反求设计能力培养及其评价体系的研究与实践

阮春红，黄其柏，刘世平，田文峰，朱 洲

（华中科技大学 机械学院，湖北 武汉 430074）

“世界技能组织”（WorldSkills International）于1950年成立，总部设在荷兰阿姆斯特丹，现有63个国家和地区成员，每2年举办一次世界技能大赛（世界技能大赛始于1947年的西班牙，目前涉及40多个工种）。

国家人力资源和社会保障部两次牵头组织我国选手参加2011年英国伦敦第41届世界技能大赛和2013年德国莱比锡第42届世界技能大赛的部分项目，目前正在备战2015年巴西圣保罗第43届世界技能大赛。我国参赛的项目包括机械工程设计－CAD项目，该项目包含4个模块：机械装配图和零件图、机械制造、挑战机械加工设计、基于物理模型的逆向工程设计（逆向工程设计也就是反求设计）。机械工程设计－CAD项目要求选手具有坚实的机械工程基础知识、灵敏的整机装配意识、极强的设计应变能力和高超的软件应用技能。这反映了各国对机械工程设计人才技能的目标需求：是具有工程意识的、掌握现代设计和制造方法的创新型人才。

针对这一需求，设计通过对部件实物的反求设计（机器测绘技术是工程师正式入门产品设计的第一个台阶，又称为反求设计法）来培养学生的工程意识，培养学生掌握现代设计方法的应用能力；通过比较同类产品改进被反求的部件实物，培养学生的创新能力。实施过程中注重设计图纸的质量（包括精度和精度的可加工性）以及设计表达及模拟的真实性，更注重在学生学习设计和表达的过程中来评价学生的反求设计能力，培养学生成为“中国创造”的CAD高技能创新型人才。

1 反求设计的目的与意义

反求设计就是对已有的产品进行分析和测绘，研究其功能原理、零部件的详细结构参数、材料、关键技术等指标，再根据现代设计和制造的理论与方法进行工程设计。工程设计可划分为创新设计、适应性设计和变型设计3种类型［1］。适应性设计、变型设计又统称改进设计，是创新设计的起点。

反求设计的研究目的是加强、巩固、深化、扩展课堂教学的理论知识，培养学生实践动手能力及操作能力，进一步提高学生分析问题和解决问题的水平，为培养具有工程意识的、掌握现代设计方法的创新型人才奠定基础。

模仿设计是最省力的获取经验的方法。反求设计（特别是改进设计）可以学习他人的经验，总结他人的不足，可以为创新设计提供参考和依据。反求设计是现代化工业设计的重要手段［2］，是一个国家发展科学技术及提高工艺水平的重要途径之一。

反求设计是工程制图教学中的一个重要环节，是我国高校机械类和近机类专业普遍开设的一门重要实践课程。

2 反求设计的实施

2.1 学情分析

反求设计是我校工程制图课中的实验内容，主要对象是机械类和近机械类专业的大学一年级新生。这些新生对新知识、新技能有强烈的好奇心。他们形象思维比较发达，具有较强的参与意识和创新意识，喜欢动手实践，但普遍动手能力、工程设计能力不强，面对实际问题无从下手，很困惑。学生在具有创新意识却无法通过合适的途径来尝试创新设计实践的情况下，不但达不到学生培养创新精神的目的，反而会抑制学生的创新意识［3］。为了保护和激发学生的创新意识，精心选择反求设计题目尤为重要，并对实践过程进行教学设计。

2.2 精心选择反求设计题目进行实施

教学设计是教师对教学如何实施的设计方案，包括学习内容、材料准备、教学过程等［3］。我校大机械类工程制图课程含2次8学时的测绘实验，分别是零件测绘实验、部件拆装与改进实验［3］，其中部件拆装与改进实验中的装配体就是教师尽心设计的。

2.2.1 反求设计装配体的准备

部件拆装与改进实验中的装配体是教师设计的，设计的齿轮泵中还包含两种螺钉，其中内六角螺钉共12颗，分别连接中间泵体与左、右泵盖，起连接作用；另一种是启盖螺钉，仅4颗，分别装在左、右泵盖上，起打开泵盖的作用，如图1所示。设计的齿轮泵中包含两种销，圆柱销1连接中间泵体与左、右泵盖，主要起定位作用，圆柱销2连接齿轮与轴，起传递力和力矩的作用，如图2所示。

该齿轮泵包含：键连接、销链接、螺纹紧固件连接，图2主要表示中间泵体与左、右泵盖的定位销连接，主动齿轮与轴之间的销链接，而皮带轮与轴之间用键连接以及中间泵体与左、右泵盖的螺钉连接均略去了。

图1 齿轮泵外观图

图2 齿轮泵改进前局部装配图

2.2.2 学习内容

通过教师设计的装配体，学生学习了零件与部件的关系、零件间的连接与固定方式、零件测绘等传统知识，容易理解零件在部件中的作用、相同的零件可以发挥不同的作用等抽象知识，更重要的是要引导学生发现问题，并运用反求设计手段解决问题，培养学生的创新设计能力和动手实践能力。

