新工科形勢下現代設計理論與方法課程改革與創新探討

喬東平，肖艷秋，李浩，羅國富

（鄭州輕工業學院機電工程學院，河南鄭州　450002）

為應對國內制造業面臨的困難，國家針對制造業的振興和轉型升級發布了實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領“中國制造2025”，提出中國要從制造大國向制造強國轉變，要以高端制造、現代制造服務業和“互聯網+”等新興產業為發展方向。制造業的振興和轉型離不開科學基礎扎實、工程能力強的工程人才支持，這就要求我國工程技術教育進行一場深刻的變革，適應“互聯網+”和智能制造環境下制造業發展對人才的需要。為推動我國高等工程教育加速改革，教育部提出高校要加快建設和發展“新工科”，并陸續形成了“復旦共識”、“天大行動”、“北京指南”，為“新工科”的建設指明了方向。在此形勢下，如何培養適應新工業需要的復合型和綜合性人才是機械類專業教學過程中亟待解決的問題。

本文以“現代設計理論與方法”課程教學為例，基于對“新工科”建設背景、相關共識和指南的理解，結合教學和人才培養實踐，對新形勢下機械類相關專業課程教學的改革和創新進行探討。

1　新工科形勢下機械專業教學面臨的挑戰

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能夠適應、甚至引領未來工程需求的人才，這就需要工程教育的新結構，對專業和課程的邊界再設計、進行課程重構等，以使學生具備“新素養”[1]。機械類專業作為工學中的一個專業大類，是“最強工科”之一，急需要進行改革和創新已培養具備“新素養”的工程人才。在制造業轉型升級為智能制造和“新工科”建設的雙重壓力下，當前的機械類專業教學面臨著巨大的挑戰。

2　現代設計理論與方法介紹

《現代設計理論與方法》是機械類專業高年級和研究生的一門重要的專業課程，內容涉及到多門基礎課程知識的綜合應用，具有較強的知識綜合性和學科交叉性。課程系統地教授現代機械設計的理論和方法，重點講解設計領域中普遍運用的科學技術方法及其設計規律，并對幾種常用現代設計方法和工具進行介紹。通過課程的學習使學生掌握現代機械設計理論中的基本概念，基本原理和基本計算方法，了解本學科的最新發展和動態，拓寬學生視野，培養學生應用現代設計方法的意識，提高學生分析和解決工程設計中的技術問題的能力，增強學生創新設計意識，不僅使學生對現代化設計方法總的情況有一個全面的了解，而且對常用的主要設計方法能比較熟悉，并能自覺運用；通過學習相關的理論和方法，學生能把具體的機械設計問題轉化為相應的物理模型及對應的數學模型，在具備對機械系統進行動態分析能力的基礎上，掌握用現代計算方法和手段求解機械系統動態性能設計的能力。

從對課程介紹可以看出，《現代設計理論與方法》對“新工科”建設形勢下學生創新設計能力的培養具有不可替代得作用，但是受傳統教學模式和教學資源得限制，其教學通常重理論講解、輕實踐操作，并且講授知識更新滯后。因此學生通常只是掌握了一些現代設計的理論，而將所學知識應用于實踐的能力較差，因此迫切需要結合“新工科”建設和國家智能制造戰略對課程教學進行改革和創新。

3　新工科形勢下現代設計理論創新內容

3.1　內容改革和創新探討

《現代設計理論與方法》包含的內容較多，相關設計方法和理論種類繁多，如何在有限的課時內培養學生的創新設計能力，使之具備“新工科”形勢下所需要的“新素養”是教學過程中首先要解決的問題。《中國制造2025》提出將進一步推動制造業創新設計能力提升，全面推廣應用以綠色、智能、協同為特征的先進設計技術，加強設計領域共性關鍵技術研發，攻克信息化設計、過程集成設計、復雜過程和系統設計等共性技術，開發一批具有自主知識產權的關鍵設計工具軟件，建設完善創新設計生態系統。為適應這些需求，課程內容在介紹傳統設計方法和理論的基礎上，剔除過時、陳舊的內容，補充與技術發展趨勢一致的新內容是必要。結合當前技術的發展，可以在以下幾個方面進行改革和創新。

