新工科形勢下現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程改革與創(chuàng)新探討

喬?hào)|平，肖艷秋，李浩，羅國富

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州　450002）

為應(yīng)對國內(nèi)制造業(yè)面臨的困難，國家針對制造業(yè)的振興和轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)布了實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)“中國制造2025”，提出中國要從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，要以高端制造、現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)和“互聯(lián)網(wǎng)+”等新興產(chǎn)業(yè)為發(fā)展方向。制造業(yè)的振興和轉(zhuǎn)型離不開科學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)、工程能力強(qiáng)的工程人才支持，這就要求我國工程技術(shù)教育進(jìn)行一場深刻的變革，適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”和智能制造環(huán)境下制造業(yè)發(fā)展對人才的需要。為推動(dòng)我國高等工程教育加速改革，教育部提出高校要加快建設(shè)和發(fā)展“新工科”，并陸續(xù)形成了“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”、“北京指南”，為“新工科”的建設(shè)指明了方向。在此形勢下，如何培養(yǎng)適應(yīng)新工業(yè)需要的復(fù)合型和綜合性人才是機(jī)械類專業(yè)教學(xué)過程中亟待解決的問題。

本文以“現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法”課程教學(xué)為例，基于對“新工科”建設(shè)背景、相關(guān)共識(shí)和指南的理解，結(jié)合教學(xué)和人才培養(yǎng)實(shí)踐，對新形勢下機(jī)械類相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)的改革和創(chuàng)新進(jìn)行探討。

1　新工科形勢下機(jī)械專業(yè)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

李培根院士在《新工科何以而新》中指出新工科的目的是培養(yǎng)能夠適應(yīng)、甚至引領(lǐng)未來工程需求的人才，這就需要工程教育的新結(jié)構(gòu)，對專業(yè)和課程的邊界再設(shè)計(jì)、進(jìn)行課程重構(gòu)等，以使學(xué)生具備“新素養(yǎng)”[1]。機(jī)械類專業(yè)作為工學(xué)中的一個(gè)專業(yè)大類，是“最強(qiáng)工科”之一，急需要進(jìn)行改革和創(chuàng)新已培養(yǎng)具備“新素養(yǎng)”的工程人才。在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)為智能制造和“新工科”建設(shè)的雙重壓力下，當(dāng)前的機(jī)械類專業(yè)教學(xué)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

2　現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法介紹

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》是機(jī)械類專業(yè)高年級(jí)和研究生的一門重要的專業(yè)課程，內(nèi)容涉及到多門基礎(chǔ)課程知識(shí)的綜合應(yīng)用，具有較強(qiáng)的知識(shí)綜合性和學(xué)科交叉性。課程系統(tǒng)地教授現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和方法，重點(diǎn)講解設(shè)計(jì)領(lǐng)域中普遍運(yùn)用的科學(xué)技術(shù)方法及其設(shè)計(jì)規(guī)律，并對幾種常用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和工具進(jìn)行介紹。通過課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論中的基本概念，基本原理和基本計(jì)算方法，了解本學(xué)科的最新發(fā)展和動(dòng)態(tài)，拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的意識(shí)，提高學(xué)生分析和解決工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)，不僅使學(xué)生對現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法總的情況有一個(gè)全面的了解，而且對常用的主要設(shè)計(jì)方法能比較熟悉，并能自覺運(yùn)用；通過學(xué)習(xí)相關(guān)的理論和方法，學(xué)生能把具體的機(jī)械設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理模型及對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在具備對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析能力的基礎(chǔ)上，掌握用現(xiàn)代計(jì)算方法和手段求解機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)的能力。

從對課程介紹可以看出，《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》對“新工科”建設(shè)形勢下學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)具有不可替代得作用，但是受傳統(tǒng)教學(xué)模式和教學(xué)資源得限制，其教學(xué)通常重理論講解、輕實(shí)踐操作，并且講授知識(shí)更新滯后。因此學(xué)生通常只是掌握了一些現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論，而將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力較差，因此迫切需要結(jié)合“新工科”建設(shè)和國家智能制造戰(zhàn)略對課程教學(xué)進(jìn)行改革和創(chuàng)新。

