曾攀:机械工程--国家工业的基础

通讯员 杨悦

    从远古的风车水车到今天的机器人、生物芯片、宇宙飞船的制造,伴随着人类文明千年的进程,机械——这个古老的行当,从未因历史的变迁而落伍,从未因科技的进步而失色。本期的“院系主任话专业”,我们请清华大学机械工程系(以下简称机械系)系主任曾攀教授带你走近“机械工程”。

在继承传统基础上快速发展


    记者:提起“机械”,大家并不陌生。但机械行业的情况究竟怎么样,也许很多人并不十分了解。请您先介绍一下这方面的情况。
    曾攀:社会的发展需要物质基础,机械工程就是为国民经济建设和社会发展提供各类机械装备和生产制造技术,为人类的物质生产提供具体的生产方式的一个学科。机械工程是国家工业的基础,涉及到国家安全,比如飞行器、核反应堆、火箭、导弹等的制造。它的发展状况是一个国家工业综合实力的表现,世界各国都把机械工程(即先进制造技术)的发展放到战略位置;我国在国家的中长期科技规划中已把先进制造技术(即机械工程)列为发展的重点,国家在这方面要重点投入。
    从第一次工业革命、第二次工业革命开始,机械工程的内涵有了很大的变化,得到了飞速的发展;在当代信息化高度发展的今天,机械工程已与材料科学、自动化技术、激光技术、现代管理学、信息科学密切交叉和融合,形成了以数字化、绿色化、精确化、智能化为特征的现代机械工程。可以说,现在的机械工程,在继承传统的基础上,有了崭新的发展。
    记者:清华机械工程系1932年建系,应该是中国最早建立的机械系,在70多年的发展中,清华机械工程系取得了辉煌的成绩,可以说见证了中国现代化的进程,请您谈一下这方面的情况。
    曾攀:清华大学机械工程系,是清华大学最早成立的四个工科院系之一,成立至今,为国家培养了大量的优秀人才,同时也为国家的科技进步做出了突出的贡献。解放以后,机械工程系得到了快速的发展。
    在上世纪50年代末期,机械系在轧钢机架大型结构的制造方面在全国处于领先地位。机械系不仅参与设计制造了我国第一台大型2500吨水压机、我国第一座核试验反应堆,还研制出了国内第一台电子束焊机。改革开放以来,清华大学共获得两项国家发明一等奖,其中一项就是1984年机械系潘际銮院士的“新型MIG焊接电弧控制法”。近年来机械系在大型液压机设计制造、快速成形、激光加工、碳纳米材料等研究方面取得了新的进展,获得国家级和省部级科技奖励10多项。
    特别值得一提的是,机械系所在的学科在2001年首次参加全国重点学科评选时,以满分的成绩居本学科全国首位。2006年2月,经教育部专家论证,机械系成立了“先进成形制造教育部重点实验室”。可以看出,机械系目前在学术方向、学术声誉、研究水平、人才培养、实验装备、研究经费等方面在国内本领域中具有整体领先水平和综合优势。
    在师资队伍方面,目前机械系有教职工95名,其中在职教授29名,副教授25名,包括有中国科学院院士1名、中国工程院院士1名、教育部“长江学者”特聘教授1名、国家杰出青年基金获得者1名、“新世纪百千万人才工程”国家级人选1名、教育部“高校青年教师奖”获得者1名、教育部“新世纪优秀人才支持计划”入选者1名。师资队伍中具有博士学位者有45位,有5人在国际学术组织中担任重要职务,有25人在国内学术组织中任职,有18人在国内外学术期刊任编委以上职务,这些队伍在全国同学科中是最强的。
    目前,机械系在继承传统机械工程领域的基础上,有了很多新的发展,如采用先进数字技术正在设计中国最大的3万5千吨模锻液压机,参与完成了三峡电站水轮机组核心部件的设计制造,进行我国第三代正负电子对撞机核心部件的数字化制造,在国内外首次研制出大范围爬行的轮履复合式智能机器人用于焊接加工,完成了基于生物材料与细胞微成形的生物制造,制备出了国际上最长的碳纳米管宏观体,并在国际知名杂志上发表了论文等等。总的来说,我们近年来取得了许多很辉煌的成果。

