【摘要】设计是工程的核心，设计能力被视为工程师应具备的最重要能力之一。作为工程教育基本单元的课程对工程设计能力培养具有直接作用。本文重点分析工程设计四个要素及工程设计能力要求和课程之间的关系。然后以MIT机械工程系为例，进一步说明本科课程对于工程设计能力培养应发挥的作用。
【关键词】工程设计能力；本科课程；MIT
Improve Engineering Design Ability by Engineering Curriculum
Wang Min
(Institute of Higher Education, BeiHang University, Beijing , China)
Abstract: As the core of engineering, the ability of design is considered as one of the crucial capabilities of a qualified engineer. In the teaching and learning process, engineering curriculum -the basic element of engineering education -makes direct influence on engineering design study. This paper starts with analysis of the relationship between engineering curriculum and four basic units of engineering design as well as its requirement, follows by the practice of Mechanical Engineering Department in MIT, in order to demonstrate the effect and efficacy of undergraduate engineering curriculum to improve engineering design ability.
Key Words: engineering design ability, undergraduate curriculum, MIT
设计是工程的核心，早在20世纪60年代就已经有人开始对工程设计问题进行理论探讨和分析。工程设计要求工程师在现实约束条件下为具体的问题提供切实可行的、可操作的解决方案，设计能力是工程师职业技能的重要组成部分，也是现代工程教育的基本内容之一。本文从课程的视角，分析课程与设计能力培养之间的关系。为我国工程教育课程改革提供可参考的建议。
一、问题的提出
（一）设计和工程设计
关于设计的概念迄今尚无一致公认的权威定义，许多学者从各个角度提出自己的见解。工程设计作为设计的下位概念，其定义也多种多样。从工程心理学的角度看，工程设计是一种创造性的智力活动；从方法论的观点看，工程设计是按给定的目标，在一些相互矛盾的条件下求优过程；从组织学的角度看，工程设计是创造价值过程中的主要部分，是对毛坯进行精加工、提高产品品质的过程 [1]。概括地说，工程设计是属于工程总体谋划与具体实现之间的一个关键环节，是技术集成和工程综合化的过程，是对工程构建、运行过程进行先期虚拟化的过程[2]。
（二）工程设计在工程中处于核心地位
古代“工程”的涵义主要是设计和建造大型水利工程和标志性建筑，以及军事防御设施[3]。可见古代工程活动基本可以概括为设计和建造。随着人类的工程活动漫长的历史演变，工程的内涵也不断发生着变化，范围逐渐扩大，技术日益丰富，应用层面也进一步拓展。国内学者从工程哲学的角度将现代工程活动分为工程理念和决策、工程规划与设计、工程组织与调控、工程实施、工程运行与评估、工程更新与改造六阶段[4]；从工程链的角度可以将工程过程分为集成设计、制造、服务[5]；麻省理工学院航空航天系提出了“构思、设计、实施、运行”四阶段模型[6]。可见，不管从何种角度划分工程活动，设计都是必不可少的重要环节，人的主观能动性常常突出地表现在工程设计之中。设计不仅是工程活动初始阶段的一个环节，而且也贯穿于工程活动的全过程。因此，设计是影响到工程活动全过程的起始性、定向性、贯穿性的环节，具有特殊的重要性。
