工程設(shè)計(jì)方法及其在人才培養(yǎng)中的實(shí)施

羅印升 俞洋 陶為戈 劉曉杰 宋偉

摘 要：在闡述工程設(shè)計(jì)內(nèi)涵、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以工程設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用為核心，歸納總結(jié)了工程設(shè)計(jì)的基本流程及其各環(huán)節(jié)的任務(wù)和分析評(píng)價(jià)方法，為工科大學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用好工程設(shè)計(jì)方法提供了方法上的指導(dǎo)，從而使工科大學(xué)生在學(xué)校教育階段能夠熟練掌握工程設(shè)計(jì)的基本方法，培養(yǎng)初步的工程設(shè)計(jì)能力，為走上工作崗位后通過(guò)工程項(xiàng)目的歷練、持續(xù)提升工程設(shè)計(jì)能力奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為我國(guó)實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略提供強(qiáng)大的人才支撐。

關(guān)鍵詞： 設(shè)計(jì)；工程設(shè)計(jì)；工程設(shè)計(jì)方法；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：C969 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2017）02-0073-07

當(dāng)前我國(guó)正在加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，由要素驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，確保到中國(guó)共產(chǎn)黨成立100年時(shí)全面建成小康社會(huì)，建國(guó)100年時(shí)基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。以設(shè)計(jì)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新是現(xiàn)代工業(yè)化國(guó)家的共同戰(zhàn)略，提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，推動(dòng)中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變，不僅能夠提升產(chǎn)品的功能、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和附加值，還可以創(chuàng)造和引領(lǐng)新的產(chǎn)業(yè)。因此，貫徹實(shí)施系統(tǒng)化的工程設(shè)計(jì)方法并不斷創(chuàng)新，對(duì)工程科技人才培養(yǎng)意義重大。

1 設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)

辭海[1]對(duì)“設(shè)計(jì)”一詞的內(nèi)涵解釋是：“根據(jù)一定的目的要求，預(yù)先制定方案、圖樣等，如廠房設(shè)計(jì)”。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)是有目的性的、基于某種需求，需要有創(chuàng)意構(gòu)思和設(shè)想計(jì)劃，是一種創(chuàng)造性活動(dòng)。根據(jù)工作對(duì)象，設(shè)計(jì)可分為工程設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、視覺傳達(dá)與媒體設(shè)計(jì)、信息與交互設(shè)計(jì)和手工藝設(shè)計(jì)等。工程設(shè)計(jì)注重于功能、性能、結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境、成本、程序和工藝設(shè)計(jì)等。工程設(shè)計(jì)的內(nèi)涵通常是指對(duì)工程項(xiàng)目的周密計(jì)劃。“在工廠、礦山、鐵路、橋梁及其建筑工程建設(shè)之前，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究和科學(xué)分析，進(jìn)行周密思考及其計(jì)算繪圖工作，最后提供出作為建設(shè)施工依據(jù)的設(shè)計(jì)文件及圖紙的過(guò)程。一般分為初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)兩個(gè)階段進(jìn)行。對(duì)技術(shù)特別復(fù)雜的工程項(xiàng)目，有時(shí)采取三階段設(shè)計(jì)（初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)）的方式”[1]。辭海中關(guān)于工程設(shè)計(jì)概念的含義側(cè)重于建造性工程設(shè)計(jì)，實(shí)際上除建造性工程設(shè)計(jì)外，還有大量的不斷延伸和拓展的制造性工程設(shè)計(jì)。所謂制造性工程設(shè)計(jì)就是需要將多種源材料經(jīng)過(guò)多個(gè)復(fù)雜的加工處理過(guò)程，從而做出一種新的復(fù)合材料或者產(chǎn)品、設(shè)備、裝置、裝備和系統(tǒng)來(lái)的工程設(shè)計(jì)工作。美國(guó)工程和技術(shù)認(rèn)證委員會(huì)（ABET）在教學(xué)大綱中對(duì)工程設(shè)計(jì)的定義是：為滿足目標(biāo)需求而創(chuàng)造某種系統(tǒng)、部件和方法的過(guò)程[2]。這樣，工程設(shè)計(jì)的內(nèi)涵就可以概括為，工程設(shè)計(jì)本質(zhì)上是求解一個(gè)工程問(wèn)題的構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)構(gòu)思的過(guò)程。也就是在一定的初始狀態(tài)和各種約束條件下，經(jīng)過(guò)構(gòu)思和創(chuàng)造，以解決有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的選擇與優(yōu)化問(wèn)題、設(shè)備工具與工序的選擇、各種界面的銜接與匹配問(wèn)題、工程組織管理問(wèn)題，效率、效力和功能的提升與優(yōu)化問(wèn)題等，從而確立一個(gè)能夠從初始狀態(tài)、經(jīng)過(guò)一系列中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)目標(biāo)的設(shè)計(jì)結(jié)果的活動(dòng)過(guò)程。該設(shè)計(jì)結(jié)果可以是工程設(shè)計(jì)圖紙、運(yùn)作方案、工程規(guī)劃（計(jì)劃）、工程規(guī)范和工程標(biāo)準(zhǔn)等，更為顯著的是在工程實(shí)踐中依據(jù)這些工程設(shè)計(jì)結(jié)果可以建造出人造物來(lái)[3]。伴隨著人類社會(huì)文明的發(fā)展，工程設(shè)計(jì)進(jìn)程大體可分為傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)三個(gè)階段[4]。工程設(shè)計(jì)方法的教授與學(xué)習(xí)就成為了高等工程教育培養(yǎng)工程科技人才的最重要的核心內(nèi)容。