学科方向: 与新兴研究领域有着密切交叉和融合

    记者:您刚才谈到了机械工程系的学科,那么目前的机械工程的学科方向主要有哪些?
    曾攀:清华机械系主要在以下五个学科方向开展研究工作:第一,材料加工成形理论及模拟仿真;第二,材料加工过程控制及自动化;第三,快速成形制造与激光加工;第四,新材料制备与精确成形技术;第五,材料加工质量检测及企业信息管理。
    这五个方面都与材料科学、计算机技术、自动化技术、激光技术、生物科学、现代管理学、信息科学等现在非常新兴的领域有着密切的交叉和融合。

    记者:材料加工成形理论与计算机模拟仿真,听起来很有意思。
    曾攀:大家都知道,现在信息化技术已经渗透到各个领域。在材料加工、机械工程里,怎么获取信息?机械工程中的信息(包括中间物理变化的信息的获取)是我们的一个重点研究方向。通过信息化和计算机技术,把整个机械工程中从设计、制造,到最后的管理整个过程联系起来。我们主要研究:数字化成形制造的共性基础问题,这个方面我们已经开展了很多工作;成形制造过程数字化的典型特征原型和复杂对象的建模;基于网络的成形制造数字化平台。网络技术是很普及的,我们也基于网络技术把我们信息化的快速成形平台通过网络推广到企业。

    记者:材料加工过程控制及自动化是机械系的主要方向之一吗?
    曾攀:是的,可以说,自动控制技术、计算机技术,在材料加工中非常重要的一个应用就是怎样控制材料加工的整个过程,还包括其中的自动化装备。目前我们主要集中在材料加工相关的机器人开发方面,有很好的基础,做了很多的工作,也取得了很多成果。我们主要研究:1.成形制造机器人系统的开发和应用;2.机器人环境传感器和智能控制关键技术;3.机器人结构和结构关键技术研究,这方面也是我们在自动化方面很有特色的一点。

    记者:听说快速原型制造与激光加工是一个比较挺时髦的方向?
    曾攀:是的,快速原型制造也是一个综合技术,是在上世纪九十年代兴起的,主要是现代的CAD/CAM技术、激光技术、新材料技术、信息技术、计算机技术、生物制造等方面的综合研究。能够快速地按照人们所设计的对象,在非常短的时间内,直接通过计算机,通过对材料的控制,把对象直接加工制造出来。这涉及到了材料的离散和堆积的过程,还包括计算机技术里的自动控制,这是其中的核心技术。另外,我们已经把这方面研究应用到生物器官的制造,比如人的骨骼、肝脏,受损的肝脏要进行修补,我们就可以根据医学里生物材料的生长规律,通过现代的制造技术,按照器官的框架结构,用生物材料把它堆积制造出来。这几年,我们也做了一些生物医学的实验,取得了成功。经过以后的完善发展,有可能应用于临床,那时候人们就可以更放心地、高质量、高水平地生活了。

    记者:机械系在新材料制备与精确成形技术方面的研究成果颇丰,请您介绍一下。
    曾攀:在微纳材料的制造方面,现在各个国家都把它看作高科技的制高点。清华机械系也在这个领域做出了有影响的成果。比如,碳纳米管的制备,机械系在2003年制备出国际上最长的碳纳米管,并在《Science上》发表了论文,这项成果在2005年获得教育部的科技进步一等奖。还有与大家生活密切相关的轻金属,特别是镁合金,像笔记本电脑、mp3、手机的外壳,很多都是镁合金做出来的。镁合金本身就是一种环保材料,并且将逐步代替塑料,而且镁合金在我国是最丰富的,机械系在新材料制备与精确成形上也把镁合金作为一个新的研究方向,在加工的装备、成形制造的工艺、产品的表面处理,已经取得了很有影响的成果。大家都知道的红旗牌小轿车,其发动机的汽缸盖是最早在汽车里使用镁合金材料的部件,这个工作也是机械系参与完成的。现在已经安装了几千台套,效果相当不错。

