面向中國制造2025的計算機輔助工業設計教學改革

郭林森

摘要：計算機輔助工業設計以CAD技術為依托，涵蓋概念設計、數控加工、快速成型、模具制造等多個環節，使現代工業設計呈現出綜合化、多元化的發展趨勢。《中國制造2025》作為中國政府實施制造強國戰略的行動綱領之一，明確提出“推進制造過程智能化”，即“智能制造”。在未來的“智能制造”領域，計算機輔助工業設計將大有可為。就高等教育而言，計算機輔助工業設計課程的改革將以項目驅動式教學法、“互聯網+”教學法、交互式教學理念等為主導，提高教學質量。計算機輔助工業設計要緊緊圍繞“中國制造2025”，不斷改革，銳意創新，適應新形勢的要求，為中國制造走向世界舞臺貢獻一份力量。關鍵詞：計算機輔助工業設計;中國制造2025;工業設計;產品設計

中圖分類號：G64

文獻標識碼：A

文章編碼：1672—7053（2019）05—0028—02

Abstract：Computer Aided Industrial Design is based on CAD technology， including conceptual design， numerical control machining， rapid prototyping， mold manufacturing， etc. "Made in China 2025"， as one of the action programs of the Chinese government to implement the strategy of becoming a manufacturing power， clearly puts forward the idea of "promoting intelligent manufacturing process"， namely "intelligent manufacturing". The future of "intelligent manufacturing"， CAID will be very promising. The teaching reform of CAID will be led by project-driven teaching method， "Internet +" teaching method and interactive teaching concept to improve the teaching quality. CAID should focus on "Made in China 2025"， make continuous reform， bold innovation， adapt to the requirements of the new situation， and make a contribution to the world stage of Made in China.

Key Words：Computer Aided Industrial Design; Made in China 2025; Industrial Design; Product design

《中國制造2025》是中國政府實施制造強國戰略的行動綱領之一。《中國制造2025》明確提出“推進制造過程智能化”，即當下廣受關注的“智能制造”。計算機輔助工業設計，以計算機技術為依托，以提高產品設計的科學性、可靠性為目的。面對“智能制造”時代所帶來的挑戰和機遇，計算機輔助工業設計如何改革與創新，為中國制造更好地走向世界舞臺出謀獻策，是一個值得深思的課題。

1 計算機輔助工業設計

計算機輔助工業設計（Computer-Aided Industrial Design簡稱CAID），以計算機技術為依托，以數字化、可視化為特征，以提高產品設計的科學性、可靠性為目的。具體而言，CAID以CAD技術為依托，并與數控加工、快速成型、模具制造相聯系，使工業設計呈現出綜合化的發展趨勢。它廣泛應用于產品設計的各個階段，具備高度的靈活性、高效率、低風險、開放性等優勢，側重設計因素的整合。設計師可以利用計算機進行造型設計、結構設計、人機分析等，未來將更加智能化。

就目前的研究狀況而言，國內部分學者已在該領域有所建樹。如潘云鶴先生針對計算機輔助工業設計的發展情況，指出計算機輔助工業設計的核心在于產品設計，并對它的發展提出了許多富有前瞻性的建議[1]。李博等人以計算機輔助工業設計技術為切入點，結合材料、結構、工藝等因素，建立了產品設計的約束集，并在此基礎上優化了設計流程[2]。彭程對圖形圖像處理技術的最新進展和應用情況作了研究，指出計算機圖像處理技術提升了工作效率，降低了生產成本，并改變了以往的工作模式和生產方式[3]。

2 中國制造2025

《中國制造2025》明確提出“推進制造過程智能化”，在某些領域建設智能工廠，加快人機交互研究，推廣工業機器人，實施物流管理的智能化等等。其中有一個值得注意的關鍵詞，即“智能制造”，它是未來制造業的大趨勢。