3　新工科形勢下現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論創(chuàng)新內(nèi)容

3.1　內(nèi)容改革和創(chuàng)新探討

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》包含的內(nèi)容較多，相關(guān)設(shè)計(jì)方法和理論種類繁多，如何在有限的課時(shí)內(nèi)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，使之具備“新工科”形勢下所需要的“新素養(yǎng)”是教學(xué)過程中首先要解決的問題?！吨袊圃?025》提出將進(jìn)一步推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力提升，全面推廣應(yīng)用以綠色、智能、協(xié)同為特征的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，攻克信息化設(shè)計(jì)、過程集成設(shè)計(jì)、復(fù)雜過程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等共性技術(shù)，開發(fā)一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)工具軟件，建設(shè)完善創(chuàng)新設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)。為適應(yīng)這些需求，課程內(nèi)容在介紹傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和理論的基礎(chǔ)上，剔除過時(shí)、陳舊的內(nèi)容，補(bǔ)充與技術(shù)發(fā)展趨勢一致的新內(nèi)容是必要。結(jié)合當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展，可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革和創(chuàng)新。

首先精煉傳統(tǒng)內(nèi)容，對一些落后的技術(shù)和方法進(jìn)行刪減，增加綠色設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，特別是先進(jìn)的信息技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用方面的內(nèi)容，如以三維CAD、CAE等為工具的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)和開發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的數(shù)字化樣機(jī)應(yīng)用技術(shù)、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力；其次為了培養(yǎng)學(xué)生在創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面知識(shí)的體系性，增加現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原理與方法相關(guān)的內(nèi)容，有重點(diǎn)的講授系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法、模塊化設(shè)計(jì)、TRIZ理論、公理化設(shè)計(jì)理論、質(zhì)量功能矩陣、三次設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，使學(xué)生了解創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法和理論，掌握在理論指導(dǎo)下的現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程，如產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、系列產(chǎn)品和組合產(chǎn)品開發(fā)等；在“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下，我國制造業(yè)服務(wù)化得到了一定的發(fā)展，服務(wù)型制造成為制造業(yè)中最具潛力的發(fā)展方向，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就要考慮產(chǎn)品的服務(wù)功能，這就需要從全生命周期的角度來考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)，因此要增加制造服務(wù)方面的內(nèi)容，使學(xué)生在能夠了解服務(wù)型制造的本質(zhì)，適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)融合發(fā)展的新模式；最后，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品中日益增加現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)展成為“機(jī)械、電子、信息和網(wǎng)絡(luò)”一體化的技術(shù)和產(chǎn)品，因此教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)增加多學(xué)科的關(guān)聯(lián)性綜合應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生借助模塊化設(shè)計(jì)思想建立在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中能夠應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的關(guān)聯(lián)性解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的問題。

總體而言，課程內(nèi)容應(yīng)該朝著重點(diǎn)突出、覆蓋面廣、堅(jiān)持創(chuàng)新、結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢的方向進(jìn)行改革，確保學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計(jì)知識(shí)掌握的深度和廣度。

3.2　創(chuàng)新探討

（1）案例教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，有目的性的尋找相關(guān)案例，針對理論性比較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合案例借助于先進(jìn)的多媒體技術(shù)將抽象的概念轉(zhuǎn)化為形象具體，使得相關(guān)知識(shí)變得直觀生動(dòng)。在講授系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法時(shí)，以簡單的產(chǎn)品為實(shí)例，如常用的激光打印機(jī)，借助動(dòng)畫、圖片、視頻等手段，詳細(xì)說明打印機(jī)設(shè)計(jì)過程的劃分、設(shè)計(jì)階段的實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，并對打印機(jī)設(shè)計(jì)過程中各要素間的聯(lián)系與層次性進(jìn)行分析，獲得最終的解決方案，通過將不同的設(shè)計(jì)要素的結(jié)合實(shí)現(xiàn)最終要求，使學(xué)生能夠通過實(shí)例了解到基于該設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，真正理解該設(shè)計(jì)方法，并體會(huì)到現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要性，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，領(lǐng)會(huì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性[2]。

