高等工程教育与工程设计能力培养

罗印升 俞洋 陶为戈 刘晓杰 宋伟

摘 要：以高等工程教育中工程设计能力培养为核心，明晰了高等工程教育培养现代工程师的目标，阐述了工程设计能力是现代工程师必须具备的核心能力。在确立工程设计及其内涵的基础上，论述总结了工程设计教育中学生必须掌握的工程设计方法。最后提出了院校工程教育阶段工程设计能力培养的实施环节、途径和方法，并讨论分析了各环节的内容与目标。实践表明这些环节、途径和方法的实施对学生工程设计能力培养和提升效果明显。

关键词：工程教育 ； 现代工程师 ； 工程设计教育；工程设计能力

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）06-0078-06

当前我国正在加快转变经济发展方式，调整经济结构，转型、升级产业，走中国特色新型工业化道路，到2020年，全面建成小康社会、实现创新型国家建设目标。实施创新驱动发展战略是我国的必然选择，创新特别是技术创新，主体是企业，关键靠人才。高等工程教育担负着培养各种类型的创新型“工程师”和生产服务一线高素质的技术技能型人才的重任。以工程设计能力为核心的工程实践能力训练是高等工程教育的本质所在，强调通过现代工程设计思想和设计方法教育，通过工程设计能力培养和工程实践训练，使工科本科学生在校期间获得现代工程师的基本训练。因此，本文主要讨论在转变经济发展方式、推进供给侧结构性改革的经济背景下，工程教育中本科学生工程设计能力培养的途径和方法。主要包括高等工程教育及其目标，现代工程师的能力要求，工程设计及其方法，院校工程教育阶段（工程设计教育）的工程设计能力培养等四个方面的内容。通过分析讨论使工程教育中更加突出工程设计能力培养，更加科学合理、规范有效地设置和实施工程设计能力培养环节，培养以创新为特征的时代所需要的工程技术人才。

1 高等工程教育及其目标

教育承担着培养什么样的人和怎样培养人的重大社会使命。高等工程教育是教育科学与工程技术的交叉与融合，是专业教育。它的显著特点有三个：一是以技术科学作为主要学科基础；二是以工程技术应用作为主要研究内容；三是以培养能将科学技术转化为生产力的工程师为人才培养目标。[1]，技术科学基础与工程技术应用之间的矛盾运动构成了高等工程教育区别于其它类高等教育的特殊性。技术科学是基础科学与工程技术之间联系的桥梁，其内涵是“研究相邻几门工程技术方面普遍出现的问题---共同性自然规律，把工程实际中所用的许多设计原则加以提炼、整理和总结，使之上升成为理论，因而就能够把各个不同领域的工程实际的共同性显示出来，并服务于工程技术”[1]。基于高等工程教育的特征、内涵，院校工程教育阶段的主要任务是使受教育者获得较为系统的理工学科的理论知识、基本技能的学习和训练，使其在毕业时具备成为合格现代工程师的基本素质和条件，或者称为现代工程师的毛坯。

2 现代工程师的能力目标

高等工程教育的人才培养目标是工程师，中国特色现代化建设需要大量的多层次、多类型的现代工程师。因此，必须用符合时代要求的先进的现代工程教育观指导现代工程师培养。理论知识、理论教学和实践教学、工程实践训练之间的关系、地位与内容融合问题一直是高等工程教育讨论的核心问题，因而其改革的重点和策略一直围绕着核心问题而展开。长期的工程教育实践使教育者深刻反思、认识到：培养现代工程师，必须坚持科学教育与工程实践训练并重的核心理念。二者并重并统一于工程师培养过程的工程教育观是现代工程教育观的核心内容。现代工程对现代工程师的基本素养和能力要求也证明了现代工程教育观的科学合理性。现代工程已经形成了以市场需求为源驱动力，以研究开发、技术设计、制造运行、营销管理和咨询服务等为主要服务环节，以有效供给市场、提高供给质量为目的，以绿色技术、绿色制造、绿色产品和资源循环为工程理念的工程生命周期，如图1所示。其中，最基本的是研发、设计、制造和营销，而设计处于中心地位，是联系他们的纽带。

