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面向中国制造2025的计算机辅助工业设计教学改革

出处:论文网
时间:2019-07-24

面向中国制造2025的计算机辅助工业设计教学改革

  《中国制造2025》是中国政府实施制造强国战略的行动纲领之一。《中国制造2025》明确提出“推进制造过程智能化”,即当下广受关注的“智能制造”。计算机辅助工业设计,以计算机技术为依托,以提高产品设计的科学性、可靠性为目的。面对“智能制造”时代所带来的挑战和机遇,计算机辅助工业设计如何改革与创新,为中国制造更好地走向世界舞台出谋献策,是一个值得深思的课题。

  1 计算机辅助工业设计

  计算机辅助工业设计(Computer-Aided Industrial Design简称CAID),以计算机技术为依托,以数字化、可视化为特征,以提高产品设计的科学性、可靠性为目的。具体而言,CAID以CAD技术为依托,并与数控加工、快速成型、模具制造相联系,使工业设计呈现出综合化的发展趋势。它广泛应用于产品设计的各个阶段,具备高度的灵活性、高效率、低风险、开放性等优势,侧重设计因素的整合。设计师可以利用计算机进行造型设计、结构设计、人机分析等,未来将更加智能化。

  就目前的研究状况而言,国内部分学者已在该领域有所建树。如潘云鹤先生针对计算机辅助工业设计的发展情况,指出计算机辅助工业设計的核心在于产品设计,并对它的发展提出了许多富有前瞻性的建议[1]。李博等人以计算机辅助工业设计技术为切入点,结合材料、结构、工艺等因素,建立了产品设计的约束集,并在此基础上优化了设计流程[2]。彭程对图形图像处理技术的最新进展和应用情况作了研究,指出计算机图像处理技术提升了工作效率,降低了生产成本,并改变了以往的工作模式和生产方式[3]。

  2 中国制造2025

  《中国制造2025》明确提出“推进制造过程智能化”,在某些领域建设智能工厂,加快人机交互研究,推广工业机器人,实施物流管理的智能化等等。其中有一个值得注意的关键词,即“智能制造”,它是未来制造业的大趋势。

  智能制造是由机器和专家组成的智能系统,能进行某种程度的逻辑分析、决策等智能活动,目的在于部分地取代人的脑力劳动,表现为一种高度的智能化。其基本格局是分布式网络化智能系统,设计是重要节点之一。设计结点由CAD(计算机辅助设计)和它的代理(设计Agent)组成,它提供了一个友好的人机界面,方便设计师与计算机进行有效沟通,共同承担设计任务。CAD的主要作用在于协助设计师从用户的需求出发,提供最佳的产品解决方案。在整个系统当中,设计结点承担了承上启下的作用,对于了解用户的真实意图,并决定最后的生产方式至关重要。

  随着美国的“先进制造业伙伴计划”、德国的“工业4.0”、日本的“再兴战略”、法国的“未来工业”计划,中国制造2025的适时推出,可以说是与世界接轨。国内对于智能制造的研究正处于密切关注阶段,取得了不少有价值的成果。顾寄南教授从机器视觉、优化调度和系统自组织三个方面出发,指出了智能制造的最新发展趋势,为研究人员提供了理论参考[4]。    3 教学改革

  3.1 教学的若干层次计算机辅助工业设计课程有相对固定的要求,通常而言,掌握基本的操作程序和方法是入门阶段,加深对复杂形体和结构的理解是提升阶段,熟练地运用于产品设计过程是最终目标。如此看来,计算机辅助工业设计的教学可分为四个基本层次,即基本操作、形体分析、造型方法、全流程思维。

  1)基本操作。基本操作是计算机辅助工业设计类课程的基础。对于大多数计算机辅助设计软件而言,其操作都有一定的程序,而掌握這些程序当中的逻辑关系至为重要,这将大大减少对于一些命令的记忆时间。对于普通用户而言,记忆大量的命令、步骤是最为枯燥乏味的,学习效果也是最差的。有鉴于此,这里有必要提醒学习者,理清各个模块之间的逻辑关系,对于理解软件的架构,熟练使用这些辅助平台有着非同寻常的意义。以ProEngineer软件为例,它分为草图、零件、钣金、工程图等几个主要模块,各个模块对应不同的产品开发阶段,理解它们之间的逻辑关系,可以大大提高学习效率。

  2)形体分析。计算机辅助设计软件有一个很大的功用即表达形体,不论是草图设计,还是效果图、模型设计,一个重要的动因就是推敲形体。因此,培养形态的分析与理解能力,是课程更深层次的目的[5]。在形体分析方面,计算机辅助设计软件有着天然的优势,特别是在360度演示、虚拟仿真等方面,可以很好地帮助设计师全方位的推敲形体,并最终作出正确的决定。手绘固然有快速、灵活等特点,但形体的真实效果、与形体有关的环境虚拟等这些方面,完全可以借助计算机辅助设计软件得以实现,这也是计算机辅助工业设计的初衷之一。尺有所短,寸有所长,对于计算机辅助工业设计要做到扬长避短、因势利导,才能更好地发挥它的辅助之用,为产品设计服务。

