创新方法在产品数字化设计技能拓展PBL课程中的应用

史皓良， 江平宇， 李普林， 郭 威， 何龙龙

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710054）

0 引 言

当前，互联网、人工智能、大数据、3D打印等新一代信息技术引导的科技革命和产业变革蓄势待发，信息技术的发展也不断改变着人类的思维、生产、生活和学习方式。科技进步与产业变革离不开高校的贡献，高校作为培育高质量创新性人才的孵化器，承担着引领我国工业技术与科技发展方向的重要责任［1］。

产品数字化研发能力作为当代工科大学生必备的能力，也是现代制造企业对人才引进的基本要求。而产品数字化设计创新能力是衡量能否实施万众创新创业的核心要素，也是制约创新创业的关键瓶颈之一。面对新一代信息技术浪潮如何培养出具备产品数字化设计创新能力的应用型人才，是目前工科类高校追求的目标，同时也是目前高校教学过程中面临的难题。

过去10年，国务院、教育部等相继颁布了鼓励创新性工程应用人才培养的政策，例如为贯彻《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020）》提出“卓越工程师教育培养计划”旨在为国家培养出能够适应和满足社会经济发展需求的高质量、创新型人才［2-3］；紧接着2017年在“中国制造2025”国家战略背景下为主动迎接新一轮信息计划与产业变革，提升服务创新能力，教育部继续推出卓越工程师计划的升级版“新工科”建设［4-5］；2019年《中国教育现代化》和《国家教育事业发展“十三五”规划》中也指出需要继续提升高质量一流人才培养与创新能力，加强创新人才以及应用型、复合型等符合新时代需求的人才占比。

通过对相关文献阅读［6-10］，发现目前在产品数字化设计的创新能力培养与高校教育教学过程中还存在一些问题：①教学以授课形式为主，认知实验为辅，学生对课程的主动参与性不强，不利于形成以实操为基点、以灵活运用理论知识到实践中的能力增强；② 课程间的知识串联性、融合性不足，缺乏对大学所学知识进行整理、串联和融合的主动实践性课程；③以师生互动为基础的实操作为手段，进行知识强化和知识体系梳理，涉及对当前专业培养方案及其教学模式的改善，这无疑倍增了教师教学工作量和教学难度。

基于以上背景，提出创新方法驱动的产品数字化设计技能拓展PBL（Project-Based Learning）课程教学模式。通过构建采用基于PBL的教与学模式，结合科学的创新理论和方法，设计创新方法驱动的产品数字化设计课程体系，以培养授课对象初步掌握产品数字化设计方法和提升产品数字化创新设计能力为教学目标的工科类教学模式，一方面有利于培养学生的工程创新应用能力，另一方面也能够有效地解决现代制造企业对于创新人才的需求。

1 创新方法驱动的PBL课程教学模式

PBL课程教学模式，即以实际的工程产品或项目为出发点，进行多学科知识综合运用，以期实现产品的全生命周期过程中的问题解决［11-12］。与传统的教学模式不同，基于PBL的教学模式是以实际的生产工程问题作为研究和学习的对象，问题本身是开放性的，这里就需要学生充分发挥主观能动性和自我创新能力，利用已掌握的专业知识积极探索和发现解决方法［13］。同时，在基于PBL的教学模式下教师作为学生的学习引导者或项目评估专家，而学生作为项目的具体实施者和问题的探究者，这也与传统教学模式中教师和学生的角色定位不同。此外，学生在进行项目问题解决过程中还需充分调用各类学习资源，分工协作，这都是与传统的教学模式有所不同。PBL更多是引导、启发式教学、跨学科性、协同工作、一手知识资源、多角度评价、着重工程项目执行能力，这也符合目前高校工科人才的培养和制造企业对人才的需求［14］。

以产品数字化设计为对象，提出采用创新方法引导的PBL教与学模式，如图1所示。

图1 创新方法驱动的PBL课程教学模式

该教学模型以培养学生机械产品数字化研发的创新能力、探究式自主学习能力和协同合作能力为教育目标，借助创新方法理论将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）与计算机辅助制造（CAM）等系统软件融入基于协同分工的PBL课程教学过程中，用以完成基于机电产品/关键部件设计与模型制造的项目任务。具体分为以下5个阶段：

（1）讲座式强化培训阶段。该阶段作为课程第1阶段主要通过组织各类讲座，形成知识索引与串联，通过引入真实项目工程问题帮助学生探索专业知识与工程问题的结合点，为学生后续各个阶段的学习和项目实践奠定理论基础。在产品数字化设计能力拓展PBL课程中，围绕产品生命周期各个阶段设置了CAD/CAE/CAM/NC等产品数字化手段、创新方法理论（包括3个方面：创新思维、发明问题解决理论（TRIZ）以及工业工程）、工程问题引入等课程，培养学生产品数字化设计创新能力。并通过课上引导课下自学的方式，让学生把理论与实践项目结合从“做中学、学中做”。图2所示为产品数字化设计技能拓展PBL课程中的讲座设计框架图。

