基于設(shè)計(jì)思維的專業(yè)課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新教育實(shí)踐

錢志平 馬瑞 趙石巖 顧勇飛

摘要：設(shè)計(jì)思維是一種新型的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念和方法論，文章首先介紹了設(shè)計(jì)思維的基本理念，提出了基于設(shè)計(jì)思維的專業(yè)課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新教育方案，學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)、制作原型模具，并利用原型模具試制零件，以測(cè)試改進(jìn)模具設(shè)計(jì)和加工工藝。經(jīng)過多年實(shí)踐，提高了學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)思維；創(chuàng)新教育；課程設(shè)計(jì)；實(shí)物制作

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）29-0137-02

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)階段，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)成為社會(huì)共識(shí)。工程教育質(zhì)量特別是本科生的創(chuàng)新能力，對(duì)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家起著重要的作用[1]。專業(yè)課程設(shè)計(jì)是材料成型及控制工程專業(yè)課程體系中，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)[2]，為激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)動(dòng)力，對(duì)該課程教學(xué)進(jìn)行了改革。

一、設(shè)計(jì)思維

設(shè)計(jì)思維是21世紀(jì)出現(xiàn)的新的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)教育理念及方法，已成為歐美國(guó)家培養(yǎng)學(xué)生不可或缺的課程。德國(guó)學(xué)者認(rèn)為，設(shè)計(jì)思維的主要目的是培養(yǎng)創(chuàng)新者，學(xué)生的創(chuàng)造性只有通過實(shí)踐和創(chuàng)造性思維習(xí)慣的培養(yǎng)來獲得[3]。設(shè)計(jì)思維既教授思維方法，同時(shí)又通過特定的實(shí)踐，來提升創(chuàng)造性，其理念正在中國(guó)高校傳播和接受[4]。

設(shè)計(jì)思維的核心理念是行動(dòng)學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。其特征是：跨功能多元團(tuán)隊(duì)、用戶需求原則、視覺化設(shè)計(jì)、開發(fā)原型、測(cè)試并迭代反饋修改模型。

行動(dòng)學(xué)習(xí)包含了杜威提出的“做中學(xué)”理論以及庫(kù)伯的“體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈”理論等。行動(dòng)學(xué)習(xí)認(rèn)為，知識(shí)的學(xué)習(xí)不是通過講授獲得的，而是通過探索和構(gòu)建具體行動(dòng)來獲取。學(xué)生在行動(dòng)中思考前行，突破學(xué)科和專業(yè)劃分造成的知識(shí)碎片化，理論和實(shí)踐相結(jié)合，不再是被動(dòng)的聽眾，而是知識(shí)的創(chuàng)造者。

團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)通過構(gòu)思、探究、設(shè)計(jì)和實(shí)施，以解決實(shí)際的特定問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)來解決具體問題，完成項(xiàng)目任務(wù)，不再是個(gè)人行動(dòng)，而是通過團(tuán)隊(duì)激發(fā)創(chuàng)新思維、開發(fā)創(chuàng)意、驗(yàn)證操作，并創(chuàng)建某種物理實(shí)物。

二、傳統(tǒng)模式不適應(yīng)創(chuàng)新教育

傳統(tǒng)專業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)金屬板材沖壓模具的設(shè)計(jì)能力。按照教師給定的沖壓零件，每個(gè)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)一套用于制造該零件的模具，繪制模具裝配圖。教師根據(jù)學(xué)生完成的繪圖質(zhì)量、編寫的設(shè)計(jì)規(guī)范和說明書以及答辯情況，進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。該教學(xué)模式存在的主要問題如下。

1.創(chuàng)新能力訓(xùn)練不足。學(xué)生針對(duì)教師給的沖壓零件進(jìn)行工藝計(jì)算，選定設(shè)計(jì)方案后，參考相關(guān)模具設(shè)計(jì)圖冊(cè)，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程僅僅是圖紙作業(yè)，沒有任何實(shí)物制作過程，沒有激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的環(huán)節(jié)，學(xué)生不清楚模具是如何制造的、通過什么方式安裝在壓力機(jī)上、在何種條件下能夠生產(chǎn)出合格沖壓零件。

2.可視化程度不夠。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)工藝方案的選定，只能通過手工工藝計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較，不能充分考慮到材料、摩擦、邊界受力條件等因素的影響，零件成形過程無法直觀地展現(xiàn)出來。學(xué)生手工繪圖，模具裝配圖和零件圖均為平面二維圖紙，圖紙中各個(gè)零件的具體形狀及相互間的裝配關(guān)系不清晰，直觀性差，整個(gè)設(shè)計(jì)的可視化程度不高。

3.缺乏團(tuán)隊(duì)合作。學(xué)生單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，過程比較枯燥缺乏趣味性，許多學(xué)生不能主動(dòng)學(xué)習(xí)，同學(xué)間沒有相互協(xié)作、交流問題，產(chǎn)生創(chuàng)新的頭腦風(fēng)暴現(xiàn)象。而在當(dāng)代的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，僅僅靠個(gè)人而不是團(tuán)隊(duì)合作，來開發(fā)新產(chǎn)品是無法想象的，這種模式既不利于培養(yǎng)學(xué)生的合作溝通能力，也無法獲得創(chuàng)新的靈感。