  3)造型方法。形体分析之后便是造型方法的运用,这是每一个设计师都必须经历的过程。对于造型方法,如叠加、渐削、切割、堆砌、加减、虚实对比等等,传统的手绘费时费力,且效果不够理想;计算机辅助设计软件却能够轻松的驾驭,且效果直观,这对于设计师解放双手有很大的帮助。另外,计算机辅助设计软件奉行的“所见即所得”的处理方式,对于设计师灵活地使用各种造型方法,起到了一个直观的验证方式,这是手绘无法比拟的。任何一种造型方法都需要经过实践的检验,计算机辅助设计软件的虚拟验证阶段,大大降低了实践验证的风险,而且在某种程度上改善了这一过程,这是最为难能可贵之处。

  4)全流程思维。产品设计是一个完整的过程,各个环节之间呈现出一种有机联系,它不是片断式的,割断任何一部分都将是有害的。这也就是现代产品设计所主张的全流程思维,将产品的创新融入一个完整的流程当中,以全局性、系统性的思维考虑问题,提出解决办法。计算机辅助设计课程就是产品设计全流程当中一个很好的联系纽带,贯穿产品设计的整个阶段。从形体分析到造型方法,从概念设计到模具开发,从产品投产到用户体验,计算机辅助设计都能够提供强有力的支撑,这对于产品设计而言,几乎是颠覆性的。

  3.2 改革措施

  探究式教学(InquiryTeaching),又称发现法、研究法[6]。针对一些基本概念和原理的学习,教师只提供具体的事例并提出问题,让学习者独立自主地通过观察、思考、阅读、讨论、实验等方式进行探究,自行得出结论的一种方法。国外研究机构曾对几种学习方法分别进行了实验,依据学生对知识点的掌握情况进行排序,依次为:传统讲授25%,视频教学30%,自学40%,讨论式学习50%,实践验证60%—70%,翻转课堂即学生替代教师授课高达90%。由此可见,在课程的学习过程中,学生的参与性超高,其对知识点的记忆和运用越娴熟。具体到计算机辅助工业设计课程而言,有必要改变现有授课模式,让学生参与教学,直至成为主角,教师负责启发和引导,共同营造一个良好的学习范围。

  项目驱动式教学法。在教学中把实际项目引入到课堂教学中,通过对项目的讲解、分析、制作完成相关理论知识和技能训练[7]。这一点,在计算机辅助工业设计课程中尤为重要。以往的虚拟课题,缺乏针对性、更缺乏设计的情境感,对于提高学生的设计水平是不利的。将实际项目与课程结合才能真正体现其“辅助”价值。

  “互联网+”教学法的改革。比如,当前广受学生欢迎的慕课、微课等形式,充分利用互联网技术并结合学生的兴趣点,以他们乐于接受的方式授课,这也是计算机辅助工业设计课程适应新形势的必然要求。从某种意义而言,“互联网+”教学法是一种因材施教、因时而异的典型应用。

  交互式教学理念。交互式教学的本质是信息在“教”与“学”两者之间的双向流动,以培养学生的积极性、主动性、创造性为目标,将学生视为学习的主体,同时更好地发挥教师的引导作用,提高教学质量。计算机辅助工业设计课程引入交互式教学理念,目的在于实现学生与教师两者之间的良性互动。

  4 结语

  《中国制造2025》之中很重要的一个关键词即“智能制造”,在未来的“智能制造”领域,计算机辅助工业设计将大有可为。

  “智能制造”可以理解为“智能机器”和“人类专家”两极,沟通二者的桥梁即计算机辅助工业设计,它一方面让机器更加智能,另一方面也让设计师更能读懂机器,二者相辅相成。如此看来,《中国制造2025》的实施,将是计算机辅助工业设计大发展的春天,挑战与机遇并存。计算机辅助工业设计要清醒地认识到“智能制造”所带来的挑战,特别是关于技术方面的,需锐意改革;同时,计算机辅助工业设计也要敏锐地意识到“智能制造”所蕴涵的机遇,找准切入点,大胆创新。创新没有终点,计算机辅助工业设计要紧紧围绕《中国制造2025》,做到“有所为,有所不为”,不断创新,适应新形势的要求,为中国制造走向世界舞台贡献一份力量。

  本文系南昌航空大学创新创业教育课程培育项目“Pro/Engineer软件”阶段性成果(项目编号:KCPY168)。

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关键字:教学改革 中国制造 工业设计 中国 辅助 改革
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