面向中小企业需求的《现代设计方法》教学体系

李梦奇，李冬英，陈志刚

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳 422004)

21世纪以来企业重视产品开发，现代设计方法逐渐成为机械类专业的一门必修课。目标是使学生了解常用现代设计方法的理论、创新思维和技法，扩大学生专业知识的深度和广度，提高其创新设计能力和理论认知能力。但是由于设计方法复杂抽象、理论性强，涉及数学建模、数值分析、模拟仿真等方面的知识较多，设计方法原理讲解涉及到大量数学公式，而实际应用中，只需建立数学模型、设置参数、确定条件，求解过程由计算机和软件来完成，理论学习和实际应用之间存在巨大的差距，由此学习效果并不明显；另一方面，现代设计方法种类很多，而课程教学计划的授课学时是有限的，需要对教学内容进行选取。

本文基于邵阳学院机械毕业生就业企业和岗位统计分析基础上，选择中小企业作为调研对象，明确其技术岗位对现代设计方法的应用情况、企业对设计方法的需求、对技术人员的培养期望，作为《现代设计方法》课程教学改革、建立新的教学体系的依据。

1 设计方法及其发展过程

设计方法是设计理论的具体化和实用化。一般将机械设计方法分为常规设计方法（或称为传统设计方法、经典设计方法）和现代设计方法两类。常规设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明的过程，强调以成熟的技术为基础。现代设计方法是基于现代设计理论形成的方法，强调以计算机为工具，以工程软件为基础，融合了信息技术、计算机技术、知识工程和管理科学等领域的知识，可以减少传统设计中经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性[1-2]。

设计方法的发展大致经历了直觉设计、经验设计、半理论半经验设计、现代设计四个阶段。上世纪40年代以来，工业发达国家对设计方法的研究日益重视和深入，德国、瑞士、丹麦、美国、苏联、日本等国家的专家学者广泛开展了有关设计方法学的研究，探讨设计的进程、步骤和规律，在70年代形成了系统化的设计方法学。以德国为首的欧洲学派的研究特点是强调设计的系统化和逻辑分析，要求按步骤有规律地进行设计。近年来又注意将设计方法学密切联系生产，如价值工程、模块化设计等，还加强设计方法学与CAD的结合。日本发展设计方法学的特点是将本国实际和消化引进国外技术相结合，强调引进技术的国产化。美国技术界强调创造性设计，上世纪80年代美国国家科学基金会提出“设计理论和设计方法学研究的目标和优先项目”的报告作为几个重要学会的特殊联合文件，由 ASME出版[3-5]。

从具体的设计内容来看，在工业发达国家，优化设计于60年代开始研究并用于产品设计，如机械产品及系统的方案优化设计，机械动态性能的优化设计，热力系统优化设计等，目前已广泛应用；在CAD方面，80年代工业发达国家的大企业几乎毫无例外地采用，也有约75%的中小企业采用，设计效率比人工设计提高了3～20倍，先进工业国采用CAD技术以后的设计一次成功率由60年代的30%～40%提高到95%，而使用虚拟样机技术以后一次成功率更高[6]。

2 面向中小企业的调研

根据邵阳学院机械与能源工程系毕业生就业的企业和职位，结合课程特征选择调研单位和部门。邵阳学院机械类专业每年都为三一汽车制造、邵阳神风动力有限公司、维克液压有限公司、大地煤矿机械、邵阳市曾氏铝业等邵阳市周边企业及中联重科、山河智能、湘潭市东风曲轴制造有限公司等湖南省内的企业以及广东省、湖北省、江苏省的部分企业连续提供毕业生，且有大量毕业生在这些单位工作。由于设计方法是典型的面向技术岗位的关键技术，而技术岗位的就业单位以中小型企业为主，进入大型企业的工作岗位为技术类的较少，而因此调研目标定位为面向中小企业。

调研方式采用现场调研和同类型企业网上调研，通过访谈、问卷调查和分析招聘要求的方式。调研内容包括企业现有设计方法和手段采用情况、企业对设计方法的需求或者想法、对学校培养学生掌握设计方法的期望三个方面。

现代设计方法种类很多，东北大学闻邦椿院士进行了不完全统计就发现工程技术界使用的现代设计方法就有100多种[4]，对于中小企业而言，使用的方法大多是使用比较广泛的方法，同时也不可能面向一百多种方法进行调研。根据当前现代设计方法在企业界的使用情况结合专家访谈确定调研方法主要包括：计算机辅助设计（CAD）、有限元方法、优化设计、可靠性设计、创新设计、动态设计、模块化设计、逆向工程。

3 中小企业设计方法现状与需求

3.1 现状

设计模式上：我国当前中小企业基本上采用传统的“三段设计法”，即初步设计（方案设计）、技术设计、施工设计。其中起决定性作用的方案设计通常是根据提出的设计任务的技术要求，找样本、专利、图纸、研究报告等资料，然后靠设计者的经验进行。设计的本质是经验性的，特别强调设计者的经验；工程师的设计主要精力在绘图和图形修改方面，绘图工作量在机械设计中占75%以上，使设计人员无暇顾及创新、方案比较，设计以模仿为主，局限性很大。

设计方法上：CAD已经基本普及，所有调研企业都使用CAD，但应用层次主要在绘图 （Computer Aided Drawing）层面，而不是设计（Computer Aided Design）层面，设计人员的大部分设计时间花在图形绘制上；有限元方法在部分企业开始使用，主要用来进行一些结构的线性计算，利用计算结果对经验设计进行粗略验证，不能系统化的解决问题，使用范围也很小（<15%），新方法使用是设计者的个体行为，大多是基于兴趣爱好在自学基础上实现;优化设计使用较少，但是已经进入考虑范围；创新上，主要是重视创新、强调创新，但系统化的创新方法（比如TRIZ）并没有得到使用；其他设计方法可靠性设计、动态设计、模块化设计和逆向工程尽管部分工程技术部门主管已经在思考相关的问题或者有所考虑，但是基本上没有具体的行动和行动计划。

