工程設計方法及其在人才培養中的實施

羅印升 俞洋 陶為戈 劉曉杰 宋偉

摘 要：在闡述工程設計內涵、特點的基礎上，以工程設計方法及其應用為核心，歸納總結了工程設計的基本流程及其各環節的任務和分析評價方法，為工科大學生學習和運用好工程設計方法提供了方法上的指導，從而使工科大學生在學校教育階段能夠熟練掌握工程設計的基本方法，培養初步的工程設計能力，為走上工作崗位后通過工程項目的歷練、持續提升工程設計能力奠定堅實基礎，為我國實施創新驅動發展戰略提供強大的人才支撐。

關鍵詞： 設計；工程設計；工程設計方法；人才培養

中圖分類號：C969 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2017）02-0073-07

當前我國正在加快轉變經濟發展方式，由要素驅動轉變為創新驅動發展，確保到中國共產黨成立100年時全面建成小康社會，建國100年時基本實現現代化。以設計促進產業創新是現代工業化國家的共同戰略，提升創新設計能力，推動中國制造向中國創造轉變，不僅能夠提升產品的功能、市場競爭力和附加值，還可以創造和引領新的產業。因此，貫徹實施系統化的工程設計方法并不斷創新，對工程科技人才培養意義重大。

1 設計與工程設計

辭海[1]對“設計”一詞的內涵解釋是：“根據一定的目的要求，預先制定方案、圖樣等，如廠房設計”。也就是說，設計是有目的性的、基于某種需求，需要有創意構思和設想計劃，是一種創造性活動。根據工作對象，設計可分為工程設計、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。工程設計注重于功能、性能、結構、材料、環境、成本、程序和工藝設計等。工程設計的內涵通常是指對工程項目的周密計劃。“在工廠、礦山、鐵路、橋梁及其建筑工程建設之前，按照國家標準，結合生產實踐、科學技術及經濟發展情況，經過調查研究和科學分析，進行周密思考及其計算繪圖工作，最后提供出作為建設施工依據的設計文件及圖紙的過程。一般分為初步設計和施工圖設計兩個階段進行。對技術特別復雜的工程項目，有時采取三階段設計（初步設計、技術設計和施工圖設計）的方式”[1]。辭海中關于工程設計概念的含義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。所謂制造性工程設計就是需要將多種源材料經過多個復雜的加工處理過程，從而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工作。美國工程和技術認證委員會（ABET）在教學大綱中對工程設計的定義是：為滿足目標需求而創造某種系統、部件和方法的過程[2]。這樣，工程設計的內涵就可以概括為，工程設計本質上是求解一個工程問題的構思和實現構思的過程。也就是在一定的初始狀態和各種約束條件下，經過構思和創造，以解決有關系統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等，從而確立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，更為顯著的是在工程實踐中依據這些工程設計結果可以建造出人造物來[3]。伴隨著人類社會文明的發展，工程設計進程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[4]。工程設計方法的教授與學習就成為了高等工程教育培養工程科技人才的最重要的核心內容。

2 工程設計的特點

工程設計要求設計者（工程師）以工程可實現性為前提，為具體的工程問題提供切實可行的、可操作性的實施方案。它是工程師的職業核心能力，也是現代工程教育的核心內容。工程設計把工程和科學明顯的區分開來了，工程教育和科學教育是有區別的，工程設計方法和科學方法之間的比較見表1。George E. Dieter在《工程設計》文獻中用四個“C”概括了工程設計的顯著特點：創造性（Creativity）。工程設計需要創造出先前不存在的、甚至不存在于人們觀念中的新東西；復雜性（Complexity）。工程設計總是涉及多變量、多參數、多目標和多重約束下的復雜問題求解；選擇性（Choice）：在不同的層次和范圍上，工程設計都必須在多個不同的解決方案中做出合理選擇；妥協性（Compromise）。工程設計者常常需要在多個相互沖突的目標及約束條件之間進行權衡、協調和折中[3]。

3 工程設計方法

從工程活動的全過程看，工程設計是其中一個影響全局的關鍵性階段或者環節，工程設計方法本身有其科學合理的基本流程，工程設計的結果應該是明晰和規范的圖紙、程序或者操作流程等。雖然不同的工程領域、不同的產業，在設計方法上各有特點，但是綜合各個方面的共性，在一般意義上討論工程設計的基本環節、內容要求，對工程設計教育特別是我國實施的創新驅動發展戰略是有重大意義的。工程設計教育可使工科大學生獲得工程設計的專門訓練，遵循一個系統化的方法來完成工程設計活動。一般的工程設計過程須包括：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基本環節，是一個反復的動態過程。工程師在進行工程設計時，在不同環節之間需要不斷反復循環，改進和完善各環節的局部方案，最終才能獲得一個比較滿意的全局設計結果。基本的工程設計方法流程如圖1所示[5]，其各個環節的內容要求如下。