图2 《产品数字化设计能力拓展PBL课程》讲座设计框架图

（2）认知实验阶段。认知实验阶段需要学生提前进行人员分组，通过自主动手实践，了解项目产品或工程问题对其有一个初步认知。在产品数字化设计技能拓展PBL课程中，则主要通过学生拆装/观察已有的多种型号的RepRap-3D打印机、进行硬件驱动与软件安装等了解已有3D打印机的工作原理及其缺陷，并通过设计含典型打印特征的样件、进行打印工艺参数的正交实验来体验如何正确使用3D打印制造零部件，既为进行机械本体结构设计方案的确定提供感性素材，又为后续设计模型制作提供工艺能力基础。

（3）项目规划阶段。该阶段需要学生在课下提前做好工程问题或产品调研，通过利用各类学习资源（网络、文献、图书馆、生活实践等），选择具有一定创新性的机械产品进行对比分析和整体本体结构设计拟定，同时从产品或项目问题的背景、意义、研究目标和内容等方面进行项目计划书的撰写。

（4）项目执行阶段。项目执行阶段需要学生在充分利用已掌握的专业知识以及在培训讲座课程中所涉及的数字化产品设计方法和创新方法等理论知识（项目管理/成本分析/TRIZ/质量屋QFD/鱼骨图/思维导图/SWOT分析）围绕产品全生命周期从需求分析、总体结构设计、运动分析与结构方案确定、产品详细设计（综合利用CAX软件对研究产品进行选型设计、关键机构设计、强度计算及有限元分析等）以及产品样机打印。最终可以形成能在市场上采购或自制的产品物料清单（BOM）、产品图纸、CAE分析及零件CAM/NC加工结果等。

（5）项目评估阶段。项目评估阶段及教学评价是作为课程成果检验的重要方式，科学合理地对课程实践项目进行阶段性的评估和总结不仅可以激励学生的学习积极性，而且能够即时对学生学习方法和效果起到引导和检验的作用。

在产品数字化设计技能拓展PBL课程中，采用基于项目贡献度的学生分组协作课程设计多阶段评估方法，具体要求学生按小组撰写项目工作/技术报告及PPT答辩稿，展示机械产品原型制作结果并进行课程答辩和综合评估。项目评估与课程各个阶段并行进行，依据教学进度计划，分别在5个教学和项目执行阶段中设置6次小组阶段性汇报，作为课程的“质量控制点”用于把控各个小组学习进度和项目执行效果。课程个人成绩评定方式：出勤率20%+认识实验报告20%+课程报告60%（参照个人对项目的贡献度），其中，课程报告评价过程中依据6个阶段性报告，个人贡献度依据项目实施过程中的个人表现（学习态度、工作量、工作能力和团队合作能力等因素）参考组内组间自评与互评，由助教和任教老师最终进行综合评价。

2 产品数字化设计技能拓展PBL课程中创新方法的引入

在知识经济时代，现代企业对具备创新能力的工程人才迫切需求。而基于PBL的课程本身是一种以“学生为主，老师为辅”的主动实践创新技能学习方法，课程实践过程中需要学生更多地去贴近项目本身并注重项目实施的过程，相比于传统的教学模式更容易激发学生的工程职业素养，也更有利于培养学生的实践创新能力。为了更加科学地引导学生理解工程项目、产品设计及创新方法之间的融合机理，在产品数字化设计技能拓展PBL课程中引入创新方法理论，围绕产品设计流程和具体产品设计问题解决两个方面，通过课程强化讲座指导学生系统掌握、运用创新方法提升产品数字化设计创新能力。

2.1 创新方法驱动的产品数字化设计流程

产品设计流程在整个产品开发过程中起到技术工作准备、资源组织管理、降低开发成本与周期等重要的作用，更是产品开发的首要任务。而在产品数字化设计技能拓展PBL课程中，学习和掌握产品设计流程能够帮助小组成员对工程项目任务进行合理分工，更高效地完成项目任务。同时在产品设计流程引导下，学生能更好地掌握产品设计相关的各类专业知识，锻炼和提高其团队合作与工程项目问题的解决能力。

工业工程理论作为企业管理创新的方法可以帮助企业在产品开发和改进上提供有效的理论支撑。其中，六西格玛作为指导现代企业进行质量持续性改进的有效管理模式，不仅能够帮助企业达到提质增效降本的作用，同时借助多方法的集成能够帮助企业员工提升其创新能力。在本课程中通过强化讲座引入工业工程中的六西格玛管理理论，主要包括六西格玛设计（Design for Six Sigma，DFSS）中的各个设计流程（例如：DMADV（定义、测量、分析、设计、验证），DMADOV（定义、测量、分析、设计、优化、验证），IDDOV（识别、界定、开发优化、验证）和DCCDI（定义、顾客需求、概念、设计、实现）等，引导学生在项目实践过程中以科学有效的产品设计流程作为项目实施过程的方法指导。