首先精煉傳統內容，對一些落后的技術和方法進行刪減，增加綠色設計、智能設計和協同設計相關內容，特別是先進的信息技術在設計領域中應用方面的內容，如以三維CAD、CAE等為工具的產品數字化設計和開發相關的關鍵技術、產品概念設計中的數字化樣機應用技術、多學科優化設計技術等，培養學生創新設計能力；其次為了培養學生在創新設計方面知識的體系性，增加現代機械設計的基本原理與方法相關的內容，有重點的講授系統化設計方法、模塊化設計、TRIZ理論、公理化設計理論、質量功能矩陣、三次設計方法等內容，使學生了解創新設計的方法和理論，掌握在理論指導下的現代機械產品創新設計過程，如產品規劃、方案設計、技術設計、系列產品和組合產品開發等；在“互聯網+”模式下，我國制造業服務化得到了一定的發展，服務型制造成為制造業中最具潛力的發展方向，產品設計階段就要考慮產品的服務功能，這就需要從全生命周期的角度來考慮產品設計，因此要增加制造服務方面的內容，使學生在能夠了解服務型制造的本質，適應產品設計、制造和服務融合發展的新模式；最后，伴隨著網絡技術的發展，機械產品中日益增加現代信息技術的應用，發展成為“機械、電子、信息和網絡”一體化的技術和產品，因此教學內容中應增加多學科的關聯性綜合應用相關的內容，引導學生借助模塊化設計思想建立在產品設計過程中能夠應用相關領域知識的關聯性解決產品設計中的問題。

總體而言，課程內容應該朝著重點突出、覆蓋面廣、堅持創新、結合技術發展趨勢的方向進行改革，確保學生對現代設計知識掌握的深度和廣度。

3.2　創新探討

（1）案例教學與理論教學相結合，根據教學內容，有目的性的尋找相關案例，針對理論性比較強的知識點結合案例借助于先進的多媒體技術將抽象的概念轉化為形象具體，使得相關知識變得直觀生動。在講授系統化設計方法時，以簡單的產品為實例，如常用的激光打印機，借助動畫、圖片、視頻等手段，詳細說明打印機設計過程的劃分、設計階段的實現、設計方法的應用，并對打印機設計過程中各要素間的聯系與層次性進行分析，獲得最終的解決方案，通過將不同的設計要素的結合實現最終要求，使學生能夠通過實例了解到基于該設計方法的產品設計過程，真正理解該設計方法，并體會到現代設計方法的重要性，并與傳統方法進行比較，領會現代設計方法的先進性[2]。

（2）教師課堂講授和學生自講相結合。對于一些當前的一些熱點內容，各方面的討論較多，如智能制造、綠色制造相關的內容，可以設定準備的內容范圍，讓學生利用互聯網和圖書館等資源自己先查找資料，自作多媒體，讓學生先講，然后老師對學生的觀點、事例進行分析，將學習的主動權交于學生，使學生可以從自己感興趣的角度理解相關知識，并通過課堂討論進行知識點的綜合，提高學生學習的主動性，提升學生的理論興趣，拓展學生的理論深度和廣度。

（3）伴隨著互聯網和移動互聯網的普及催生了“翻轉課堂式”教學模式。這對于教學內容多，部分內容抽象度較高的《現代設計理論與方法》課程是十分適宜的。對于一些更新較快的知識，如CAD、CAE等信息技術在現代設計中的應用，一方面這些系統版本眾多且更新較快，不同的系統有不同的特點，在有限的教學時間內很難進行全面細致的講解，另一方面互聯網上關于這些系統的視頻和電子材料較多，不同學生的掌握程度會有差異。為了讓學生更好的理解先進信息技術在現代設計中的應用，教師可以只講解核心的理論和觀點，而對于其它相關的信息，學生則可以通過看視頻、閱讀相關材料、參與專業論壇討論等方式進行學習，由學生自主規劃學習內容和節奏，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，讓學習更加靈活、主動，讓學生的參與度更強，從而獲得對相關知識的更深層次理解。

