齐小林 王素梅
专题研究
机械工程领域中的学科交叉现象及主题特征研究——基于1024篇博士学位论文的分析
齐小林 王素梅
探索博士学位论文的学科交叉现象，对于全面洞察学科知识领域内的交叉与融合问题具有重要意义。基于2017—2021年我国1024篇机械工程一级学科博士学位论文中的学科交叉与主题识别的分析，研究发现：机械工程博士学位论文融合传统机械与新兴领域视野；
高校学科交叉的地域特征鲜明，学科特色显著；
基础研究与应用研究结合紧密；
学科交叉幅度相对稳定，研究领域主题多元。未来要不断发挥学科交叉融合的优势，扩展以机械学科为主在其他学科的应用，形成以交叉融合为特征的机械学科布局体系。
学科交叉；
博士学位论文；
机械工程；
博士生教育
学科交叉研究对于人们取得科学技术原创性成果和突破性进展意义重大。现代科学技术的重大突破，新的学科生长点的产生，往往是在不同学科彼此交叉和相互渗透的过程中形成的。尤其在异质性凸出的工程技术领域，通过单一学科范畴的知识难以解决复杂性和综合性问题，更需要通过打破学科界限，统合学科知识，在不断融合与集成的过程中推进科学知识体系的完善与发展。而在学科交叉过程中，关键在于，应纯粹根据问题的需要在各学科、领域之间，采取综合性、整体性的视角分析和解决问题[1]。笔者通过分析机械工程领域博士学位论文主题，试图从一个方面探究机械工程领域学科交叉现状及主题特征。
从哥伦比亚大学心理学家伍德沃斯（R.S. Woodworth）1926年首次提出学科交叉（Interdisciplinary）起，学科交叉被广泛研究，同时，因其充满灵活性和不确定性特点，具有多种不同的交叉形式[2-4]。以诺贝尔奖为例，诺贝尔奖得主的代表性论文通常具有显著的学科交叉特质。如1999年诺贝尔化学奖得主Zewail，使用光学手段，通过机械集成的方式，研究了化学反应中键的断裂与生成，开创了超快激光研究物理化学中超快现象的先河。2017年的诺贝尔化学奖，授予研发冷冻电镜的三位物理学家，奖励他们对生物成像领域的突出贡献。由此可以看出，学科交叉对学科领域知识的影响深远。学科作为同源学科间思想输出的贡献者，也在更多地吸纳和借鉴同源学科的知识[5]，而正是不同学科知识在各领域的引用和传播有效促进了新知识的生成[6]，挖掘学科间潜在共性主题与新生主题[7]，能够助力新的学科生长。
学科知识领域内的交叉现象呈现了不同的特点。如物理、化学、生理学或医学领域仍囿于本学科知识，较少借鉴其他学科知识[8]；
而材料工程、电气/信息工程和化学工程与物理、化学通常有着密切的联系，此类学科内部的知识流入/流出表现得更活跃。正如A.L. Porter等研究发现的，科学确实正在变得更加跨学科，但只是小步前进，小步地从邻近领域借鉴，仅适度地增加与遥远认知领域的联系[9]。学科交叉程度与领域内的研究内容与特点有关[10]，同时，往往具有鲜明的地域特性，与地区经济发展状况密切相关，不同地区之间学科交叉的侧重点存在显著差异[11-12]。然而，现有研究大都基于期刊论文、参考文献等数据来源揭示领域内学科交叉现象及特点[13]，从机械工程领域来探究学科交叉的研究还较少，并且缺乏研究主题与学科交叉的关注。博士学位论文作为研究生培养阶段最具代表性、完整性和总结性的成果，展现了科研领域前沿研究的发展趋势，通过博士学位论文分析学科交叉的现状与特点，对促进工科研究生培养具有重要意义。鉴于此，本研究以机械工程学科博士学位论文为研究对象，以涉及其他一级学科知识和技能作为观测标准，采用学科数、学科覆盖大类数等指标衡量2017—2021年博士学位论文成果，展现我国机械工程学科博士学位论文学科交叉的基本情况和发展趋势，整体把握该学科领域内部的共性和特性，以期为学科领域内交叉学科设置和研究生培养成效提供实证依据。
