羅印升 俞洋 陶為戈 劉曉杰 宋偉

摘 要：以高等工程教育中工程設計能力培養(yǎng)為核心，明晰了高等工程教育培養(yǎng)現(xiàn)代工程師的目標，闡述了工程設計能力是現(xiàn)代工程師必須具備的核心能力。在確立工程設計及其內(nèi)涵的基礎上，論述總結了工程設計教育中學生必須掌握的工程設計方法。最后提出了院校工程教育階段工程設計能力培養(yǎng)的實施環(huán)節(jié)、途徑和方法，并討論分析了各環(huán)節(jié)的內(nèi)容與目標。實踐表明這些環(huán)節(jié)、途徑和方法的實施對學生工程設計能力培養(yǎng)和提升效果明顯。

關鍵詞：工程教育 ； 現(xiàn)代工程師 ； 工程設計教育；工程設計能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）06-0078-06

當前我國正在加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式，調(diào)整經(jīng)濟結構，轉型、升級產(chǎn)業(yè)，走中國特色新型工業(yè)化道路，到2020年，全面建成小康社會、實現(xiàn)創(chuàng)新型國家建設目標。實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略是我國的必然選擇，創(chuàng)新特別是技術創(chuàng)新，主體是企業(yè)，關鍵靠人才。高等工程教育擔負著培養(yǎng)各種類型的創(chuàng)新型“工程師”和生產(chǎn)服務一線高素質(zhì)的技術技能型人才的重任。以工程設計能力為核心的工程實踐能力訓練是高等工程教育的本質(zhì)所在，強調(diào)通過現(xiàn)代工程設計思想和設計方法教育，通過工程設計能力培養(yǎng)和工程實踐訓練，使工科本科學生在校期間獲得現(xiàn)代工程師的基本訓練。因此，本文主要討論在轉變經(jīng)濟發(fā)展方式、推進供給側結構性改革的經(jīng)濟背景下，工程教育中本科學生工程設計能力培養(yǎng)的途徑和方法。主要包括高等工程教育及其目標，現(xiàn)代工程師的能力要求，工程設計及其方法，院校工程教育階段（工程設計教育）的工程設計能力培養(yǎng)等四個方面的內(nèi)容。通過分析討論使工程教育中更加突出工程設計能力培養(yǎng)，更加科學合理、規(guī)范有效地設置和實施工程設計能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)以創(chuàng)新為特征的時代所需要的工程技術人才。

1 高等工程教育及其目標

教育承擔著培養(yǎng)什么樣的人和怎樣培養(yǎng)人的重大社會使命。高等工程教育是教育科學與工程技術的交叉與融合，是專業(yè)教育。它的顯著特點有三個：一是以技術科學作為主要學科基礎；二是以工程技術應用作為主要研究內(nèi)容；三是以培養(yǎng)能將科學技術轉化為生產(chǎn)力的工程師為人才培養(yǎng)目標。[1]，技術科學基礎與工程技術應用之間的矛盾運動構成了高等工程教育區(qū)別于其它類高等教育的特殊性。技術科學是基礎科學與工程技術之間聯(lián)系的橋梁，其內(nèi)涵是“研究相鄰幾門工程技術方面普遍出現(xiàn)的問題---共同性自然規(guī)律，把工程實際中所用的許多設計原則加以提煉、整理和總結，使之上升成為理論，因而就能夠把各個不同領域的工程實際的共同性顯示出來，并服務于工程技術”[1]?；诟叩裙こ探逃奶卣?、內(nèi)涵，院校工程教育階段的主要任務是使受教育者獲得較為系統(tǒng)的理工學科的理論知識、基本技能的學習和訓練，使其在畢業(yè)時具備成為合格現(xiàn)代工程師的基本素質(zhì)和條件，或者稱為現(xiàn)代工程師的毛坯。