之所以说设计是工程的核心，除了上述设计环节在工程运行中的决定性与渗透性之外，更重要的是设计使工程区别于科学。工程之所以不同于科学，其中重要的一点就是方法论不同。如果说对于自然现象的好奇心是科学探索最重要的原动力之一，那么社会需求则为工程提供了最基本的驱动源。在科学活动和科学方法论中，“抽象”的科学假设——它是不考虑“现实性”的——在各种关于科学方法论的学说中具有重要地位；而在工程活动中，“现实”的需求——它不是“抽象”的——具有基础性的地位。在科学方法论中，“证明”是指向和服务于科学理论的；在工程方法论中，“设计”是指向和服务于产品和工艺的。如图1所示。
 图1 科学方法与设计方法的比较[7]
因此，工程方法集中体现在设计上，可以说工程的方法就是设计方法。尽管不是所有人都从事直接与设计相关的工程活动，但设计提供了工程活动必须的方法论概念和策略工具，适合于工程领域广泛的对象，在工程管理、生产、技术、销售等活动中都必不可少。
（三）工程教育界对工程设计能力的认识
美国工程与技术认证委员会（ABET）对21世纪新的工程人才提出的11条评估标准中，第二条“有进行设计、实验与数据处理的能力”；第三条“在经济、环境、社会、政治、伦理、健康和安全、工艺性、可靠性等现实约束条件下，根据需要去设计一个系统、一个部件或过程的能力”；第五条“分辨、明确表达及解决工程问题的能力”，这些都与工程设计能力直接相关。《华盛顿协议》中要求工程毕业生在设计/提出解决方法方面的特质为：为复杂工程问题设计解决方法，考虑公共健康和安全、文化、社会和环境方面的特定需求来设计系统、成分或过程 [8] 。《变革世界的工程》杜德斯达特报告第四章中明确提到工程师应具备工程设计的能力，并指出一些工科教育计划已经建立或者转型，使得工科课程计划在所有层面上都贯穿设计的体验，通过课题或基于工作室的活动来完成它[9]。
中国工程院在《走向创新》的研究报告中指出：工程设计，是制订工程标准的关键。设计的工艺水平、雅致外观、象征意义和人性化内涵等“软”质量，可以使工程项目得到更大的增值。工程设计能力是创新型工程科技人才应该具备的重要能力，中国的工程科技水平要进一步赶超世界先进水平，必须大力提高工程设计水平。拥有高水平的设计和开发(D&D)人才，特别是培养和重用创造性设计人才，是产业与工程创新取得成功的根本所在[10]。
几份重要的国际国内报告对于工程设计的强调充分说明工程设计能力的重要性，工程设计能力的培养是工程教育的中心任务。
（四）课程对工程设计能力培养有直接作用
关于课程虽然概念比较宽泛，但其内涵已是相对明确。课程是规定以什么样的教学内容来培养学生的问题。它体现着一个国家对学校教学的具体要求，关系到学生的知识结构、智力结构和个性结构[11]。从应用目的和系统观念出发，可以把课程理解为实现教育目标的手段[12]。学生工程设计能力的培养是工程教育的核心目标，课程则是实现这一目标的重要手段，对设计能力培养有着直接的作用。作为“教学内容及其进程安排”的课程，是按照一定人才培养目标选择出来的知识，教学进程也是根据学生的学习规律安排的，课程强调知识应符合培养目标和学生的学习规律。因此，工科课程的建构包括教学目标、体系结构、内容及方式等也应充分体现培养学生设计能力这一目标。设计能力的广泛性与综合性体现了工程的本质，也决定了设计能力的获得不可能仅仅通过大四年级的毕业设计或是零星的专业设计课程来实现，而应作为整个课程系统的核心，贯穿工程课程始终。
二、工程设计的基本要素及工程设计能力
在分析如何通过课程培养学生工程设计能力之前，应首先明确工程设计本身包含哪些要素，从要素引申到工程设计能力具体包括哪些方面。
《工程教育基础》一书中通过总结中外学者对工程设计概念的理解，提炼出工程设计包含以下四个基本要素[12]：
（1）目的。设计必须是有意识有目的的，它要求设计者具有一种智慧，用以产生意图并按意图行事。设计不可能包括纯粹无意识的结果，也不可能是纯粹无目的的活动。
（2）对象。设计的对象包括物质的或非物质的任何事物。这些事物不是旧东西的复现或复制，而是新东西的开发和创造。
