曾攀:機械工程--國家工業(yè)的基礎(chǔ)
通訊員 楊悅
從遠(yuǎn)古的風(fēng)車水車到今天的機器人、生物芯片、宇宙飛船的制造，伴隨著人類文明千年的進(jìn)程，機械——這個古老的行當(dāng)，從未因歷史的變遷而落伍，從未因科技的進(jìn)步而失色。本期的“院系主任話專業(yè)”，我們請清華大學(xué)機械工程系（以下簡稱機械系）系主任曾攀教授帶你走近“機械工程”。
在繼承傳統(tǒng)基礎(chǔ)上快速發(fā)展
記者：提起“機械”，大家并不陌生。但機械行業(yè)的情況究竟怎么樣，也許很多人并不十分了解。請您先介紹一下這方面的情況。
曾攀：社會的發(fā)展需要物質(zhì)基礎(chǔ)，機械工程就是為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展提供各類機械裝備和生產(chǎn)制造技術(shù)，為人類的物質(zhì)生產(chǎn)提供具體的生產(chǎn)方式的一個學(xué)科。機械工程是國家工業(yè)的基礎(chǔ)，涉及到國家安全，比如飛行器、核反應(yīng)堆、火箭、導(dǎo)彈等的制造。它的發(fā)展?fàn)顩r是一個國家工業(yè)綜合實力的表現(xiàn)，世界各國都把機械工程（即先進(jìn)制造技術(shù)）的發(fā)展放到戰(zhàn)略位置；我國在國家的中長期科技規(guī)劃中已把先進(jìn)制造技術(shù)（即機械工程）列為發(fā)展的重點，國家在這方面要重點投入。
從第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命開始，機械工程的內(nèi)涵有了很大的變化，得到了飛速的發(fā)展；在當(dāng)代信息化高度發(fā)展的今天，機械工程已與材料科學(xué)、自動化技術(shù)、激光技術(shù)、現(xiàn)代管理學(xué)、信息科學(xué)密切交叉和融合，形成了以數(shù)字化、綠色化、精確化、智能化為特征的現(xiàn)代機械工程。可以說，現(xiàn)在的機械工程，在繼承傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有了嶄新的發(fā)展。
記者：清華機械工程系1932年建系，應(yīng)該是中國最早建立的機械系，在70多年的發(fā)展中，清華機械工程系取得了輝煌的成績，可以說見證了中國現(xiàn)代化的進(jìn)程，請您談一下這方面的情況。
曾攀：清華大學(xué)機械工程系，是清華大學(xué)最早成立的四個工科院系之一，成立至今，為國家培養(yǎng)了大量的優(yōu)秀人才，同時也為國家的科技進(jìn)步做出了突出的貢獻(xiàn)。解放以后，機械工程系得到了快速的發(fā)展。
在上世紀(jì)50年代末期，機械系在軋鋼機架大型結(jié)構(gòu)的制造方面在全國處于領(lǐng)先地位。機械系不僅參與設(shè)計制造了我國第一臺大型2500噸水壓機、我國第一座核試驗反應(yīng)堆，還研制出了國內(nèi)第一臺電子束焊機。改革開放以來，清華大學(xué)共獲得兩項國家發(fā)明一等獎，其中一項就是1984年機械系潘際鑾院士的“新型MIG焊接電弧控制法”。近年來機械系在大型液壓機設(shè)計制造、快速成形、激光加工、碳納米材料等研究方面取得了新的進(jìn)展，獲得國家級和省部級科技獎勵10多項。
特別值得一提的是，機械系所在的學(xué)科在2001年首次參加全國重點學(xué)科評選時，以滿分的成績居本學(xué)科全國首位。2006年2月，經(jīng)教育部專家論證，機械系成立了“先進(jìn)成形制造教育部重點實驗室”。可以看出，機械系目前在學(xué)術(shù)方向、學(xué)術(shù)聲譽、研究水平、人才培養(yǎng)、實驗裝備、研究經(jīng)費等方面在國內(nèi)本領(lǐng)域中具有整體領(lǐng)先水平和綜合優(yōu)勢。
