創(chuàng)新方法在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中的應(yīng)用

史皓良， 江平宇， 李普林， 郭 威， 何龍龍

（西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安710054）

0 引 言

當前，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、3D打印等新一代信息技術(shù)引導(dǎo)的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)，信息技術(shù)的發(fā)展也不斷改變著人類的思維、生產(chǎn)、生活和學(xué)習方式?？萍歼M步與產(chǎn)業(yè)變革離不開高校的貢獻，高校作為培育高質(zhì)量創(chuàng)新性人才的孵化器，承擔著引領(lǐng)我國工業(yè)技術(shù)與科技發(fā)展方向的重要責任［1］。

產(chǎn)品數(shù)字化研發(fā)能力作為當代工科大學(xué)生必備的能力，也是現(xiàn)代制造企業(yè)對人才引進的基本要求。而產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計創(chuàng)新能力是衡量能否實施萬眾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的核心要素，也是制約創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的關(guān)鍵瓶頸之一。面對新一代信息技術(shù)浪潮如何培養(yǎng)出具備產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，是目前工科類高校追求的目標，同時也是目前高校教學(xué)過程中面臨的難題。

過去10年，國務(wù)院、教育部等相繼頒布了鼓勵創(chuàng)新性工程應(yīng)用人才培養(yǎng)的政策，例如為貫徹《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”旨在為國家培養(yǎng)出能夠適應(yīng)和滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求的高質(zhì)量、創(chuàng)新型人才［2-3］；緊接著2017年在“中國制造2025”國家戰(zhàn)略背景下為主動迎接新一輪信息計劃與產(chǎn)業(yè)變革，提升服務(wù)創(chuàng)新能力，教育部繼續(xù)推出卓越工程師計劃的升級版“新工科”建設(shè)［4-5］；2019年《中國教育現(xiàn)代化》和《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中也指出需要繼續(xù)提升高質(zhì)量一流人才培養(yǎng)與創(chuàng)新能力，加強創(chuàng)新人才以及應(yīng)用型、復(fù)合型等符合新時代需求的人才占比。

通過對相關(guān)文獻閱讀［6-10］，發(fā)現(xiàn)目前在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的創(chuàng)新能力培養(yǎng)與高校教育教學(xué)過程中還存在一些問題：①教學(xué)以授課形式為主，認知實驗為輔，學(xué)生對課程的主動參與性不強，不利于形成以實操為基點、以靈活運用理論知識到實踐中的能力增強；② 課程間的知識串聯(lián)性、融合性不足，缺乏對大學(xué)所學(xué)知識進行整理、串聯(lián)和融合的主動實踐性課程；③以師生互動為基礎(chǔ)的實操作為手段，進行知識強化和知識體系梳理，涉及對當前專業(yè)培養(yǎng)方案及其教學(xué)模式的改善，這無疑倍增了教師教學(xué)工作量和教學(xué)難度。

基于以上背景，提出創(chuàng)新方法驅(qū)動的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL（Project-Based Learning）課程教學(xué)模式。通過構(gòu)建采用基于PBL的教與學(xué)模式，結(jié)合科學(xué)的創(chuàng)新理論和方法，設(shè)計創(chuàng)新方法驅(qū)動的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計課程體系，以培養(yǎng)授課對象初步掌握產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計方法和提升產(chǎn)品數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計能力為教學(xué)目標的工科類教學(xué)模式，一方面有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新應(yīng)用能力，另一方面也能夠有效地解決現(xiàn)代制造企業(yè)對于創(chuàng)新人才的需求。