（3）过程。设计既然是活动，要把一种新的构想用方案、计划或产品、行为表现出来，它就不只是静止的状态，而是一些状态的过渡。整个过渡的过程涉及综合、分析、评价和决策四环节的多次循环，直至给出符合需要的结果。
（4）约束。设计活动的结果是与诸种环境因素和与设计问题本身“折衷”的结果，是设计者与内外约束条件既抗争又妥协的结果。因此，约束下的“解”并非最好，只要满足需要就够了。
从工程设计的四要素也可以得出工程设计能力所包含的内容：
（1）与“目的”对应的是问题识别能力，即学生应从现实生产或生活中发现问题；
（2）与“对象”对应的是问题描述能力，即学生不仅能够发现问题，还应准确地描述问题，而且必须具有一定的创新性；
（3）与“过程”对应的能力较多，包括用一些专业术语如制图、命题、方程式、编程等描述问题的能力，不同科学知识如管理、法律、伦理和工程等知识的整合应用能力，以及设计过程中的团队合作、沟通的能力；
（4）与“约束”对应的是从各种角度思考问题并求解的能力，如在成本、安全等范围内对问题求解。
上个世纪80年代设计教育在英美国家复兴，推动了工程教育界的改革。随着近年来知识导向到能力导向的过渡，工程教育更多地考虑学生应具备何种能力而不只是掌握何种知识，设计教育的中心也从应教授学生何种设计知识，如何教授等问题转向学生应具备何种设计能力才能满足当代工程的需要。2004年在日本召开的国际设计教育研讨会上，经过专家学者的讨论，对以下几种工程设计能力达成共识 [13]，即：识别并明确地表达问题；创造力；不同的科学技术知识的整合及应用；用制图、命题、方程式、编制程序等方式表达和描述问题；从经济、安全、伦理、环境影响等角度思考问题；在以上约束条件下对问题求解；规划并追随规划；交流；团队合作。对比我们从工程设计四要素引申得到的工程设计能力，两者基本一致。
三、MIT机械工程系本科课程分析
机械工程是工程领域中最为广泛通用的学科。MIT机械工程系在过去的十年中发展迅速，机械工程系主要有以下七个领域：机械学、设计制造和产品开发、控制，设备测试和机器人、能源科学与工程、海洋科学与工程、生物工程、微纳米工程。MIT非常注重本科生工程设计能力的培养，这一点从其课程设置中能够明显体现出来。我们选取设计制造和产品开发领域大一年级的玩具设计课、大二年级的设计与制造I、大三年级的设计与制造II，通过分析课程概况、教学目标、学生考核等具体内容，考察MIT本科工程课程如何培养学生的工程设计能力。
设计、制造和产品开发领域的专业课程一共29门，与设计直接相关的课程有11门，工程设计贯穿本科教学的始终。如表1所示。
表1MIT设计、制造和产品开发领域的专业课程
课程代码 |
课程名称 |
2.00b |
玩具设计（Toy Product Design） |
2.007 |
设计与制造I（Design and Manufacturing I） |
2.008 |
设计与制造II（Design and Manufacturing II） |
2.72 |
机械设计的要素（Elements of Mechanical Design） |
2.739J |
产品设计开发（Product Design and Development） |
2.744 |
产品设计（Product Design） |
2.75 |
精密机械设计（Precision Machine Design） |
2.76 |
多维度的系统设计和制造（Multi-Scale System Design and Manufacturing） |
2.83 |
环境方面的良性设计和制造（Environmentally Benign Design and Manufacturing） |
2.875J |
机械汇编：设计、制造及其在产品开发中的作用（Mechanical Assemblies: Their Design, Manufacture, and Role in Product Development） |
2.882 |
系统设计分析（System Design and Analysis） |
（一）玩具设计
1、课程概况