学科交叉是以研究问题为出发点的科学研究活动[14]，以知识叠加为基础的资源聚散过程[15]，本研究中的学科交叉是指集成和融合了国务院学位委员会和教育部颁布的《研究生教育学科专业目录（2022年）》中两个或两个以上一级学科领域内的专业知识领域的信息、数据、技术、工具、视角、概念或者理论，以解决单一学科领域内无法解决的问题而进行的科学研究过程。
1.数据来源与样本信息
本研究中所采集的数据主要来自中国知网（CNKI）博士学位论文全文数据库，按照“学科专业名称：机械工程”、中图分类号等检索要求，时间范围选取2017—2021年，共搜索到博士学位论文36683篇，在综合考虑时间、地域和学校层次等因素的前提下，采用随机抽样的方式，选取全国拥有机械工程一级学科博士学位授权点的48所高校的学位论文题目、摘要和关键词等信息，共抽样1055个，剔除无效样本后共获得有效样本1024个，采集样本的基本信息包括学位授予单位、授予时间、研究题目、摘要、关键词、分类号等。需要说明的是，部分博士学位论文由于保密或其他原因并未公开，在样本采集数量、时间、地域和办学层次上还是出现了一定程度的样本非均衡问题。
2.研究设计
本研究依照《研究生教育学科专业目录（2022年）》学科分类，运用数理统计和LDA模型相结合的方法，对机械工程领域博士学位论文所涉及的学科数量、学科交叉频次、论文研究主题等进行统计和技术识别，尝试从多维度探索机械工程学科领域内学科交叉现象与领域研究主题的特征。LDA（Latent Dirichlet Allocation）是一种基于贝叶斯思想的主题概率生成模型，广泛用于文本主题分类，文本关键词等场景。
1.基于LDA模型进行技术主题识别分析
本研究选取主题一致性指标衡量LDA模型效果，利用Word2Vec计算主题一致性程度（InnerSim）并确定最优主题数，经过多次LDA模型聚类，对自定义词和停用词表多次迭代和规范化处理，计算得出最优主题数为27个，并根据LDA模型聚类得到文档—主题，主题—词项的概率分布矩阵，按照每个主题下各词汇概率分布高低排序，在结合论文研究内容、回顾相关文献、参考专家意见后，选取前7位最相关词汇进行人工主题标识（见表1）。
根据识别结果可以看出，传统机械领域仍占据主导地位，但会围绕领域内的研究热点进行多元化和系统化的扩展。机械设计、加工工艺、性能优化仍是机械领域研究的重点。在扩展方面，以机械设计为核心，通过机电系统集成，实现人—机—电一体化的共融机器人及无人驾驶；
以加工工艺为核心，从加工工具的优化，到复杂表面结构—功能一体化的实现；
以性能优化为核心，从有限元仿真到高端装备性能优化，不断融入新材料、新技术、新方法、新工艺，实现机械制造在各领域的应用拓展。
2.基于博士学位论文的学科交叉频次分析
经统计发现，机械工程学科博士学位论文研究内容共涉及34个一级学科，与其他一级学科交叉频次占比依次为：力学（47.8%）、计算机科学与工程（28.2%）、材料科学与工程（20.9%）、控制科学与工程（20.0%）、物理（7.0%）、光学工程（5.7%）、动力工程（4.3%），而生物学、医学、统计学及其他所涉学科占比10%。博士学位论文研究内容涉及单一学科的94篇，涉及2个一级学科的461篇，涉及3个一级学科的308篇，涉及4个一级学科的102篇，涉及5个以上一级学科的59篇。
表1 机械工程博士学位论文主题—词项分布
注：*标识不明确主题。
从统计结果看，力学、计算机科学与技术、材料等学科交叉的频次较高。这主要源于力学作为机械工程的理论基础，高新技术领域的核心是信息技术，计算机作为一种辅助技术，基于知识建模、数值模拟、拟合重构等技术应用，与机械工程学科交叉频次超过了材料、控制、动力等学科，仅次于力学，表明机械学科与信息技术领域的深度交叉融合趋势不断增强。新工业革命的基础仍然是新能源和新材料，越来越多的新的表征手段、新材料出现为新知识创造了更多可能性，成为机械制造过程中所应用的新的工艺材料。控制学科是新机器系统建模，系统性能整体、适应性的反映，系统性占据绝对优势，也是新机器系统交叉、互联的明确体现。
