面向中小企業需求的《現代設計方法》教學體系

李夢奇，李冬英，陳志剛

(邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽 422004)

21世紀以來企業重視產品開發，現代設計方法逐漸成為機械類專業的一門必修課。目標是使學生了解常用現代設計方法的理論、創新思維和技法，擴大學生專業知識的深度和廣度，提高其創新設計能力和理論認知能力。但是由于設計方法復雜抽象、理論性強，涉及數學建模、數值分析、模擬仿真等方面的知識較多，設計方法原理講解涉及到大量數學公式，而實際應用中，只需建立數學模型、設置參數、確定條件，求解過程由計算機和軟件來完成，理論學習和實際應用之間存在巨大的差距，由此學習效果并不明顯；另一方面，現代設計方法種類很多，而課程教學計劃的授課學時是有限的，需要對教學內容進行選取。

本文基于邵陽學院機械畢業生就業企業和崗位統計分析基礎上，選擇中小企業作為調研對象，明確其技術崗位對現代設計方法的應用情況、企業對設計方法的需求、對技術人員的培養期望，作為《現代設計方法》課程教學改革、建立新的教學體系的依據。

1 設計方法及其發展過程

設計方法是設計理論的具體化和實用化。一般將機械設計方法分為常規設計方法（或稱為傳統設計方法、經典設計方法）和現代設計方法兩類。常規設計方法是依據力學和數學建立的理論公式和經驗公式為先導，以實踐經驗為基礎，運用圖表和手冊等技術資料，進行設計計算、繪圖和編寫設計說明的過程，強調以成熟的技術為基礎。現代設計方法是基于現代設計理論形成的方法，強調以計算機為工具，以工程軟件為基礎，融合了信息技術、計算機技術、知識工程和管理科學等領域的知識，可以減少傳統設計中經驗設計的盲目性和隨意性，提高設計的主動性、科學性和準確性[1-2]。

設計方法的發展大致經歷了直覺設計、經驗設計、半理論半經驗設計、現代設計四個階段。上世紀40年代以來，工業發達國家對設計方法的研究日益重視和深入，德國、瑞士、丹麥、美國、蘇聯、日本等國家的專家學者廣泛開展了有關設計方法學的研究，探討設計的進程、步驟和規律，在70年代形成了系統化的設計方法學。以德國為首的歐洲學派的研究特點是強調設計的系統化和邏輯分析，要求按步驟有規律地進行設計。近年來又注意將設計方法學密切聯系生產，如價值工程、模塊化設計等，還加強設計方法學與CAD的結合。日本發展設計方法學的特點是將本國實際和消化引進國外技術相結合，強調引進技術的國產化。美國技術界強調創造性設計，上世紀80年代美國國家科學基金會提出“設計理論和設計方法學研究的目標和優先項目”的報告作為幾個重要學會的特殊聯合文件，由 ASME出版[3-5]。

從具體的設計內容來看，在工業發達國家，優化設計于60年代開始研究并用于產品設計，如機械產品及系統的方案優化設計，機械動態性能的優化設計，熱力系統優化設計等，目前已廣泛應用；在CAD方面，80年代工業發達國家的大企業幾乎毫無例外地采用，也有約75%的中小企業采用，設計效率比人工設計提高了3～20倍，先進工業國采用CAD技術以后的設計一次成功率由60年代的30%～40%提高到95%，而使用虛擬樣機技術以后一次成功率更高[6]。

2 面向中小企業的調研

根據邵陽學院機械與能源工程系畢業生就業的企業和職位，結合課程特征選擇調研單位和部門。邵陽學院機械類專業每年都為三一汽車制造、邵陽神風動力有限公司、維克液壓有限公司、大地煤礦機械、邵陽市曾氏鋁業等邵陽市周邊企業及中聯重科、山河智能、湘潭市東風曲軸制造有限公司等湖南省內的企業以及廣東省、湖北省、江蘇省的部分企業連續提供畢業生，且有大量畢業生在這些單位工作。由于設計方法是典型的面向技術崗位的關鍵技術，而技術崗位的就業單位以中小型企業為主，進入大型企業的工作崗位為技術類的較少，而因此調研目標定位為面向中小企業。