    记者:碳纳米管是国际前沿技术,很多院系也都在做这个研究。机械系的研究有什么样的特色?
    曾攀:的确,碳纳米管材料是当今高科技领域里非常有代表性的研究领域,涉及到材料、物理、化学等学科。机械系在这方面的研究成果应该说在国际上产生了一定影响。机械系2003年首次合成了世界上最长的碳纳米管宏观体,长到了像头发丝一样,有20厘米长。以前碳纳米管做出来都是粉末状的,只能在电子显微镜下看到它的一些结构,而机械系做出来的宏观体,可以直接拿来做实验。同时,机械系在碳纳米管应用方面也有自己的独特的特色。比如机械系用碳纳米管制成的灯丝,其节能效果要比钨丝好很多,国外一些著名的杂志都报道了这一成果,认为这是碳纳米管第一次、真正的、典型的应用。在此之前的研究都是偏基础、偏原理,而我们做出了这样一个有实际应用的产品,这是我们系在碳纳米管方面的一个特色。

    记者:材料加工质量检测及企业信息管理,这是一个工程和管理的交叉学科方向吗?
    曾攀:该方向与计算机技术、信息技术、现代管理技术密切相关。产品做出来之后能不能在工程中发挥重要的作用是很重要的,最近所报道的事故比较频繁,其中重要的一点是:如果检测技术能跟上,就可以避免很多大型工程结构中一些事故的发生。机械系在无损检测方面,可以提供先进的检测手段,机械系研发的检测仪器,是很有特点的。企业信息管理除了研究企业内部现代化信息管理之外,机械系还发展到市场预测、智能决策支持、网络化敏捷制造和虚拟企业信息管理等方面。

人才培养:厚基础、宽口径、重实践 

    记者:从您上述的介绍可以看出,机械系的学生学习的知识很“现代”,也要求有宽厚的基础,请您介绍一下机械系的课程特色。
    曾攀:机械系的课程和培养环节特点可以概括为:厚基础、宽口径、重实践。
    具体而言,除了共同的自然科学基础和人文社科基础课程外,还有机械大类核心课程,包括:机械设计基础、制造工程基础、工程材料、理论力学、材料力学、控制工程基础、测量与检测技术基础、工程热力学、传热学、流体力学等。
在信息技术基础课程方面,机械系强要教给学生足够的知识,比如电工和电子技术、计算机硬件和软件技术基础知识等。
    在专业基础和专业选修课程方面,包括:工程材料基础、材料加工基础类课程、机械系统微机控制、有限元分析、快速成形技术、激光加工技术基础、机器人工程基础及应用、系统工程、现代制造系统、特种加工工艺、制造过程管理信息系统、生物制造工程等。
    这些课程将给学生在加强基础知识学习、拓宽专业口径、增强适应能力方面打下基础。学生在这样一个宽厚的背景上,能够拓宽自己的能力。

    记者:您谈到清华机械系非常重视实践能力,对学生的研究、开发和应用能力训练有素,请您介绍一下。
    曾攀:机械系特别强调学生的实践能力,这表现在四个方面:1.实验课:占本科生教育总学时的15~20%,如:机电控制系统实验,将学过的电工电子技术、控制工程基础、计算机控制等知识综合起来用于完成亲自动手的机电系统的控制实验;2.实践环节:包括3个学分的金工实习、3个学分的机械设计实践、3个学分的生产实习。生产实习在大三进行,学生亲自到现在先进的制造企业,亲身感受和参与现代制造里的各个环节;3.实践训练:包括3周时间的专题训练课,即学生在教师的实验室里,在老师一对一的指导下进行训练。2学分的现代制造系统及实验,即学生到工厂、车间进行实地实践。学生科研训练计划,即SRT计划,约50%的学生参加;4.课外科技活动:如“挑战杯”科技竞赛,国际性的机器人大奖赛等。机械系学生曾参加了中央电视台的《异想天开》节目,他们用废报纸亲生制作完成的6米长的纸桥,成功地承载了一吨重的吉普车通过,这在当时是很新奇的。