1 創(chuàng)新方法驅(qū)動的PBL課程教學(xué)模式

PBL課程教學(xué)模式，即以實際的工程產(chǎn)品或項目為出發(fā)點，進行多學(xué)科知識綜合運用，以期實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期過程中的問題解決［11-12］。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，基于PBL的教學(xué)模式是以實際的生產(chǎn)工程問題作為研究和學(xué)習的對象，問題本身是開放性的，這里就需要學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性和自我創(chuàng)新能力，利用已掌握的專業(yè)知識積極探索和發(fā)現(xiàn)解決方法［13］。同時，在基于PBL的教學(xué)模式下教師作為學(xué)生的學(xué)習引導(dǎo)者或項目評估專家，而學(xué)生作為項目的具體實施者和問題的探究者，這也與傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師和學(xué)生的角色定位不同。此外，學(xué)生在進行項目問題解決過程中還需充分調(diào)用各類學(xué)習資源，分工協(xié)作，這都是與傳統(tǒng)的教學(xué)模式有所不同。PBL更多是引導(dǎo)、啟發(fā)式教學(xué)、跨學(xué)科性、協(xié)同工作、一手知識資源、多角度評價、著重工程項目執(zhí)行能力，這也符合目前高校工科人才的培養(yǎng)和制造企業(yè)對人才的需求［14］。

以產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計為對象，提出采用創(chuàng)新方法引導(dǎo)的PBL教與學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新方法驅(qū)動的PBL課程教學(xué)模式

該教學(xué)模型以培養(yǎng)學(xué)生機械產(chǎn)品數(shù)字化研發(fā)的創(chuàng)新能力、探究式自主學(xué)習能力和協(xié)同合作能力為教育目標，借助創(chuàng)新方法理論將計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工程分析（CAE）與計算機輔助制造（CAM）等系統(tǒng)軟件融入基于協(xié)同分工的PBL課程教學(xué)過程中，用以完成基于機電產(chǎn)品/關(guān)鍵部件設(shè)計與模型制造的項目任務(wù)。具體分為以下5個階段：

（1）講座式強化培訓(xùn)階段。該階段作為課程第1階段主要通過組織各類講座，形成知識索引與串聯(lián)，通過引入真實項目工程問題幫助學(xué)生探索專業(yè)知識與工程問題的結(jié)合點，為學(xué)生后續(xù)各個階段的學(xué)習和項目實踐奠定理論基礎(chǔ)。在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計能力拓展PBL課程中，圍繞產(chǎn)品生命周期各個階段設(shè)置了CAD/CAE/CAM/NC等產(chǎn)品數(shù)字化手段、創(chuàng)新方法理論（包括3個方面：創(chuàng)新思維、發(fā)明問題解決理論（TRIZ）以及工業(yè)工程）、工程問題引入等課程，培養(yǎng)學(xué)生產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計創(chuàng)新能力。并通過課上引導(dǎo)課下自學(xué)的方式，讓學(xué)生把理論與實踐項目結(jié)合從“做中學(xué)、學(xué)中做”。圖2所示為產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中的講座設(shè)計框架圖。

圖2 《產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計能力拓展PBL課程》講座設(shè)計框架圖

（2）認知實驗階段。認知實驗階段需要學(xué)生提前進行人員分組，通過自主動手實踐，了解項目產(chǎn)品或工程問題對其有一個初步認知。在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中，則主要通過學(xué)生拆裝/觀察已有的多種型號的RepRap-3D打印機、進行硬件驅(qū)動與軟件安裝等了解已有3D打印機的工作原理及其缺陷，并通過設(shè)計含典型打印特征的樣件、進行打印工藝參數(shù)的正交實驗來體驗如何正確使用3D打印制造零部件，既為進行機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定提供感性素材，又為后續(xù)設(shè)計模型制作提供工藝能力基礎(chǔ)。

（3）項目規(guī)劃階段。該階段需要學(xué)生在課下提前做好工程問題或產(chǎn)品調(diào)研，通過利用各類學(xué)習資源（網(wǎng)絡(luò)、文獻、圖書館、生活實踐等），選擇具有一定創(chuàng)新性的機械產(chǎn)品進行對比分析和整體本體結(jié)構(gòu)設(shè)計擬定，同時從產(chǎn)品或項目問題的背景、意義、研究目標和內(nèi)容等方面進行項目計劃書的撰寫。

