工程设计图学的改革与实践.doc

工程设计图学的改革与实践蒋丹 蒋寿伟（ 上海交通大学机械动力工程学院 上海 200240）摘要：针对图学课程基础性强,应用性不足的问题,论文以国际先进的工程教育理念为导向，以产品设计制造为主线，将相关知识点有机整合，使经典的知识通过现代的教学体系得到更好的吸收与应用。引入设计理念，从更广义的角度展开设计，以此带动相关方法的学习和应用，使产品设计与表达更融合,课程富有生命力。关键词：工程设计理念；设计与表达的融合；工程设计图学的改革；工程教育中图法分类号: TP242 教育部实施的“卓越工程师培养计划”对各个工科院校而言是一个崭新的课题，而在工程师的培养过程中，工程图学是最重要的基础之一。一般工科专业的工程图学课程都在一、二年级开设，课程量大面广，和中学其他课程有很大的不同，因此该课程起到了将大学新生引入到工程这一崭新领域的作用。结合国际先进的工程教育理念，对传统的工程图学课程进行改革，使之顺应当今形势的需要，这一工作具有重要的意义。1 国际先进工程教育的特点国外工程创新人才的培养大都是在强调人的个性全面发展的同时突出创新意识、创新能力的培养。以美国普渡大学机械工程专业为例，分析其人才培养目标的特点。普渡工学院提出学院的任务为：为教育明天的工程领袖与创新者，创造新的知识；为团队合作以及终身学习提供教育环境，并且影响国家民族以及世界的经济繁荣：学习、发现以及追求。人才培养目标是将为在21世纪全球的、技术的、经济的和社会的挑战中起到领袖作用作准备。其实施策略是通过教育经历，来发展学生的知识领域、能力和素质，以使他们能够确定需要，在经济、社会和文化方面给出有效的解决方法。三个方面的能力包括：知识领域：A1自然科学与数学，A2机械工程基础，A3分析和解释数据的技能，A4实验技能，A5开放设计与解决问题技能，A6超越工程的各学科综合知识，A7分析问题解决问题以及设计的综合技能能力范畴：B1领导能力，B2团队合作能力，B3交流能力，B4决断能力，B5认识与操纵变化的能力，B6多元化环境中高效地工作能力，B7在全球工作职业中的高效工作能力，B8工程商业与社会综合能力素质范畴：C1创新，C2强烈的工作热情，C3对世界、社会、智慧与技术的责任感，C4对变化环境的适应性，C5外部与内部创业精神，C6有意识的不断坚持的学习者2 课程改革的几个方面上海交通大学工程图学的课程经历了几个阶段：第一阶段：画法几何和工程制图，一直延续到上世纪九十年代；第二阶段：画法几何、机械制图和计算机绘图三者合一，提高了学生计算机绘图的能力；第三阶段：本世纪初，随着机械与动力工程学院国际化办学的不断深入，国外对机械类学生设计与制造基础课程先进的教学理念和教学方法让课程组开拓了视野，学院又先后派了课程组4位青年教师赴密歇根大学学习访问，并于2001年率先在学院试点班将传统的图学课程拓展为设计与制造基础课程，课程吸取了国外一流大学机械设计系列课程的培养模式，以课程设计带动知识学习，学生的能力和素质有了很大提高，使学生有了一种全新的感受，给予课程很高的评价。2009年起向全院学生推广的“设计与制造基础”课程，明确了课程在设计与制造系列课程中的地位。该课程汇聚了现代机械设计图学、创新设计方法、课程实践三大模块。2.1 课程整合 以过程引领课程，形成新的基础系列课程体系，将原来分散的各知识点有机整合。通过以产品的设计制造过程为主线，形成的设计制造基础系列课程成为学院新一轮课程体系改革的核心主干课程。这一形式为国内首创，其教改方案的实施取得了很好的效果，是我校国际化办学的重要成果之一。这一改革的结果是以产品设计制造为主线，将相关知识点有机整合，改变了传统教学体系中各知识点分散，相互没有关联的松散状态，使经典的知识通过现代的教学体系得到更好的吸收与应用。图1为知识整合结构图。产品设计制造过程工程设计的基本概念产品设计过程团队合作方法质量功能部署产品加工基础可靠性设计成本估算设计制造基础投影基础视图表达标准件常用件公差与配合零件图装配图计算机绘制工程图样AutoCAD软件应用计算机图形处理方法现代机械工程图学图形处理技术曲线曲面工程应用软件UG- CAD/CAM字设计软件图1 知识整合结构图2.2 理念驱动 以理念驱动方法，形成新的设计学科教学理念。课程加入了设计的哲理，强调设计三个要素：成本、质量和市场，从而带动相应的方法和知识。这一改革解决的问题是：传统设计学科的教学重方法、轻理念，在产品设计中忽视了市场，不考虑成本，不符合目前市场竞争的需要，使教学和实际长期脱离。引入设计理念，从更广义的角度展开设计，以此带动相关方法的学习和应用，使产品设计富有生命力，这也是我国提高产品自主设计能力的一个很重要的方面。2.3 全局定位局部以全局定位局部，课程的知识点涵盖设计与制造整个过程的基本组成模块，使学生对后续课程准确定位。传统的教学体系学科界限明显，不利于学生了解课程定位。本课程将设计与制造整个过程最为基本也是必须的组成模块展现在学生面前，并对零级的产品进行实践。