創新方法在產品數字化設計技能拓展PBL課程中的應用

史皓良， 江平宇， 李普林， 郭 威， 何龍龍

（西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安710054）

0 引 言

當前，互聯網、人工智能、大數據、3D打印等新一代信息技術引導的科技革命和產業變革蓄勢待發，信息技術的發展也不斷改變著人類的思維、生產、生活和學習方式。科技進步與產業變革離不開高校的貢獻，高校作為培育高質量創新性人才的孵化器，承擔著引領我國工業技術與科技發展方向的重要責任［1］。

產品數字化研發能力作為當代工科大學生必備的能力，也是現代制造企業對人才引進的基本要求。而產品數字化設計創新能力是衡量能否實施萬眾創新創業的核心要素，也是制約創新創業的關鍵瓶頸之一。面對新一代信息技術浪潮如何培養出具備產品數字化設計創新能力的應用型人才，是目前工科類高校追求的目標，同時也是目前高校教學過程中面臨的難題。

過去10年，國務院、教育部等相繼頒布了鼓勵創新性工程應用人才培養的政策，例如為貫徹《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020）》提出“卓越工程師教育培養計劃”旨在為國家培養出能夠適應和滿足社會經濟發展需求的高質量、創新型人才［2-3］；緊接著2017年在“中國制造2025”國家戰略背景下為主動迎接新一輪信息計劃與產業變革，提升服務創新能力，教育部繼續推出卓越工程師計劃的升級版“新工科”建設［4-5］；2019年《中國教育現代化》和《國家教育事業發展“十三五”規劃》中也指出需要繼續提升高質量一流人才培養與創新能力，加強創新人才以及應用型、復合型等符合新時代需求的人才占比。

通過對相關文獻閱讀［6-10］，發現目前在產品數字化設計的創新能力培養與高校教育教學過程中還存在一些問題：①教學以授課形式為主，認知實驗為輔，學生對課程的主動參與性不強，不利于形成以實操為基點、以靈活運用理論知識到實踐中的能力增強；② 課程間的知識串聯性、融合性不足，缺乏對大學所學知識進行整理、串聯和融合的主動實踐性課程；③以師生互動為基礎的實操作為手段，進行知識強化和知識體系梳理，涉及對當前專業培養方案及其教學模式的改善，這無疑倍增了教師教學工作量和教學難度。

基于以上背景，提出創新方法驅動的產品數字化設計技能拓展PBL（Project-Based Learning）課程教學模式。通過構建采用基于PBL的教與學模式，結合科學的創新理論和方法，設計創新方法驅動的產品數字化設計課程體系，以培養授課對象初步掌握產品數字化設計方法和提升產品數字化創新設計能力為教學目標的工科類教學模式，一方面有利于培養學生的工程創新應用能力，另一方面也能夠有效地解決現代制造企業對于創新人才的需求。

1 創新方法驅動的PBL課程教學模式

PBL課程教學模式，即以實際的工程產品或項目為出發點，進行多學科知識綜合運用，以期實現產品的全生命周期過程中的問題解決［11-12］。與傳統的教學模式不同，基于PBL的教學模式是以實際的生產工程問題作為研究和學習的對象，問題本身是開放性的，這里就需要學生充分發揮主觀能動性和自我創新能力，利用已掌握的專業知識積極探索和發現解決方法［13］。同時，在基于PBL的教學模式下教師作為學生的學習引導者或項目評估專家，而學生作為項目的具體實施者和問題的探究者，這也與傳統教學模式中教師和學生的角色定位不同。此外，學生在進行項目問題解決過程中還需充分調用各類學習資源，分工協作，這都是與傳統的教學模式有所不同。PBL更多是引導、啟發式教學、跨學科性、協同工作、一手知識資源、多角度評價、著重工程項目執行能力，這也符合目前高校工科人才的培養和制造企業對人才的需求［14］。

以產品數字化設計為對象，提出采用創新方法引導的PBL教與學模式，如圖1所示。

圖1 創新方法驅動的PBL課程教學模式

該教學模型以培養學生機械產品數字化研發的創新能力、探究式自主學習能力和協同合作能力為教育目標，借助創新方法理論將計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程分析（CAE）與計算機輔助制造（CAM）等系統軟件融入基于協同分工的PBL課程教學過程中，用以完成基于機電產品/關鍵部件設計與模型制造的項目任務。具體分為以下5個階段：

（1）講座式強化培訓階段。該階段作為課程第1階段主要通過組織各類講座，形成知識索引與串聯，通過引入真實項目工程問題幫助學生探索專業知識與工程問題的結合點，為學生后續各個階段的學習和項目實踐奠定理論基礎。在產品數字化設計能力拓展PBL課程中，圍繞產品生命周期各個階段設置了CAD/CAE/CAM/NC等產品數字化手段、創新方法理論（包括3個方面：創新思維、發明問題解決理論（TRIZ）以及工業工程）、工程問題引入等課程，培養學生產品數字化設計創新能力。并通過課上引導課下自學的方式，讓學生把理論與實踐項目結合從“做中學、學中做”。圖2所示為產品數字化設計技能拓展PBL課程中的講座設計框架圖。