在師資隊伍方面，目前機械系有教職工95名，其中在職教授29名，副教授25名，包括有中國科學(xué)院院士1名、中國工程院院士1名。師資隊伍中具有博士學(xué)位者有45位，有5人在國際學(xué)術(shù)組織中擔(dān)任重要職務(wù)，有25人在國內(nèi)學(xué)術(shù)組織中任職，有18人在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊任編委以上職務(wù)，這些隊伍在全國同學(xué)科中是最強的。
目前，機械系在繼承傳統(tǒng)機械工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，有了很多新的發(fā)展，如采用先進(jìn)數(shù)字技術(shù)正在設(shè)計中國最大的3萬5千噸模鍛液壓機，參與完成了三峽電站水輪機組核心部件的設(shè)計制造，進(jìn)行我國第三代正負(fù)電子對撞機核心部件的數(shù)字化制造，在國內(nèi)外首次研制出大范圍爬行的輪履復(fù)合式智能機器人用于焊接加工，完成了基于生物材料與細(xì)胞微成形的生物制造，制備出了國際上最長的碳納米管宏觀體，并在國際知名雜志上發(fā)表了論文等等。總的來說，我們近年來取得了許多很輝煌的成果。
學(xué)科方向： 與新興研究領(lǐng)域有著密切交叉和融合
記者：您剛才談到了機械工程系的學(xué)科，那么目前的機械工程的學(xué)科方向主要有哪些？
曾攀：清華機械系主要在以下五個學(xué)科方向開展研究工作：第一，材料加工成形理論及模擬仿真；第二，材料加工過程控制及自動化；第三，快速成形制造與激光加工；第四，新材料制備與精確成形技術(shù)；第五，材料加工質(zhì)量檢測及企業(yè)信息管理。
這五個方面都與材料科學(xué)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、激光技術(shù)、生物科學(xué)、現(xiàn)代管理學(xué)、信息科學(xué)等現(xiàn)在非常新興的領(lǐng)域有著密切的交叉和融合。
記者：材料加工成形理論與計算機模擬仿真，聽起來很有意思。
曾攀：大家都知道，現(xiàn)在信息化技術(shù)已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域。在材料加工、機械工程里，怎么獲取信息？機械工程中的信息(包括中間物理變化的信息的獲取)是我們的一個重點研究方向。通過信息化和計算機技術(shù)，把整個機械工程中從設(shè)計、制造，到最后的管理整個過程聯(lián)系起來。我們主要研究：數(shù)字化成形制造的共性基礎(chǔ)問題，這個方面我們已經(jīng)開展了很多工作；成形制造過程數(shù)字化的典型特征原型和復(fù)雜對象的建模；基于網(wǎng)絡(luò)的成形制造數(shù)字化平臺。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是很普及的，我們也基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把我們信息化的快速成形平臺通過網(wǎng)絡(luò)推廣到企業(yè)。
記者：材料加工過程控制及自動化是機械系的主要方向之一嗎？
曾攀：是的，可以說，自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)，在材料加工中非常重要的一個應(yīng)用就是怎樣控制材料加工的整個過程，還包括其中的自動化裝備。目前我們主要集中在材料加工相關(guān)的機器人開發(fā)方面，有很好的基礎(chǔ)，做了很多的工作，也取得了很多成果。我們主要研究：1.成形制造機器人系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用；2.機器人環(huán)境傳感器和智能控制關(guān)鍵技術(shù)；3.機器人結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究，這方面也是我們在自動化方面很有特色的一點。
記者：聽說快速原型制造與激光加工是一個比較挺時髦的方向？