设计活动的驱动输入是基于主体需求和研发的初步试验品，其输出结果是明晰和规范的纸质和电子图式（图示、图形）模型、程序及操作流程和相应的技术说明文档，也包括在不同的设计阶段试制的样机或实物模型。制造（建造）的驱动输入是设计输出的结果，其输出是投放市场或服务社会的工业产品（软件、硬件）与服务。在经营销售与服务活动过程中，工业产品完成自己的寿命（主要是产品或者设备的技术寿命和经济寿命），从而为下一代产品设计提供新的需求和技术信息。这就要求现代工程师必须掌握扎实的自然、人文社会和管理科学基础，掌握以技术科学为主要学科基础、工程技术专业知识与技能，并能够综合应用科学的知识、方法和技术手段分析和解决各种工程实际问题。 [2]美国经过大量研究论证，发现产品成本的70%由设计阶段决定，有效的设计能够提高产品质量、减少成本、缩短生产周期，更好的满足客户的需求。[3]因此，工程设计能力，包括工程创意创新设计能力是现代工程師必须具备的核心能力，它决定着国家工业化水平和创新能力能否走在世界前列。必须将工程设计能力培养包括科学知识、工程设计理论方法、工具手段和创新意识、能力等贯穿于工程教育全过程。

3 工程设计及其方法

设计是基于某种需求的有目的性的创造活动，设计需要有创意构思和设想计划。在我国2012年公布的学位授予和人才培养学科门类设置中，设计学第一次独立以一级学科的形式出现，设计学的主要研究领域有工程设计、工业设计、环境设计、视觉传达与媒体设计、信息与交互设计和手工艺设计等。

3.1 工程设计的内涵与发展

辞海[4]中关于工程设计概念的外延侧重于建造性工程设计，实际上除建造性工程设计外，还有大量的不断延伸和拓展的制造性工程设计。本文主要讨论制造性工程设计，就是将多种材料经过多个复杂的加工处理过程，做出一种新的复合材料或者、产品、设备、装置、装备和系统来的工程设计方法。工程设计的研究内容注重于功能、性能、结构、材料、环境、成本、程序、工艺和流程等。文献[5]将工程设计的内涵概括为：工程设计实际上是求解一个工程问题的思维和实践过程。进一步说，也就是在给定的初始状态和各种约束条件下，经过构思和创造，解决有关参数的选择与优化问题、设备工具与工序的选择、各种界面的衔接与匹配问题、工程组织管理问题，效率、效力和功能的提升与优化问题，形成一个能够从初始状态经过一系列中间环节转化为现实目标状态的设计结果的活动过程。该设计结果可以是工程设计图纸、运作方案、工程规划（计划）、工程规范和工程标准等，更为显著的特征是，在工程实践中依据这些工程设计结果，可以建造或者制造出人造物来。

伴随着科学技术和工程技术的发展，工程设计的演化大体可分为传统工程设计、现代工程设计和创新设计三个阶段。[6]传统工程设计，指工业革命之前的工程设计活动，是基于个体和手工作坊制的师徒口头传授经验和技艺的设计，设计工作主要在于产品或系统功能的构造。工匠既是设计者、制造者也是销售者，制造过程主要依靠手工完成。现代工程设计开始于工业革命之后，特别是电气化时代的出现，社会化机器大生产的分工，设计逐渐和制造分离开来，逐步形成了专业的设计工程师。这时，大学也将工程设计作为课程教学的内容，1852年，德国Reuleaux教授的《机械原理》教材问世，工程设计主要基于现代科学技术知识，创造应用价值，通过市场竞争与选择创造经济品牌价值。在此阶段，工程设计理论与方法学，工程设计方法与技术，设计自动化方法和技术，设计工具等逐步建立、形成和发展。工程设计作为广义制造中的核心和灵魂等到确立。20世纪60年代，美国、英国和德国发起了一系列的有关工程设计的研究活动。德国提出了“提高竞争力的关键在设计”的口号，对工业中获得的经验进行提升和理论概括，1976年，Pahl和Beiti教授的《工程设计学问世》，随后被译成了包括中文在内的七种语言，成为指导工程设计的经典著作。[7]美国主要通过从外部观察对工程设计过程进行归纳概括，目的在于建立工程设计理论和支持工具。目前我们国内流行的仿真、工程设计支持软件几乎全部是美国公司的产品。基于传统工程设计、现代工程设计而成长起来的创新设计，设计的过程、方法、对象、制造和经营服务都依赖于互联网环境、知识信息大数据，设计更具有个性化、定制式和系统创新的特征，设计以绿色化、数字化、网络化和智能化为未来发展方向。在产品的全生命周期内，以系统建模与优化计算等先进工程设计技术为支撑，建立具有丰富设计知识库和模拟仿真的数字化智能设计系统，并能够在不同地域的虚拟数字化环境里并行、协同地完成全数字化产品设计，结构、功能和性能的计算、优化仿真和整体装配运行。[8]创新设计是我们当前和后续努力达到和实现的目标，通过创新设计引领我国制造业强国、现代化国家的实现。创新设计的实施需要大批的掌握创新设计理论、技术和方法的人才支撑，以工程设计的教授与学习为核心的工程设计教育，就成为了高等工程教育培养现代工程师的第一位的核心的内容。