2 現(xiàn)代工程師的能力目標

高等工程教育的人才培養(yǎng)目標是工程師，中國特色現(xiàn)代化建設需要大量的多層次、多類型的現(xiàn)代工程師。因此，必須用符合時代要求的先進的現(xiàn)代工程教育觀指導現(xiàn)代工程師培養(yǎng)。理論知識、理論教學和實踐教學、工程實踐訓練之間的關系、地位與內(nèi)容融合問題一直是高等工程教育討論的核心問題，因而其改革的重點和策略一直圍繞著核心問題而展開。長期的工程教育實踐使教育者深刻反思、認識到：培養(yǎng)現(xiàn)代工程師，必須堅持科學教育與工程實踐訓練并重的核心理念。二者并重并統(tǒng)一于工程師培養(yǎng)過程的工程教育觀是現(xiàn)代工程教育觀的核心內(nèi)容?，F(xiàn)代工程對現(xiàn)代工程師的基本素養(yǎng)和能力要求也證明了現(xiàn)代工程教育觀的科學合理性?，F(xiàn)代工程已經(jīng)形成了以市場需求為源驅(qū)動力，以研究開發(fā)、技術設計、制造運行、營銷管理和咨詢服務等為主要服務環(huán)節(jié)，以有效供給市場、提高供給質(zhì)量為目的，以綠色技術、綠色制造、綠色產(chǎn)品和資源循環(huán)為工程理念的工程生命周期，如圖1所示。其中，最基本的是研發(fā)、設計、制造和營銷，而設計處于中心地位，是聯(lián)系他們的紐帶。

設計活動的驅(qū)動輸入是基于主體需求和研發(fā)的初步試驗品，其輸出結果是明晰和規(guī)范的紙質(zhì)和電子圖式（圖示、圖形）模型、程序及操作流程和相應的技術說明文檔，也包括在不同的設計階段試制的樣機或?qū)嵨锬Ｐ?。制造（建造）的?qū)動輸入是設計輸出的結果，其輸出是投放市場或服務社會的工業(yè)產(chǎn)品（軟件、硬件）與服務。在經(jīng)營銷售與服務活動過程中，工業(yè)產(chǎn)品完成自己的壽命（主要是產(chǎn)品或者設備的技術壽命和經(jīng)濟壽命），從而為下一代產(chǎn)品設計提供新的需求和技術信息。這就要求現(xiàn)代工程師必須掌握扎實的自然、人文社會和管理科學基礎，掌握以技術科學為主要學科基礎、工程技術專業(yè)知識與技能，并能夠綜合應用科學的知識、方法和技術手段分析和解決各種工程實際問題。 [2]美國經(jīng)過大量研究論證，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品成本的70%由設計階段決定，有效的設計能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少成本、縮短生產(chǎn)周期，更好的滿足客戶的需求。[3]因此，工程設計能力，包括工程創(chuàng)意創(chuàng)新設計能力是現(xiàn)代工程師必須具備的核心能力，它決定著國家工業(yè)化水平和創(chuàng)新能力能否走在世界前列。必須將工程設計能力培養(yǎng)包括科學知識、工程設計理論方法、工具手段和創(chuàng)新意識、能力等貫穿于工程教育全過程。

3 工程設計及其方法

設計是基于某種需求的有目的性的創(chuàng)造活動，設計需要有創(chuàng)意構思和設想計劃。在我國2012年公布的學位授予和人才培養(yǎng)學科門類設置中，設計學第一次獨立以一級學科的形式出現(xiàn)，設計學的主要研究領域有工程設計、工業(yè)設計、環(huán)境設計、視覺傳達與媒體設計、信息與交互設計和手工藝設計等。

3.1 工程設計的內(nèi)涵與發(fā)展

辭海[4]中關于工程設計概念的外延側重于建造性工程設計，實際上除建造性工程設計外，還有大量的不斷延伸和拓展的制造性工程設計。本文主要討論制造性工程設計，就是將多種材料經(jīng)過多個復雜的加工處理過程，做出一種新的復合材料或者、產(chǎn)品、設備、裝置、裝備和系統(tǒng)來的工程設計方法。工程設計的研究內(nèi)容注重于功能、性能、結構、材料、環(huán)境、成本、程序、工藝和流程等。文獻[5]將工程設計的內(nèi)涵概括為：工程設計實際上是求解一個工程問題的思維和實踐過程。進一步說，也就是在給定的初始狀態(tài)和各種約束條件下，經(jīng)過構思和創(chuàng)造，解決有關參數(shù)的選擇與優(yōu)化問題、設備工具與工序的選擇、各種界面的銜接與匹配問題、工程組織管理問題，效率、效力和功能的提升與優(yōu)化問題，形成一個能夠從初始狀態(tài)經(jīng)過一系列中間環(huán)節(jié)轉化為現(xiàn)實目標狀態(tài)的設計結果的活動過程。該設計結果可以是工程設計圖紙、運作方案、工程規(guī)劃（計劃）、工程規(guī)范和工程標準等，更為顯著的特征是，在工程實踐中依據(jù)這些工程設計結果，可以建造或者制造出人造物來。