（2）教師課堂講授和學(xué)生自講相結(jié)合。對于一些當(dāng)前的一些熱點(diǎn)內(nèi)容，各方面的討論較多，如智能制造、綠色制造相關(guān)的內(nèi)容，可以設(shè)定準(zhǔn)備的內(nèi)容范圍，讓學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)和圖書館等資源自己先查找資料，自作多媒體，讓學(xué)生先講，然后老師對學(xué)生的觀點(diǎn)、事例進(jìn)行分析，將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交于學(xué)生，使學(xué)生可以從自己感興趣的角度理解相關(guān)知識(shí)，并通過課堂討論進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的綜合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提升學(xué)生的理論興趣，拓展學(xué)生的理論深度和廣度。

（3）伴隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及催生了“翻轉(zhuǎn)課堂式”教學(xué)模式。這對于教學(xué)內(nèi)容多，部分內(nèi)容抽象度較高的《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程是十分適宜的。對于一些更新較快的知識(shí)，如CAD、CAE等信息技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，一方面這些系統(tǒng)版本眾多且更新較快，不同的系統(tǒng)有不同的特點(diǎn)，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)很難進(jìn)行全面細(xì)致的講解，另一方面互聯(lián)網(wǎng)上關(guān)于這些系統(tǒng)的視頻和電子材料較多，不同學(xué)生的掌握程度會(huì)有差異。為了讓學(xué)生更好的理解先進(jìn)信息技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，教師可以只講解核心的理論和觀點(diǎn)，而對于其它相關(guān)的信息，學(xué)生則可以通過看視頻、閱讀相關(guān)材料、參與專業(yè)論壇討論等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，由學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容和節(jié)奏，教師可以針對大家的疑問和困難展開專題討論和有針對性的小范圍討論，讓學(xué)習(xí)更加靈活、主動(dòng)，讓學(xué)生的參與度更強(qiáng)，從而獲得對相關(guān)知識(shí)的更深層次理解。

（4）在信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，通過建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)開展線上教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)線上與線下教學(xué)相結(jié)合。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的要求設(shè)定不同的專題內(nèi)容，并且通過共享獲取更多地教學(xué)資源，進(jìn)行知識(shí)的擴(kuò)展，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇學(xué)習(xí)的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)線上自學(xué)。在教學(xué)平臺(tái)上可以設(shè)定簽到方式、瀏覽方式，設(shè)定相關(guān)的思考題，建立討論區(qū)，針對學(xué)生的疑問進(jìn)行討論和有針對性地解答，對一些有代表性的問題和觀點(diǎn)進(jìn)行收集，在課堂上進(jìn)行專題講授，實(shí)現(xiàn)線上與線下的互動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]。

3.3　與實(shí)踐環(huán)節(jié)的結(jié)合

為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，機(jī)械工程專業(yè)在四年的本科教學(xué)中安排了眾多的實(shí)踐環(huán)節(jié)，如金工實(shí)習(xí)、各種課程設(shè)計(jì)、工廠實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等[4]。在新工科形勢下，機(jī)械類專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)相關(guān)知識(shí)應(yīng)用的綜合能力，因此《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》的教學(xué)要充分利用這些實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生對設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)的理解。一方面通過這些環(huán)節(jié)中的實(shí)例讓學(xué)生理解課程中所涉及到的理論和方法，結(jié)合這些實(shí)例進(jìn)行傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的對比，使學(xué)生能夠理解如何將所學(xué)的理論和方法應(yīng)用到實(shí)踐中來；另一方面這些實(shí)踐課程要根據(jù)新工科的要求，對相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新，在教學(xué)環(huán)節(jié)中有意識(shí)的引導(dǎo)學(xué)生采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)工具對這些實(shí)例產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)，給出改進(jìn)意見，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新能力和關(guān)聯(lián)能力；最后在一些實(shí)踐環(huán)節(jié)中，要鼓勵(lì)學(xué)生采用新的方法和技術(shù)完成相關(guān)任務(wù)，這樣可以激發(fā)學(xué)生應(yīng)用新方法和新技術(shù)的興趣，加深對相關(guān)知識(shí)的理解，提升應(yīng)用能力和水平[3]。