3.基于地域维度的学科交叉情况分析
按照我国地理分区，将采集样本高校所在的省域划分为东北、华北、华中、华东、华南、西南和西北7个地区。经统计发现，不同地区高校学科交叉模式呈现不同特点：西北、东北地区高校博士学位论文呈现相近学科领域知识内的交叉居多，华南、华东地区高校博士学位论文多学科交叉融合特征显著，融合了更多较远学科领域内的知识。高校博士学位论文在单科研究中以西北地区占比最高，为18.18%，东北地区次之；
博士学位论文涉及2个学科的在西北、东北两地区占比分别为57.28%和50.37%，西南地区次之，占比47.96%，华北、华中地区涉及2个学科的占比分别为42.81%和40.52%；
而从整体看，涉及3个以上学科领域知识的博士学位论文，在华南、华中、华北、华东四地区均超过50%，华南占比超过60%；
华北、华东两地区中运用其他学科交叉数在4个以上的博士学位论文占到25%以上。
由以上数据分析可知，地区经济发展状况、海外高层次人才就业流向、先进仪器设备集中，以及国家对基础研究的经费投入倾斜等方面均是影响地区高校博士学位论文研究方向的重要因素。高新技术产业集群密集，科研资金充裕，科研实力雄厚，科研机构集中为学科交叉研究发展提供了良好的平台，而高校特色优势学科的多寡又直接影响了学科交叉的内容及形式。此外，独特的历史文化及地理环境铸就了优势学科的高校特色，如北京理工大学的车辆与智能交通、哈尔滨工业大学的机器人、福州大学的船舶与海洋机械、兰州交通大学的轨道交通、桂林电子科技大学的脑控与机器学习等都保持了鲜明的学科特色，而这也成为不断推进学科建设的原动力。
4.基于时间维度的学科交叉情况分析
从时间维度看，博士学位论文运用其他学科数量（以下统称“学科交叉数”）为2的论文在近5年内总体呈现平稳的态势，学科交叉数为3的论文数量随着时间变化呈现不断上升的趋势，2021年同比增长16.3%，学科交叉数量在4及以上的论文数量从2019年开始保持平稳。2020年，博士学位论文多学科交叉程度则出现递减现象，同比下降71.2%。这部分源于学科发展过程中会不断融合其他学科的知识，经过一段时期后会达到一定程度的“成熟”和“饱和”，学科领域内的知识会有吸收、细化和延伸的过程，短期内运用更多其他领域学科知识的就会出现逐渐减少的情况，部分可能源于新冠疫情下科研条件的改变，科研工作变得不可持续，科学研究仅限于开展部分相对基础的研究工作，跨学科的学术合作减少等因素均影响博士学位论文多学科间的交叉融合。
5.基于单一研究与多科研究的论文成果分析
选取发表学术论文数量及论文影响因子（impact factor）对博士学位论文中的成果进行对比分析，结果发现，属多学科研究内容的博士学位论文作者在读博期间发表成果数量及影响因子均显著优于单一学科研究内容的作者，博士学位论文属于单科研究内容的博士生，人均发表论文1.66篇，篇均影响因子（IF）2.60；
多科内容博士学位论文的博士生人均发表论文2.84篇，篇均影响因子（IF）2.77。
这主要源于多科交叉研究的工作很多是具有开创性的。以问题为导向的研究，需要跨越学科界限，结合不同学科知识实现创新解决方案，在高水平期刊发表的机会高于单科研究。但目前多科研究内容篇均影响因子优势差异不大，则表明发表的期刊文章虽然有一定程度的学科交叉，但在交叉融合的深度上还不够深入。而属于单一学科研究内容的论文多于传统机械类期刊发表，且影响因子在同一学科内差异较小，单一学科的研究成果影响因子保持相对平稳的状态。
6.基于学位授予单位的学科交叉情况分析