（4）在信息技術和網絡技術的支持下，通過建立網絡教學平臺開展線上教學活動，實現線上與線下教學相結合。通過網絡教學平臺，教師可以根據教學內容的要求設定不同的專題內容，并且通過共享獲取更多地教學資源，進行知識的擴展，學生可以根據自己的興趣選擇學習的內容實現線上自學。在教學平臺上可以設定簽到方式、瀏覽方式，設定相關的思考題，建立討論區，針對學生的疑問進行討論和有針對性地解答，對一些有代表性的問題和觀點進行收集，在課堂上進行專題講授，實現線上與線下的互動，提高學生的學習興趣[3]。

3.3　與實踐環節的結合

為了培養學生的實踐能力，機械工程專業在四年的本科教學中安排了眾多的實踐環節，如金工實習、各種課程設計、工廠實習和畢業設計等[4]。在新工科形勢下，機械類專業學生應該具有產品設計、制造和服務相關知識應用的綜合能力，因此《現代設計理論與方法》的教學要充分利用這些實踐環節培養學生對設計理論、方法和技術的理解。一方面通過這些環節中的實例讓學生理解課程中所涉及到的理論和方法，結合這些實例進行傳統設計方法和現代設計方法的對比，使學生能夠理解如何將所學的理論和方法應用到實踐中來；另一方面這些實踐課程要根據新工科的要求，對相關的教學內容進行更新，在教學環節中有意識的引導學生采用先進的設計理論、設計工具對這些實例產品進行再設計，給出改進意見，有意識地培養學生在產品設計方面的創新能力和關聯能力；最后在一些實踐環節中，要鼓勵學生采用新的方法和技術完成相關任務，這樣可以激發學生應用新方法和新技術的興趣，加深對相關知識的理解，提升應用能力和水平[3]。

3.4　確保現代設計理論改革和創新成功的因素

（1）加強校企合作，有針對性地開展校企聯合教學，一方面積極根據課程內容開展科技對接活動，讓有精力的學生參與企業的科研和設計活動；另一方面推進企業研發人員走進課堂，針對當前正在從事的工作為學生進行相關知識的講解，并鼓勵任課教師進入企業，形成良好的校企良性互動機制，培養“雙師型”教學隊伍，在提升教師工程技術和應用創新能力的基礎上，提高學生適應“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,通過平時大作業、實驗、課堂互動效果等多個方面對學生進行全方位的考核，合理評價學生對專業知識的掌握程度和應用水平[5]。將閉卷考試改為開卷考試，重點考查學生對知識的理解和應用能力而不是簡單的知識點記憶能力；加大平常大作業設計在期末綜合評價中的比重，通過大作業設計全面考查學生對知識的應用能力；鼓勵學生利用《現代設計理論與方法》課程中所學的知識和理論進行科技創新活動，對合理的創新給與考核加分。

（3）逐步建立多學科融合交叉的教學模式，提升學生創新能力。伴隨著網絡技術的發展，機械產品中日益增加現代信息技術的應用，多學科融合在機械產品設計中的作用越來越重要，而單一專業的任課教師很難做到面面俱到，單一的學科知識已經不能滿足“新工科”形勢下對人才培養的要求。因此需要盡快轉變傳統的培養模式，積極探索機械工程專業學生創新能力培養的新途徑，突出研究生培養中的“交叉性”特點，鼓勵和引導研究生參與到多學科交叉指導中，結合課題研究需要，通過團隊協作，合理利用導師資源，提高其綜合素質，進而提升其創新能力。

4　結語

課程改革是一件長期的工作，需要結合當前的環境和形勢進行。現代設計理論與方法是機械工程學科重要的專業基礎課，對機械工程領域人才培養具有重要意義。因此課程要結合“新工科”和智能制造的要求，緊跟相關理論和技術發展的前沿，對教學內容進行更新和完善，對教學方法和模式進行豐富，不斷地進行教學改革和創新，促進學生培養素質，提高人才培養的質量，滿足行業和社會對人才的需要。

[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.智能制造背景下應用型本科機械類專業人才培養[J].教育與職業，2017（16）：89-93.

[3]陳就，汪建曉.《現代設計方法》理論與實踐環節教學探討[J].高教論壇，2009（5）：100-101.