3.4　確?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論改革和創(chuàng)新成功的因素

（1）加強(qiáng)校企合作，有針對性地開展校企聯(lián)合教學(xué)，一方面積極根據(jù)課程內(nèi)容開展科技對接活動(dòng)，讓有精力的學(xué)生參與企業(yè)的科研和設(shè)計(jì)活動(dòng)；另一方面推進(jìn)企業(yè)研發(fā)人員走進(jìn)課堂，針對當(dāng)前正在從事的工作為學(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的講解，并鼓勵(lì)任課教師進(jìn)入企業(yè)，形成良好的校企良性互動(dòng)機(jī)制，培養(yǎng)“雙師型”教學(xué)隊(duì)伍，在提升教師工程技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生適應(yīng)“新工科”和“智能制造”的能力。

（2）改革考核模式，逐步弱化期末考試的作用,通過平時(shí)大作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂互動(dòng)效果等多個(gè)方面對學(xué)生進(jìn)行全方位的考核，合理評價(jià)學(xué)生對專業(yè)知識(shí)的掌握程度和應(yīng)用水平[5]。將閉卷考試改為開卷考試，重點(diǎn)考查學(xué)生對知識(shí)的理解和應(yīng)用能力而不是簡單的知識(shí)點(diǎn)記憶能力；加大平常大作業(yè)設(shè)計(jì)在期末綜合評價(jià)中的比重，通過大作業(yè)設(shè)計(jì)全面考查學(xué)生對知識(shí)的應(yīng)用能力；鼓勵(lì)學(xué)生利用《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程中所學(xué)的知識(shí)和理論進(jìn)行科技創(chuàng)新活動(dòng)，對合理的創(chuàng)新給與考核加分。

（3）逐步建立多學(xué)科融合交叉的教學(xué)模式，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品中日益增加現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，多學(xué)科融合在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用越來越重要，而單一專業(yè)的任課教師很難做到面面俱到，單一的學(xué)科知識(shí)已經(jīng)不能滿足“新工科”形勢下對人才培養(yǎng)的要求。因此需要盡快轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式，積極探索機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新途徑，突出研究生培養(yǎng)中的“交叉性”特點(diǎn)，鼓勵(lì)和引導(dǎo)研究生參與到多學(xué)科交叉指導(dǎo)中，結(jié)合課題研究需要，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，合理利用導(dǎo)師資源，提高其綜合素質(zhì)，進(jìn)而提升其創(chuàng)新能力。

4　結(jié)語

課程改革是一件長期的工作，需要結(jié)合當(dāng)前的環(huán)境和形勢進(jìn)行。現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法是機(jī)械工程學(xué)科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對機(jī)械工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)具有重要意義。因此課程要結(jié)合“新工科”和智能制造的要求，緊跟相關(guān)理論和技術(shù)發(fā)展的前沿，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新和完善，對教學(xué)方法和模式進(jìn)行豐富，不斷地進(jìn)行教學(xué)改革和創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)素質(zhì)，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，滿足行業(yè)和社會(huì)對人才的需要。

[1]李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究，2017（41）：1-4.

[2]吳國興,范君艷,樊江玲.智能制造背景下應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)[J].教育與職業(yè)，2017（16）：89-93.

[3]陳就，汪建曉.《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)探討[J].高教論壇，2009（5）：100-101.