2 工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

工程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者（工程師）以工程可實(shí)現(xiàn)性為前提，為具體的工程問(wèn)題提供切實(shí)可行的、可操作性的實(shí)施方案。它是工程師的職業(yè)核心能力，也是現(xiàn)代工程教育的核心內(nèi)容。工程設(shè)計(jì)把工程和科學(xué)明顯的區(qū)分開來(lái)了，工程教育和科學(xué)教育是有區(qū)別的，工程設(shè)計(jì)方法和科學(xué)方法之間的比較見表1。George E. Dieter在《工程設(shè)計(jì)》文獻(xiàn)中用四個(gè)“C”概括了工程設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)：創(chuàng)造性（Creativity）。工程設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)造出先前不存在的、甚至不存在于人們觀念中的新東西；復(fù)雜性（Complexity）。工程設(shè)計(jì)總是涉及多變量、多參數(shù)、多目標(biāo)和多重約束下的復(fù)雜問(wèn)題求解；選擇性（Choice）：在不同的層次和范圍上，工程設(shè)計(jì)都必須在多個(gè)不同的解決方案中做出合理選擇；妥協(xié)性（Compromise）。工程設(shè)計(jì)者常常需要在多個(gè)相互沖突的目標(biāo)及約束條件之間進(jìn)行權(quán)衡、協(xié)調(diào)和折中[3]。

3 工程設(shè)計(jì)方法

從工程活動(dòng)的全過(guò)程看，工程設(shè)計(jì)是其中一個(gè)影響全局的關(guān)鍵性階段或者環(huán)節(jié)，工程設(shè)計(jì)方法本身有其科學(xué)合理的基本流程，工程設(shè)計(jì)的結(jié)果應(yīng)該是明晰和規(guī)范的圖紙、程序或者操作流程等。雖然不同的工程領(lǐng)域、不同的產(chǎn)業(yè)，在設(shè)計(jì)方法上各有特點(diǎn)，但是綜合各個(gè)方面的共性，在一般意義上討論工程設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)、內(nèi)容要求，對(duì)工程設(shè)計(jì)教育特別是我國(guó)實(shí)施的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略是有重大意義的。工程設(shè)計(jì)教育可使工科大學(xué)生獲得工程設(shè)計(jì)的專門訓(xùn)練，遵循一個(gè)系統(tǒng)化的方法來(lái)完成工程設(shè)計(jì)活動(dòng)。一般的工程設(shè)計(jì)過(guò)程須包括：需求調(diào)查與分析、制定設(shè)計(jì)方案、模型制作、方案測(cè)試評(píng)估與優(yōu)化和編制用戶手冊(cè)等基本環(huán)節(jié)，是一個(gè)反復(fù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。工程師在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，在不同環(huán)節(jié)之間需要不斷反復(fù)循環(huán)，改進(jìn)和完善各環(huán)節(jié)的局部方案，最終才能獲得一個(gè)比較滿意的全局設(shè)計(jì)結(jié)果?；镜墓こ淘O(shè)計(jì)方法流程如圖1所示[5]，其各個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容要求如下。