    记者:同学们都说,清华机械系的老师不仅在业界非常有很高的威望,而且还亲自给同学讲课,与同学进行面对面交流,刚才您也提到了这点。
    曾攀:机械系有两位院士,他们都亲自给学生上课。机械系绝大多数课程都由教授、副教授亲自讲授,还有活跃在学术前沿的著名学者给一年级新生专门开设“新生研讨课”。
机械系的教师也在积极进行课程的改革,主要是一些研究性的课程,力争在培养学生综合能力方面加大力度,也取得了很好的效果。目前,机械系有1门全国精品课、1门北京市精品课。

    记者:听说为了保证学生的国际视野,机械系的课程设置、英语教学等都非常注重国际化,同学都反映收获很大。
曾攀:在国际化方面,一方面加强国际交流,每月邀请国际著名学者来机械系进行学术交流,比如请了MIT的著名学术大师Flemings、英国伯明翰大学的Dean教授等,介绍学科的最新成果,学生可以聆听国际学术大师的精辟见解,扩大自己的思路;另一方面还邀请国外教授来给学生上示范课。机械系开设了全英文课程,从教材、授课,到提问、考试等全部过程用英文进行;另外还有大学生的校际交流,每年机械系都有学生去法国、日本、香港等地,在那里学习1~2年的课程,此外还有假期中学生短期的出国访问和交流活动。

    记者:机械系特别注重学生的全面成长,学生的社会工作能力都非常强,请您介绍一下。
    曾攀:机械听起来好像是一个比较枯燥和传统的学科,其实机械系的学生是非常活跃的。机械工程系的学生特别注重自己社会工作能力的培养和锻炼,开展的活动在校内、甚至北京市都有很大影响。近年来,机械系获得过北京市优秀党支部、优秀班集体的称号,获得学校的表彰也相当多,机械系组织的“学生节”在清华学生活动中很有名气,已经形成了一个品牌。机械系学生还自导、自演、自拍了三部电影。机械系的同学担任过学校科技协会主席、学校研究生会主席、学校团委书记和副书记等职务。社会工作对学生的成长和发展有很大帮助。
    机械系毕业生中,有5人担任过省部级领导职务,有10多位国有大型骨干企业领导人,有3位左右的市级领导,还有10多位大学校长级领导,等等。

    记者:近年来清华机械系本科毕业生走向如何?
    曾攀:我认为主要有两个因素直接影响到机械系学生的就业。第一,一个很好的大环境。我国正处于经济的快速发展期,整个行业的快速发展对机械工程类人才需求很大,即使是国外的大学和企业,也对机械工程人才有强烈的需求;第二,机械系学生基础好、口径宽、适应性强,因此,十分受社会的欢迎。
    近几年来,机械系约70%~80%的学生在校内外(包括国外)继续读研究生。就业领域包括:汽车、航天、制造业、能源、IT、经济管理等;就业单位主要有:一汽、二汽、航天一院和二院、联想、华为、海尔、海信、TCL,金融咨询公司(中国银行上海分行、中国银行深圳市分行、南方基金、国泰君安证券)以及一些外资企业,如微软、IBM、现代汽车、奔驰、西门子等。另外有部分学生去国内外高校和研究所从事研究工作;还有部分学生出国留学,如去MIT、加州理工、斯坦福、密执安大学等。(编辑 顾淑霞)

2006年06月23日 12:44:09  清华新闻网

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