（4）項目執(zhí)行階段。項目執(zhí)行階段需要學(xué)生在充分利用已掌握的專業(yè)知識以及在培訓(xùn)講座課程中所涉及的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計方法和創(chuàng)新方法等理論知識（項目管理/成本分析/TRIZ/質(zhì)量屋QFD/魚骨圖/思維導(dǎo)圖/SWOT分析）圍繞產(chǎn)品全生命周期從需求分析、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動分析與結(jié)構(gòu)方案確定、產(chǎn)品詳細設(shè)計（綜合利用CAX軟件對研究產(chǎn)品進行選型設(shè)計、關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計、強度計算及有限元分析等）以及產(chǎn)品樣機打印。最終可以形成能在市場上采購或自制的產(chǎn)品物料清單（BOM）、產(chǎn)品圖紙、CAE分析及零件CAM/NC加工結(jié)果等。

（5）項目評估階段。項目評估階段及教學(xué)評價是作為課程成果檢驗的重要方式，科學(xué)合理地對課程實踐項目進行階段性的評估和總結(jié)不僅可以激勵學(xué)生的學(xué)習積極性，而且能夠即時對學(xué)生學(xué)習方法和效果起到引導(dǎo)和檢驗的作用。

在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中，采用基于項目貢獻度的學(xué)生分組協(xié)作課程設(shè)計多階段評估方法，具體要求學(xué)生按小組撰寫項目工作/技術(shù)報告及PPT答辯稿，展示機械產(chǎn)品原型制作結(jié)果并進行課程答辯和綜合評估。項目評估與課程各個階段并行進行，依據(jù)教學(xué)進度計劃，分別在5個教學(xué)和項目執(zhí)行階段中設(shè)置6次小組階段性匯報，作為課程的“質(zhì)量控制點”用于把控各個小組學(xué)習進度和項目執(zhí)行效果。課程個人成績評定方式：出勤率20%+認識實驗報告20%+課程報告60%（參照個人對項目的貢獻度），其中，課程報告評價過程中依據(jù)6個階段性報告，個人貢獻度依據(jù)項目實施過程中的個人表現(xiàn)（學(xué)習態(tài)度、工作量、工作能力和團隊合作能力等因素）參考組內(nèi)組間自評與互評，由助教和任教老師最終進行綜合評價。

2 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中創(chuàng)新方法的引入

在知識經(jīng)濟時代，現(xiàn)代企業(yè)對具備創(chuàng)新能力的工程人才迫切需求。而基于PBL的課程本身是一種以“學(xué)生為主，老師為輔”的主動實踐創(chuàng)新技能學(xué)習方法，課程實踐過程中需要學(xué)生更多地去貼近項目本身并注重項目實施的過程，相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式更容易激發(fā)學(xué)生的工程職業(yè)素養(yǎng)，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。為了更加科學(xué)地引導(dǎo)學(xué)生理解工程項目、產(chǎn)品設(shè)計及創(chuàng)新方法之間的融合機理，在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中引入創(chuàng)新方法理論，圍繞產(chǎn)品設(shè)計流程和具體產(chǎn)品設(shè)計問題解決兩個方面，通過課程強化講座指導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)掌握、運用創(chuàng)新方法提升產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計創(chuàng)新能力。

2.1 創(chuàng)新方法驅(qū)動的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計流程

產(chǎn)品設(shè)計流程在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中起到技術(shù)工作準備、資源組織管理、降低開發(fā)成本與周期等重要的作用，更是產(chǎn)品開發(fā)的首要任務(wù)。而在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中，學(xué)習和掌握產(chǎn)品設(shè)計流程能夠幫助小組成員對工程項目任務(wù)進行合理分工，更高效地完成項目任務(wù)。同時在產(chǎn)品設(shè)計流程引導(dǎo)下，學(xué)生能更好地掌握產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)的各類專業(yè)知識，鍛煉和提高其團隊合作與工程項目問題的解決能力。