本研究依据2017年发布的第四轮机械工程学科评估结果，将样本高校分为A、B、C三种类型，其中，A类高校22所，B类高校13所，C类高校13所，按照各高校机械工程学科评选结果整体水平得分位次百分位，将前70%的学科按照A（A+、A、A‒）、B（B+、B、B‒）、C（C+、C、C‒）三个层级进行分档，以展现不同层级下学科交叉的基本情况。从统计结果可见，学科交叉数在4以上的博士学位论文数量A类院校至C类院校呈递减趋势。A类院校在单一学科和运用4个以上学科的博士学位论文数量均明显高于其他类型的高校，学科交叉数为2‒3的博士学位论文数量B类院校最多，A类院校次之，C类院校最少，这表明A类院校在传统单一学科和多学科研究领域研究都处于明显的优势地位，在传统机械与新兴领域的研究繁荣共存。B类高校多数是以2‒3个优势特色学科居多，在单一学科领域研究较其他类型高校较少，部分源于院校优势学科的数量决定了学科交叉程度，传统方向是学科发展的基础，只有当学科发展水平较高时，学科间的交叉才有基础和潜力。而高校特色优势学科的大多数学科方向多以知识共同体内进行学科知识间的流动，所以，优势特色学科数量多寡直接为学科间的交叉提供了重要基础。此外，博士学位论文所涉学科交叉数量与研究主题强相关，也就是说，研究主题和方向直接决定了学科交叉的形式和内容。
1.融合传统机械与新兴领域视野，近缘学科交叉为主
机械工程博士学位论文学科交叉现象明显，大部分论文主要以机械工程领域传统研究方向为核心，围绕国家重大需求和国民经济发展所需关键结构的设计、加工、应用开展研究；
在研究过程中，会根据研究需求，融合近缘学科研究方法，推动研究内容深入并产生实际应用。少数博士学位论文注重基础理论与方法的创新，在应用研究和基础研究部分比重相对均衡，往往与生物、医疗、信息技术、新能源材料等研究领域进行交叉与融合，从而衍生出了数字制造、增材制造、纳米制造、生物制造等新兴细分的研究方向，使传统制造技术焕发出新的活力，研究领域呈现出“百花齐放、繁花似锦”的景象。
2.学科交叉的地域特征鲜明，高校学科特色显著
机械工程博士学位论文学科交叉主要受区域和学科影响，与区域环境、高校学科布局密切相关。如东北地区重工业发达，地区内高校长期深耕与重工业结合紧密的学科，多以基础学科内的交叉为主；
华东、华南地区新产业繁荣，该地区博士学位论文内容以机械领域和前沿成果交叉为主，围绕电子技术、新材料、工艺设计、美学等学科领域展开研究；
西北地区则立足传统优势学科，面向工业互联网、无人驾驶、新型智能终端等领域进行扩展；
西南地区以电子信息产业为先导，围绕集成电路、区块链、云计算、5G等相关领域，在先进材料、装备制造、信息与控制、环境资源、现代农业与生物等领域形成了优势特色学科。整体而言，依托地域特色、高校学科优势，我国机械工程领域形成了一批行业特色鲜明的交叉学科，服务国家战略和地方经济社会发展。
3.领域研究需求决定学科交叉形式，基础性与应用性紧密结合
博士学位论文研究主题决定学科是否交叉，而具体研究方向则决定学科交叉形式。工程领域中的具体问题从不限于遵循单一学科的分类逻辑，不同的研究主题需要整合和集成不同学科领域的知识以期创新性地提出解决方案。如无人驾驶研究领域，决定了其研究要涉及信息技术、人机交互、导航定位、通信系统、信号识别、计算科学等领域内的知识；
而装备是整体性能集成系统研究，包括新材料、新技术、控制系统、新概念施工、美学、人体工程学等多学科技术的融合。从偏重基础理论，到面向工程应用，从设计新方法、制造新原理、探索新技术、制备新工艺等方面呈现出基础研究和工程应用研究紧密结合，推动了科学研究与工程应用的高度融合和发展，培养了具有实践创新能力的高素质复合型人才，助力高等教育强国建设。
4.高校基础研究深厚，学科交叉融合优势明显