調研方式采用現場調研和同類型企業網上調研，通過訪談、問卷調查和分析招聘要求的方式。調研內容包括企業現有設計方法和手段采用情況、企業對設計方法的需求或者想法、對學校培養學生掌握設計方法的期望三個方面。

現代設計方法種類很多，東北大學聞邦椿院士進行了不完全統計就發現工程技術界使用的現代設計方法就有100多種[4]，對于中小企業而言，使用的方法大多是使用比較廣泛的方法，同時也不可能面向一百多種方法進行調研。根據當前現代設計方法在企業界的使用情況結合專家訪談確定調研方法主要包括：計算機輔助設計（CAD）、有限元方法、優化設計、可靠性設計、創新設計、動態設計、模塊化設計、逆向工程。

3 中小企業設計方法現狀與需求

3.1 現狀

設計模式上：我國當前中小企業基本上采用傳統的“三段設計法”，即初步設計（方案設計）、技術設計、施工設計。其中起決定性作用的方案設計通常是根據提出的設計任務的技術要求，找樣本、專利、圖紙、研究報告等資料，然后靠設計者的經驗進行。設計的本質是經驗性的，特別強調設計者的經驗；工程師的設計主要精力在繪圖和圖形修改方面，繪圖工作量在機械設計中占75%以上，使設計人員無暇顧及創新、方案比較，設計以模仿為主，局限性很大。

設計方法上：CAD已經基本普及，所有調研企業都使用CAD，但應用層次主要在繪圖 （Computer Aided Drawing）層面，而不是設計（Computer Aided Design）層面，設計人員的大部分設計時間花在圖形繪制上；有限元方法在部分企業開始使用，主要用來進行一些結構的線性計算，利用計算結果對經驗設計進行粗略驗證，不能系統化的解決問題，使用范圍也很小（<15%），新方法使用是設計者的個體行為，大多是基于興趣愛好在自學基礎上實現;優化設計使用較少，但是已經進入考慮范圍；創新上，主要是重視創新、強調創新，但系統化的創新方法（比如TRIZ）并沒有得到使用；其他設計方法可靠性設計、動態設計、模塊化設計和逆向工程盡管部分工程技術部門主管已經在思考相關的問題或者有所考慮，但是基本上沒有具體的行動和行動計劃。

計算機應用上：主要體現在二維繪圖（100%）和三維建模（60%）方面，建立的三維模型沒有得到較好應用；極少數企業能夠利用計算機進行分析、計算、仿真，而信息化的相應工具ERP、PDM系統基本上處于空白狀態。

3.2 期望

調研企業對設計方法和手段方面的期望主要體現設計思想理念提高和設計手段軟件使用兩個方面。

設計思想理念上：針對常規設計方法無法解決的計算、仿真問題，盡管相關人員希望采用現代設計方法來解決，但是同時對于這些現代方法的有效性存在懷疑，由此，需要學習相關理論，以證實相應的處理方法在理論上是可行的，誤差是符合工程要求的；軟件手段上，都希望能基于軟件進行全方位的輔助設計，大多數工程設計部門主管人員和工程師都希望能夠基于計算機進行分析、仿真等工作，減少實驗次數，提出改進方向，也可以對設計結果進行數字化驗證。

4 現代設計方法教改對策

4.1 分析

總體而言我國中小企業對現代設計方法的學習和應用非常落后，根本的特征體現為：缺乏量化、經驗處于保證設計質量中的主導地位，設計主要遵循類比法、缺乏創新，設計作業以手工為主、沒有自動化，設計的效率低、周期長，設計的產品效益低。與工業發達國家比較，差距的根源在于：

