新工科形势下现代设计理论与方法课程改革与创新探讨

乔东平，肖艳秋，李浩，罗国富

（郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州　450002）

为应对国内制造业面临的困难，国家针对制造业的振兴和转型升级发布了实施制造强国战略的第一个十年行动纲领“中国制造2025”，提出中国要从制造大国向制造强国转变，要以高端制造、现代制造服务业和“互联网+”等新兴产业为发展方向。制造业的振兴和转型离不开科学基础扎实、工程能力强的工程人才支持，这就要求我国工程技术教育进行一场深刻的变革，适应“互联网+”和智能制造环境下制造业发展对人才的需要。为推动我国高等工程教育加速改革，教育部提出高校要加快建设和发展“新工科”，并陆续形成了“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”，为“新工科”的建设指明了方向。在此形势下，如何培养适应新工业需要的复合型和综合性人才是机械类专业教学过程中亟待解决的问题。

本文以“现代设计理论与方法”课程教学为例，基于对“新工科”建设背景、相关共识和指南的理解，结合教学和人才培养实践，对新形势下机械类相关专业课程教学的改革和创新进行探讨。

1　新工科形势下机械专业教学面临的挑战

李培根院士在《新工科何以而新》中指出新工科的目的是培养能够适应、甚至引领未来工程需求的人才，这就需要工程教育的新结构，对专业和课程的边界再设计、进行课程重构等，以使学生具备“新素养”[1]。机械类专业作为工学中的一个专业大类，是“最强工科”之一，急需要进行改革和创新已培养具备“新素养”的工程人才。在制造业转型升级为智能制造和“新工科”建设的双重压力下，当前的机械类专业教学面临着巨大的挑战。

2　现代设计理论与方法介绍

《现代设计理论与方法》是机械类专业高年级和研究生的一门重要的专业课程，内容涉及到多门基础课程知识的综合应用，具有较强的知识综合性和学科交叉性。课程系统地教授现代机械设计的理论和方法，重点讲解设计领域中普遍运用的科学技术方法及其设计规律，并对几种常用现代设计方法和工具进行介绍。通过课程的学习使学生掌握现代机械设计理论中的基本概念，基本原理和基本计算方法，了解本学科的最新发展和动态，拓宽学生视野，培养学生应用现代设计方法的意识，提高学生分析和解决工程设计中的技术问题的能力，增强学生创新设计意识，不仅使学生对现代化设计方法总的情况有一个全面的了解，而且对常用的主要设计方法能比较熟悉，并能自觉运用；通过学习相关的理论和方法，学生能把具体的机械设计问题转化为相应的物理模型及对应的数学模型，在具备对机械系统进行动态分析能力的基础上，掌握用现代计算方法和手段求解机械系统动态性能设计的能力。

从对课程介绍可以看出，《现代设计理论与方法》对“新工科”建设形势下学生创新设计能力的培养具有不可替代得作用，但是受传统教学模式和教学资源得限制，其教学通常重理论讲解、轻实践操作，并且讲授知识更新滞后。因此学生通常只是掌握了一些现代设计的理论，而将所学知识应用于实践的能力较差，因此迫切需要结合“新工科”建设和国家智能制造战略对课程教学进行改革和创新。

3　新工科形势下现代设计理论创新内容

3.1　内容改革和创新探讨

《现代设计理论与方法》包含的内容较多，相关设计方法和理论种类繁多，如何在有限的课时内培养学生的创新设计能力，使之具备“新工科”形势下所需要的“新素养”是教学过程中首先要解决的问题。《中国制造2025》提出将进一步推动制造业创新设计能力提升，全面推广应用以绿色、智能、协同为特征的先进设计技术，加强设计领域共性关键技术研发，攻克信息化设计、过程集成设计、复杂过程和系统设计等共性技术，开发一批具有自主知识产权的关键设计工具软件，建设完善创新设计生态系统。为适应这些需求，课程内容在介绍传统设计方法和理论的基础上，剔除过时、陈旧的内容，补充与技术发展趋势一致的新内容是必要。结合当前技术的发展，可以在以下几个方面进行改革和创新。

