现代制造科学的发展与创新人才的培养市公开课金奖市赛课一等奖课件

第6章当代制造科学发展与创新人才培养6.1当代制造科学发展

6.2制造技术创新

6.3先进制造技术创新人才培养

6.4终身学习是时代发展必定要求

第1页第1页6.1当代制造科学发展

6.1.1现代制造科学是多学科交叉新学科人类正迈向信息社会，生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学将是21世纪5个主流科学。以微电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、新材料、系统科学为代表新一代工程科学与技术迅猛发展及其在制造领域中广泛渗入、应用和衍生，极大地拓展了制造活动深度和广度，急剧地改变了现代制造业设计办法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生了一大批新制造技术和制造模式。现代制造业已成为发展速度快，技术创新能力强，技术密集甚至是知识密集部门，许多产品技术含量和附加值增大，进入了高技术产品行列。第2页第2页同时，各种高新技术综合作用增进了制造技术在宏观(制造系统集成)和微观(精密、超精密和纳米加工与检测)两个方向上蓬勃发展，成为一门涵盖整个生产过程各个环节(含市场分析、产品设计、工艺规划、加工准备、制造装配、监控检测、质量确保、生产管理、售后服务、回收再利用)，包括人、机器、能量、信息等各种资源组织、控制和管理，横跨多个学科集成技术。推动制造技术取得连续进步基础研究也不断汲取其它学科前沿结果丰富营养，发展为一门崭新交叉科学——制造科学。制造科学与其它科学渗入、交叉将是当代制造科学发展趋势。

第3页第3页当代制造已不但仅是机械制造，它基本特点是大制造、全过程、多学科。“大制造”应包括光机电产品制造、工业流程制造、材料制备等，它是一个广义制造概念。从制造办法看，它不但包括机械加工办法，还应包括高能束加工办法、硅微加工办法及电化学加工办法等。“全过程”不但包括从毛坯到成品加工制造过程，还包括产品市场信息分析，产品决议，产品设计、加工和制造过程，产品销售和售后服务，报废产品处理和回收，以至产品全寿命过程设计、制造和管理。

第4页第4页“多学科”是指当代制造科学是个交叉学科，它涉及下列领域：①计算机学科、半导体学科中微电子器件和计算机器件设计与制造；②自动化学科制造过程和制造系统控制理论和办法；③光学和光电子学科器件和仪器设计与制造，光电测试理论与办法；④

机械工程学科零件和机器设计制造理论办法，机械构件及机电系统性能模拟仿真；

第5页第5页⑤管理学科关于可重组公司和可重组制造系统理论、公司管理办法和工业工程理论；⑥材料学科中新材料制备科学，冶金学科中材料成形科学；⑦化学工程中化工流程科学和化工产品制造科学；⑧与生物科学交叉生物制造和仿生机械学；⑨

物理学科中纳米科学，力学学科中机电系统动力学问题。

第6页第6页6.1.2当代制造科学主要研究科学问题21世纪制造科学领域至少有下列主要科学问题：(1)计算机、微电子和光学关键零部件制造工艺基础及新材料制备。(2)当代制造过程和制造系统基础理论。(3)制造过程与系统数学描述、建模、仿真及优化，制造中计算机几何。(4)设计及制造过程信息获取、表示及传递，非全信息状态下决议，非符号信息表示，制造信息保真及传递，海量制造信息管理等。

第7页第7页(5)网络制造、虚拟制造基础理论，网络及虚拟环境下制造系统体系结构及全局最优决议理论。(6)支持产品设计和制造过程创新理论及办法。(7)当代制造过程和制造系统中人—机—环境界面交互、协调和统一理论。(8)先进制造生产模式及管理理论与办法，研究适合中国国情及文化背景高效、快速、可重组先进制造生产理论及其模式。

第8页第8页(9)适应社会主义市场经济和制造生产模式经营管理及虚拟公司基础理论及运作办法。(10)微米/纳米系统设计、制造理论与办法。(11)基于资源节约和环境保护制造理论和办法。

第9页第9页6.1.3制造科学与纳米科学技术交叉——纳米制造科学

纳米制造科学主要研究内容及科学问题下列：(1)纳米级精度和表面测量仪器(如可用于加工、测量扫描隧道显微镜、显微测量激光干涉仪等)。(2)纳米级表层物理、化学和机械性能检测。(3)纳米级表面加工(超精密切削、镜面磨削、原子和分子清除/搬迁/重组扫描隧道显微加工等)。(4)纳米材料制备，纳米级微器件与微机电系统设计、制造与控制理论与技术。