习近平总书记指出，重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究，产生于学科交叉领域。高校依据学科的客观规律和学科自身的特点，不断发挥基础研究深厚的优势，以学科建设为引领，形成不同类型和层次的交叉学科，推动机械学科内部和外部学科间的交叉融合。如以西安交通大学、西北工业大学为代表的高校，在传统学科方向基础上不断吸收其他学科最新成果，拓展了很多新的研究领域和热点方向；
上海交通大学也发挥优势学科特色，不断融入生物、医学、声学、导航等新兴领域前沿成果，不断衍生和细化新的领域，扩展知识的广度和深度，呈现出围绕一个研究领域向四周辐射的“雪花模式”。高校聚力基础研究，不断汇聚创新资源，为关键核心技术突破奠定了坚实的基础。
5.学科交叉幅度相对稳定，研究领域主题多元
机械工程学科领域内的研究热点更多元，研究内容更系统。博士学位论文研究内容主要涉及精密加工、高效高质加工、难加工材料等方面，关注数值和参数协同优化下系统整体性能的提升。例如，将传统制造与电化学、超声、激光等新手段结合，通过多系统集成的方法形成智能制造新范式，拓展了制造极限能力，实现质量和效率的共同提升。而在传感、检测与仪器方面，与生产实际结合紧密，多以实验研究为主。需求/应用牵引的内容多，技术/方法研究占比高，科学/理论也有一席之地，并呈现管理生产逐步提升的趋势。整体而言，机械工程学科交叉在内容和构架上呈现“聚焦—散焦”现象，围绕核心学科发展的同时，与多领域研究方法进行交叉和融合，交叉幅度总体保持在相对稳定的状态。
制造业作为国民经济的主体和生产力发展的基石，是立国之本、兴国之器、强国之基。而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，承载着创造和发展新装备及其制造技术的重任[17]，在我国高等院校学科布局中占据重要地位。学科领域知识的发展决定了学科专业的样态，多学科交叉融合势必成为推动制造领域科技创新的重要途径。鉴于机械工程学科是一个具有高度交叉性的学科领域，高校在自主设置交叉学科时，应充分考虑分科知识、共性原理、应用领域的相互关系[17]；
应统筹考虑知识的逻辑结构，根据具体研究内容，细分研究领域和研究方向，对新兴学科与交叉学科设置应留有充足空间；
同时，保持机械工程一级学科下二级学科设置的动态性和开放性。优化学科专业结构，不断发挥学科交叉融合的优势，加强多学科融合的现代工程和技术科学研究，以需求为牵引，带动基础科学和工程技术发展，扩展以机械学科为主，并在其他学科中加以应用，形成以交叉融合为特征的机械学科布局体系。不断提升科学研究的集成创造力，用好学科交叉融合的“催化剂”，促使机械学科焕发出新的活力，让人才创新创造活力竞相迸发。在研究生培养上，实现跨学科学习成果需要积极参与跨学科课程开发，将组织资源、人员和想法以新颖的方式加以利用，以一种促进学生掌握的方式引入学科和跨学科内容至关重要[18]。未来研究可结合博士学位授予单位博士学位论文的研究内容，追踪调查毕业生未来职业发展轨迹，通过考察早期研究人员就职科研教职岗位的比例以及开展新领域研究的情况，展示个人职业发展方面学科交叉学位成就的成果，了解跨学科教育及人才培养的实效，进而为学科课程设置以及跨学科人才培养方案提供实证数据。
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10.16750/j.adge.2023.02.005
齐小林，北京理工大学人文与社会科学学院博士研究生，北京 100081；
王素梅，北京理工大学机械与车辆学院研究员，北京 100081。
（责任编辑 黄欢）
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