3.1 需求調查與分析

即就是獲取設計任務，發現與明確工程設計問題。工程設計是求解一個工程問題的思維和實踐過程，工程設計是以需求為驅動力。從需求調查開始，進行信息分析、發現與明確需要解決和值得解決的工程設計問題，進而準確明晰的描述設計任務，將設計任務轉化為設計要求，形成設計要求說明書。

（1）發現問題的途徑與方法。問題來源于人們的生存、生產和生活之中，可以是人們面臨的共同問題，也可以是需求者（或者稱客戶）提出的問題，也可以是對已有設計的升級改進、形成系列化產品的設計問題，也可以是設計者本人有針對性的發現的問題等等。這些都需要我們獨具慧眼去觀察、發現。發現問題的方法和途徑包括：我們日常生活中的一個偶然事件、一個器物和一個偶然現象都能夠啟發激勵一個問題的發現，有目的、有計劃地長期觀察也能夠發現問題；有目的性通過互聯網絡大數據挖掘和分析或者其他途徑以問卷調查法、詢問法，或者文獻分析法等方法作為基本方法，收集并分析信息也能夠發現有意義的問題；此外，有目的性的技術研究與技術試驗也是發現問題的重要途徑和方法。

（2）準確明晰描述問題。即就是要給出發現問題的定性界定和定量描述，包括明確問題的具體內容、研究的必要性與可行性、受到的約束和限制等，以確立具體的設計要求，進而形成工程設計計劃。設計的問題是否清晰、具體和明確，可以從三個方面來進一步考察和確認。問題本身表述是否清楚，產生問題的原因是否明確，解決問題的目標是否明確；問題研究的必要性與可行性，通常可以通過如下幾個方面進行判斷：問題是否符合基本的科學原理和工程倫理道德？該問題目前已經解決的程度和技術水平如何？（市場信息）現有技術條件能否解決該問題？解決該問題的各方面成本是多少？性價比如何？投入產出比是否可以接受？等等；設計問題所受的約束和限制主要有兩方面：一是設計對象的特點和問題解決的標準。對不同的設計對象而言，其功能、性能、結構、材料、大小、外觀、安全性、可靠性、可維護性、耐用性、制造工藝等方面的設計標準也不同，還有成本和環境的限制。二是工程師（設計師）所擁有的能力和條件。這些包括，工程師（設計師）是否具有解決問題所需要的工程知識和技能，及一定的材料、資料、儀器、設備和空間作支撐的人力、物力、財力與時間條件。若這些條件不具備，再有價值的設計也難以實現。

在完成上述需求調查與分析的基礎上，工程師就可以根據設計任務提出具有一定可行性的具體的設計要求，主要內容包括：設計對象的總體目標、功能要求，性能要求（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。

為了保證設計工作有目的、有計劃的進行，必須制定設計進程計劃表。設計進程計劃表典型方式是采用甘特圖（Gantt chart），如表2所示[2]。一維以設計工作各個環節的任務為序，即需求調查與分析→制定設計方案→模型制作→方案測試、評估和優化→編制用戶手冊。另一維以時間片為單位（天、周、月等），在此二維表中并行或者連續的安排各項任務及其所需要的時間片段。

3.2 制定設計方案

設計方案是實現工程設計要求的總體思路和概要，是全局性概念設計（Conceptual design）的開始。因此，必須緊緊圍繞上述工程設計要求說明書，收集設計所需要的信息并進行歸納與分析——設計分析；抓住設計的主要因素，發現那些最能取得希望效果的構思，提出盡可能多的設計構思并以合理方式呈現出來——方案構思與呈現；進而對各種構思進行篩選，最終決策出比較滿意的設計方案。

（1）設計分析。設計的最終目標是為了滿足人的需求，合理的設計分析可以使得設計工作少走彎路。因此，必須以人、物和環境之間的關系作為工程設計的大背景，以上述形成的設計要求中各個要素為中心，如：功能要求，性能要求，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，詳盡分析并提出盡可能多的實現各項功能的解決辦法。這是設計分析的主要內容和任務。形態結構圖[6]是一個很好的以功能要求來描述實現方法的工具，實際上是一個二維圖表。一維（左列）的內容是設計要求中確定的每一項功能要求，另一維（首行）的內容是對應左列每一項功能要的可能的解決方法，通常保持在5個左右。解決辦法可以采用草圖+文字說明或者文字描述方式填寫，如表3所示。這樣，這張形態結構圖就包含了本次設計中理論上的各種可行辦法的基本信息。