DFSS中的DMADOV设计流程如图3所示，以此设计流程来引入多创新方法。由图3可见，DMADOV流程基本上是以问题解决过程为导向的，其中定义阶段和测量阶段的目标是对项目问题进行分析，得到产品关键质量特性及客户需求等信息；分析、设计以及优化则作为问题解决过程的3个重要阶段，分别形成产品的概念设计、详细设计以及对设计参数优化；最后在验证阶段完成整个问题方案的闭环得到产品或方案的可行性验证。在整个运用DMADOV进行产品设计过程不同的阶段，可以与多种创新方法理论和工具进行融合，例如在定义阶段可以使用亲和图、KANO分析等创新工具进行产品或项目问题的分析。采用融合多个创新方法工具的产品设计流程集成框架，能够把创新方法和工具嵌入真实的产品或项目实施过程中，帮助学生充分、系统地掌握产品设计流程与创新方法的使用。

图3 以DFSS中（DMADOV）设计流程为例引入创新方法

2.2 创新方法解决产品数字化设计问题

针对产品设计阶段具体的设计问题求解，在本课程通过引入TRIZ创新方法理论来指导学生对产品数字化设计过程中的具体设计问题进行求解。TRIZ最初是由苏联发明家根里奇·阿齐舒勒（G.S.Altshuller）及其团队通过对250万件工程发明专利分析研究最后总结出用于解决工程技术问题的发明原理和方法［15-16］。相比于其他创新思维计法（如试错法、综摄法等）TRIZ理论能够系统性提供问题的分析和解决方案。同时，传统工科类课程在解决工程问题时，通常忽略了问题本身，而根据已学的专业知识直接去解决问题。这种方式会造成学生形成固定的问题解决思维模式，就此通过引入TRIZ创新方法理论帮助学生形成分析问题、定义问题、解决问题以及问题评估的系统性问题求解理论体系。图4所示为使用TRIZ理论进行具体的产品设计问题求解流程图。

图4 TRIZ理论求解问题流程

3 Rep Pap开源打印机设计项目中的应用案例分析

结合机械类工科学生的专业知识储备，以RepPap-3D开源打印机的机械本体设计为设计能力提升的工作对象，依托课程讲座式强化培训、认知实验、项目规划、项目执行、项目评估这5个阶段，培养学生综合运用创新方法理论和CAX软件，达到培养学生产品数字化研发的创新能力之目的。对产品数字化设计技能拓展PBL课程中的某一组学生项目案例进行分析。

图5所示为以RepPap-3D开源打印机机械结构设计为实践项目的一小组学生项目实施案例，从图中看出该小组采用六西格玛产品设计流程中的DMADV设计流程为总的项目实施框架。在项目实施过程中各个阶段具有非常清晰的任务划分并在各个阶段学习和使用了各类创新方法及工具：在定义阶段，首先利用网络工具对RepPap-3D打印机进行充分的调研手机客户需求，接着借助SWOT分析、WBS工作分解图以及项目计划甘特图等项目管理工具和方法完成项目规划的任务；在测量阶段，使用了质量屋和CTQ关键质量特性分析等创新方法结合用户需求分析拟设计的3D打印机各项功能特性与顾客需求间的影响程度，进一步确定项目的目标；在分析阶段，利用价值工程的思想使用最合适区域法对3D打印机的功能价值进行分析，并对多个初始方案进行评估确定最终的打印方案；在设计阶段，首先利用数字化设计工具CAD/CAE/CAM等软件进行拟定打印机的结构进行设计和仿真分析，接着在进行关键零部件校核和设计时采用TRIZ矛盾矩阵法对其进行创新改进，最后完成最终的3D打印机三维模型；在验证阶段，借助实验室提供的3D打印机对简化后的三维模型进行打印得到RepPap-3D打印机样品。

图5 RepPap-3D开源打印机项目实施案例

从整个项目实施的过程中可以看出，学生是以一种主动实践的方式进行项目实施。其中需要学生进行大量的项目调研，制定合理的项目规划和分工以及充分运用所学的各类专业技能和知识。多创新方法的嵌套使用（六西格玛产品设计流程与TRIZ创新理论）既帮助学生提供系统性的项目实施方法，同时也帮助学生在解决具体的产品结构和项目问题上提供一种创新性的解决思路。

4 结 语

围绕工科机械类学生产品数字化设计创新能力提升这一核心问题，在产品数字化设计能力拓展PBL课程中引入创新方法理论。设计了一种创新方法驱动的PBL课程体系与培训机制，并依托产品数字化设计能力拓展PBL培训课程的教学实践，从创新方法在产品数字化设计流程以及具体的设计问题两方面剖析多创新方法在PBL课程中的应用机理与影响机制，其中着重介绍了六西格玛产品设计流程DMADOV以及TRIZ创新理论。最后，以实际的学生项目实施案例验证了该教学模式的可行性与科学性。