（1）沒有形成系統化的現代設計方法使用環境。設計基礎數據及判據不全，設計規范和設計手冊陳舊落后，先進的設計理論和方法難以轉化為設計者可直接采用的技術。

（2）計算機輔助技術掌握和計算機硬件計算能力落后。計算機應用上，交互式繪圖雖然普及了，但依然占據著使用的主流，CAD/CAE/CAM/PDM（3C1P，或者 4C1P）方面的使用很少且遠遠沒有系統化，CAE的認識都嚴重缺位，對比國外，早在2000年，機械行業中交互式設計及繪圖工作就不超過設計工作量的40%，以有限元方法為核心的CAE工作量就達到40%～60%，而且基于軟件的優化設計占工作量的很大部分。基于3C1P（或4C1P）系統化全過程輔助進行產品設計的人才和面向具體要求進行3C1P二次開發人才缺乏的情況嚴重地影響著我國設計水平的提高。培訓人才，尤其是培訓現有的設計人員迫不急待而且任務艱巨。

4.2 現代設計方法體系

基于特定培養目標企業的調研，進行針對性的教學內容選擇才能獲得比較理想的教學效果。

針對計算機應用能力弱的情況，需要在設計方法體系中加強CAD軟件的系統化教學，包括三維建模、裝配建模、工程圖繪制三個方面，缺一不可。操作上最好是基于同一軟件（綜合型CAD/CAM軟件）完成三個方面教學。

針對中小企業需求，加強有限元設計方法、優化設計方法、計算機仿真教學，分別以獨立課程形式從理論到應用進行全方位教學，可靠性設計、動態設計、模塊化設計和逆向工程等方法則以講座形式介紹，擴大學生知識面。

創新是21世紀的主題，在強調創新思維，培養創新人才的同時進行系統化創新方法講授，如TRIZ理論，盡可能結合軟件進行教學。

針對理論學習內容多、公式推導多、枯燥乏味，而實際應用由計算機承擔所有的復雜計算，應用軟件有友好的用戶界面，結果顯示清晰明確，設計簡單直觀，計算過程輕松而有吸引力的矛盾，采用理論與軟件同時學習的方式進行。

從方法理論、支撐軟件、創新三個方面構建的面向中小企業的現代設計方法培養體系，如圖1 所示。

圖1 面向中小企業的現代設計方法體系

4.3 創新之處

面向中小企業的現代設計方法教學體系的特色與創新之處在于：

（1）面向市場需求。現代設計方法種類很多、層次不同、難度各異，應用在產業鏈的不同環節解決不同的問題，窮盡設計方法既無可能也無必要。本文基于本校畢業生的就業企業進行調研，明確其使用的主流方法、困難之處和發展趨勢，為提高教學質量、提高學生就業競爭力提供依據。

（2）指向應用的教學目標，符合培養高級應用型人才的人才培養目標。

（3）提高學生應用現代設計方法解決工程問題的能力。

5 結語

現代設計方法是大幅度提高產品設計效率、質量和降低成本的有效手段從而在企業中得到廣泛應用，但是由于各種原因，中小企業并沒能夠普遍采用現代設計方法。中小企業中設計人員主要來自地方新建本科院校，本文基于中小企業技術類崗位的調研，雖然CAD已經普及，但是中小企業產品設計在設計模式、設計方法、應用計算機等方面仍然處于整體落后、系統化更是極其薄弱，有限元分析、優化設計零星使用且有旺盛需求，其他方法涉及較少。總結提出面向中小企業的現代設計方法教學體系，提供教學改革的依據，從而建立應用型的現代設計方法教學模式，并切實提高學生應用現代設計方法解決實際的工程問題的能力。

[1]趙松年,佟杰新,盧秀春.現代設計方法[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2]李思益,任工昌,鄭甲紅,等.現代設計方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007.

[3]黃靖遠,高志.機械設計學[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4]聞邦椿.產品全功能與全性能的綜合設計[M].北京:機械工業出版社,2008.

[5]Otto,K.N.,Wood K.L.Product Design:techniques in reverse engi neering and new product development.[M].NJ:Prentice Hall,2005.

[6]溫詩鑄.機械學發展戰略研究[M].北京:清華大學出版社,2003.

[7]趙敏,史曉凌,段海波.TRIZ理論入門及實踐[M].北京:科學出版社,2011.