第10页第10页6.1.4制造科学与管理科学交叉——制造管理科学

制造生产模式是管理科学、社会人文科学与制造科学交叉。事实已经证实并将进一步证实，中国制造产品假如要在国际市场含有竞争能力，中国制造商假如要想成为国际名牌公司，除了要拥有世界一流制造技术外，更主要是要有世界一流组织管理模式和管理水平。当然，其先决条件是公司内外必须建立比较完善市场竞争机制。

第11页第11页制造生产模式是制造业为了提升产品竞争能力而采用一定组织生产模式。福特公司大批量生产模式以提供廉价产品为主要目的，柔性生产模式以满足用户多样化需求为主要目的，灵敏生产模式以向用户及时提供所需求产品为主要目的，绿色制造以产品在整个生命周期中有助于环境保护为主要目的。制造模式主要研究公司高效经济运筹、生产组织和管理、公司间合作、质量保障体系、人—机—环境关系等。人是制造过程和制造系统中决定性原因。因此，制造系统、制造过程和生产模式中人思想行为、人机关系、人际关系、公司社会环境、人在制造中积极作用就成为制造科学与社会科学、人文科学交叉主要研究内容。

第12页第12页6.1.5制造科学与信息科学交叉——制造信息科学信息在制造过程和制造系统中占有越来越重要位置，现代产品信息含量在产品价值中比重不断增大。在信息时代，产品生产成本主要受到制造信息制约。制造过程主要是信息在原材料(毛坯)上增值过程。许多现代产品价值增值主要体现在信息上。因此，制造过程中信息获取和应用十分重要。21世纪是信息世纪，网络是获取信息重要手段。信息化是制造科学技术走向现代化和全球化重要标志。与制造有关信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息。这一领域有如下主要研究方向和内容：第13页第13页(1)制造信息获取、处理、存储、传播和应用，海量制造信息管理及其向知识和决议转化。(2)非符号信息表示，制造信息保真传递，非完整制造信息状态下生产决议，虚拟制造，基于网络环境下设计与制造，制造过程和制造系统中控制科学等问题。这些内容是制造科学与信息科学基础融合产物，在信息科学中独具特色，构成了制造科学中新分支——制造信息学。

第14页第14页6.1.6制造科学与生命科学交叉——仿生制造科学制造过程、制造系统和生命过程、生命系统在许多方面有相同之处。制造系统和生命系统都是非线性耗散系统，都有生命周期。生物通过基因遗传将自己基本特性复制给下一代；同样，新产品往往是在老产品基础上发展。生命系统和当代制造系统结构也有许多相同之处，它们都含有大脑(计算和控制系统)、四肢(执行系统)、传感和神经(信息系统)。生命系统和当代制造系统都有自组织性、自适应性、协调性和智能性。当代制造系统这些生物特性研究是制造科学所面临前沿课题。如生物制造中生物清除加工，采用生物菌对材料进行加工，是近年来发展一个生物电化学和微机械加工交叉科学技术。制造科学与生命科学交叉还表现在机械仿生学研究上，蛇形机器人、多足机器人、假肢、人工关节、机械手和智能机器人都是典型机械仿生研究。第15页第15页可以预见，21世纪将进入制造科学与生命科学全面交叉发展时代。这一领域有如下主要研究内容：(1)仿生机械相关生物力学原理。(2)生物制造基础理论与技术。(3)组织工程材料成形信息模型与物理模型。(4)面向生物工程微操作系统原理、设计与制造基础。(5)仿生系统控制理论与办法。(6)仿生系统集成理论与技术。第16页第16页6.2制造技术创新

6.2.1可连续发展是制造技术创新动力与空间

可连续发展主要指是社会、经济、人口、资源、环境协调发展和人全面发展。它主张世界上任何地域、任何国家发展不能以损害别地域、别国家发展能力为代价，主张当代人发展不能以损害后人发展能力为代价。可见，可连续发展包括这样一些主要原则：(1)发展连续性，当代发展不损害后人发展能力。(2)发展整体性与协调性。

第17页第17页6.2.2知识化是制造技术创新资源伴随产品结构越来越复杂，功效越来越趋向集成化和复合化，新产品开发所需要知识越来越多，尤其是面对市场国际化激烈竞争，产品设计活动越来越要求以最快时间将所需要新知识融入产品之中。产品设计是否成功，取决于所需要知识，尤其是高新知识含量。