曾攀：是的，快速原型制造也是一個綜合技術(shù)，是在上世紀(jì)九十年代興起的，主要是現(xiàn)代的CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、生物制造等方面的綜合研究。能夠快速地按照人們所設(shè)計的對象，在非常短的時間內(nèi)，直接通過計算機，通過對材料的控制，把對象直接加工制造出來。這涉及到了材料的離散和堆積的過程，還包括計算機技術(shù)里的自動控制，這是其中的核心技術(shù)。另外，我們已經(jīng)把這方面研究應(yīng)用到生物器官的制造，比如人的骨骼、肝臟，受損的肝臟要進(jìn)行修補，我們就可以根據(jù)醫(yī)學(xué)里生物材料的生長規(guī)律，通過現(xiàn)代的制造技術(shù)，按照器官的框架結(jié)構(gòu)，用生物材料把它堆積制造出來。這幾年，我們也做了一些生物醫(yī)學(xué)的實驗，取得了成功。經(jīng)過以后的完善發(fā)展，有可能應(yīng)用于臨床，那時候人們就可以更放心地、高質(zhì)量、高水平地生活了。
記者：機械系在新材料制備與精確成形技術(shù)方面的研究成果頗豐，請您介紹一下。
曾攀：在微納材料的制造方面，現(xiàn)在各個國家都把它看作高科技的制高點。清華機械系也在這個領(lǐng)域做出了有影響的成果。比如，碳納米管的制備，機械系在2003年制備出國際上最長的碳納米管，并在《Science上》發(fā)表了論文，這項成果在2005年獲得教育部的科技進(jìn)步一等獎。還有與大家生活密切相關(guān)的輕金屬，特別是鎂合金，像筆記本電腦、mp3、手機的外殼，很多都是鎂合金做出來的。鎂合金本身就是一種環(huán)保材料，并且將逐步代替塑料，而且鎂合金在我國是最豐富的，機械系在新材料制備與精確成形上也把鎂合金作為一個新的研究方向，在加工的裝備、成形制造的工藝、產(chǎn)品的表面處理，已經(jīng)取得了很有影響的成果。大家都知道的紅旗牌小轎車，其發(fā)動機的汽缸蓋是最早在汽車?yán)锸褂面V合金材料的部件，這個工作也是機械系參與完成的。現(xiàn)在已經(jīng)安裝了幾千臺套，效果相當(dāng)不錯。
記者：碳納米管是國際前沿技術(shù)，很多院系也都在做這個研究。機械系的研究有什么樣的特色？
曾攀：的確，碳納米管材料是當(dāng)今高科技領(lǐng)域里非常有代表性的研究領(lǐng)域，涉及到材料、物理、化學(xué)等學(xué)科。機械系在這方面的研究成果應(yīng)該說在國際上產(chǎn)生了一定影響。機械系2003年首次合成了世界上最長的碳納米管宏觀體，長到了像頭發(fā)絲一樣，有20厘米長。以前碳納米管做出來都是粉末狀的，只能在電子顯微鏡下看到它的一些結(jié)構(gòu)，而機械系做出來的宏觀體，可以直接拿來做實驗。同時，機械系在碳納米管應(yīng)用方面也有自己的獨特的特色。比如機械系用碳納米管制成的燈絲，其節(jié)能效果要比鎢絲好很多，國外一些著名的雜志都報道了這一成果，認(rèn)為這是碳納米管第一次、真正的、典型的應(yīng)用。在此之前的研究都是偏基礎(chǔ)、偏原理，而我們做出了這樣一個有實際應(yīng)用的產(chǎn)品，這是我們系在碳納米管方面的一個特色。
記者：材料加工質(zhì)量檢測及企業(yè)信息管理，這是一個工程和管理的交叉學(xué)科方向嗎？
曾攀：該方向與計算機技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)密切相關(guān)。產(chǎn)品做出來之后能不能在工程中發(fā)揮重要的作用是很重要的，最近所報道的事故比較頻繁，其中重要的一點是：如果檢測技術(shù)能跟上，就可以避免很多大型工程結(jié)構(gòu)中一些事故的發(fā)生。機械系在無損檢測方面，可以提供先進(jìn)的檢測手段，機械系研發(fā)的檢測儀器，是很有特點的。企業(yè)信息管理除了研究企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)代化信息管理之外，機械系還發(fā)展到市場預(yù)測、智能決策支持、網(wǎng)絡(luò)化敏捷制造和虛擬企業(yè)信息管理等方面。