计算机应用上：主要体现在二维绘图（100%）和三维建模（60%）方面，建立的三维模型没有得到较好应用；极少数企业能够利用计算机进行分析、计算、仿真，而信息化的相应工具ERP、PDM系统基本上处于空白状态。

3.2 期望

调研企业对设计方法和手段方面的期望主要体现设计思想理念提高和设计手段软件使用两个方面。

设计思想理念上：针对常规设计方法无法解决的计算、仿真问题，尽管相关人员希望采用现代设计方法来解决，但是同时对于这些现代方法的有效性存在怀疑，由此，需要学习相关理论，以证实相应的处理方法在理论上是可行的，误差是符合工程要求的；软件手段上，都希望能基于软件进行全方位的辅助设计，大多数工程设计部门主管人员和工程师都希望能够基于计算机进行分析、仿真等工作，减少实验次数，提出改进方向，也可以对设计结果进行数字化验证。

4 现代设计方法教改对策

4.1 分析

总体而言我国中小企业对现代设计方法的学习和应用非常落后，根本的特征体现为：缺乏量化、经验处于保证设计质量中的主导地位，设计主要遵循类比法、缺乏创新，设计作业以手工为主、没有自动化，设计的效率低、周期长，设计的产品效益低。与工业发达国家比较，差距的根源在于：

（1）没有形成系统化的现代设计方法使用环境。设计基础数据及判据不全，设计规范和设计手册陈旧落后，先进的设计理论和方法难以转化为设计者可直接采用的技术。

（2）计算机辅助技术掌握和计算机硬件计算能力落后。计算机应用上，交互式绘图虽然普及了，但依然占据着使用的主流，CAD/CAE/CAM/PDM（3C1P，或者 4C1P）方面的使用很少且远远没有系统化，CAE的认识都严重缺位，对比国外，早在2000年，机械行业中交互式设计及绘图工作就不超过设计工作量的40%，以有限元方法为核心的CAE工作量就达到40%～60%，而且基于软件的优化设计占工作量的很大部分。基于3C1P（或4C1P）系统化全过程辅助进行产品设计的人才和面向具体要求进行3C1P二次开发人才缺乏的情况严重地影响着我国设计水平的提高。培训人才，尤其是培训现有的设计人员迫不急待而且任务艰巨。

4.2 现代设计方法体系

基于特定培养目标企业的调研，进行针对性的教学内容选择才能获得比较理想的教学效果。

针对计算机应用能力弱的情况，需要在设计方法体系中加强CAD软件的系统化教学，包括三维建模、装配建模、工程图绘制三个方面，缺一不可。操作上最好是基于同一软件（综合型CAD/CAM软件）完成三个方面教学。

针对中小企业需求，加强有限元设计方法、优化设计方法、计算机仿真教学，分别以独立课程形式从理论到应用进行全方位教学，可靠性设计、动态设计、模块化设计和逆向工程等方法则以讲座形式介绍，扩大学生知识面。

创新是21世纪的主题，在强调创新思维，培养创新人才的同时进行系统化创新方法讲授，如TRIZ理论，尽可能结合软件进行教学。

针对理论学习内容多、公式推导多、枯燥乏味，而实际应用由计算机承担所有的复杂计算，应用软件有友好的用户界面，结果显示清晰明确，设计简单直观，计算过程轻松而有吸引力的矛盾，采用理论与软件同时学习的方式进行。

从方法理论、支撑软件、创新三个方面构建的面向中小企业的现代设计方法培养体系，如图1 所示。

图1 面向中小企业的现代设计方法体系

4.3 创新之处

面向中小企业的现代设计方法教学体系的特色与创新之处在于：

（1）面向市场需求。现代设计方法种类很多、层次不同、难度各异，应用在产业链的不同环节解决不同的问题，穷尽设计方法既无可能也无必要。本文基于本校毕业生的就业企业进行调研，明确其使用的主流方法、困难之处和发展趋势，为提高教学质量、提高学生就业竞争力提供依据。

（2）指向应用的教学目标，符合培养高级应用型人才的人才培养目标。

（3）提高学生应用现代设计方法解决工程问题的能力。

5 结语

现代设计方法是大幅度提高产品设计效率、质量和降低成本的有效手段从而在企业中得到广泛应用，但是由于各种原因，中小企业并没能够普遍采用现代设计方法。中小企业中设计人员主要来自地方新建本科院校，本文基于中小企业技术类岗位的调研，虽然CAD已经普及，但是中小企业产品设计在设计模式、设计方法、应用计算机等方面仍然处于整体落后、系统化更是极其薄弱，有限元分析、优化设计零星使用且有旺盛需求，其他方法涉及较少。总结提出面向中小企业的现代设计方法教学体系，提供教学改革的依据，从而建立应用型的现代设计方法教学模式，并切实提高学生应用现代设计方法解决实际的工程问题的能力。

[1]赵松年,佟杰新,卢秀春.现代设计方法[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]李思益,任工昌,郑甲红,等.现代设计方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[3]黄靖远,高志.机械设计学[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]闻邦椿.产品全功能与全性能的综合设计[M].北京:机械工业出版社,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]温诗铸.机械学发展战略研究[M].北京:清华大学出版社,2003.

[7]赵敏,史晓凌,段海波.TRIZ理论入门及实践[M].北京:科学出版社,2011.