面向中國制造2025的計算機輔助工業(yè)設(shè)計教學(xué)改革

面向中國制造2025的計算機輔助工業(yè)設(shè)計教學(xué)改革〔中國制造2025〕是中國實施制造強國戰(zhàn)略的行動綱領(lǐng)之一?！仓袊圃?025〕明確提出“推進制造過程智能化〞，即當下廣受關(guān)注的“智能制造〞。輔助，以技術(shù)為依托，以提高產(chǎn)品設(shè)計的科學(xué)性、可靠性為目的。面對“智能制造〞時代所帶來的挑戰(zhàn)和機遇，計算機輔助如何改革與創(chuàng)新，為中國制造更好地走向世界舞臺出謀獻策，是一個值得深思的課題。1計算機輔助工業(yè)設(shè)計計算機輔助工業(yè)設(shè)計〔Computer-AidedIndustrialDesign簡稱CAID〕，以計算機技術(shù)為依托，以數(shù)字化、可視化為特征，以提高產(chǎn)品設(shè)計的科學(xué)性、可靠性為目的。具體而言，CAID以CAD技術(shù)為依托，并與數(shù)控加工、快速成型、模具制造相聯(lián)系，使工業(yè)設(shè)計呈現(xiàn)出綜合化的發(fā)展趨勢。它廣泛于產(chǎn)品設(shè)計的各個階段，具備高度的靈活性、高效率、低風險、開放性等優(yōu)勢，側(cè)重設(shè)計因素的整合。設(shè)計師可以利用計算機進行造型設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、人機分析等，未來將更加智能化。就當前的研究狀況而言，國內(nèi)部分學(xué)者已在該領(lǐng)域有所建樹。如潘云鶴先生針對計算機輔助工業(yè)設(shè)計的發(fā)展情況，指出計算機輔助工業(yè)設(shè)計的核心在于產(chǎn)品設(shè)計，并對它的發(fā)展提出了許多富有前瞻性的建議[1]。李博等人以計算機輔助工業(yè)設(shè)計技術(shù)為切入點，結(jié)合、結(jié)構(gòu)、工藝等因素，建立了產(chǎn)品設(shè)計的約束集，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了設(shè)計流程[2]。彭程對圖形圖像處理技術(shù)的最新進展和情況作了研究，指出計算機圖像處理技術(shù)提升了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，并改變了以往的工作模式和生產(chǎn)方式[3]。2中國制造2025〔中國制造2025〕明確提出“推進制造過程智能化〞，在某些領(lǐng)域建設(shè)智能工廠，加快人機交互研究，推廣工業(yè)機器人，實施物流的智能化等等。其中有一個值得注意的本文關(guān)鍵詞語，即“智能制造〞，它是未來制造業(yè)的大趨勢。智能制造是由機器和專家組成的智能系統(tǒng)，能進行某種程度的邏輯分析、決策等智能活動，目的在于部分地取代人的腦力勞動，表現(xiàn)為一種高度的智能化。其基本格局是分布式化智能系統(tǒng)，設(shè)計是重要節(jié)點之一。設(shè)計結(jié)點由CAD〔計算機輔助設(shè)計〕和它的代理〔設(shè)計Agent〕組成，它提供了一個友好的人機界面，方便設(shè)計師與計算機進行有效溝通，共同承擔設(shè)計任務(wù)。CAD的主要作用在于協(xié)助設(shè)計師從用戶的需求出發(fā)，提供最佳的產(chǎn)品解決方案。在整個系統(tǒng)當中，設(shè)計結(jié)點承擔了承上啟下的作用，對于了解用戶的真實意圖，并決定最后的生產(chǎn)方式至關(guān)重要。隨著美國的“先進制造業(yè)伙伴計劃〞、德國的“工業(yè)4.0〞、日本的“再興戰(zhàn)略〞、法國的“未來工業(yè)〞計劃，中國制造2025的適時推出，可以說是與世界接軌。