伴隨著科學技術和工程技術的發(fā)展，工程設計的演化大體可分為傳統(tǒng)工程設計、現(xiàn)代工程設計和創(chuàng)新設計三個階段。[6]傳統(tǒng)工程設計，指工業(yè)革命之前的工程設計活動，是基于個體和手工作坊制的師徒口頭傳授經(jīng)驗和技藝的設計，設計工作主要在于產(chǎn)品或系統(tǒng)功能的構造。工匠既是設計者、制造者也是銷售者，制造過程主要依靠手工完成?，F(xiàn)代工程設計開始于工業(yè)革命之后，特別是電氣化時代的出現(xiàn)，社會化機器大生產(chǎn)的分工，設計逐漸和制造分離開來，逐步形成了專業(yè)的設計工程師。這時，大學也將工程設計作為課程教學的內(nèi)容，1852年，德國Reuleaux教授的《機械原理》教材問世，工程設計主要基于現(xiàn)代科學技術知識，創(chuàng)造應用價值，通過市場競爭與選擇創(chuàng)造經(jīng)濟品牌價值。在此階段，工程設計理論與方法學，工程設計方法與技術，設計自動化方法和技術，設計工具等逐步建立、形成和發(fā)展。工程設計作為廣義制造中的核心和靈魂等到確立。20世紀60年代，美國、英國和德國發(fā)起了一系列的有關工程設計的研究活動。德國提出了“提高競爭力的關鍵在設計”的口號，對工業(yè)中獲得的經(jīng)驗進行提升和理論概括，1976年，Pahl和Beiti教授的《工程設計學問世》，隨后被譯成了包括中文在內(nèi)的七種語言，成為指導工程設計的經(jīng)典著作。[7]美國主要通過從外部觀察對工程設計過程進行歸納概括，目的在于建立工程設計理論和支持工具。目前我們國內(nèi)流行的仿真、工程設計支持軟件幾乎全部是美國公司的產(chǎn)品?；趥鹘y(tǒng)工程設計、現(xiàn)代工程設計而成長起來的創(chuàng)新設計，設計的過程、方法、對象、制造和經(jīng)營服務都依賴于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境、知識信息大數(shù)據(jù)，設計更具有個性化、定制式和系統(tǒng)創(chuàng)新的特征，設計以綠色化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化為未來發(fā)展方向。在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，以系統(tǒng)建模與優(yōu)化計算等先進工程設計技術為支撐，建立具有豐富設計知識庫和模擬仿真的數(shù)字化智能設計系統(tǒng)，并能夠在不同地域的虛擬數(shù)字化環(huán)境里并行、協(xié)同地完成全數(shù)字化產(chǎn)品設計，結構、功能和性能的計算、優(yōu)化仿真和整體裝配運行。[8]創(chuàng)新設計是我們當前和后續(xù)努力達到和實現(xiàn)的目標，通過創(chuàng)新設計引領我國制造業(yè)強國、現(xiàn)代化國家的實現(xiàn)。創(chuàng)新設計的實施需要大批的掌握創(chuàng)新設計理論、技術和方法的人才支撐，以工程設計的教授與學習為核心的工程設計教育，就成為了高等工程教育培養(yǎng)現(xiàn)代工程師的第一位的核心的內(nèi)容。

3.2 工程設計的顯著特點

世界著名空氣動力學大師馮·卡門說：科學家發(fā)現(xiàn)（discover）已經(jīng)存在的世界；工程師創(chuàng)造（create）一個過去從來沒有的世界。后來有人補充說，藝術家想象（imagine）一個過去和將來都“不存在”的世界。因此，“科學發(fā)現(xiàn)”“技術發(fā)明”“技術創(chuàng)新”和“工程設計”成了固定搭配詞語。工程設計把工程和科學明顯的區(qū)分開來了?？茖W研究只有第一，沒有第二；工程問題的解答具有非唯一性，是在多項約束和矛盾沖突中協(xié)調(diào)實現(xiàn)的。因此，工程設計的顯著特點包括：創(chuàng)造性、復雜性、選擇性和妥協(xié)性。工程設計要求工程師以工程可實現(xiàn)性為必須前提條件，針對實際的工程問題給出可行的、可操作的實施方案。