3.1 需求調(diào)查與分析

即就是獲取設(shè)計(jì)任務(wù)，發(fā)現(xiàn)與明確工程設(shè)計(jì)問(wèn)題。工程設(shè)計(jì)是求解一個(gè)工程問(wèn)題的思維和實(shí)踐過(guò)程，工程設(shè)計(jì)是以需求為驅(qū)動(dòng)力。從需求調(diào)查開始，進(jìn)行信息分析、發(fā)現(xiàn)與明確需要解決和值得解決的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，進(jìn)而準(zhǔn)確明晰的描述設(shè)計(jì)任務(wù)，將設(shè)計(jì)任務(wù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求，形成設(shè)計(jì)要求說(shuō)明書。

（1）發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的途徑與方法。問(wèn)題來(lái)源于人們的生存、生產(chǎn)和生活之中，可以是人們面臨的共同問(wèn)題，也可以是需求者（或者稱客戶）提出的問(wèn)題，也可以是對(duì)已有設(shè)計(jì)的升級(jí)改進(jìn)、形成系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)問(wèn)題，也可以是設(shè)計(jì)者本人有針對(duì)性的發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題等等。這些都需要我們獨(dú)具慧眼去觀察、發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的方法和途徑包括：我們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)偶然事件、一個(gè)器物和一個(gè)偶然現(xiàn)象都能夠啟發(fā)激勵(lì)一個(gè)問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)，有目的、有計(jì)劃地長(zhǎng)期觀察也能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；有目的性通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)挖掘和分析或者其他途徑以問(wèn)卷調(diào)查法、詢問(wèn)法，或者文獻(xiàn)分析法等方法作為基本方法，收集并分析信息也能夠發(fā)現(xiàn)有意義的問(wèn)題；此外，有目的性的技術(shù)研究與技術(shù)試驗(yàn)也是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的重要途徑和方法。

（2）準(zhǔn)確明晰描述問(wèn)題。即就是要給出發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的定性界定和定量描述，包括明確問(wèn)題的具體內(nèi)容、研究的必要性與可行性、受到的約束和限制等，以確立具體的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而形成工程設(shè)計(jì)計(jì)劃。設(shè)計(jì)的問(wèn)題是否清晰、具體和明確，可以從三個(gè)方面來(lái)進(jìn)一步考察和確認(rèn)。問(wèn)題本身表述是否清楚，產(chǎn)生問(wèn)題的原因是否明確，解決問(wèn)題的目標(biāo)是否明確；問(wèn)題研究的必要性與可行性，通?？梢酝ㄟ^(guò)如下幾個(gè)方面進(jìn)行判斷：?jiǎn)栴}是否符合基本的科學(xué)原理和工程倫理道德？該問(wèn)題目前已經(jīng)解決的程度和技術(shù)水平如何？（市場(chǎng)信息）現(xiàn)有技術(shù)條件能否解決該問(wèn)題？解決該問(wèn)題的各方面成本是多少？性價(jià)比如何？投入產(chǎn)出比是否可以接受？等等；設(shè)計(jì)問(wèn)題所受的約束和限制主要有兩方面：一是設(shè)計(jì)對(duì)象的特點(diǎn)和問(wèn)題解決的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)不同的設(shè)計(jì)對(duì)象而言，其功能、性能、結(jié)構(gòu)、材料、大小、外觀、安全性、可靠性、可維護(hù)性、耐用性、制造工藝等方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不同，還有成本和環(huán)境的限制。二是工程師（設(shè)計(jì)師）所擁有的能力和條件。這些包括，工程師（設(shè)計(jì)師）是否具有解決問(wèn)題所需要的工程知識(shí)和技能，及一定的材料、資料、儀器、設(shè)備和空間作支撐的人力、物力、財(cái)力與時(shí)間條件。若這些條件不具備，再有價(jià)值的設(shè)計(jì)也難以實(shí)現(xiàn)。

在完成上述需求調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，工程師就可以根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)提出具有一定可行性的具體的設(shè)計(jì)要求，主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)對(duì)象的總體目標(biāo)、功能要求，性能要求（技術(shù)指標(biāo)或總體技術(shù)水平的要求），結(jié)構(gòu)外觀要求，環(huán)境目標(biāo)要求、安全性、可靠性要求，成本要求和時(shí)限要求等等。