首先精炼传统内容，对一些落后的技术和方法进行删减，增加绿色设计、智能设计和协同设计相关内容，特别是先进的信息技术在设计领域中应用方面的内容，如以三维CAD、CAE等为工具的产品数字化设计和开发相关的关键技术、产品概念设计中的数字化样机应用技术、多学科优化设计技术等，培养学生创新设计能力；其次为了培养学生在创新设计方面知识的体系性，增加现代机械设计的基本原理与方法相关的内容，有重点的讲授系统化设计方法、模块化设计、TRIZ理论、公理化设计理论、质量功能矩阵、三次设计方法等内容，使学生了解创新设计的方法和理论，掌握在理论指导下的现代机械产品创新设计过程，如产品规划、方案设计、技术设计、系列产品和组合产品开发等；在“互联网+”模式下，我国制造业服务化得到了一定的发展，服务型制造成为制造业中最具潜力的发展方向，产品设计阶段就要考虑产品的服务功能，这就需要从全生命周期的角度来考虑产品设计，因此要增加制造服务方面的内容，使学生在能够了解服务型制造的本质，适应产品设计、制造和服务融合发展的新模式；最后，伴随着网络技术的发展，机械产品中日益增加现代信息技术的应用，发展成为“机械、电子、信息和网络”一体化的技术和产品，因此教学内容中应增加多学科的关联性综合应用相关的内容，引导学生借助模块化设计思想建立在产品设计过程中能够应用相关领域知识的关联性解决产品设计中的问题。

总体而言，课程内容应该朝着重点突出、覆盖面广、坚持创新、结合技术发展趋势的方向进行改革，确保学生对现代设计知识掌握的深度和广度。

3.2　创新探讨

（1）案例教学与理论教学相结合，根据教学内容，有目的性的寻找相关案例，针对理论性比较强的知识点结合案例借助于先进的多媒体技术将抽象的概念转化为形象具体，使得相关知识变得直观生动。在讲授系统化设计方法时，以简单的产品为实例，如常用的激光打印机，借助动画、图片、视频等手段，详细说明打印机设计过程的划分、设计阶段的实现、设计方法的应用，并对打印机设计过程中各要素间的联系与层次性进行分析，获得最终的解决方案，通过将不同的设计要素的结合实现最终要求，使学生能够通过实例了解到基于该设计方法的产品设计过程，真正理解该设计方法，并体会到现代设计方法的重要性，并与传统方法进行比较，领会现代设计方法的先进性[2]。

（2）教师课堂讲授和学生自讲相结合。对于一些当前的一些热点内容，各方面的讨论较多，如智能制造、绿色制造相关的内容，可以设定准备的内容范围，让学生利用互联网和图书馆等资源自己先查找资料，自作多媒体，让学生先讲，然后老师对学生的观点、事例进行分析，将学习的主动权交于学生，使学生可以从自己感兴趣的角度理解相关知识，并通过课堂讨论进行知识点的综合，提高学生学习的主动性，提升学生的理论兴趣，拓展学生的理论深度和广度。

（3）伴随着互联网和移动互联网的普及催生了“翻转课堂式”教学模式。这对于教学内容多，部分内容抽象度较高的《现代设计理论与方法》课程是十分适宜的。对于一些更新较快的知识，如CAD、CAE等信息技术在现代设计中的应用，一方面这些系统版本众多且更新较快，不同的系统有不同的特点，在有限的教学时间内很难进行全面细致的讲解，另一方面互联网上关于这些系统的视频和电子材料较多，不同学生的掌握程度会有差异。为了让学生更好的理解先进信息技术在现代设计中的应用，教师可以只讲解核心的理论和观点，而对于其它相关的信息，学生则可以通过看视频、阅读相关材料、参与专业论坛讨论等方式进行学习，由学生自主规划学习内容和节奏，教师可以针对大家的疑问和困难展开专题讨论和有针对性的小范围讨论，让学习更加灵活、主动，让学生的参与度更强，从而获得对相关知识的更深层次理解。