（2）方案構思與呈現。在設計分析的基礎上，每次從表3的一行中選取一個解決辦法，然后結合成合集，這些合集就組成了完整的方案信息。理論上實現方案數是相當大的，但是大部分的方案是不可行的。進一步將主要功能、性能等要求實現方法轉化為不同的實體結構，然后將設計分析中的各要素按照一定的規律架構起來，就會形成一個抽象的人造物。進而采用功能結構圖、模型、語言和文字等方式表達出來，從而產生比較具體的方案。此即為設計方案的構思與呈現過程。在方案構思過程中，啟發方案構思的方法有構思草圖法、仿形和組合模仿法、聯想法和奇思妙想構思法等。構思草圖是有效的技術設計交流語言，它以具體圖形的形式記錄和描繪設計師的想法，能夠將設計構想比較明確的表達出來，并可以激發靈感。仿形和組合模仿法是在已有構思方案的基礎上重組、改進或者基于仿生技術構建新的設計方案。聯想構思法需要工程師（設計師）有豐富的實踐經驗和想象力由彼及此、廣泛聯系。奇思妙想構思法可能會產生當前條件下無法實現的構思，但是對開闊構思是非常有用的。此外，也常常采用綜合創造性技術法幫助尋找思路，如頭腦風暴法、5W-2H提問法等等。其中5W2H 提問法[5]的主要要義是：Why——為什么要研究該問題？為什么要采用這個原理、結構和方法？What——研究什么問題？任務是什么？目的是什么？方法是什么？約束是什么？問題與哪些要素有關？Who——誰來決策？誰來組織實施？Where——工程系統邊界和環境約束在哪里？何處可做？何處最適宜？When——分析的是何時的狀況？何時開始？何時完成？何時最適宜？How to——如何實現工程設計的目標？怎樣做效果好？怎樣改進？How much——需要多少人力、物力和財力？成本多少？有多少功能？有多少利益？有多大效率？

初步的構思方案需要進行綜合和以視覺形象呈現。技術圖樣是將工程設計構思用圖樣的方式呈現出來的設計交流語言，適合于較復雜產品設計方案的呈現和詳細說明。圖表包括相關表格、草圖和效果圖，也是呈現構思方案的有效方式。通過草圖、功能結構圖、效果圖呈現設計的構思方案，通過表格對各種方案進行比較分析。當前計算機輔助設計系統已經成為工程師進行工程設計強有力的助手，它能夠準確表達設計師的設計意圖、修改方便、工作效率高，已經深入到各個設計領域和設計的各個環節，是工程設計的發展方向。

（3）方案篩選。經過構思形成多個概念設計方案后，需要進行方案篩選，以設計要求說明書（設計任務中的要素）和設計中遵循的基本原則為核心，采用表格的方式對各方案進行比較和評價。由上述形態結構圖所產生的概念設計方案的數量是很大的，設計師根據自身的工程經驗需要否定一些技術難以實現的概念設計方案，方案數可以精簡。在此基礎上選擇出5～6個概念設計方案，然后采用決策矩陣法產生一個比較滿足的方案。決策矩陣是一個二維表，一維是設計要求說明書中的各個要素，由設計師或者團隊成員根據重要性程度賦予1～10的權重（1：最不重要或最不需要的；3：較不重要或較不需要的；5：中等重要或中等需要的；8：很重要或很需要的；10：最重要或最需要的；等等）；另一維是備選的概念設計方案。設計師或者團隊成員必須選擇基準概念，可以是可用的產品或者早期的產品或者問題的明顯解決方案。這樣，判斷概念設計方案對應于設計要求的各項要素的優劣情況，也就是判斷它是好于基準或者大體相當或者比基準差。若好于基準，則標記為+分；若大體相當，則標記為0分；若比基準差，則標記為-分。計算總分：加分數（總計+）=標記為+分數之和（Σ+分數），減分數（總計-）=標記為-分數之和（Σ-分數），總分數=加分數-減分數，加權總計=Σ每一個分數乘以權重系數。然后，把當前最好的概念設計方案作為基準，重新迭代。如表4所示[2]。

其中方案的技術、經濟可行性分析要素作為項目要素是需要的。技術分析是對方案中采用技術的先進性（就是使實現給定任務的技術水平處于該技術領域的前沿。注意，設計中的使用的技術常常是多項組合集成的）、實用性（實現給定任務所采用的技術既符合需求方的具體條件又能取得最大的效果）和可靠性（指產品在規定時間內和規定條件下無故障工作時間）；經濟分析就是經濟可行性，看經濟效果。從生產規模、價格和投資等要素做出大略估算。綜合上述迭代結果，最后選出比較滿意的方案或者集中各個方案的優點進行改進、產生新方案。

3.3 模型（原型）制作

方案篩選完成后，下一步的工作是模型（原型）制作或者開發原型機環節。該環節是發展構思的創造性過程，通過該環節來檢驗產品的造型、結構以及零部件的裝配關系，對產品的設計進行調整和修改，主要工作包括圖樣繪制和制作模型兩個階段。