為了保證設(shè)計(jì)工作有目的、有計(jì)劃的進(jìn)行，必須制定設(shè)計(jì)進(jìn)程計(jì)劃表。設(shè)計(jì)進(jìn)程計(jì)劃表典型方式是采用甘特圖（Gantt chart），如表2所示[2]。一維以設(shè)計(jì)工作各個(gè)環(huán)節(jié)的任務(wù)為序，即需求調(diào)查與分析→制定設(shè)計(jì)方案→模型制作→方案測(cè)試、評(píng)估和優(yōu)化→編制用戶手冊(cè)。另一維以時(shí)間片為單位（天、周、月等），在此二維表中并行或者連續(xù)的安排各項(xiàng)任務(wù)及其所需要的時(shí)間片段。

3.2 制定設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)要求的總體思路和概要，是全局性概念設(shè)計(jì)（Conceptual design）的開始。因此，必須緊緊圍繞上述工程設(shè)計(jì)要求說(shuō)明書，收集設(shè)計(jì)所需要的信息并進(jìn)行歸納與分析——設(shè)計(jì)分析；抓住設(shè)計(jì)的主要因素，發(fā)現(xiàn)那些最能取得希望效果的構(gòu)思，提出盡可能多的設(shè)計(jì)構(gòu)思并以合理方式呈現(xiàn)出來(lái)——方案構(gòu)思與呈現(xiàn)；進(jìn)而對(duì)各種構(gòu)思進(jìn)行篩選，最終決策出比較滿意的設(shè)計(jì)方案。

（1）設(shè)計(jì)分析。設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是為了滿足人的需求，合理的設(shè)計(jì)分析可以使得設(shè)計(jì)工作少走彎路。因此，必須以人、物和環(huán)境之間的關(guān)系作為工程設(shè)計(jì)的大背景，以上述形成的設(shè)計(jì)要求中各個(gè)要素為中心，如：功能要求，性能要求，結(jié)構(gòu)外觀要求，環(huán)境目標(biāo)要求、安全性、可靠性要求，成本要求和時(shí)限要求等，詳盡分析并提出盡可能多的實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的解決辦法。這是設(shè)計(jì)分析的主要內(nèi)容和任務(wù)。形態(tài)結(jié)構(gòu)圖[6]是一個(gè)很好的以功能要求來(lái)描述實(shí)現(xiàn)方法的工具，實(shí)際上是一個(gè)二維圖表。一維（左列）的內(nèi)容是設(shè)計(jì)要求中確定的每一項(xiàng)功能要求，另一維（首行）的內(nèi)容是對(duì)應(yīng)左列每一項(xiàng)功能要的可能的解決方法，通常保持在5個(gè)左右。解決辦法可以采用草圖+文字說(shuō)明或者文字描述方式填寫，如表3所示。這樣，這張形態(tài)結(jié)構(gòu)圖就包含了本次設(shè)計(jì)中理論上的各種可行辦法的基本信息。

（2）方案構(gòu)思與呈現(xiàn)。在設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，每次從表3的一行中選取一個(gè)解決辦法，然后結(jié)合成合集，這些合集就組成了完整的方案信息。理論上實(shí)現(xiàn)方案數(shù)是相當(dāng)大的，但是大部分的方案是不可行的。進(jìn)一步將主要功能、性能等要求實(shí)現(xiàn)方法轉(zhuǎn)化為不同的實(shí)體結(jié)構(gòu)，然后將設(shè)計(jì)分析中的各要素按照一定的規(guī)律架構(gòu)起來(lái)，就會(huì)形成一個(gè)抽象的人造物。進(jìn)而采用功能結(jié)構(gòu)圖、模型、語(yǔ)言和文字等方式表達(dá)出來(lái)，從而產(chǎn)生比較具體的方案。此即為設(shè)計(jì)方案的構(gòu)思與呈現(xiàn)過(guò)程。在方案構(gòu)思過(guò)程中，啟發(fā)方案構(gòu)思的方法有構(gòu)思草圖法、仿形和組合模仿法、聯(lián)想法和奇思妙想構(gòu)思法等。構(gòu)思草圖是有效的技術(shù)設(shè)計(jì)交流語(yǔ)言，它以具體圖形的形式記錄和描繪設(shè)計(jì)師的想法，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)構(gòu)想比較明確的表達(dá)出來(lái)，并可以激發(fā)靈感。仿形和組合模仿法是在已有構(gòu)思方案的基礎(chǔ)上重組、改進(jìn)或者基于仿生技術(shù)構(gòu)建新的設(shè)計(jì)方案。聯(lián)想構(gòu)思法需要工程師（設(shè)計(jì)師）有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和想象力由彼及此、廣泛聯(lián)系。奇思妙想構(gòu)思法可能會(huì)產(chǎn)生當(dāng)前條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的構(gòu)思，但是對(duì)開闊構(gòu)思是非常有用的。此外，也常常采用綜合創(chuàng)造性技術(shù)法幫助尋找思路，如頭腦風(fēng)暴法、5W-2H提問(wèn)法等等。其中5W2H 提問(wèn)法[5]的主要要義是：Why——為什么要研究該問(wèn)題？為什么要采用這個(gè)原理、結(jié)構(gòu)和方法？What——研究什么問(wèn)題？任務(wù)是什么？目的是什么？方法是什么？約束是什么？問(wèn)題與哪些要素有關(guān)？Who——誰(shuí)來(lái)決策？誰(shuí)來(lái)組織實(shí)施？Where——工程系統(tǒng)邊界和環(huán)境約束在哪里？何處可做？何處最適宜？When——分析的是何時(shí)的狀況？何時(shí)開始？何時(shí)完成？何時(shí)最適宜？How to——如何實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)？怎樣做效果好？怎樣改進(jìn)？How much——需要多少人力、物力和財(cái)力？成本多少？有多少功能？有多少利益？有多大效率？

