以產品設計能力為導向培養本科生的創新思維
——“有限元分析方法”教學模式探究

冉家琪，龔 峰

（深圳大學機電與控制工程學院 廣東 深圳 518060）

《新工科建設指南》提出：“強化工程人才的創新創業能力培養，完善工科人才創意—創新—創業的教育體系”。2020年廣東省經濟規模突破10萬億，其中作為廣東經濟中堅力量的制造業對綜合設計類人才的需求日益增大[1]，而綜合設計類人才除了要求機械類畢業生擁有建模及數值仿真的能力之外，還必須擁有“從無到有”的創新思維[2]，掌握基本的創新設計方法。因此，機械專業教育需要對現有專業課程進行內容解析，在教育理念、內容、方法、考核評價方式等方面作出相應改革[3]。

1 目前有限元分析方法教學中的典型問題

機械制造及自動化專業的培養目標是培養擁有工程背景的全方位人才和面向制造業并擁有創新能力的設計型人才[4]。然而，現有的各課程教學模式容易走入兩個誤區，第一個誤區是缺乏產品綜合設計及創新思維實踐。學生修讀上述課程后在畢業設計中不知如何統合各課程知識點并加以應用[5，6]，缺乏創新設計實踐；第二個誤區是缺乏產品設計在文化層面及經濟層面的思考。這兩種誤區具體表現為以下三個方面：

第一，課程內容與企業期望人才所擁有的能力脫節。工程實踐是檢驗工科學生學習效果的重要標準，企業作為高校畢業的最終接收者，往往很難找到“即插即用”型的人才。

第二，材料力學、機械設計課程設計與有限元分析方法等專業課程缺乏創新設計聯動及知識統合訓練。

第三，現有課程考核方式導致學生缺乏創新思維訓練及創新設計的機會。創新思維的訓練是一個長期的過程，而現有大部分機械類課程仍以考試為主。

綜上所述，為使得機械專業畢業生得到長期連續的創新思維訓練并擁有基本的創新設計能力，高校教育工作者需要改變思想，對機械類專業課需要進行必要的教學改革，以學生為中心，培養其統合過往所學基礎知識并加以綜合應用的能力，鍛煉其創新思維以適應制造類企業創新型設計類人才的需求。

2 以競賽為導向的產品設計聯動教學模式

以競賽為導向的教學模式強調對過往知識的綜合應用及創新思維訓練，結合競賽需求進行跨學科聯動教學。以全國大學生機械創新設計大賽為例，其主要目的是通過給定大賽主題，讓已經完成大部分機械類基礎課程的學生按照前期調研、概念設計、結構設計、力學分析四大產品設計基本步驟體驗創新思維的全過程。

以競賽為導向的創新思維培養及創新設計，意味著需要挑選一門專業必修課，對過往機械基礎知識進行回顧及拓展的同時，引入創新設計的基本步驟，以產品設計為最終目標講授該課程。有限元分析方法作為承接理論力學、材料力學等力學類課程與機械原理、機械設計等設計相關類課程的專業課樞紐，比較適合開展此類產品的創新設計教學聯動。教師需要對過往力學課程進行回顧的同時，介紹有限元分析方法的相關理論、相關軟件的操作，并指定某個大作業主題，給予學生8―10周的時間進行組隊分工，進行市場調研后列出設計目標人群，按照設計基本流程完成相應設計任務，將“設計黑箱”逐漸轉化為“白箱”，從而達到培養學生創新思維能力的目標。

從結果上看，聯動教學對各年級學生創新思維的培養具有重要價值：低年級學生在機械創新設計大賽、挑戰杯、robomaster大賽中可以首先使用聯動教學中涉及的有限元及機械設計的初步知識，從而更快融入設計團隊，對產品進行設計或對參賽無人機等進行拓撲優化，減少老隊員帶新隊員的磨合時間；高年級學生通過聯動教學可以在畢業設計或進入工作崗位前，最大限度地對實際設計過程中可能遇到的問題進行預演，提高解決實際工程問題的能力。對比發現，接受過聯動教學的學生在創新思維、建模仿真、設計加工、表達的能力明顯高于未接受過聯動教學的學生。圖1為本單位某2020屆畢業生依靠產品設計創新思維進行產品設計的基本流程。由此可知，以競賽為導向的創新思維訓練對培養出企業急需的新工科人才幫助巨大。