人才培養(yǎng)：厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐
記者：從您上述的介紹可以看出，機械系的學(xué)生學(xué)習(xí)的知識很“現(xiàn)代”，也要求有寬厚的基礎(chǔ)，請您介紹一下機械系的課程特色。
曾攀：機械系的課程和培養(yǎng)環(huán)節(jié)特點可以概括為：厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐。
具體而言，除了共同的自然科學(xué)基礎(chǔ)和人文社科基礎(chǔ)課程外，還有機械大類核心課程，包括：機械設(shè)計基礎(chǔ)、制造工程基礎(chǔ)、工程材料、理論力學(xué)、材料力學(xué)、控制工程基礎(chǔ)、測量與檢測技術(shù)基礎(chǔ)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等。
在信息技術(shù)基礎(chǔ)課程方面，機械系強要教給學(xué)生足夠的知識，比如電工和電子技術(shù)、計算機硬件和軟件技術(shù)基礎(chǔ)知識等。
在專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)選修課程方面，包括：工程材料基礎(chǔ)、材料加工基礎(chǔ)類課程、機械系統(tǒng)微機控制、有限元分析、快速成形技術(shù)、激光加工技術(shù)基礎(chǔ)、機器人工程基礎(chǔ)及應(yīng)用、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代制造系統(tǒng)、特種加工工藝、制造過程管理信息系統(tǒng)、生物制造工程等。
這些課程將給學(xué)生在加強基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、拓寬專業(yè)口徑、增強適應(yīng)能力方面打下基礎(chǔ)。學(xué)生在這樣一個寬厚的背景上，能夠拓寬自己的能力。
記者：您談到清華機械系非常重視實踐能力，對學(xué)生的研究、開發(fā)和應(yīng)用能力訓(xùn)練有素，請您介紹一下。
曾攀：機械系特別強調(diào)學(xué)生的實踐能力，這表現(xiàn)在四個方面：1.實驗課：占本科生教育總學(xué)時的15~20％，如：機電控制系統(tǒng)實驗，將學(xué)過的電工電子技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)、計算機控制等知識綜合起來用于完成親自動手的機電系統(tǒng)的控制實驗；2.實踐環(huán)節(jié)：包括3個學(xué)分的金工實習(xí)、3個學(xué)分的機械設(shè)計實踐、3個學(xué)分的生產(chǎn)實習(xí)。生產(chǎn)實習(xí)在大三進(jìn)行，學(xué)生親自到現(xiàn)在先進(jìn)的制造企業(yè)，親身感受和參與現(xiàn)代制造里的各個環(huán)節(jié)；3.實踐訓(xùn)練：包括3周時間的專題訓(xùn)練課，即學(xué)生在教師的實驗室里，在老師一對一的指導(dǎo)下進(jìn)行訓(xùn)練。2學(xué)分的現(xiàn)代制造系統(tǒng)及實驗，即學(xué)生到工廠、車間進(jìn)行實地實踐。學(xué)生科研訓(xùn)練計劃，即SRT計劃，約50％的學(xué)生參加；4.課外科技活動：如“挑戰(zhàn)杯”科技競賽，國際性的機器人大獎賽等。機械系學(xué)生曾參加了中央電視臺的《異想天開》節(jié)目，他們用廢報紙親生制作完成的6米長的紙橋，成功地承載了一噸重的吉普車通過，這在當(dāng)時是很新奇的。
記者：同學(xué)們都說，清華機械系的老師不僅在業(yè)界非常有很高的威望，而且還親自給同學(xué)講課，與同學(xué)進(jìn)行面對面交流，剛才您也提到了這點。
曾攀：機械系有兩位院士，他們都親自給學(xué)生上課。機械系絕大多數(shù)課程都由教授、副教授親自講授，還有活躍在學(xué)術(shù)前沿的著名學(xué)者給一年級新生專門開設(shè)“新生研討課”。