工業(yè)工程理論作為企業(yè)管理創(chuàng)新的方法可以幫助企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)和改進上提供有效的理論支撐。其中，六西格瑪作為指導(dǎo)現(xiàn)代企業(yè)進行質(zhì)量持續(xù)性改進的有效管理模式，不僅能夠幫助企業(yè)達到提質(zhì)增效降本的作用，同時借助多方法的集成能夠幫助企業(yè)員工提升其創(chuàng)新能力。在本課程中通過強化講座引入工業(yè)工程中的六西格瑪管理理論，主要包括六西格瑪設(shè)計（Design for Six Sigma，DFSS）中的各個設(shè)計流程（例如：DMADV（定義、測量、分析、設(shè)計、驗證），DMADOV（定義、測量、分析、設(shè)計、優(yōu)化、驗證），IDDOV（識別、界定、開發(fā)優(yōu)化、驗證）和DCCDI（定義、顧客需求、概念、設(shè)計、實現(xiàn)）等，引導(dǎo)學(xué)生在項目實踐過程中以科學(xué)有效的產(chǎn)品設(shè)計流程作為項目實施過程的方法指導(dǎo)。

DFSS中的DMADOV設(shè)計流程如圖3所示，以此設(shè)計流程來引入多創(chuàng)新方法。由圖3可見，DMADOV流程基本上是以問題解決過程為導(dǎo)向的，其中定義階段和測量階段的目標是對項目問題進行分析，得到產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性及客戶需求等信息；分析、設(shè)計以及優(yōu)化則作為問題解決過程的3個重要階段，分別形成產(chǎn)品的概念設(shè)計、詳細設(shè)計以及對設(shè)計參數(shù)優(yōu)化；最后在驗證階段完成整個問題方案的閉環(huán)得到產(chǎn)品或方案的可行性驗證。在整個運用DMADOV進行產(chǎn)品設(shè)計過程不同的階段，可以與多種創(chuàng)新方法理論和工具進行融合，例如在定義階段可以使用親和圖、KANO分析等創(chuàng)新工具進行產(chǎn)品或項目問題的分析。采用融合多個創(chuàng)新方法工具的產(chǎn)品設(shè)計流程集成框架，能夠把創(chuàng)新方法和工具嵌入真實的產(chǎn)品或項目實施過程中，幫助學(xué)生充分、系統(tǒng)地掌握產(chǎn)品設(shè)計流程與創(chuàng)新方法的使用。

圖3 以DFSS中（DMADOV）設(shè)計流程為例引入創(chuàng)新方法

2.2 創(chuàng)新方法解決產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計問題

針對產(chǎn)品設(shè)計階段具體的設(shè)計問題求解，在本課程通過引入TRIZ創(chuàng)新方法理論來指導(dǎo)學(xué)生對產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計過程中的具體設(shè)計問題進行求解。TRIZ最初是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿齊舒勒（G.S.Altshuller）及其團隊通過對250萬件工程發(fā)明專利分析研究最后總結(jié)出用于解決工程技術(shù)問題的發(fā)明原理和方法［15-16］。相比于其他創(chuàng)新思維計法（如試錯法、綜攝法等）TRIZ理論能夠系統(tǒng)性提供問題的分析和解決方案。同時，傳統(tǒng)工科類課程在解決工程問題時，通常忽略了問題本身，而根據(jù)已學(xué)的專業(yè)知識直接去解決問題。這種方式會造成學(xué)生形成固定的問題解決思維模式，就此通過引入TRIZ創(chuàng)新方法理論幫助學(xué)生形成分析問題、定義問題、解決問題以及問題評估的系統(tǒng)性問題求解理論體系。圖4所示為使用TRIZ理論進行具體的產(chǎn)品設(shè)計問題求解流程圖。

