基于设计思维的专业课程设计创新教育实践
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摘要：设计思维是一种新型的创新创业教育理念和方法论，文章首先介绍了设计思维的基本理念，提出了基于设计思维的专业课程设计创新教育方案，学生团队合作设计、制作原型模具，并利用原型模具试制零件，以测试改进模具设计和加工工艺。经过多年实践，提高了学生综合应用知识解决复杂工程问题的能力和创新设计能力。
关键词：设计思维；创新教育；课程设计；实物制作
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）29-0137-02
当前我国经济发展进入新常态阶段，创新驱动成为社会共识。工程教育质量特别是本科生的创新能力，对建设创新型国家起着重要的作用[1]。专业课程设计是材料成型及控制工程专业课程体系中，培养学生创新能力和工程应用能力的重要实践环节[2]，为激发学生的自主学习和创新设计动力，对该课程教学进行了改革。
一、设计思维
设计思维是21世纪出现的新的创新和创业教育理念及方法，已成为欧美国家培养学生不可或缺的课程。德国学者认为，设计思维的主要目的是培养创新者，学生的创造性只有通过实践和创造性思维习惯的培养来获得[3]。设计思维既教授思维方法，同时又通过特定的实践，来提升创造性，其理念正在中国高校传播和接受[4]。
设计思维的核心理念是行动学习和团队项目式学习。其特征是：跨功能多元团队、用户需求原则、视觉化设计、开发原型、测试并迭代反馈修改模型。
行动学习包含了杜威提出的“做中学”理论以及库伯的“体验学习圈”理论等。行动学习认为，知识的学习不是通过讲授获得的，而是通过探索和构建具体行动来获取。学生在行动中思考前行，突破学科和专业划分造成的知识碎片化，理论和实践相结合，不再是被动的听众，而是知识的创造者。
团队项目学习通过构思、探究、设计和实施，以解决实际的特定问题。在这个过程中，学生组成团队来解决具体问题，完成项目任务，不再是个人行动，而是通过团队激发创新思维、开发创意、验证操作，并创建某种物理实物。
二、传统模式不适应创新教育
传统专业课程设计教学主要培养学生对金属板材冲压模具的设计能力。按照教师给定的冲压零件，每个学生独立设计一套用于制造该零件的模具，绘制模具装配图。教师根据学生完成的绘图质量、编写的设计规范和说明书以及答辩情况，进行成绩评定。该教学模式存在的主要问题如下。
1.创新能力训练不足。学生针对教师给的冲压零件进行工艺计算，选定设计方案后，参考相关模具设计图册，进行模具设计。整个设计过程仅仅是图纸作业，没有任何实物制作过程，没有激发学生创新思维的环节，学生不清楚模具是如何制造的、通过什么方式安装在压力机上、在何种条件下能够生产出合格冲压零件。
2.可视化程度不够。在设计过程中，对工艺方案的选定，只能通过手工工艺计算进行简单的比较，不能充分考虑到材料、摩擦、边界受力条件等因素的影响，零件成形过程无法直观地展现出来。学生手工绘图，模具装配图和零件图均为平面二维图纸，图纸中各个零件的具体形状及相互间的装配关系不清晰，直观性差，整个设计的可视化程度不高。
3.缺乏团队合作。学生单独进行设计，过程比较枯燥缺乏趣味性，许多学生不能主动学习，同学间没有相互協作、交流问题，产生创新的头脑风暴现象。而在当代的工业生产设计中，仅仅靠个人而不是团队合作，来开发新产品是无法想象的，这种模式既不利于培养学生的合作沟通能力，也无法获得创新的灵感。
4.设计的可靠性存疑。用传统教学方法学生设计的模具，仅有平面二维图纸，既无法判断模具装配时零件相互间是否干涉，模具能否顺利安装在压力机上，也无法判断利用模具成形的冲压零件是否合格，废料能否顺利取出或顶出等。更不要说在此基础上，进一步地更新完善，整个设计的有效性不能得到验证。