作为大一年级的介绍性课程，玩具设计课通过为社区顾客设计玩具这一休闲娱乐方式让学生了解产品设计的全过程并有机会进行社区服务。在这门课程中，学生以5-6人的小组为单元进行玩具设计、建模。课程包括课堂讲授和实验环节两部分，讲授每周两次，每次1.5小时。实验每周一次，每次3小时。课堂讲授部分提供了3本必要参考书目和3本建议参考书目。实验环节中每个实验室配有一名教师和一名助教，教师由具有深厚产品设计背景的教授或者研究生担任，助教是已修完玩具设计课程并有浓厚兴趣且成绩优秀的本科生。
2、教学目标
通过本门课程使学生了解产品设计开发的过程，包括确定顾客的需求、头脑风暴、做出判断、绘制草图、草图模型、概念开发、设计审美、细节设计、建立模型以及书面的、形象的和口头交流。在课程结束时，学生向社区成员展示自己设计的玩具，并加以说明。
3、学生考核
本门课程的考核由各个实验室单独给出分数，打分时50%基于个人工作50%基于团队合作。课堂和实验室的参与分数是基于出勤率和课堂表现。
表2玩具设计课程考核
活动 |
所占比例 |
课堂参与（个人） |
15% |
实验室参与（个人） |
15% |
头脑风暴任务（个人） |
5% |
观点表述（团队） |
5% |
个人草图模型（个人） |
5% |
团队草图模型（团队） |
10% |
期末陈述（团队） |
15% |
期末建模（团队） |
20% |
设计日记（个人） |
10% |
（二）设计与制造I
1、课程概况
作为工程设计领域的第一门专业课程，本门课旨在发展学生作为设计工程师的技能和自信心。关注于以物理定律应用作为支撑的创新型设计过程，介绍如何在预定时间和预算内完成设计，强调坚固耐用和工艺性。课堂讲授的主题有想法的形成、判断估计、概念挑选、图象思考、计算机辅助设计（CAD）、机械设计、机械构成、电子学基础、技术沟通、伦理学。
课程的主要任务是设计一个机器人并参加比赛，比赛的内容每年都不相同。
课程包括课堂演讲和实验两部分，授课每周两次，每次1.5小时。实验课每周一次，每次3小时。课堂环节介绍新材料及其应用例子，互动练习，并讲解作业及考试。实验环节是制作、电子学、编程、试验、会议和口头报告的综合。
2、教学目标
在本门课程结束后，要求学生具备以下能力：
（1）利用物理和数学基础生成、分析、提炼电子机械装置的设计；
（2）对于一般的机械部件能够：描述其功能；列举在机械系统中的一般用途并举例；分析成功失败模型；描述如何制造及备选方案的涵义；选择一款在企业生产中有典型用途的部件作深入分析；
（3）在机械设计中运用实验和数据分析法则：考虑设计中几何图形变化的作用；分析机械系统评估的数据；以适当的图解形式呈现数据；设计一个实验调查去提炼一个系统；
（4）交流沟通一项设计及分析（写作、口述和图表）：阅读并解释适度复杂的系统机械图纸；正确设计简单要素及系统的机械图纸；设计简单要素及系统有用固体模型；在一项设计评论中能做出有效的评述；专家提出的技术性问题能在一定时间内有效作答。
3、学生考核
学生的得分基于实验活动、考试、家庭作业的表现，见下表所示：
表3设计与制造I课程考核
活动 |
所占比例 |
实验环节（设计笔记等） |
50% |
考试（2次，各占15%） |
30% |
家庭作业（4次，各占5%） |
20% |
实验环节的分数与学生机器人的设计和说明、实验室的口头报告密切相关。考试和家庭作业与课堂环节挂钩。
（三）设计与制造II
1、课程概况
整合设计、工程、管理学科和制造企业的分析设计实践，强调制造过程和系统的物理性和随机性。本门课程有四个重点：制造过程、控制、系统和设计。课程将工程与管理整合在一起，决定制造的速度、成本、质量和灵活性。本门课的任务是：制造就是我们如何满足人类的需要并创造财富。设计一款对消费者负责任的产品，高质量低成本。学生在上完本门课之后应该有能力和信心去制造厂用不熟悉的过程制作他从未见过的产品，并作出明智决策。
本课程分12单元，平均每周3小时授课，5小时实验、小组会议和陈述。4小时研究、家庭作业、报告撰写。实验环节是强制性的，每个学生必须按时参加。
2、教学目标
（1）通过质量，成本，速度和灵活性衡量一个制造过程、机械和系统的成功和失败，从而将其特征内在化；
（2）为学生提供接触目前制造业的工业过程和实践，并聚焦少数选出来的过程；
（3）应用物理理解控制生产速度和影响质量，成本和流程的灵活性的因素；
（4）理解制造中的约束条件对与产品设计与过程设计的影响；