國內(nèi)對于智能制造的研究正處于密切關(guān)注階段，取得了不少有價值的成果。顧寄南教授從機器視覺、優(yōu)化調(diào)度和系統(tǒng)自組織三個方面出發(fā)，指出了智能制造的最新發(fā)展趨勢，為研究人員提供了理論參考[4]。3教學(xué)改革3.1教學(xué)的若干層次計算機輔助工業(yè)設(shè)計課程有相對固定的要求，通常而言，掌握基本的操作程序和方法是入門階段，加深對復(fù)雜形體和結(jié)構(gòu)的理解是提升階段，熟練地運用于產(chǎn)品設(shè)計過程是最終目標。如此看來，計算機輔助工業(yè)設(shè)計的教學(xué)可分為四個基本層次，即基本操作、形體分析、造型方法、全流程思維。1〕基本操作?；静僮魇怯嬎銠C輔助工業(yè)設(shè)計類課程的基礎(chǔ)。對于大多數(shù)計算機輔助設(shè)計而言，其操作都有一定的程序，而掌握這些程序當中的邏輯關(guān)系至為重要，這將大大減少對于一些命令的記憶時間。對于普通用戶而言，記憶大量的命令、步驟是最為枯燥乏味的，學(xué)習(xí)效果也是最差的。有鑒于此，這里有必要提醒學(xué)習(xí)者，理清各個模塊之間的邏輯關(guān)系，對于理解的架構(gòu)，熟練使用這些輔助平臺有著非同尋常的意義。以ProEngineer軟件為例，它分為草圖、零件、鈑金、工程圖等幾個主要模塊，各個模塊對應(yīng)不同的產(chǎn)品開發(fā)階段，理解它們之間的邏輯關(guān)系，可以大大提高學(xué)習(xí)效率。2〕形體分析。計算機輔助設(shè)計軟件有一個很大的功用即表達形體，不論是草圖設(shè)計，還是效果圖、模型設(shè)計，一個重要的動因就是推敲形體。因此，培養(yǎng)形態(tài)的分析與理解能力，是課程更深層次的目的[5]。在形體分析方面，計算機輔助設(shè)計軟件有著天然的優(yōu)勢，特別是在360度演示、虛擬仿真等方面，可以很好地幫助設(shè)計師全方位的推敲形體，并最終作出正確的決定。手繪固然有快速、靈活等特點，但形體的真實效果、與形體有關(guān)的虛擬等這些方面，完全可以借助計算機輔助設(shè)計軟件得以實現(xiàn)，這也是計算機輔助工業(yè)設(shè)計的初衷之一。尺有所短，寸有所長，對于計算機輔助工業(yè)設(shè)計要做到揚長避短、因勢利導(dǎo)，才能更好地發(fā)揮它的輔助之用，為產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)。3〕造型方法。形體分析之后便是造型方法的運用，這是每一個設(shè)計師都必須經(jīng)歷的過程。對于造型方法，如疊加、漸削、切割、堆砌、加減、虛實對比等等，傳統(tǒng)的手繪費時費力，且效果不夠理想;計算機輔助設(shè)計軟件卻能夠輕松的駕馭，且效果直觀，這對于設(shè)計師解放雙手有很大的幫助。另外，計算機輔助設(shè)計軟件奉行的“所見即所得〞的處理方式，對于設(shè)計師靈活地使用各種造型方法，起到了一個直觀的驗證方式，這是手繪無法比擬的。任何一種造型方法都需要經(jīng)過實踐的檢驗，計算機輔助設(shè)計軟件的虛擬驗證階段，大大降低了實踐驗證的風險，而且在某種程度上改善了這一過程，這是最為難能可貴之處。4〕全流程思維。產(chǎn)品設(shè)計是一個完整的過程，各個環(huán)節(jié)之間呈現(xiàn)出一種有機聯(lián)系，它不是片斷式的，割斷任何一部分都將是有害的。這也就是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計所主張的全流程思維，將產(chǎn)品的創(chuàng)新融入一個完整的流程當中，以全局性、系統(tǒng)性的思維考慮問題，提出解決辦法。