3.2 工程设计的显著特点

世界著名空气动力学大师冯·卡门说：科学家发现（discover）已经存在的世界；工程师创造（create）一个过去从来没有的世界。后来有人补充说，艺术家想象（imagine）一个过去和将来都“不存在”的世界。因此，“科学发现”“技术发明”“技术创新”和“工程设计”成了固定搭配词语。工程设计把工程和科学明显的区分开来了。科学研究只有第一，没有第二；工程问题的解答具有非唯一性，是在多项约束和矛盾冲突中协调实现的。因此，工程设计的显著特点包括：创造性、复杂性、选择性和妥协性。工程设计要求工程师以工程可实现性为必须前提条件，针对实际的工程问题给出可行的、可操作的实施方案。

3.3 工程设计基本方法

国民经济各个产业部门，特别是细分的各工程领域在其单元（部件）、设备、系统及其产品或者工艺流程的设计方法上各有特点，综合各方共性，讨论一般工程设计的基本环节、内容要求，对提高工程设计教育质量，培养适应创新驱动发展战略的工程技术人才是有重要意义的。一个基本的设计过程通常包括：需求调查与分析，制定设计方案，模型制作，方案测试评估与优化和编制用户手册等主要环节，是一个具有反馈和循环的动态过程。设计流程如图2所示。

（1）需求分析。以需求为源驱动力，发现与明晰工程设计问题，以形成设计要求说明书文档为标志。设计要求说明书的主要内容包括：设计对象的总体目标，功能要求，性能指标（技术指标或总体技术水平的要求），结构外观要求，环境目标要求，安全性，可靠性要求，成本要求和时限要求，等等。

（2）方案设计。以所形成的设计要求说明书内容为目标，收集设计所需要的信息完成设计分析；以工程设计的主要因素为主线，提出尽可能多的设计构思，将最能取得希望效果的构思以功能结构图、模型、语言和文字等方式呈现出来；进而对各种构思进行筛选，从而获得实现目标的比较满意的设计方案。

（3）模型（原型）制作。以获得的满意设计方案为指导，以模型（原型）制作或者开发原型机为主要任务，发展构思、检验产品的造型结构以及零部件的装配关系，进一步完善产品设计方案。该环节包括图样绘制和制作模型两个阶段，产生工作原理图、整体和局部结构图（包括加工要求）、装配图和不同的模型制作。现代设计过程中广泛使用计算机辅助设计制造技术，模型或原型连接、装配和试验，全部在计算机支持的可视化系统中可以完成。

（4）方案测试、评估与优化。测试的目的是检验产品在结构、功能和技术性能等方面是否达到了设计要求说明书的指标要求，同时，对设计方案和产品进行全面的评估，以便进一步优化设计方案。

（5）编写用户手册。用户手册也称为产品说明书，它可以帮助消费者正确使用、保养产品，有效发挥产品使用价值。产品说明书一般由标题，正文和标记等组成，要求语言准确、通俗、简洁、内容条理清楚。

4 工程设计能力培养

工程设计教育的主要任务是培养工科学生的工程设计能力，工程设计能力培养必须以掌握和运用工程设计方法为主要内容。院校工程教育中的工程实践训练担负着培养学生工程实践能力、特别是创新设计能力的重任，通过工程实践教育、训练，着力培养学生的工程实践能力、工程设计能力和创新能力。工程设计能力培养必须分层次循序渐进，由基础的初步设计、综合到创新，由相对独立到交叉融合。相应的环节包括：设计性、综合性实验，课程设计，综合实训，科技创新和学科竞赛，毕业设计等。

設计性、综合性实验：设计性和综合性实验是培养学生设计能力的基础。其中，设计能力的培养过程是在明确实验目标任务与要求的基础上（需求），由学生自行设计实验方案（设计方案）、选择仪器设备、自行搭接实验线路（模型制作）、拟定实验步骤、完成实验任务（方案测试）、撰写实验报告与交流等阶段组成。这是工程设计能力培养的起步，必须把工程设计的基本思想和方法融入其中，指导学生熟练掌握和运用。从基础课、专业基础课到专业课，设计性和综合性实验项目的数量应依次增加。以项目数计，总的设计性、综合性的项目数应在60%以上。

课程设计：该环节是在工程基础课程、专业基础和专业课程之后设置，与课程学习内容紧密相关的具有综合性的小系统、产品或者设备、单元（部件）等的设计/开发任务。主要包括任务确立、市场分析、方案设计、加工制作、调试运行、分析测试和撰写设计报告的全过程。总体课程设计设置数目不少于3个。通过训练，使学生能够巩固和提升工程设计能力，将所学习的工程设计理论和方法、专门领域的设计知识、设计支持工具（CAD、CAE、EDA）等方法和工具与实际应用紧密结合起来，解决工程实际问题。同时，能够考虑各种约束关系。