（5）理解影响生产速度和质量，过程和系统成本及灵活性的因素变化；
（6）理解控制在过程和系统中的作用；
（7）提供制造系统约束条件。
3、学生考核
表4设计与制造I课程考核
活动 |
所占比例 |
2个测验项目 |
40% |
实验室表现和报告 |
30% |
家庭作业 |
10% |
分组会议+期末陈述 |
20% |
测验项目包含授课和实验环节的内容，分组会议，实验组的每个学生在课后都要见面，确立一个小组并规定每周碰面的时间，小组会议将帮助各位同学做出设计决策、完成家庭作业等等。
四、通过课程培养工程设计能力
从三门课程分析可以看出，MIT工科课程设置有以下特点：
第一，工程设计能力是重要培养目标，围绕这个目标构建课程体系。MIT本科阶段工程课程设置以设计为主线，分层次、有重点地培养学生的工程设计能力。大一年级学生对工程以及工程师的理解非常有限，通过玩具设计这一综合性较强的课程让学生亲自参与在各种约束条件下的真实的工程设计，重点培养学生识别并明确表达问题的能力。大二年级侧重专业课程，只有先弄清机械的构造系统和进程方式的基础，才有可能提出对设计的各种建议。因此大二年级的课程培养目标中强调机械组成部分的功能作用的理解。通过专业知识的学习，培养学生用各种方式表述问题的能力。另外，强调数学、物理知识在设计中的应用，培养学生不同专业知识的整合能力。大三年级将管理、经济、伦理学等与工程结合起来，在工程设计中融入管理的元素，让学生更全面的理解工程设计的现实约束条件，如成本、生产周期、灵活性等，培养学生在约束条件下解决问题的能力。
第二，从一年级开始接触设计、理解设计。MIT在大一年级就安排玩具设计课程，通过这门综合课程了解工程设计的四个基本构成要素，设计的过程、步骤。培养学生的设计思维，为以后多方面设计能力的培养打下基础。尽早接触工程设计有助于学生尽快认识工程，了解未来做一名工程师做什么工作、需要掌握哪些技能。同时，玩具设计课可以激发学生对工程设计的兴趣，兴趣的培养对工程师来说非常重要，只有对感兴趣的工程师才能创作出优秀的设计。
第三，课程的实践性非常强，特别注重团队合作。三门课程都是课堂讲授与实验环节各占一半，实践中十分注重老师的指导。考核时多以实验环节为主，更能体现设计的分量。这种理论与实践的结合使学生有机会将所掌握的设计方法亲自动手尝试解决实际问题。玩具设计课5-6人的团队，考核时也有团队分数，设计与制造I团队成员之间的互动练习，以及设计与制造II定期在课后召开小组会议，成员碰面交流，一起完成家庭作业并作出决策等等都可以看出课程对于设计能力中团队合作能力、交流能力培养的积极作用。
我国工科院校的课程体系依然维持公共基础课、专业基础课、专业课的三阶段模式，综合性的课程比较少见。设计综合实践一般被视为工程科学和技术课程的理论学习之后的应用或辅助，工程设计被安排在本科教育计划的后期，学生直到临近毕业才开始慢慢懂得何为工程。片面强调科学基本原理、按照学科自身逻辑组织的工科课程已经导致设计能力薄弱，创新性不强。工程课程必须按照培养目标进行改革。设计能力的培养作为工程教育目标的核心，对课程设置有着重要的指导作用。因此，本科阶段的课程应以设计为中心展开，如图2所示。
【参考文献】
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[4]工程哲学 殷瑞钰等著 北京：高等教育出版社，2007.7 134-135
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[11]王道俊，王汉澜，教育学，北京人民教育出版社，1999:154
[12]工程教育基础——工程教育理念和实践的研究 王沛民、顾建民、刘伟民著 杭州：浙江大学出版社，1994.6
[13]Engineering Design in Engineering Education ,Minutes of JABEE Symposium ,December 4-5,2004, Tokyo, Japan
[14]赫伯特?西蒙著，武夷山译《人工科学》商务印书馆出版，1987：111—113
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