3.3 工程設計基本方法

國民經(jīng)濟各個產(chǎn)業(yè)部門，特別是細分的各工程領域在其單元（部件）、設備、系統(tǒng)及其產(chǎn)品或者工藝流程的設計方法上各有特點，綜合各方共性，討論一般工程設計的基本環(huán)節(jié)、內(nèi)容要求，對提高工程設計教育質(zhì)量，培養(yǎng)適應創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的工程技術人才是有重要意義的。一個基本的設計過程通常包括：需求調(diào)查與分析，制定設計方案，模型制作，方案測試評估與優(yōu)化和編制用戶手冊等主要環(huán)節(jié)，是一個具有反饋和循環(huán)的動態(tài)過程。設計流程如圖2所示。

（1）需求分析。以需求為源驅(qū)動力，發(fā)現(xiàn)與明晰工程設計問題，以形成設計要求說明書文檔為標志。設計要求說明書的主要內(nèi)容包括：設計對象的總體目標，功能要求，性能指標（技術指標或總體技術水平的要求），結構外觀要求，環(huán)境目標要求，安全性，可靠性要求，成本要求和時限要求，等等。

（2）方案設計。以所形成的設計要求說明書內(nèi)容為目標，收集設計所需要的信息完成設計分析；以工程設計的主要因素為主線，提出盡可能多的設計構思，將最能取得希望效果的構思以功能結構圖、模型、語言和文字等方式呈現(xiàn)出來；進而對各種構思進行篩選，從而獲得實現(xiàn)目標的比較滿意的設計方案。

（3）模型（原型）制作。以獲得的滿意設計方案為指導，以模型（原型）制作或者開發(fā)原型機為主要任務，發(fā)展構思、檢驗產(chǎn)品的造型結構以及零部件的裝配關系，進一步完善產(chǎn)品設計方案。該環(huán)節(jié)包括圖樣繪制和制作模型兩個階段，產(chǎn)生工作原理圖、整體和局部結構圖（包括加工要求）、裝配圖和不同的模型制作。現(xiàn)代設計過程中廣泛使用計算機輔助設計制造技術，模型或原型連接、裝配和試驗，全部在計算機支持的可視化系統(tǒng)中可以完成。

（4）方案測試、評估與優(yōu)化。測試的目的是檢驗產(chǎn)品在結構、功能和技術性能等方面是否達到了設計要求說明書的指標要求，同時，對設計方案和產(chǎn)品進行全面的評估，以便進一步優(yōu)化設計方案。

（5）編寫用戶手冊。用戶手冊也稱為產(chǎn)品說明書，它可以幫助消費者正確使用、保養(yǎng)產(chǎn)品，有效發(fā)揮產(chǎn)品使用價值。產(chǎn)品說明書一般由標題，正文和標記等組成，要求語言準確、通俗、簡潔、內(nèi)容條理清楚。

4 工程設計能力培養(yǎng)

工程設計教育的主要任務是培養(yǎng)工科學生的工程設計能力，工程設計能力培養(yǎng)必須以掌握和運用工程設計方法為主要內(nèi)容。院校工程教育中的工程實踐訓練擔負著培養(yǎng)學生工程實踐能力、特別是創(chuàng)新設計能力的重任，通過工程實踐教育、訓練，著力培養(yǎng)學生的工程實踐能力、工程設計能力和創(chuàng)新能力。工程設計能力培養(yǎng)必須分層次循序漸進，由基礎的初步設計、綜合到創(chuàng)新，由相對獨立到交叉融合。相應的環(huán)節(jié)包括：設計性、綜合性實驗，課程設計，綜合實訓，科技創(chuàng)新和學科競賽，畢業(yè)設計等。

設計性、綜合性實驗：設計性和綜合性實驗是培養(yǎng)學生設計能力的基礎。其中，設計能力的培養(yǎng)過程是在明確實驗目標任務與要求的基礎上（需求），由學生自行設計實驗方案（設計方案）、選擇儀器設備、自行搭接實驗線路（模型制作）、擬定實驗步驟、完成實驗任務（方案測試）、撰寫實驗報告與交流等階段組成。這是工程設計能力培養(yǎng)的起步，必須把工程設計的基本思想和方法融入其中，指導學生熟練掌握和運用。從基礎課、專業(yè)基礎課到專業(yè)課，設計性和綜合性實驗項目的數(shù)量應依次增加。以項目數(shù)計，總的設計性、綜合性的項目數(shù)應在60%以上。