圖2 《產品數字化設計能力拓展PBL課程》講座設計框架圖

（2）認知實驗階段。認知實驗階段需要學生提前進行人員分組，通過自主動手實踐，了解項目產品或工程問題對其有一個初步認知。在產品數字化設計技能拓展PBL課程中，則主要通過學生拆裝/觀察已有的多種型號的RepRap-3D打印機、進行硬件驅動與軟件安裝等了解已有3D打印機的工作原理及其缺陷，并通過設計含典型打印特征的樣件、進行打印工藝參數的正交實驗來體驗如何正確使用3D打印制造零部件，既為進行機械本體結構設計方案的確定提供感性素材，又為后續設計模型制作提供工藝能力基礎。

（3）項目規劃階段。該階段需要學生在課下提前做好工程問題或產品調研，通過利用各類學習資源（網絡、文獻、圖書館、生活實踐等），選擇具有一定創新性的機械產品進行對比分析和整體本體結構設計擬定，同時從產品或項目問題的背景、意義、研究目標和內容等方面進行項目計劃書的撰寫。

（4）項目執行階段。項目執行階段需要學生在充分利用已掌握的專業知識以及在培訓講座課程中所涉及的數字化產品設計方法和創新方法等理論知識（項目管理/成本分析/TRIZ/質量屋QFD/魚骨圖/思維導圖/SWOT分析）圍繞產品全生命周期從需求分析、總體結構設計、運動分析與結構方案確定、產品詳細設計（綜合利用CAX軟件對研究產品進行選型設計、關鍵機構設計、強度計算及有限元分析等）以及產品樣機打印。最終可以形成能在市場上采購或自制的產品物料清單（BOM）、產品圖紙、CAE分析及零件CAM/NC加工結果等。

（5）項目評估階段。項目評估階段及教學評價是作為課程成果檢驗的重要方式，科學合理地對課程實踐項目進行階段性的評估和總結不僅可以激勵學生的學習積極性，而且能夠即時對學生學習方法和效果起到引導和檢驗的作用。

在產品數字化設計技能拓展PBL課程中，采用基于項目貢獻度的學生分組協作課程設計多階段評估方法，具體要求學生按小組撰寫項目工作/技術報告及PPT答辯稿，展示機械產品原型制作結果并進行課程答辯和綜合評估。項目評估與課程各個階段并行進行，依據教學進度計劃，分別在5個教學和項目執行階段中設置6次小組階段性匯報，作為課程的“質量控制點”用于把控各個小組學習進度和項目執行效果。課程個人成績評定方式：出勤率20%+認識實驗報告20%+課程報告60%（參照個人對項目的貢獻度），其中，課程報告評價過程中依據6個階段性報告，個人貢獻度依據項目實施過程中的個人表現（學習態度、工作量、工作能力和團隊合作能力等因素）參考組內組間自評與互評，由助教和任教老師最終進行綜合評價。

2 產品數字化設計技能拓展PBL課程中創新方法的引入

在知識經濟時代，現代企業對具備創新能力的工程人才迫切需求。而基于PBL的課程本身是一種以“學生為主，老師為輔”的主動實踐創新技能學習方法，課程實踐過程中需要學生更多地去貼近項目本身并注重項目實施的過程，相比于傳統的教學模式更容易激發學生的工程職業素養，也更有利于培養學生的實踐創新能力。為了更加科學地引導學生理解工程項目、產品設計及創新方法之間的融合機理，在產品數字化設計技能拓展PBL課程中引入創新方法理論，圍繞產品設計流程和具體產品設計問題解決兩個方面，通過課程強化講座指導學生系統掌握、運用創新方法提升產品數字化設計創新能力。

2.1 創新方法驅動的產品數字化設計流程

產品設計流程在整個產品開發過程中起到技術工作準備、資源組織管理、降低開發成本與周期等重要的作用，更是產品開發的首要任務。而在產品數字化設計技能拓展PBL課程中，學習和掌握產品設計流程能夠幫助小組成員對工程項目任務進行合理分工，更高效地完成項目任務。同時在產品設計流程引導下，學生能更好地掌握產品設計相關的各類專業知識，鍛煉和提高其團隊合作與工程項目問題的解決能力。

工業工程理論作為企業管理創新的方法可以幫助企業在產品開發和改進上提供有效的理論支撐。其中，六西格瑪作為指導現代企業進行質量持續性改進的有效管理模式，不僅能夠幫助企業達到提質增效降本的作用，同時借助多方法的集成能夠幫助企業員工提升其創新能力。在本課程中通過強化講座引入工業工程中的六西格瑪管理理論，主要包括六西格瑪設計（Design for Six Sigma，DFSS）中的各個設計流程（例如：DMADV（定義、測量、分析、設計、驗證），DMADOV（定義、測量、分析、設計、優化、驗證），IDDOV（識別、界定、開發優化、驗證）和DCCDI（定義、顧客需求、概念、設計、實現）等，引導學生在項目實踐過程中以科學有效的產品設計流程作為項目實施過程的方法指導。