基于以競賽為導向的創新思維訓練的上述顯著優點，本教研組在機械專業課程體系中選取了“有限元分析方法”作為聯動教學的教學改革試點。2017年至今，多位參與過有限元分析方法創新思維教學的本科生獲得全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽等機械類比賽省級以上獎勵，多位同學獲得國家發明專利授權。可以合理推斷，以競賽為導向的創新思維訓練與聯動教學不僅可以梳理學生在畢業設計及日后工作中解決問題的邏輯思維，更有希望增強學生對這幾門課程的理解并反哺其產品設計所需的相關工程素養。

3 “有限元分析方法”教學引入現代設計理論的基本知識

創新思維的培養離不開科學的理論指導，而現代設計理論的核心是“最優化設計”與“創新思維設計（黑箱法）”。為將現代設計理論中的創新思維培養方法介紹給學生，教研組在有限元分析方法課程中將單獨使用1學時簡要介紹黑箱法與最優化設計建模，幫助學生發散思維；而后給定某個課題，要求學生使用黑箱法進行頭腦風暴并提出概念設計圖，根據概念設計圖繪制相應的CAD模型并使用最優化設計進行拓撲優化，在完成CAD建模后使用有限元軟件分析該模型危險節點最終提交作業。應用此方法，學生可以按部就班完成有限元分析方法大作業并結合自身能力提煉科學問題，培養創新思維。

從上述前期試點所反映的教學效果看，創新思維培養與聯動教學對參與聯動教學的課程平均成績具有提升作用，培訓后的學生進行相關設計時，對設計流程十分明確，設計成本減少，設計合理度增大，符合企業對創新設計類人才的相關需求。

4 課程考核方法改革

基于上述教學改革理論，創新思維培養與聯動教學要求教師打破原有的教學思路，減少或取消出勤分數，在總評中添加自選項目成績，并在期末教學時段外完成答辯。答辯分數分為教師評分與學生評分兩部分，合理考慮學生所選項目的難易度、完成度、創新性以及學生在答辯中的表現，按學生與教師6:4權重給出答辯分數。具體采用如下研究方案：

教學內容的選擇。結合與該課程相關的內容對學生后續課程所需知識點做簡要的介紹，使得學生明確課程授課目的及作用；調整部分章節的授課順序及授課內容，使其更容易為學生接受。

實際案例的相關教學研究。改變傳統的授課方式，采用啟發式的教學，調動學生的積極性，重點強調實際應用，豐富授課內容，擴充學生的知識面。

基于學科競賽及大學生雙創項目的創新思維激勵機制與課程評價考核方式改革。對參與競賽、大學生創業創新項目的學生，允許學生以競賽作品作為期末大作業進行答辯，增強學生對創新思維訓練的積極性。

企業參與反饋創新思維培養成果。鼓勵高年級本科生積極參與企業相關橫向課題，積極獲取企業對參與創新思維培養學生的用人反饋，及時修正優化教學內容及考核方式。

5 結論

隨著中國制造業逐漸向智能化推進，企業所需的人才水平也在不斷提升，與之相對應的機械類人才教育模式也必須從企業生產實際出發，以企業所需的高素質人才為落腳點，抹平高校教育教學與企業生產實際之間的鴻溝，培養學生的創新思維，引導學生統合過往所學知識及學習方法，啟發學生系統性看待工業生產的實際問題，培養具有創新思維的機械類技術人才。基于這種理念，本教研組提出了基于創新思維培養、以學科競賽為導向的有限元分析方法教學改革，建立培養機械專業設計類人才的教學模式。