高等工程教育與工程設計能力培養探討

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摘要：以高等工程教育中工程設計能力培養為核心，明晰了高等工程教育培養現代工程師的目標，闡述了工程設計能力是現代工程師必須具備的核心能力。在確立工程設計及其內涵的基礎上，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的實施環節、途徑和方法，并討論分析了各環節的內容與目標。實踐表明這些環節、途徑和方法的實施對學生工程設計能力培養和提升效果明顯。

關鍵詞：工程教育；現代工程師；工程設計教育；工程設計能力

當前我國正在加快轉變經濟發展方式，調整經濟結構，轉型、升級產業，走中國特色新型工業化道路，到2020年，全面建成小康社會、實現創新型國家建設目標。實施創新驅動發展戰略是我國的必然選擇，創新特別是技術創新，主體是企業，關鍵靠人才。高等工程教育擔負著培養各種類型的創新型“工程師”和生產服務一線高素質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所在，強調通過現代工程設計思想和設計方法教育，通過工程設計能力培養和工程實踐訓練，使工科本科學生在校期間獲得現代工程師的基本訓練。因此，本文主要討論在轉變經濟發展方式、推進供給側結構性改革的經濟背景下，工程教育中本科學生工程設計能力培養的途徑和方法。主要包括高等工程教育及其目標，現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等四個方面的內容。通過分析討論使工程教育中更加突出工程設計能力培養，更加科學合理、規范有效地設置和實施工程設計能力培養環節，培養以創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

教育承擔著培養什么樣的人和怎樣培養人的重大社會使命。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容；三是以培養能將科學技術轉化為生產力的工程師為人才培養目標。[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系的橋梁，其內涵是“研究相鄰幾門工程技術方面普遍出現的問題---共同性自然規律，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]。基于高等工程教育的特征、內涵，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，使其在畢業時具備成為合格現代工程師的基本素質和條件，或者稱為現代工程師的毛坯。

2現代工程師的能力目標

高等工程教育的人才培養目標是工程師，中國特色現代化建設需要大量的多層次、多類型的現代工程師。因此，必須用符合時代要求的先進的現代工程教育觀指導現代工程師培養。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：培養現代工程師，必須堅持科學教育與工程實踐訓練并重的核心理念。二者并重并統一于工程師培養過程的工程教育觀是現代工程教育觀的核心內容。現代工程對現代工程師的基本素養和能力要求也證明了現代工程教育觀的科學合理性。現代工程已經形成了以市場需求為源驅動力，以研究開發、技術設計、制造運行、營銷管理和咨詢服務等為主要服務環節，以有效供給市場、提高供給質量為目的，以綠色技術、綠色制造、綠色產品和資源循環為工程理念的工程生命周期。其中，最基本的是研發、設計、制造和營銷，而設計處于中心地位，是聯系他們的紐帶。設計活動的驅動輸入是基于主體需求和研發的初步試驗品，其輸出結果是明晰和規范的紙質和電子圖式（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實物模型。制造（建造）的驅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產品（軟件、硬件）與服務。在經營銷售與服務活動過程中，工業產品完成自己的壽命（主要是產品或者設備的技術壽命和經濟壽命），從而為下一代產品設計提供新的需求和技術信息。這就要求現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]美國經過大量研究論證，發現產品成本的70%由設計階段決定，有效的設計能夠提高產品質量、減少成本、縮短生產周期，更好的滿足客戶的需求。[3]因此，工程設計能力，包括工程創意創新設計能力是現代工程師必須具備的核心能力，它決定著國家工業化水平和創新能力能否走在世界前列。必須將工程設計能力培養包括科學知識、工程設計理論方法、工具手段和創新意識、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造活動，設計需要有創意構思和設想計劃。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，設計學的主要研究領域有工程設計、工業設計、環境設計、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工程設計的內涵與發展

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、產品、設備、裝置、裝備和系統來的工程設計方法。工程設計的研究內容注重于功能、性能、結構、材料、環境、成本、程序、工藝和流程等。文獻[5]將工程設計的內涵概括為：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和各種約束條件下，經過構思和創造，解決有關參數的選擇與優化問題、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化問題，形成一個能夠從初始狀態經過一系列中間環節轉化為現實目標狀態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、工程規劃（計劃）、工程規范和工程標準等，更為顯著的特征是，在工程實踐中依據這些工程設計結果，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展，工程設計的演化大體可分為傳統工程設計、現代工程設計和創新設計三個階段。[6]傳統工程設計，指工業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驗和技藝的設計，設計工作主要在于產品或系統功能的構造。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。現代工程設計開始于工業革命之后，特別是電氣化時代的出現，社會化機器大生產的分工，設計逐漸和制造分離開來，逐步形成了專業的設計工程師。這時，大學也將工程設計作為課程教學的內容，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代科學技術知識，創造應用價值，通過市場競爭與選擇創造經濟品牌價值。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，對工業中獲得的經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的七種語言，成為指導工程設計的經典著作。[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。目前我們國內流行的仿真、工程設計支持軟件幾乎全部是美國公司的產品。基于傳統工程設計、現代工程設計而成長起來的創新設計，設計的過程、方法、對象、制造和經營服務都依賴于互聯網環境、知識信息大數據，設計更具有個性化、定制式和系統創新的特征，設計以綠色化、數字化、網絡化和智能化為未來發展方向。在產品的全生命周期內，以系統建模與優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字化智能設計系統，并能夠在不同地域的虛擬數字化環境里并行、協同地完成全數字化產品設計，結構、功能和性能的計算、優化仿真和整體裝配運行。[8]創新設計是我們當前和后續努力達到和實現的目標，通過創新設計引領我國制造業強國、現代化國家的實現。創新設計的實施需要大批的掌握創新設計理論、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現代工程師的第一位的核心的內容。