初步的構(gòu)思方案需要進(jìn)行綜合和以視覺形象呈現(xiàn)。技術(shù)圖樣是將工程設(shè)計(jì)構(gòu)思用圖樣的方式呈現(xiàn)出來(lái)的設(shè)計(jì)交流語(yǔ)言，適合于較復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的呈現(xiàn)和詳細(xì)說(shuō)明。圖表包括相關(guān)表格、草圖和效果圖，也是呈現(xiàn)構(gòu)思方案的有效方式。通過(guò)草圖、功能結(jié)構(gòu)圖、效果圖呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的構(gòu)思方案，通過(guò)表格對(duì)各種方案進(jìn)行比較分析。當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)成為工程師進(jìn)行工程設(shè)計(jì)強(qiáng)有力的助手，它能夠準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖、修改方便、工作效率高，已經(jīng)深入到各個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域和設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，是工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

（3）方案篩選。經(jīng)過(guò)構(gòu)思形成多個(gè)概念設(shè)計(jì)方案后，需要進(jìn)行方案篩選，以設(shè)計(jì)要求說(shuō)明書（設(shè)計(jì)任務(wù)中的要素）和設(shè)計(jì)中遵循的基本原則為核心，采用表格的方式對(duì)各方案進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。由上述形態(tài)結(jié)構(gòu)圖所產(chǎn)生的概念設(shè)計(jì)方案的數(shù)量是很大的，設(shè)計(jì)師根據(jù)自身的工程經(jīng)驗(yàn)需要否定一些技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的概念設(shè)計(jì)方案，方案數(shù)可以精簡(jiǎn)。在此基礎(chǔ)上選擇出5～6個(gè)概念設(shè)計(jì)方案，然后采用決策矩陣法產(chǎn)生一個(gè)比較滿足的方案。決策矩陣是一個(gè)二維表，一維是設(shè)計(jì)要求說(shuō)明書中的各個(gè)要素，由設(shè)計(jì)師或者團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)重要性程度賦予1～10的權(quán)重（1：最不重要或最不需要的；3：較不重要或較不需要的；5：中等重要或中等需要的；8：很重要或很需要的；10：最重要或最需要的；等等）；另一維是備選的概念設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)師或者團(tuán)隊(duì)成員必須選擇基準(zhǔn)概念，可以是可用的產(chǎn)品或者早期的產(chǎn)品或者問(wèn)題的明顯解決方案。這樣，判斷概念設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)要素的優(yōu)劣情況，也就是判斷它是好于基準(zhǔn)或者大體相當(dāng)或者比基準(zhǔn)差。若好于基準(zhǔn)，則標(biāo)記為+分；若大體相當(dāng)，則標(biāo)記為0分；若比基準(zhǔn)差，則標(biāo)記為-分。計(jì)算總分：加分?jǐn)?shù)（總計(jì)+）=標(biāo)記為+分?jǐn)?shù)之和（Σ+分?jǐn)?shù)），減分?jǐn)?shù)（總計(jì)-）=標(biāo)記為-分?jǐn)?shù)之和（Σ-分?jǐn)?shù)），總分?jǐn)?shù)=加分?jǐn)?shù)-減分?jǐn)?shù)，加權(quán)總計(jì)=Σ每一個(gè)分?jǐn)?shù)乘以權(quán)重系數(shù)。然后，把當(dāng)前最好的概念設(shè)計(jì)方案作為基準(zhǔn)，重新迭代。如表4所示[2]。