智能制造是由機器和專家組成的智能系統，能進行某種程度的邏輯分析、決策等智能活動，目的在于部分地取代人的腦力勞動，表現為一種高度的智能化。其基本格局是分布式網絡化智能系統，設計是重要節點之一。設計結點由CAD（計算機輔助設計）和它的代理（設計Agent）組成，它提供了一個友好的人機界面，方便設計師與計算機進行有效溝通，共同承擔設計任務。CAD的主要作用在于協助設計師從用戶的需求出發，提供最佳的產品解決方案。在整個系統當中，設計結點承擔了承上啟下的作用，對于了解用戶的真實意圖，并決定最后的生產方式至關重要。

隨著美國的“先進制造業伙伴計劃”、德國的“工業4.0”、日本的“再興戰略”、法國的“未來工業”計劃，中國制造2025的適時推出，可以說是與世界接軌。國內對于智能制造的研究正處于密切關注階段，取得了不少有價值的成果。顧寄南教授從機器視覺、優化調度和系統自組織三個方面出發，指出了智能制造的最新發展趨勢，為研究人員提供了理論參考[4]。

3 教學改革

3.1 教學的若干層次計算機輔助工業設計課程有相對固定的要求，通常而言，掌握基本的操作程序和方法是入門階段，加深對復雜形體和結構的理解是提升階段，熟練地運用于產品設計過程是最終目標。如此看來，計算機輔助工業設計的教學可分為四個基本層次，即基本操作、形體分析、造型方法、全流程思維。

1）基本操作。基本操作是計算機輔助工業設計類課程的基礎。對于大多數計算機輔助設計軟件而言，其操作都有一定的程序，而掌握這些程序當中的邏輯關系至為重要，這將大大減少對于一些命令的記憶時間。對于普通用戶而言，記憶大量的命令、步驟是最為枯燥乏味的，學習效果也是最差的。有鑒于此，這里有必要提醒學習者，理清各個模塊之間的邏輯關系，對于理解軟件的架構，熟練使用這些輔助平臺有著非同尋常的意義。以ProEngineer軟件為例，它分為草圖、零件、鈑金、工程圖等幾個主要模塊，各個模塊對應不同的產品開發階段，理解它們之間的邏輯關系，可以大大提高學習效率。

2）形體分析。計算機輔助設計軟件有一個很大的功用即表達形體，不論是草圖設計，還是效果圖、模型設計，一個重要的動因就是推敲形體。因此，培養形態的分析與理解能力，是課程更深層次的目的[5]。在形體分析方面，計算機輔助設計軟件有著天然的優勢，特別是在360度演示、虛擬仿真等方面，可以很好地幫助設計師全方位的推敲形體，并最終作出正確的決定。手繪固然有快速、靈活等特點，但形體的真實效果、與形體有關的環境虛擬等這些方面，完全可以借助計算機輔助設計軟件得以實現，這也是計算機輔助工業設計的初衷之一。尺有所短，寸有所長，對于計算機輔助工業設計要做到揚長避短、因勢利導，才能更好地發揮它的輔助之用，為產品設計服務。

3）造型方法。形體分析之后便是造型方法的運用，這是每一個設計師都必須經歷的過程。對于造型方法，如疊加、漸削、切割、堆砌、加減、虛實對比等等，傳統的手繪費時費力，且效果不夠理想;計算機輔助設計軟件卻能夠輕松的駕馭，且效果直觀，這對于設計師解放雙手有很大的幫助。另外，計算機輔助設計軟件奉行的“所見即所得”的處理方式，對于設計師靈活地使用各種造型方法，起到了一個直觀的驗證方式，這是手繪無法比擬的。任何一種造型方法都需要經過實踐的檢驗，計算機輔助設計軟件的虛擬驗證階段，大大降低了實踐驗證的風險，而且在某種程度上改善了這一過程，這是最為難能可貴之處。

4）全流程思維。產品設計是一個完整的過程，各個環節之間呈現出一種有機聯系，它不是片斷式的，割斷任何一部分都將是有害的。這也就是現代產品設計所主張的全流程思維，將產品的創新融入一個完整的流程當中，以全局性、系統性的思維考慮問題，提出解決辦法。計算機輔助設計課程就是產品設計全流程當中一個很好的聯系紐帶，貫穿產品設計的整個階段。從形體分析到造型方法，從概念設計到模具開發，從產品投產到用戶體驗，計算機輔助設計都能夠提供強有力的支撐，這對于產品設計而言，幾乎是顛覆性的。