圖4 TRIZ理論求解問題流程

3 Rep Pap開源打印機設(shè)計項目中的應(yīng)用案例分析

結(jié)合機械類工科學(xué)生的專業(yè)知識儲備，以RepPap-3D開源打印機的機械本體設(shè)計為設(shè)計能力提升的工作對象，依托課程講座式強化培訓(xùn)、認知實驗、項目規(guī)劃、項目執(zhí)行、項目評估這5個階段，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用創(chuàng)新方法理論和CAX軟件，達到培養(yǎng)學(xué)生產(chǎn)品數(shù)字化研發(fā)的創(chuàng)新能力之目的。對產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技能拓展PBL課程中的某一組學(xué)生項目案例進行分析。

圖5所示為以RepPap-3D開源打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計為實踐項目的一小組學(xué)生項目實施案例，從圖中看出該小組采用六西格瑪產(chǎn)品設(shè)計流程中的DMADV設(shè)計流程為總的項目實施框架。在項目實施過程中各個階段具有非常清晰的任務(wù)劃分并在各個階段學(xué)習和使用了各類創(chuàng)新方法及工具：在定義階段，首先利用網(wǎng)絡(luò)工具對RepPap-3D打印機進行充分的調(diào)研手機客戶需求，接著借助SWOT分析、WBS工作分解圖以及項目計劃甘特圖等項目管理工具和方法完成項目規(guī)劃的任務(wù)；在測量階段，使用了質(zhì)量屋和CTQ關(guān)鍵質(zhì)量特性分析等創(chuàng)新方法結(jié)合用戶需求分析擬設(shè)計的3D打印機各項功能特性與顧客需求間的影響程度，進一步確定項目的目標；在分析階段，利用價值工程的思想使用最合適區(qū)域法對3D打印機的功能價值進行分析，并對多個初始方案進行評估確定最終的打印方案；在設(shè)計階段，首先利用數(shù)字化設(shè)計工具CAD/CAE/CAM等軟件進行擬定打印機的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和仿真分析，接著在進行關(guān)鍵零部件校核和設(shè)計時采用TRIZ矛盾矩陣法對其進行創(chuàng)新改進，最后完成最終的3D打印機三維模型；在驗證階段，借助實驗室提供的3D打印機對簡化后的三維模型進行打印得到RepPap-3D打印機樣品。

圖5 RepPap-3D開源打印機項目實施案例

從整個項目實施的過程中可以看出，學(xué)生是以一種主動實踐的方式進行項目實施。其中需要學(xué)生進行大量的項目調(diào)研，制定合理的項目規(guī)劃和分工以及充分運用所學(xué)的各類專業(yè)技能和知識。多創(chuàng)新方法的嵌套使用（六西格瑪產(chǎn)品設(shè)計流程與TRIZ創(chuàng)新理論）既幫助學(xué)生提供系統(tǒng)性的項目實施方法，同時也幫助學(xué)生在解決具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和項目問題上提供一種創(chuàng)新性的解決思路。

4 結(jié) 語

圍繞工科機械類學(xué)生產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計創(chuàng)新能力提升這一核心問題，在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計能力拓展PBL課程中引入創(chuàng)新方法理論。設(shè)計了一種創(chuàng)新方法驅(qū)動的PBL課程體系與培訓(xùn)機制，并依托產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計能力拓展PBL培訓(xùn)課程的教學(xué)實踐，從創(chuàng)新方法在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計流程以及具體的設(shè)計問題兩方面剖析多創(chuàng)新方法在PBL課程中的應(yīng)用機理與影響機制，其中著重介紹了六西格瑪產(chǎn)品設(shè)計流程DMADOV以及TRIZ創(chuàng)新理論。最后，以實際的學(xué)生項目實施案例驗證了該教學(xué)模式的可行性與科學(xué)性。