其中方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性分析要素作為項(xiàng)目要素是需要的。技術(shù)分析是對(duì)方案中采用技術(shù)的先進(jìn)性（就是使實(shí)現(xiàn)給定任務(wù)的技術(shù)水平處于該技術(shù)領(lǐng)域的前沿。注意，設(shè)計(jì)中的使用的技術(shù)常常是多項(xiàng)組合集成的）、實(shí)用性（實(shí)現(xiàn)給定任務(wù)所采用的技術(shù)既符合需求方的具體條件又能取得最大的效果）和可靠性（指產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下無(wú)故障工作時(shí)間）；經(jīng)濟(jì)分析就是經(jīng)濟(jì)可行性，看經(jīng)濟(jì)效果。從生產(chǎn)規(guī)模、價(jià)格和投資等要素做出大略估算。綜合上述迭代結(jié)果，最后選出比較滿意的方案或者集中各個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)、產(chǎn)生新方案。

3.3 模型（原型）制作

方案篩選完成后，下一步的工作是模型（原型）制作或者開發(fā)原型機(jī)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)是發(fā)展構(gòu)思的創(chuàng)造性過(guò)程，通過(guò)該環(huán)節(jié)來(lái)檢驗(yàn)產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)以及零部件的裝配關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和修改，主要工作包括圖樣繪制和制作模型兩個(gè)階段。

圖樣繪制，包括工作原理圖、整體和局部結(jié)構(gòu)圖（包括加工要求）、裝配圖等等，可以使用計(jì)算機(jī)輔助制圖工具軟件完成。對(duì)于簡(jiǎn)單、小型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以在圖樣的基礎(chǔ)上直接制作原型。原型可以是產(chǎn)品本身，也可以是與產(chǎn)品大小相同、功能一致的實(shí)體。復(fù)雜、大型的產(chǎn)品需要先制作模型，模型是根據(jù)構(gòu)思、設(shè)計(jì)圖樣，按比例、生態(tài)或其他特征制作的與實(shí)物相似的實(shí)體。模型制作的主要步驟有：選擇合適的材料，裝備合適的使用工具和加工設(shè)備，按設(shè)計(jì)圖樣劃線，對(duì)材料進(jìn)行加工，裝配，模型表面處理，對(duì)外觀、造型和色彩進(jìn)行評(píng)價(jià)、對(duì)產(chǎn)品功能性能進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改、做成展示模型。在不同的設(shè)計(jì)階段實(shí)體模式的種類有：草模、概念模型、結(jié)構(gòu)模型、功能模型和展示模型等，它們的主要用途如表5所示?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)，模型或原型、連接、裝配和試驗(yàn)全部在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中完成，制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化是發(fā)展方向。

3.4 方案測(cè)試、評(píng)估與優(yōu)化

模型或者原型制作完成后，一方面需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試以檢驗(yàn)產(chǎn)品在操作、使用過(guò)程中，在結(jié)構(gòu)、功能和技術(shù)性能等方面是否達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求；另一方面對(duì)設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品進(jìn)行全面的評(píng)估。長(zhǎng)期以來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中，一直是通過(guò)一定的訓(xùn)練，強(qiáng)求工人適應(yīng)他所處的環(huán)境，這種狀況隨著工程設(shè)計(jì)水平的提高將改觀。工程設(shè)計(jì)是為人服務(wù)的，因此，工程設(shè)計(jì)中要充分考慮到人的能力，進(jìn)而設(shè)計(jì)環(huán)境適應(yīng)人的能力，使人機(jī)之間協(xié)調(diào)一致。此外，也要聽取制造、銷售人員、客戶和潛在客戶的意見，以便進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。統(tǒng)計(jì)資料顯示，設(shè)計(jì)成果質(zhì)量的60%-70%是由設(shè)計(jì)過(guò)程的質(zhì)量決定的，必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)過(guò)程評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)過(guò)程評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容有：設(shè)計(jì)過(guò)程是否完備，分工是否合理，采用的方法是否合理，各個(gè)環(huán)節(jié)的任務(wù)是否完成，其中間結(jié)果是否符合要求，全過(guò)程是否有質(zhì)量控制和監(jiān)督改進(jìn)措施等。設(shè)計(jì)的一般原則包括：創(chuàng)新性原則，實(shí)用性原則，經(jīng)濟(jì)性原則，美觀性原則，道德性原則（產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須以人為本），技術(shù)規(guī)范性原則（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)則等，有關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)的知識(shí)、領(lǐng)域、方法和規(guī)定的總和），可持續(xù)發(fā)展原則。設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合創(chuàng)新活動(dòng)，各項(xiàng)原則之間相互制約、相互影響，必須針對(duì)不同的產(chǎn)品合理定位各項(xiàng)原則的地位，在綜合分析的基礎(chǔ)上采取折中或妥協(xié)的辦法加以平衡。