機械系的教師也在積極進(jìn)行課程的改革，主要是一些研究性的課程，力爭在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力方面加大力度，也取得了很好的效果。目前，機械系有1門全國精品課、1門北京市精品課。
記者：聽說為了保證學(xué)生的國際視野，機械系的課程設(shè)置、英語教學(xué)等都非常注重國際化，同學(xué)都反映收獲很大。
曾攀：在國際化方面，一方面加強國際交流，每月邀請國際著名學(xué)者來機械系進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，比如請了MIT的著名學(xué)術(shù)大師Flemings、英國伯明翰大學(xué)的Dean教授等，介紹學(xué)科的最新成果，學(xué)生可以聆聽國際學(xué)術(shù)大師的精辟見解，擴(kuò)大自己的思路；另一方面還邀請國外教授來給學(xué)生上示范課。機械系開設(shè)了全英文課程，從教材、授課，到提問、考試等全部過程用英文進(jìn)行；另外還有大學(xué)生的校際交流，每年機械系都有學(xué)生去法國、日本、香港等地，在那里學(xué)習(xí)1～2年的課程，此外還有假期中學(xué)生短期的出國訪問和交流活動。
記者：機械系特別注重學(xué)生的全面成長，學(xué)生的社會工作能力都非常強，請您介紹一下。
曾攀：機械聽起來好像是一個比較枯燥和傳統(tǒng)的學(xué)科，其實機械系的學(xué)生是非常活躍的。機械工程系的學(xué)生特別注重自己社會工作能力的培養(yǎng)和鍛煉，開展的活動在校內(nèi)、甚至北京市都有很大影響。近年來，機械系獲得過北京市優(yōu)秀黨支部、優(yōu)秀班集體的稱號，獲得學(xué)校的表彰也相當(dāng)多，機械系組織的“學(xué)生節(jié)”在清華學(xué)生活動中很有名氣，已經(jīng)形成了一個品牌。機械系學(xué)生還自導(dǎo)、自演、自拍了三部電影。機械系的同學(xué)擔(dān)任過學(xué)校科技協(xié)會主席、學(xué)校研究生會主席、學(xué)校團(tuán)委書記和副書記等職務(wù)。社會工作對學(xué)生的成長和發(fā)展有很大幫助。
機械系畢業(yè)生中，有5人擔(dān)任過省部級領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)，有10多位國有大型骨干企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人，有3位左右的市級領(lǐng)導(dǎo)，還有10多位大學(xué)校長級領(lǐng)導(dǎo)，等等。
記者：近年來清華機械系本科畢業(yè)生走向如何？
曾攀：我認(rèn)為主要有兩個因素直接影響到機械系學(xué)生的就業(yè)。第一，一個很好的大環(huán)境。我國正處于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展期，整個行業(yè)的快速發(fā)展對機械工程類人才需求很大，即使是國外的大學(xué)和企業(yè)，也對機械工程人才有強烈的需求；第二，機械系學(xué)生基礎(chǔ)好、口徑寬、適應(yīng)性強，因此，十分受社會的歡迎。
近幾年來，機械系約70％~80％的學(xué)生在校內(nèi)外(包括國外)繼續(xù)讀研究生。就業(yè)領(lǐng)域包括：汽車、航天、制造業(yè)、能源、IT、經(jīng)濟(jì)管理等；就業(yè)單位主要有：一汽、二汽、航天一院和二院、聯(lián)想、華為、海爾、海信、TCL，金融咨詢公司(中國銀行上海分行、中國銀行深圳市分行、南方基金、國泰君安證券)以及一些外資企業(yè)，如微軟、IBM、現(xiàn)代汽車、奔馳、西門子等。另外有部分學(xué)生去國內(nèi)外高校和研究所從事研究工作；還有部分學(xué)生出國留學(xué)，如去MIT、加州理工、斯坦福、密執(zhí)安大學(xué)等。(編輯 顧淑霞)