2.2.3 教学过程

反求设计中要紧紧抓住两件事。一是在剖析原产品或技术中的“求”，二是在“再设计”中的“改”或“创”［4］。

由于学时较少，第二次测绘开始时，给学生提出思考题：齿轮泵部件中各零件间如何连接与固定，两种螺钉、两种销的作用是什么，左、右泵盖与中间泵体为什么难拆开等。学生带着问题进行拆卸齿轮泵，剖析原产品，在齿轮泵中“求”，在此过程中引导学生注意观察零件之间的装拆顺序、零件之间的连接与固定方式等，可以边拆边画装配示意图，学生之间加强合作，有学生拆部件，有学生画装配示意图。

在拆卸过程中，学生很快发现了问题——图1中的圆柱销1很难拆下来，圆柱销1弯曲了（教师有意设计的）。

趁机提出改进设计的题目：针对圆柱销弯曲变形的情况，如何改进设计或“再设计”？——要求保留部件的功能和大部分零件（教师给出零件图和零件三维模型）。提出本次测绘的要求，阐述反求设计的理论依据——用局部装配图表达；设计出改进后的主要零件的零件图，并创建在位零部件三维模型［5］，与教师给定的其余零件三维模型组装成装配体，不仅提高了设计效率，也可以验证自己的设计的合理性。

大部分学生提出：减短圆柱销，将右泵盖与中间泵体重新设计成一个零件，如图3所示的右泵体，这又带来新的问题：销孔变成了不通孔，如何拆卸圆柱销？

介绍拔销器［6］，如图4所示。将GB/T119.2圆柱销改为GB/T120.2内螺纹圆柱销即可［7］。可以看出：齿轮泵的拆装与改进实验就是教师尽心设计的。

3 建立反求设计评价体系

反求设计能力培养是实践性环节，在此过程中，重在培养学生的动手能力和运用知识能力，培养学生由被动学习转为主动学习，养成良好的工程意识和创新意识。建立由教师单一评价转化为教师、学生共同评价的综合评价体系。具体见表1。

图3 齿轮泵改进后局部装配图

图4 拔销器

表1 反求设计评分标准［8－12］

实验分小组进行，每组6人，同组学生根据评分标准，交叉进行批改评分。同时在实验课堂，每位学生可以得到一张便签贴，一面签自己的姓名，一面自己写课堂表现：提了什么问题与师生探讨？回答了同伴的什么问题？教师根据收上来的情况给予附加分，极大地调动了学生的参与度。

4 结束语

反求设计题目——齿轮泵的拆装与改进实验难度适中，与世界技能大赛机械工程设计——CAD项目的部分要求不谋而合，能引导学生全面理解创新的含义，消除了创新的神秘感。创新能力的培养是要逐渐积累的，不是所有的设计都要重新开始，一点点的改进就是创新，甚至就是重大革新。反求设计者需要具备较高的理论素养和较丰富的实际经验［10］，因此在进行教学设计时要注重理论联系实践。

在工程制图课程中设计反求设计实验，这一举措在我校实施了多年，充分发挥了学生的主体作用，让学生在实践操作中去理解知识、发展能力，在实践中培养学生的创新意识。反求设计实验是我校国家级精品资源共享课“画法几何及机械制图”的特色之一。

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［1］周勇.充分运用反求设计手段着重培养创新设计能力［J］.实验技术与管理，2002，19（5）：5－7.

［2］吴华杰，杜玉明，国永红.实物反求设计中尺寸精度的控制［J］.机械设计，2001（2）：15－17.

［3］阮春红，黄其柏，刘世平，等.实践教学设计，提高教学质量［J］.图学学报，2013（增刊）：184－186.

［4］侯维芝，祁翠琴.反求设计与创新技术［J］.机电一体化，2004（3）：11－14.

［5］许睦旬，郑镁，肖尧。Inventor 2009三维机械设计应用基础［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［6］阮春红，何建英，李喜秋，等.三维机械构形设计：工程制图提高篇［M］.武汉：华中科技大学出版社，2008.

［7］GB/T 120.2—2000内螺纹圆柱销［S］.北京：中国标准出 版社，2000.

［8］方亦元，王炳德.机械设备测绘基础［M］.沈阳：东北大学出版社，2008.

［9］李智勇，谢玉莲.机械装配技术基础［M］.北京：科学出版社，2008.

［10］郭佳萍，于颖，张继媛.机械拆装与测绘［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［11］黄其柏，阮春红，何建英，等.画法几何及机械制图［M］.5版.武汉：华中科技大学出版社，2012.

［12］邢渊.制造领域中反求设计方法及其应用研究［J］.中国机械工程，2001，12（4）：416－419.