第18页第18页技术产品和工艺(TPP)创新是实现了技术上新产品和工艺，以及技术上有重大改进产品和工艺。所谓TPP创新实现是指它被引入市场(产品创新)或应用于生产工艺(工艺创新)。TPP创新包括科学、技术、组织、金融和商业等一系列活动，并且是这一系列活动办法综合。因此，也能够说，TPP创新依赖于科学知识、工程技术知识、管理知识和经济知识积累与综合。而科学知识和工程技术是对制造技术创新首要支持。

第19页第19页实现不同领域TPP创新，是以领域主导知识(或使能知识)为主，而综合应用众多领域辅助知识来完成。对制造技术创新而言，领域主导知识是相关制造本身机理、规律、技术、技能、装置及系统等方面知识，有量化知识，更有众多非量化知识，如经验等。领域主导知识也是一个动态知识，伴随科学技术进步，领域主导知识也在不停更新。以对加工过程建模为例，传统方法已不适应对加工过程非线性、复杂性描述，而基于人工智能(AI)建模方法，或基于AI与解析法、数值法综合而成建模方法则得到了发展，对加工过程有了深入认识，充实完善了领域主导知识。有了扎实领域主导知识背景，才有可能激发出创新灵感，创新才会有放矢，才会有实用推广价值。第20页第20页领域辅助知识面很广，如计算机、信息论、生态学、管理科学……它是为领域主导知识服务，用以增进领域主导知识当代化，共同成为创新资源。领域主导知识要做到四“知道”，即知道是什么，知道为何，知道怎么做和知道谁有知识。而对领域辅助知识只要求做到三“知道”，即不必知道为何。技术创新带有较强个人行为特性，只有把握领域主导知识，掌握所需领域辅助知识，领域内创新结果才也许有深度，有应用前景；反之，创新往往立不住足，这类事例并不罕见。

第21页第21页6.2.3数字化是制造技术创新手段人类技术文明史进入了信息时代，计算机软硬件飞速发展给信息普及、应用提供了技术手段。面对21世纪制造技术创新，数字化是主要手段。数字化核心是离散化，如何将自然界连续物理现象、模糊不拟定现象，以及人经验与技能等离散化，进而实现数字化，是技术创新成败、优劣关键问题。继计算几何、计算力学问世之后，计算切削工学、计算制造、数字化制造、新型材料零件数字化设计与制造等陆续被提出，明显地看出数字化是技术创新重要手段。第22页第22页为了充足发挥计算机辅助技术在技术创新中作用，需要对领域主导知识进一步实现数字化处理。比如：制造过程物理量(力、热、声、振动、速度、误差等)数字化模型，它们是伴随制造过程几何量而产生，如何将两者数字化量及互相关系融合到计算机系统中，尚有大量工作要做；利用社会学、心理学、人体结构与行为科学等，更加好地发挥人在公司中作用，利用计算机仿真与人机界面技术模拟公司环境，研究人最佳工作状态，注重人们满足感与舒适感，这些都有大量数字化问题。

第23页第23页计算机网络为数字化信息传递、为实现“光速贸易”提供了技术手段。主要是数字化所有信息，不但要数字化技术信息，也要数字化评估信息，以便在信息冗余当今能选择到有用信息，还要数字化滤掉干扰信息和伪假信息，确保数字化信息通畅无误。计算机网络也为实现全球化制造、基于网络制造提供了物理确保，这不但有助于参与市场竞争，增进设备资源共享，更有助于快速取得制造技术信息，激发创新灵感，是实现数字化制造主要确保。

第24页第24页为了改进数字化在技术创新中作用，要求计算机工具尽也许早地进入工程过程中，以允许更广泛地探讨和多方案地信息化选择；要求人机界面向自然化接口过渡，以加紧信息流畅互换；要求计算机在实现自复位工程辅助作用时，由被动变成主动，即计算机能主动向操作人员提议相关方案并传送相关信息。第25页第25页6.2.4可视化是制造技术创新虚拟检验虚拟现实(VR)技术近几年来获得了飞速发展，其虚拟环境可以表示任意三维环境，不论它是现实或抽象。VR可以重构人和信息技术之间界面，可以实现过程可视性和思路创意表述。二十一世纪中VR技术将对实用性技术创新提供虚拟原型和技术虚拟检验。比如，要求由一种特殊合成材料制成实用零件，选用激光选择性烧结(SIS)工艺，它可以取代冶炼、传统意义上切削加工等工艺过程。试想把该零件SIS成形置于虚拟现实环境中，经过材料成分派比分析，激光烧结过程中不同扫描路径下温度场、应力场显示，被烧结成形零件在这种工艺参数组合下，虚拟出原型。第26页第26页6.3先进制造技术创新人才培养