DFSS中的DMADOV設計流程如圖3所示，以此設計流程來引入多創新方法。由圖3可見，DMADOV流程基本上是以問題解決過程為導向的，其中定義階段和測量階段的目標是對項目問題進行分析，得到產品關鍵質量特性及客戶需求等信息；分析、設計以及優化則作為問題解決過程的3個重要階段，分別形成產品的概念設計、詳細設計以及對設計參數優化；最后在驗證階段完成整個問題方案的閉環得到產品或方案的可行性驗證。在整個運用DMADOV進行產品設計過程不同的階段，可以與多種創新方法理論和工具進行融合，例如在定義階段可以使用親和圖、KANO分析等創新工具進行產品或項目問題的分析。采用融合多個創新方法工具的產品設計流程集成框架，能夠把創新方法和工具嵌入真實的產品或項目實施過程中，幫助學生充分、系統地掌握產品設計流程與創新方法的使用。

圖3 以DFSS中（DMADOV）設計流程為例引入創新方法

2.2 創新方法解決產品數字化設計問題

針對產品設計階段具體的設計問題求解，在本課程通過引入TRIZ創新方法理論來指導學生對產品數字化設計過程中的具體設計問題進行求解。TRIZ最初是由蘇聯發明家根里奇·阿齊舒勒（G.S.Altshuller）及其團隊通過對250萬件工程發明專利分析研究最后總結出用于解決工程技術問題的發明原理和方法［15-16］。相比于其他創新思維計法（如試錯法、綜攝法等）TRIZ理論能夠系統性提供問題的分析和解決方案。同時，傳統工科類課程在解決工程問題時，通常忽略了問題本身，而根據已學的專業知識直接去解決問題。這種方式會造成學生形成固定的問題解決思維模式，就此通過引入TRIZ創新方法理論幫助學生形成分析問題、定義問題、解決問題以及問題評估的系統性問題求解理論體系。圖4所示為使用TRIZ理論進行具體的產品設計問題求解流程圖。

圖4 TRIZ理論求解問題流程

3 Rep Pap開源打印機設計項目中的應用案例分析

結合機械類工科學生的專業知識儲備，以RepPap-3D開源打印機的機械本體設計為設計能力提升的工作對象，依托課程講座式強化培訓、認知實驗、項目規劃、項目執行、項目評估這5個階段，培養學生綜合運用創新方法理論和CAX軟件，達到培養學生產品數字化研發的創新能力之目的。對產品數字化設計技能拓展PBL課程中的某一組學生項目案例進行分析。

圖5所示為以RepPap-3D開源打印機機械結構設計為實踐項目的一小組學生項目實施案例，從圖中看出該小組采用六西格瑪產品設計流程中的DMADV設計流程為總的項目實施框架。在項目實施過程中各個階段具有非常清晰的任務劃分并在各個階段學習和使用了各類創新方法及工具：在定義階段，首先利用網絡工具對RepPap-3D打印機進行充分的調研手機客戶需求，接著借助SWOT分析、WBS工作分解圖以及項目計劃甘特圖等項目管理工具和方法完成項目規劃的任務；在測量階段，使用了質量屋和CTQ關鍵質量特性分析等創新方法結合用戶需求分析擬設計的3D打印機各項功能特性與顧客需求間的影響程度，進一步確定項目的目標；在分析階段，利用價值工程的思想使用最合適區域法對3D打印機的功能價值進行分析，并對多個初始方案進行評估確定最終的打印方案；在設計階段，首先利用數字化設計工具CAD/CAE/CAM等軟件進行擬定打印機的結構進行設計和仿真分析，接著在進行關鍵零部件校核和設計時采用TRIZ矛盾矩陣法對其進行創新改進，最后完成最終的3D打印機三維模型；在驗證階段，借助實驗室提供的3D打印機對簡化后的三維模型進行打印得到RepPap-3D打印機樣品。

圖5 RepPap-3D開源打印機項目實施案例

從整個項目實施的過程中可以看出，學生是以一種主動實踐的方式進行項目實施。其中需要學生進行大量的項目調研，制定合理的項目規劃和分工以及充分運用所學的各類專業技能和知識。多創新方法的嵌套使用（六西格瑪產品設計流程與TRIZ創新理論）既幫助學生提供系統性的項目實施方法，同時也幫助學生在解決具體的產品結構和項目問題上提供一種創新性的解決思路。

4 結 語

圍繞工科機械類學生產品數字化設計創新能力提升這一核心問題，在產品數字化設計能力拓展PBL課程中引入創新方法理論。設計了一種創新方法驅動的PBL課程體系與培訓機制，并依托產品數字化設計能力拓展PBL培訓課程的教學實踐，從創新方法在產品數字化設計流程以及具體的設計問題兩方面剖析多創新方法在PBL課程中的應用機理與影響機制，其中著重介紹了六西格瑪產品設計流程DMADOV以及TRIZ創新理論。最后，以實際的學生項目實施案例驗證了該教學模式的可行性與科學性。