圖樣繪制，包括工作原理圖、整體和局部結構圖（包括加工要求）、裝配圖等等，可以使用計算機輔助制圖工具軟件完成。對于簡單、小型的產品設計可以在圖樣的基礎上直接制作原型。原型可以是產品本身，也可以是與產品大小相同、功能一致的實體。復雜、大型的產品需要先制作模型，模型是根據構思、設計圖樣，按比例、生態或其他特征制作的與實物相似的實體。模型制作的主要步驟有：選擇合適的材料，裝備合適的使用工具和加工設備，按設計圖樣劃線，對材料進行加工，裝配，模型表面處理，對外觀、造型和色彩進行評價、對產品功能性能進行檢測和試驗，對設計方案進行修改、做成展示模型。在不同的設計階段實體模式的種類有：草模、概念模型、結構模型、功能模型和展示模型等，它們的主要用途如表5所示。現代設計技術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系統中完成，制造業的網絡化、智能化是發展方向。

3.4 方案測試、評估與優化

模型或者原型制作完成后，一方面需要對其進行測試以檢驗產品在操作、使用過程中，在結構、功能和技術性能等方面是否達到了預定的設計要求；另一方面對設計方案和產品進行全面的評估。長期以來的工業生產中，一直是通過一定的訓練，強求工人適應他所處的環境，這種狀況隨著工程設計水平的提高將改觀。工程設計是為人服務的，因此，工程設計中要充分考慮到人的能力，進而設計環境適應人的能力，使人機之間協調一致。此外，也要聽取制造、銷售人員、客戶和潛在客戶的意見，以便進一步優化設計方案。統計資料顯示，設計成果質量的60%-70%是由設計過程的質量決定的，必須加強設計過程評價。設計過程評價的主要內容有：設計過程是否完備，分工是否合理，采用的方法是否合理，各個環節的任務是否完成，其中間結果是否符合要求，全過程是否有質量控制和監督改進措施等。設計的一般原則包括：創新性原則，實用性原則，經濟性原則，美觀性原則，道德性原則（產品設計必須以人為本），技術規范性原則（設計標準、規范、規則等，有關設計開發、生產技術的知識、領域、方法和規定的總和），可持續發展原則。設計是一項綜合創新活動，各項原則之間相互制約、相互影響，必須針對不同的產品合理定位各項原則的地位，在綜合分析的基礎上采取折中或妥協的辦法加以平衡。

最終工程設計評價需要將設計的一般原則和設計任務結合起來進行評價。在設計的最后階段需要根據設計規范、標準、公式、算法、手冊進行大量的認真細致的計算、制圖和審核，避免失誤和遺漏。

3.5 編制用戶手冊

產品說明書也稱為用戶手冊，是由生產單位編寫的向消費者介紹產品性能、結構、使用方法、操作方法、維護和保養等方面知識，以及產品部件名稱、數量、材料成分等，以幫助消費者正確使用、保養產品，有效發揮產品使用價值的文書。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 在人才培養中實施

目前我國仍然處在工業化建設、邁向現代化的關鍵階段，仍然迫切需要大量的工程科技人才，工程設計方法是工程科技人才必須掌握的第一重要的方法，工程設計能力是工程科技人才永恒的第一位的實踐能力。在學校工程教育階段必須把工程設計理論、知識和方法很好的貫徹到工程科技人才培養過程中。

（1）以“工程設計方法”導論課程為先導，結合典型的工程項目和產品制造過程，將一般意義系統化的工程設計理論和方法教授給學生，授人以漁。

（2）以掌握現代工程設計理論、方法、工具和手段為核心內容，結合專業領域的設計知識，設置由基礎實踐技能、初步設計能力、綜合創新設計等組成的逐層深化的工程設計實踐訓練體系。突出系列化課程設計、科技創新訓練、畢業設計等的設計特色。在系列化課程設計中，通過明晰需求、設計優選方案、硬軟件設計與制作、安裝（裝配）、綜合調試、撰寫設計報告與匯報交流等環節，以掌握工程設計方法與現代設計工具，培養工程實踐能力與創新意識；在畢業設計中綜合運用多方面知識、技術方法和工具，提出并實現解決實際工程問題的滿意方案，撰寫規范的設計總結報告，答辯和交流。

（3）在工程設計方法的實施過程中，著力培養學生的工程實踐能力、工程設計能力和創新設計能力。在設計滿足任務的系統、結構、流程、控制單元（部件）技術方案中體現創新意識，并綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等因素。

5 結語

本文以如何掌握和運用工程設計方法為主要內容，在介紹工程設計內涵、特點的基礎上，歸納和概括了工程設計方法的基本流程及其各環節的任務和分析評價方法，為工科大學生學習和運用工程設計方法提供了方法上指導，為培養實現中國制造向中國創造轉變的工程科技人才提供了有效途徑。

參考文獻：

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