6.3.1先进制造技术对创新人才要求

1．愈加注重大环境原因作用当代先进制造技术对人才培养提出了新要求，由于当代人才经常面正确是“大环境下工程”，也称之为“宏大工程(MacroEngineering)”。它是包括设计、制造、管理、市场等方面一个复杂环境下集成系统，要求人才在具备较宽基础知识前提下，并含有较强工程设计能力、制造能力、管理能力、市场开发能力、知识集成与系统分析能力等；并且，这些技术集成系统同时也要与社会、经济、文化、政治等环境原因有密切联系。这就要求工程人员在注重工程本身同时，更要关注人口增长、环境恶化、资源短缺等社会化问题，开发与应用能源与生产过程清洁、废物再生、农业生态化等能促使社会协调、健康可连续发展理论与技术，养成新价值观念、行为方式和工业规范。

第27页第27页

2．愈加突出知识整合能力培养与训练依据当代认知心理学知识分类体系，广义知识可分为陈说性知识(回答“是什么”知识)、程序性知识(关于“怎么做”知识)、策略性知识(关于“控制自己认知和思维过程”知识)。学习者一旦形成了包括策略性知识在内完整知识分类体系，就具备了整合知识基本能力。当代先进制造技术与系统集成度越来越高，对工程技术人员知识整合能力提出了更高要求，这主要表达在思维方式、实践能力、创新能力、学习能力和群体协作能力等方面。

第28页第28页

3．愈加关注技术与管理科学统一管理科学从古典学派到当代学派发展特点之一是向管理科学渗入和交叉学科越来越多，如统计学、社会学、系统科学、控制论科学及信息科学等。这是由于管理过程中需要利用诸多学科理论和办法进行共同研究才干处理好。当今世界复杂高新技术工程系统开发呈现出长周期、全局性战略谋划，以及综合利用各相关领域科学技术新结果典型特性。系统发展研究表明，系统、权衡、优化与科学管理已经成为越来越突出问题。从国家当代化建设、高新技术工程系统开发与建设整体目的出发，思考、摸索处理国家当代化建设技术和管理问题，已经成为当前世界科技发展关键问题之一。

第29页第29页

4．树立学科交叉与融合培养新模式当代先进制造技术综合性起源于制造活动社会性和制造系统开放性。人类制造活动涉及国计民生，关系到千家万户，人类制造系统每时每刻都在与外界互换物质、能量和信息。因此，制造科学不也许在孤立封闭状态下发展，必定要走一条吸纳百家之长开放道路。与此相相应，在培养创新人才方式上，也应当采用学科交叉与融合培养模式。

第30页第30页6.3.2AMT创新人才综合模式依据当代AMT对人才需求，可建立如图6-1所表示人才需求模型。该模型能够简朴地概括为一个主体(创新型人才)、三大支撑(素质、能力与知识)、十项指标。以机械工程学科为例，三大支撑详细内容可见图6-2、图6-3、图6-4。

第31页第31页图6-1AMT对创新型人才需求模型

第32页第32页图6-2AMT创新型人才素质结构

第33页第33页图6-3AMT创新型人才知识结构

第34页第34页图6-4AMT创新型人才干力结构

第35页第35页6.4终身学习是时代发展必定要求

当前时代特点是学科互相交叉和高度综合。如一名AMT工程师仅仅掌握机械(包括机械设计、机械制造、成形工艺等)方面知识是远远不够。电子、光学、流体、计算机、控制、材料学、生物学、生命科学、原子物理、化学、管理科学、金融、商务、人文科学、社会科学、心理学和美学等，都是与AMT相关学科。要把这样多知识(即使只是某一领域知识)通过学校教育传授给学生，是不也许。并且由于新知识不断涌现，诸多知识都是学生在走出校门后新形成，因此每一个人知识都在老化。要不落伍、要跟上时代，就要不断学习、终身学习。对于其它领域从业人员，同样如此。

第36页第