随着设计的产品复杂度提高，在这一过程中增加的模块如控制、运动等，与之相应课程的定位对学生而言就较为清晰了。2.4 加强实践 课程以实践培养能力，改革传统的教学形式。通过课程设计贯穿整个教学过程，以做带学，对知识的吸收和应用有了一个载体。知识传授的节点配合课程设计的进展，提高了学生的学习自觉性和主动学习、自主学习的能力。开放式的设计题目充分提升学生创新设计能力，培养了学生的工程素质。在课堂教学和课程设计的实施中，采用多种教学形式，包括团队合作，讨论，演讲、动手实践、原型制作等，培养学生技术交流和表达的能力，团队合作精神，动手实践的能力。这一改革解决的问题是：传统的工程制图课程实验环节单一，一直是以训练技能为主，思维训练基本是空白，本课程在产品设计表达中应用传统工程制图课程的内容，在应用中巩固先导课程中学过的知识。“做中学”，拓展思维，创新设计，从工程素质的角度培养学生。2.5 人才培养方式的改革本课程的人才培养目标是具有较为广泛的社会和专业知识，解决专业问题的能力和应具备的工程素质。课程以此为基础，在课程实施的各个阶段、各个方面进行培养。核心保证是以课程设计带动知识的掌握，一开始就形成4人一组的团队，在讲授设计方法的同时就布置课程设计的题目，选用一具体产品设计要求，课题是开放式的，掌握基本方法后充分运用创新设计，体现了设计学科的本质。在学习制造基础的同时，根据加工条件进行设计修改，通过三维建模最终完成开放的设计课题。设计课题的选择是企业需求又是切合生活，在市场调研阶段需要接触社会、接近企业，了解产品设计对社会的影响和作用，就使学生逐步掌握了一定的社会科学、自然科学与工程技术的基础知识，有助于学生提高科学素养和工程意识。完成课程设计要以团队递交设计报告、答辩演讲，锻炼了学生清晰思考和用语言文字准确表达的能力，与各类型的人合作共事的能力。开放的设计课题增强了学生发现、分析和解决问题的能力，创新思维的能力，强烈的责任感以及在失败中继续探索的精神。2.6 考核方式改革课程设计是课程教学实施中非常重要的环节，这部分的考核占总成绩的大部分。因此考核的组成部分包括了学生知识的掌握，知识的运用，学习的过程，以及学生能力和素质的体现。一套完善的考核方案改变了以往平时作业+考试的常规方法，课程设计的考核包括设计报告、答辩演讲、制作原型三部分。每个团队还有队员间的互评。这套方案对学生技术交流和表达的能力，团队合作精神，动手实践的能力有了较为全面的评估。2.7 企业参与企业参与教学，未来工程师与企业工程师直接对话成果。每年的设计方案都直接来自企业，并有资深的设计工程师全程辅导，最终优胜方案由学校和企业共同评审。在此过程中，企业获得了来自未来工程师的新鲜理念，而在校学生则得到了珍贵的工程实践经验。这也是卓越工程师培养的重要方面。以本科生课程设计竞赛的方式，将现代产品开发的理念和开发流程融合在机械专业设计类基础课程中, 要求学生结合市场需求设计产品方案，使学生从低年级开始就有了面向市场需求设计产品的概念。3 课程改革的评价已进入通用汽车公司工作的同学对课程的评价是：这门课程的知识面覆盖范围极其广泛，又有纵深层次。从阐述工程师道德准则开始；进入产品设计与开发，融入工程图学，QFD质量功能展开，UG三维建模的使用；到产品实现阶段，介绍计算机辅助制造，制造加工工艺，过程控制，系统优化，它带给了我们一幅完整的产品发展的蓝图，引导我们全面而系统地学习。最后，我和我们团队的其它成员一起，共同努力达成了我们的设计目标，并将我们的作品参加了通用全球PACE设计竞赛。 设计与制造基础课程全面展现了产品开发最先进的知识、理念、技术和手段。通过经历完整的项目将其整合到一起，它们共同作用支持着未来的产品拥有良好的市场前景，满足并超越顾客期望的质量，较短的开发周期，应用于计算机辅助制造环境，为最终的大批量快速生产提供了可能。课程给我留下的宝贵财富，无论是我毕业后在上海通用汽车的工作中还是现在在威斯康辛大学继续学习的过程中，无不最容易地被我重温与应用。 刚学完课程的同学评价是： 设计与制造基础这门课程是我进入大学以后第一门全面介绍机械工程领域完整的产品开发过程的课程，这种环环相扣、理论联系实践的教学方法让我收益非浅。 通过这门课，我了解到产品设计的基本过程：从市场调查开始，把顾客需求转化为设计特点，确立设计方案。并且，我也加深了与同学之间的交流，提高了团队合作意识。4 结论 设计与制造基础是对传统工程图学的突破性改革，将培养学生的综合能力有机地融入到第一课堂的课程中，充分体现以学生为中心的现代教学理念，使学生在知识、能力和素质三个方面都得到综合提高。参考文献：1 童秉枢，田凌，冯涓，10 年来我国工程图学教学改革中的问题、认识与成果，工程图学学报，2008年，第4期2 焦永和，张彤，陈军，董国耀，第7 次普通高等学校图学教育现状的调查与研究，工程图学学报，2009年，第3期3 Robert W. Mann，Engineering Design Education: U.S.Retrospective and Contemporary，Transactions of the ASM