課程設計：該環(huán)節(jié)是在工程基礎課程、專業(yè)基礎和專業(yè)課程之后設置，與課程學習內(nèi)容緊密相關的具有綜合性的小系統(tǒng)、產(chǎn)品或者設備、單元（部件）等的設計/開發(fā)任務。主要包括任務確立、市場分析、方案設計、加工制作、調(diào)試運行、分析測試和撰寫設計報告的全過程?？傮w課程設計設置數(shù)目不少于3個。通過訓練，使學生能夠鞏固和提升工程設計能力，將所學習的工程設計理論和方法、專門領域的設計知識、設計支持工具（CAD、CAE、EDA）等方法和工具與實際應用緊密結合起來，解決工程實際問題。同時，能夠考慮各種約束關系。

綜合實訓：為提升工科大學生工程技術設計能力而設置工程實訓環(huán)節(jié)，實訓以各專業(yè)工程技術專題為基礎、實施“實踐（習）+培訓”的工程實踐訓練。真實的企業(yè)環(huán)境，嚴格的企業(yè)運營管理制度和市場化的設計項目實戰(zhàn)是達到綜合實訓目標的三大必備要素。

科技創(chuàng)新和學科競賽：是工程設計能力和個性化培養(yǎng)的重要途徑。根據(jù)興趣和特長，學生自由選擇項目，撰寫提交項目申請書（包括項目的依據(jù)和需求，實施方案，儀器設備和工具，項目計劃與經(jīng)費預算等），自行組織3人左右的項目團隊。指導教師團隊對學生選題進行答辯，確定資助項目與經(jīng)費，項目完成時必須提供設計作品，進行驗收和答辯。此基礎上，進一步選拔部分學生參加如電子設計競賽、“飛思卡爾”杯智能汽車和機器人競賽等學科競賽項目。實踐證明，這些科技創(chuàng)新活動能夠充分發(fā)揮學生的學習積極性、主動性，有效提高學生設計、綜合能力，運用新型設計/開發(fā)工具的能力和創(chuàng)新設計能力。

畢業(yè)設計：是工科各專業(yè)本科生在院校工程教育階段工程設計能力培養(yǎng)的最后一個全面的綜合性實踐環(huán)節(jié)，是針對某一課題任務（企業(yè)實際問題）綜合運用所學專業(yè)理論知識、技術和設計開發(fā)工具來構思設計方案，并予以實現(xiàn)的創(chuàng)新過程。具體需要完成調(diào)研選題、需求分析、文獻綜述、方案論證、系統(tǒng)設計、分析測試、性能分析與交流和撰寫設計報告等工程設計方法的基本步驟。畢業(yè)設計題目類型可分為工程設計型、實驗設計研究型和軟件設計/開發(fā)型等。此環(huán)節(jié)采取校內(nèi)外相結合，以校外企業(yè)實踐基地為主來實施。

依照上述思想，作者及其團隊在江蘇理工學院電氣信息工程學院教學實踐中實施了多年，學生普遍掌握了基本的工程設計方法，具備了工程設計的初步能力。近10年電氣信息工程學院學生獲得了全國電子設計競賽省級三等獎以上獎項85項，近6年獲江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目44項，近4年的全國大學生“飛思卡爾”智能車競賽獲得賽區(qū)二等獎以上獎項15項、全國一等獎2項，近3年的全國大學生物聯(lián)網(wǎng)工程設計競賽賽區(qū)特等獎2項、全國二等獎1項。

5 結語

綜上所述，緊緊圍繞院高等工程教育中工程設計能力培養(yǎng)問題，從高等工程教育及其目標、現(xiàn)代工程師的能力要求、工程設計及其方法、院校工程教育階段（工程設計教育）的工程設計能力培養(yǎng)等四個方面進行了論述和探討。目的使得工程教育中更加突出工程設計能力培養(yǎng)，更加科學合理、規(guī)范高效地設置和實施工程設計能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)適應以創(chuàng)新設計為時代特征的工程技術人才，為實現(xiàn)兩個百年的奮斗目標提供強大的人才支撐。

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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

責任編輯 祁秀春