三、课程设计创新教育实践
针对以上问题，基于设计思维的理念，提出课程设计要体现以学生为主体、教师为主导的方针，摆脱工程教育理科化的倾向，培养学生综合应用知识，解决复杂工程问题的能力和创新设计能力。
1.确定项目组织团队。由骨干教师和专业实验室教师组成老、中、青结合的指导团队，给出不同形状尺寸的冲压零件作为课程设计项目。学生每四人组成团队项目组，自主选择题目，合作完成项目，进行如拉深模、弯曲模、复合冲裁模和冲孔翻边模等设计。
2.文献研究和数据分析。对各自特定的课题项目，到图书馆、上网查阅资料，阅读相关文献。进入专业实验室实地观察各类模具和各种成形设备等，对课题进行初步的数据分析计算，考虑如何从用户的观点出发，在诸多因素冲突的情况下，以较小的成本和符合安全性的条件下，开发出满足用户使用要求的模具。
3.成形工艺模拟。在课程设计中加入冲压成形工艺模拟，针对具体的零件，将专业知识和计算机仿真技术相结合，进行成形工艺模拟。通过有限元软件模拟计算、动画演示，可直观看到冲压成形零件变形过程，变形区的应力应变数值大小，以及破裂、起皱等成形缺陷的发生情况。修改成形参数，如改变成形工艺、摩擦条件、压边力大小等，可以便捷地重新进行模拟仿真，通过比较得出优化的成形工艺方案。
4.创新设计模具结构。依据成形工艺，项目组成员讨论比较多种结构形式，给出满足客户需要的创新型模具结构方案。按照结构方案对模具的各个零件，进行计算机三维实体造型、虚拟装配，并对装配好的实体模具进行运动仿真演示，判断是否出现零件之间运动干涉现象，以及其他设计方面的问题，同时学生可以更清晰理解模具的各组成部分及功能，通过发现的问题修改完善模具，提高设计质量。
5.制作原型模具。对上述设计的模具经过指导教师审核后，进行实物加工制造，除外购标准件和原材料外，模具零件的加工主要利用专业实验室内的设备完成。在这一过程中，项目组学生要进入实验室全程参与模具的制作，解决制造中出现的问题，必要时修改前面的模具设计。指导教师在实验室现场观察，指导但不代替学生决策，充分激发学生的创造性和自主学习能力。
6.试制冲压零件。各项目组学生对模具实物零件进行组合装配，同时利用实验室下料设备，制得加工课题冲压零件所需的某形状金属板坯料，准备对设计的模具进行生产测试。规定每个项目组限制在2个小时内，至少试制出3个合格的冲压零件。学生将模具安装在压力机上，对压力机的滑块位置等参数进行必要的调整后，进行冲压零件试制。制出的零件经过测量形状和尺寸精度后，用塑料薄膜、润滑油等改善接触摩擦条件，或改变凸凹模具的间隙、改变压边力等影响因素，进一步优化生产工艺条件，制得课题要求的合格冲压零件。
四、结语
改革后的专业课程设计教学，学生要将所学的各种课程知识综合应用，才能设计制作出实物模具，进而得到合格的冲压件，这种方式培养了学生的创新思维、动手能力和团队合作精神，从而改变了专业课程设计由理论计算，到工程图纸设计的培养模式。经过3年的实践，实现了利用专业课程设计，培养学生综合应用知识解决复杂工程问题和创新设计能力的教学改革目标。
参考文献：
[1]王孙禺，赵自强，雷环.国家创新之路与高等工程教育改革新进程[J].高等工程教育研究，2013，（1）：14-22.
[2]钱志平，马瑞，金淼，等.基于OBE理念的材料成型及控制工程专业毕业要求及课程体系构建[J].教学研究，2017，40（6）：83-85.
[3]Meinerl H，Leifer C.Design thinking research：building innovators.Springer，2016：1-14.
[4]秦仪，张焱.基于设计思维的创新创业课程设计与实践[J].创新与创业教育，2017，8（4）：63-67.
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