3.2 改革措施

探究式教學（InquiryTeaching），又稱發現法、研究法[6]。針對一些基本概念和原理的學習，教師只提供具體的事例并提出問題，讓學習者獨立自主地通過觀察、思考、閱讀、討論、實驗等方式進行探究，自行得出結論的一種方法。國外研究機構曾對幾種學習方法分別進行了實驗，依據學生對知識點的掌握情況進行排序，依次為：傳統講授25%，視頻教學30%，自學40%，討論式學習50%，實踐驗證60%—70%，翻轉課堂即學生替代教師授課高達90%。由此可見，在課程的學習過程中，學生的參與性超高，其對知識點的記憶和運用越嫻熟。具體到計算機輔助工業設計課程而言，有必要改變現有授課模式，讓學生參與教學，直至成為主角，教師負責啟發和引導，共同營造一個良好的學習范圍。

項目驅動式教學法。在教學中把實際項目引入到課堂教學中，通過對項目的講解、分析、制作完成相關理論知識和技能訓練[7]。這一點，在計算機輔助工業設計課程中尤為重要。以往的虛擬課題，缺乏針對性、更缺乏設計的情境感，對于提高學生的設計水平是不利的。將實際項目與課程結合才能真正體現其“輔助”價值。

“互聯網+”教學法的改革。比如，當前廣受學生歡迎的慕課、微課等形式，充分利用互聯網技術并結合學生的興趣點，以他們樂于接受的方式授課，這也是計算機輔助工業設計課程適應新形勢的必然要求。從某種意義而言，“互聯網+”教學法是一種因材施教、因時而異的典型應用。

交互式教學理念。交互式教學的本質是信息在“教”與“學”兩者之間的雙向流動，以培養學生的積極性、主動性、創造性為目標，將學生視為學習的主體，同時更好地發揮教師的引導作用，提高教學質量。計算機輔助工業設計課程引入交互式教學理念，目的在于實現學生與教師兩者之間的良性互動。

4 結語

《中國制造2025》之中很重要的一個關鍵詞即“智能制造”，在未來的“智能制造”領域，計算機輔助工業設計將大有可為。

“智能制造”可以理解為“智能機器”和“人類專家”兩極，溝通二者的橋梁即計算機輔助工業設計，它一方面讓機器更加智能，另一方面也讓設計師更能讀懂機器，二者相輔相成。如此看來，《中國制造2025》的實施，將是計算機輔助工業設計大發展的春天，挑戰與機遇并存。計算機輔助工業設計要清醒地認識到“智能制造”所帶來的挑戰，特別是關于技術方面的，需銳意改革;同時，計算機輔助工業設計也要敏銳地意識到“智能制造”所蘊涵的機遇，找準切入點，大膽創新。創新沒有終點，計算機輔助工業設計要緊緊圍繞《中國制造2025》，做到“有所為，有所不為”，不斷創新，適應新形勢的要求，為中國制造走向世界舞臺貢獻一份力量。

本文系南昌航空大學創新創業教育課程培育項目“Pro/Engineer軟件”階段性成果（項目編號：KCPY168）。

參考文獻

[1]潘云鶴，孫守遷，包恩偉.計算機輔助工業設計技術發展狀況與趨勢[J].計算機輔助設計與圖形學學報，1999（3）：248-252.

[2]李博，余隋懷等.多約束下的產品形態設計計算機輔助系統研究[J].中國機械工程，2013（3）：340-345.

[3]彭程.計算機圖形學與圖形圖像的處理技術研究[J].電子質量，2018（8）：06-12.

[4]顧寄南，尚正陽等.當前智能制造若干關鍵技術綜述[J].機械設計與制造工程，2017（9）：

11-15.

[5]梁峭.從計算機輔助設計課程看工業設計教學中的思維培養[J].裝飾，2017（12）：81.

[6]麥秀好.人、物、事三位一體的工業設計史探究式教學研究[J].裝飾，2018（8）：136.

[7]王文亮.基于項目驅動的《建筑模型制作》應用性課程建設探究[J].工業設計，2018（7）：127.