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：科學家發現（discover）已經存在的世界；工程師創造（cre-ate）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，“科學發現”“技術發明”“技術創新”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分開來了。科學研究只有第一，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調實現的。因此，工程設計的顯著特點包括：創造性、復雜性、選擇性和妥協性。工程設計要求工程師以工程可實現性為必須前提條件，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

國民經濟各個產業部門，特別是細分的各工程領域在其單元（部件）、設備、系統及其產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節、內容要求，對提高工程設計教育質量，培養適應創新驅動發展戰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：需求調查與分析，制定設計方案，模型制作，方案測試評估與優化和編制用戶手冊等主要環節，是一個具有反饋和循環的動態過程。（1）需求分析。以需求為源驅動力，發現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出來；進而對各種構思進行篩選，從而獲得實現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）制作或者開發原型機為主要任務，發展構思、檢驗產品的造型結構以及零部件的裝配關系，進一步完善產品設計方案。該環節包括圖樣繪制和制作模型兩個階段，產生工作原理圖、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中可以完成。（4）方案測試、評估與優化。測試的目的是檢驗產品在結構、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，對設計方案和產品進行全面的評估，以便進一步優化設計方案。（5）編寫用戶手冊。用戶手冊也稱為產品說明書，它可以幫助消費者正確使用、保養產品，有效發揮產品使用價值。產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、內容條理清楚。

4工程設計能力培養

工程設計教育的主要任務是培養工科學生的工程設計能力，工程設計能力培養必須以掌握和運用工程設計方法為主要內容。院校工程教育中的工程實踐訓練擔負著培養學生工程實踐能力、特別是創新設計能力的重任，通過工程實踐教育、訓練，著力培養學生的工程實踐能力、工程設計能力和創新能力。工程設計能力培養必須分層次循序漸進，由基礎的初步設計、綜合到創新，由相對獨立到交叉融合。相應的環節包括：設計性、綜合性實驗，課程設計，綜合實訓，科技創新和學科競賽，畢業設計等。設計性、綜合性實驗：設計性和綜合性實驗是培養學生設計能力的基礎。其中，設計能力的培養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、專業基礎課到專業課，設計性和綜合性實驗項目的數量應依次增加。以項目數計，總的設計性、綜合性的項目數應在60%以上。課程設計：該環節是在工程基礎課程、專業基礎和專業課程之后設置，與課程學習內容緊密相關的具有綜合性的小系統、產品或者設備、單元（部件）等的設計/開發任務。主要包括任務確立、市場分析、方案設計、加工制作、調試運行、分析測試和撰寫設計報告的全過程。總體課程設計設置數目不少于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節，實訓以各專業工程技術專題為基礎、實施“實踐（習）+培訓”的工程實踐訓練。真實的企業環境，嚴格的企業運營管理制度和市場化的設計項目實戰是達到綜合實訓目標的三大必備要素。科技創新和學科競賽：是工程設計能力和個性化培養的重要途徑。根據興趣和特長，學生自由選擇項目，撰寫提交項目申請書（包括項目的依據和需求，實施方案，儀器設備和工具，項目計劃與經費預算等），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，這些科技創新活動能夠充分發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/開發工具的能力和創新設計能力。畢業設計：是工科各專業本科生在院校工程教育階段工程設計能力培養的最后一個全面的綜合性實踐環節，是針對某一課題任務（企業實際問題）綜合運用所學專業理論知識、技術和設計開發工具來構思設計方案，并予以實現的創新過程。具體需要完成調研選題、需求分析、文獻綜述、方案論證、系統設計、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/開發型等。此環節采取校內外相結合，以校外企業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網工程設計競賽賽區特等獎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問題，從高等工程教育及其目標、現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，更加科學合理、規范高效地設置和實施工程設計能力培養環節，培養適應以創新設計為時代特征的工程技術人才，為實現兩個百年的奮斗目標提供強大的人才支撐。

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作者：羅印升 俞洋 陶為戈 劉曉杰 宋偉 單位：江蘇理工學院電氣信息工程學院