4.設(shè)計(jì)的可靠性存疑。用傳統(tǒng)教學(xué)方法學(xué)生設(shè)計(jì)的模具，僅有平面二維圖紙，既無法判斷模具裝配時(shí)零件相互間是否干涉，模具能否順利安裝在壓力機(jī)上，也無法判斷利用模具成形的沖壓零件是否合格，廢料能否順利取出或頂出等。更不要說在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地更新完善，整個(gè)設(shè)計(jì)的有效性不能得到驗(yàn)證。

三、課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新教育實(shí)踐

針對(duì)以上問題，基于設(shè)計(jì)思維的理念，提出課程設(shè)計(jì)要體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的方針，擺脫工程教育理科化的傾向，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)，解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

1.確定項(xiàng)目組織團(tuán)隊(duì)。由骨干教師和專業(yè)實(shí)驗(yàn)室教師組成老、中、青結(jié)合的指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，給出不同形狀尺寸的沖壓零件作為課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。學(xué)生每四人組成團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目組，自主選擇題目，合作完成項(xiàng)目，進(jìn)行如拉深模、彎曲模、復(fù)合沖裁模和沖孔翻邊模等設(shè)計(jì)。

2.文獻(xiàn)研究和數(shù)據(jù)分析。對(duì)各自特定的課題項(xiàng)目，到圖書館、上網(wǎng)查閱資料，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。進(jìn)入專業(yè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)地觀察各類模具和各種成形設(shè)備等，對(duì)課題進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，考慮如何從用戶的觀點(diǎn)出發(fā)，在諸多因素沖突的情況下，以較小的成本和符合安全性的條件下，開發(fā)出滿足用戶使用要求的模具。

3.成形工藝模擬。在課程設(shè)計(jì)中加入沖壓成形工藝模擬，針對(duì)具體的零件，將專業(yè)知識(shí)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行成形工藝模擬。通過有限元軟件模擬計(jì)算、動(dòng)畫演示，可直觀看到?jīng)_壓成形零件變形過程，變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值大小，以及破裂、起皺等成形缺陷的發(fā)生情況。修改成形參數(shù)，如改變成形工藝、摩擦條件、壓邊力大小等，可以便捷地重新進(jìn)行模擬仿真，通過比較得出優(yōu)化的成形工藝方案。

4.創(chuàng)新設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)。依據(jù)成形工藝，項(xiàng)目組成員討論比較多種結(jié)構(gòu)形式，給出滿足客戶需要的創(chuàng)新型模具結(jié)構(gòu)方案。按照結(jié)構(gòu)方案對(duì)模具的各個(gè)零件，進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維實(shí)體造型、虛擬裝配，并對(duì)裝配好的實(shí)體模具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真演示，判斷是否出現(xiàn)零件之間運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，以及其他設(shè)計(jì)方面的問題，同時(shí)學(xué)生可以更清晰理解模具的各組成部分及功能，通過發(fā)現(xiàn)的問題修改完善模具，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5.制作原型模具。對(duì)上述設(shè)計(jì)的模具經(jīng)過指導(dǎo)教師審核后，進(jìn)行實(shí)物加工制造，除外購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件和原材料外，模具零件的加工主要利用專業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備完成。在這一過程中，項(xiàng)目組學(xué)生要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室全程參與模具的制作，解決制造中出現(xiàn)的問題，必要時(shí)修改前面的模具設(shè)計(jì)。指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)觀察，指導(dǎo)但不代替學(xué)生決策，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和自主學(xué)習(xí)能力。

6.試制沖壓零件。各項(xiàng)目組學(xué)生對(duì)模具實(shí)物零件進(jìn)行組合裝配，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)室下料設(shè)備，制得加工課題沖壓零件所需的某形狀金屬板坯料，準(zhǔn)備對(duì)設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試。規(guī)定每個(gè)項(xiàng)目組限制在2個(gè)小時(shí)內(nèi)，至少試制出3個(gè)合格的沖壓零件。學(xué)生將模具安裝在壓力機(jī)上，對(duì)壓力機(jī)的滑塊位置等參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整后，進(jìn)行沖壓零件試制。制出的零件經(jīng)過測(cè)量形狀和尺寸精度后，用塑料薄膜、潤(rùn)滑油等改善接觸摩擦條件，或改變凸凹模具的間隙、改變壓邊力等影響因素，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝條件，制得課題要求的合格沖壓零件。

四、結(jié)語

改革后的專業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)，學(xué)生要將所學(xué)的各種課程知識(shí)綜合應(yīng)用，才能設(shè)計(jì)制作出實(shí)物模具，進(jìn)而得到合格的沖壓件，這種方式培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，從而改變了專業(yè)課程設(shè)計(jì)由理論計(jì)算，到工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的培養(yǎng)模式。經(jīng)過3年的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了利用專業(yè)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決復(fù)雜工程問題和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的教學(xué)改革目標(biāo)。

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