如統(tǒng)計學(xué)、社會學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、控制論科學(xué)及信息科學(xué)等。這是因為管理過程中需要運用諸多學(xué)科的理論和方法進(jìn)行共同研究才能解決好。當(dāng)今世界復(fù)雜高新技術(shù)工程系統(tǒng)的開發(fā)呈現(xiàn)出長周期、全局性戰(zhàn)略謀劃，以及綜合運用各相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)新成果的典型特征。系統(tǒng)發(fā)展研究表明，系統(tǒng)、權(quán)衡、優(yōu)化與科學(xué)管理已經(jīng)成為越來越突出的問題。從國家現(xiàn)代化建設(shè)、高新技術(shù)工程系統(tǒng)開發(fā)與建設(shè)的整體目標(biāo)出發(fā)，思考、探索解決國家現(xiàn)代化建設(shè)的技術(shù)和管理問題，已經(jīng)成為目前世界科技發(fā)展的核心問題之一。