（4）在信息技术和网络技术的支持下，通过建立网络教学平台开展线上教学活动，实现线上与线下教学相结合。通过网络教学平台，教师可以根据教学内容的要求设定不同的专题内容，并且通过共享获取更多地教学资源，进行知识的扩展，学生可以根据自己的兴趣选择学习的内容实现线上自学。在教学平台上可以设定签到方式、浏览方式，设定相关的思考题，建立讨论区，针对学生的疑问进行讨论和有针对性地解答，对一些有代表性的问题和观点进行收集，在课堂上进行专题讲授，实现线上与线下的互动，提高学生的学习兴趣[3]。

3.3　与实践环节的结合

为了培养学生的实践能力，机械工程专业在四年的本科教学中安排了众多的实践环节，如金工实习、各种课程设计、工厂实习和毕业设计等[4]。在新工科形势下，机械类专业学生应该具有产品设计、制造和服务相关知识应用的综合能力，因此《现代设计理论与方法》的教学要充分利用这些实践环节培养学生对设计理论、方法和技术的理解。一方面通过这些环节中的实例让学生理解课程中所涉及到的理论和方法，结合这些实例进行传统设计方法和现代设计方法的对比，使学生能够理解如何将所学的理论和方法应用到实践中来；另一方面这些实践课程要根据新工科的要求，对相关的教学内容进行更新，在教学环节中有意识的引导学生采用先进的设计理论、设计工具对这些实例产品进行再设计，给出改进意见，有意识地培养学生在产品设计方面的创新能力和关联能力；最后在一些实践环节中，要鼓励学生采用新的方法和技术完成相关任务，这样可以激发学生应用新方法和新技术的兴趣，加深对相关知识的理解，提升应用能力和水平[3]。

3.4　确保现代设计理论改革和创新成功的因素

（1）加强校企合作，有针对性地开展校企联合教学，一方面积极根据课程内容开展科技对接活动，让有精力的学生参与企业的科研和设计活动；另一方面推进企业研发人员走进课堂，针对当前正在从事的工作为学生进行相关知识的讲解，并鼓励任课教师进入企业，形成良好的校企良性互动机制，培养“双师型”教学队伍，在提升教师工程技术和应用创新能力的基础上，提高学生适应“新工科”和“智能制造”的能力。

（2）改革考核模式，逐步弱化期末考试的作用,通过平时大作业、实验、课堂互动效果等多个方面对学生进行全方位的考核，合理评价学生对专业知识的掌握程度和应用水平[5]。将闭卷考试改为开卷考试，重点考查学生对知识的理解和应用能力而不是简单的知识点记忆能力；加大平常大作业设计在期末综合评价中的比重，通过大作业设计全面考查学生对知识的应用能力；鼓励学生利用《现代设计理论与方法》课程中所学的知识和理论进行科技创新活动，对合理的创新给与考核加分。

（3）逐步建立多学科融合交叉的教学模式，提升学生创新能力。伴随着网络技术的发展，机械产品中日益增加现代信息技术的应用，多学科融合在机械产品设计中的作用越来越重要，而单一专业的任课教师很难做到面面俱到，单一的学科知识已经不能满足“新工科”形势下对人才培养的要求。因此需要尽快转变传统的培养模式，积极探索机械工程专业学生创新能力培养的新途径，突出研究生培养中的“交叉性”特点，鼓励和引导研究生参与到多学科交叉指导中，结合课题研究需要，通过团队协作，合理利用导师资源，提高其综合素质，进而提升其创新能力。

4　结语

课程改革是一件长期的工作，需要结合当前的环境和形势进行。现代设计理论与方法是机械工程学科重要的专业基础课，对机械工程领域人才培养具有重要意义。因此课程要结合“新工科”和智能制造的要求，紧跟相关理论和技术发展的前沿，对教学内容进行更新和完善，对教学方法和模式进行丰富，不断地进行教学改革和创新，促进学生培养素质，提高人才培养的质量，满足行业和社会对人才的需要。

[1]李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究，2017（41）：1-4.

[2]吴国兴,范君艳,樊江玲.智能制造背景下应用型本科机械类专业人才培养[J].教育与职业，2017（16）：89-93.

[3]陈就，汪建晓.《现代设计方法》理论与实践环节教学探讨[J].高教论坛，2009（5）：100-101.