計算機輔助設(shè)計課程就是產(chǎn)品設(shè)計全流程當中一個很好的聯(lián)系紐帶，貫穿產(chǎn)品設(shè)計的整個階段。從形體分析到造型方法，從概念設(shè)計到模具開發(fā)，從產(chǎn)品投產(chǎn)到用戶體驗，計算機輔助設(shè)計都能夠提供強有力的支撐，這對于產(chǎn)品設(shè)計而言，幾乎是顛覆性的。3.2改革措施探究式教學(xué)〔InquiryTeaching〕，又稱發(fā)現(xiàn)法、研究法[6]。針對一些基本概念和原理的學(xué)習(xí)，教師只提供具體的事例并提出問題，讓學(xué)習(xí)者獨立自主地通過觀察、思考、閱讀、討論、實驗等方式進行探究，自行得出結(jié)論的一種方法。國外研究機構(gòu)曾對幾種學(xué)習(xí)方法分別進行了實驗，依據(jù)學(xué)生對知識點的掌握情況進行排序，依次為：傳統(tǒng)講授25%，視頻教學(xué)30%，自學(xué)40%，討論式學(xué)習(xí)50%，實踐驗證60%—70%，翻轉(zhuǎn)課堂即學(xué)生替代教師授課高達90%。由此可見，在課程的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的參與性超高，其對知識點的記憶和運用越嫻熟。具體到計算機輔助工業(yè)設(shè)計課程而言，有必要改變現(xiàn)有授課模式，讓學(xué)生參與教學(xué)，直至成為主角，教師負責啟發(fā)和引導(dǎo)，共同營造一個良好的學(xué)習(xí)范圍。項目驅(qū)動式教學(xué)法。在教學(xué)中把實際項目引入到課堂教學(xué)中，通過對項目的講解、分析、制作完成相關(guān)理論知識和技能訓(xùn)練[7]。這一點，在計算機輔助工業(yè)設(shè)計課程中尤為重要。以往的虛擬課題，缺乏針對性、更缺乏設(shè)計的情境感，對于提高學(xué)生的設(shè)計水平是不利的。將實際項目與課程結(jié)合才能真正體現(xiàn)其“輔助〞價值。“互聯(lián)網(wǎng)+〞教學(xué)法的改革。比如，當下廣受學(xué)生歡迎的慕課、微課等形式，充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并結(jié)合學(xué)生的興趣點，以他們樂于接受的方式授課，這也是計算機輔助工業(yè)設(shè)計課程適應(yīng)新形勢的必然要求。從某種意義而言，“互聯(lián)網(wǎng)+〞教學(xué)法是一種因材施教、因時而異的典型應(yīng)用。交互式教學(xué)理念。交互式教學(xué)的本質(zhì)是信息在“教〞與“學(xué)〞兩者之間的雙向流動，以培養(yǎng)學(xué)生的積極性、主動性、創(chuàng)造性為目標，將學(xué)生視為學(xué)習(xí)的主體，同時更好地發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，提高教學(xué)質(zhì)量。計算機輔助工業(yè)設(shè)計課程引入交互式教學(xué)理念，目的在于實現(xiàn)學(xué)生與教師兩者之間的良性互動。4結(jié)束語〔中國制造2025〕之中很重要的一個本文關(guān)鍵詞語即“智能制造〞，在未來的“智能制造〞領(lǐng)域，計算機輔助工業(yè)設(shè)計將大有可為。“智能制造〞可以理解為“智能機器〞和“人類專家〞兩極，溝通二者的橋梁即計算機輔助工業(yè)設(shè)計，它一方面讓機器更加智能，另一方面也讓設(shè)計師更能讀懂機器，二者相輔相成。如此看來，〔中國制造2025〕的實施，將是計算機輔助工業(yè)設(shè)計大發(fā)展的春天，挑戰(zhàn)與機遇并存。計算機輔助工業(yè)設(shè)計要清醒地認識到“智能制造〞所帶來的挑戰(zhàn)，特別是關(guān)于技術(shù)方面的，需銳意改革