最終工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)需要將設(shè)計(jì)的一般原則和設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在設(shè)計(jì)的最后階段需要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、公式、算法、手冊(cè)進(jìn)行大量的認(rèn)真細(xì)致的計(jì)算、制圖和審核，避免失誤和遺漏。

3.5 編制用戶手冊(cè)

產(chǎn)品說(shuō)明書也稱為用戶手冊(cè)，是由生產(chǎn)單位編寫的向消費(fèi)者介紹產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)、使用方法、操作方法、維護(hù)和保養(yǎng)等方面知識(shí)，以及產(chǎn)品部件名稱、數(shù)量、材料成分等，以幫助消費(fèi)者正確使用、保養(yǎng)產(chǎn)品，有效發(fā)揮產(chǎn)品使用價(jià)值的文書。產(chǎn)品說(shuō)明書一般由標(biāo)題，正文和標(biāo)記等組成。要求語(yǔ)言準(zhǔn)確、通俗、簡(jiǎn)潔、內(nèi)容條理清楚。

4 在人才培養(yǎng)中實(shí)施

目前我國(guó)仍然處在工業(yè)化建設(shè)、邁向現(xiàn)代化的關(guān)鍵階段，仍然迫切需要大量的工程科技人才，工程設(shè)計(jì)方法是工程科技人才必須掌握的第一重要的方法，工程設(shè)計(jì)能力是工程科技人才永恒的第一位的實(shí)踐能力。在學(xué)校工程教育階段必須把工程設(shè)計(jì)理論、知識(shí)和方法很好的貫徹到工程科技人才培養(yǎng)過(guò)程中。

（1）以“工程設(shè)計(jì)方法”導(dǎo)論課程為先導(dǎo)，結(jié)合典型的工程項(xiàng)目和產(chǎn)品制造過(guò)程，將一般意義系統(tǒng)化的工程設(shè)計(jì)理論和方法教授給學(xué)生，授人以漁。

（2）以掌握現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)理論、方法、工具和手段為核心內(nèi)容，結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)知識(shí)，設(shè)置由基礎(chǔ)實(shí)踐技能、初步設(shè)計(jì)能力、綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)等組成的逐層深化的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐訓(xùn)練體系。突出系列化課程設(shè)計(jì)、科技創(chuàng)新訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計(jì)等的設(shè)計(jì)特色。在系列化課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)明晰需求、設(shè)計(jì)優(yōu)選方案、硬軟件設(shè)計(jì)與制作、安裝（裝配）、綜合調(diào)試、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告與匯報(bào)交流等環(huán)節(jié)，以掌握工程設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)；在畢業(yè)設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用多方面知識(shí)、技術(shù)方法和工具，提出并實(shí)現(xiàn)解決實(shí)際工程問(wèn)題的滿意方案，撰寫規(guī)范的設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，答辯和交流。

（3）在工程設(shè)計(jì)方法的實(shí)施過(guò)程中，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。在設(shè)計(jì)滿足任務(wù)的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、流程、控制單元（部件）技術(shù)方案中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，并綜合考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等因素。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以如何掌握和運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法為主要內(nèi)容，在介紹工程設(shè)計(jì)內(nèi)涵、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，歸納和概括了工程設(shè)計(jì)方法的基本流程及其各環(huán)節(jié)的任務(wù)和分析評(píng)價(jià)方法，為工科大學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法提供了方法上指導(dǎo)，為培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變的工程科技人才提供了有效途徑。

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