综合实训：为提升工科大学生工程技术设计能力而设置工程实训环节，实训以各专业工程技术专题为基础、实施“实践（习）+培训”的工程实践训练。真实的企业环境，严格的企业运营管理制度和市场化的设计项目实战是达到综合实训目标的三大必备要素。

科技创新和学科竞赛：是工程设计能力和个性化培养的重要途径。根据兴趣和特长，学生自由选择项目，撰写提交项目申请书（包括项目的依据和需求，实施方案，仪器设备和工具，项目计划与经费预算等），自行组织3人左右的项目团队。指导教师团队对学生选题进行答辩，确定资助项目与经费，项目完成时必须提供设计作品，进行验收和答辩。此基础上，进一步选拔部分学生参加如电子设计竞赛、“飞思卡尔”杯智能汽车和机器人竞赛等学科竞赛项目。实践证明，这些科技创新活动能够充分发挥学生的学习积极性、主动性，有效提高学生设计、综合能力，运用新型设计/开发工具的能力和创新设计能力。

毕业设计：是工科各专业本科生在院校工程教育阶段工程设计能力培养的最后一个全面的综合性实践环节，是针对某一课题任务（企业实际问题）综合运用所学专业理论知识、技术和设计开发工具来构思设计方案，并予以实现的创新过程。具体需要完成调研选题、需求分析、文献综述、方案论证、系统设计、分析测试、性能分析与交流和撰写设计报告等工程设计方法的基本步骤。毕业设计题目类型可分为工程设计型、实验设计研究型和软件设计/开发型等。此环节采取校内外相结合，以校外企业实践基地为主来实施。

依照上述思想，作者及其团队在江苏理工学院电气信息工程学院教学实践中实施了多年，学生普遍掌握了基本的工程设计方法，具备了工程设计的初步能力。近10年电气信息工程学院学生获得了全国电子设计竞赛省级三等奖以上奖项85项，近6年获江苏省大学生实践创新训练计划项目44项，近4年的全国大学生“飞思卡尔”智能车竞赛获得赛区二等奖以上奖项15项、全国一等奖2项，近3年的全国大学生物联网工程设计竞赛赛区特等奖2项、全国二等奖1项。

5 结语

综上所述，紧紧围绕院高等工程教育中工程设计能力培养问题，从高等工程教育及其目标、现代工程师的能力要求、工程设计及其方法、院校工程教育阶段（工程设计教育）的工程设计能力培养等四个方面进行了论述和探讨。目的使得工程教育中更加突出工程设计能力培养，更加科学合理、规范高效地设置和实施工程设计能力培养环节，培养适应以创新设计为时代特征的工程技术人才，为实现两个百年的奋斗目标提供强大的人才支撑。

参考文献：

[1] 张光斗，王冀生.中国高等工程教育[M].北京：清华大学出版社，1995.

[2] 余寿文，王孙禺.中国高等工程教育与工程师的培养[J].清华大学教育研究，2004（3）：1-7.

[3] 雷庆，王敏 .工程设计与工程设计教育的历史解读[J].高等工程教育研究，2014（1）：38-44.

[4] 辞海编辑委员会.辞海[Z] 上海：上海辞书出版社，1989.

[5] 殷瑞钰，汪应洛，李伯聪.工程哲学[M]. 2版.北京： 高等教育出版社，2013.

[6] 路甬祥. 关于设计进化的再思考[J].机械工程导报，2014（2）：3-5.

[7] 冯培恩. 设计、创新及其发展环境[J].机械工程导报，2014（2）：24-28.

[8] 周济.制造业数字化智能化[J].机械工程导报，2013（1/2）：3-9.

Higher Engineering Education and Training of Engineering Design Ability

LUO Yin-sheng， YU Yang， TAO Wei-ge， LIU Xiao-jie， SONG Wei

（School of Electrical Information Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： Taking the training of engineering design ability in higher engineering education as the core， this paper clarifies the higher engineering educations objection， and explains that the engineering design ability is the core ability for modern engineers. On the basis of establishing the meaning of engineering design， the paper summarizes the engineering design method that the students must master. Finally， the approaches and methods of the training of engineering design ability in higher engineering education are proposed， and its contents and objections are discussed. The practices show that the approaches and methods are valid for the training of engineering design ability.

Key words： engineering education； modern engineer； engineering design education； engineering design ability

責任编辑 祁秀春