设计理论论文范文

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二、生态语境下的低碳景观设计的特征

（一）低碳景观设计

低碳景观设计是近年来才提出的新的概念。低碳，是指较低或者更低的温室气体（二氧化碳为主）排放［7］。而低碳景观设计是以低能耗、低污染为目标宗旨的绿色景观设计［8］。低碳景观作为景观学领域的新概念，其内涵也包括“低碳社会”、“低碳经济”等概念相对应的基本层面的低碳含义，那就是减少景观建设过程中的碳排放［9］。在景观的设计和施工中我们倡导节约其过程中所需的能源和减少碳的排放量，维护大自然的生态平衡、让人与之共存［10］。因此低碳景观设计也是一种可持续发展的设计理念，符合生态语境下当今社会对景观设计的要求。在生态设计理念的指导下，低碳景观设计有了长足的发展。宏观上，景观工作者本着尊重自然、可持续发展等目的，充分理解和尊重场地，让设计符合环境，充分让自然做工。微观上，低碳景观在规划、设计、施工、使用及维护的整个过程中都注重减少碳的排放，促进形成和谐发展的景观体系，这也是生态设计理念的具体体现形式。但是，低碳景观设计并不就是生态设计，它与生态设计有相类似的方面，但也有不同之处。生态设计主要针对于环境而言，主体是环境，生态设计的主要目的是减少人类活动对环境的破坏，而低碳设计可以应用于人类生活的方方面面，主体是人和人类活动。因此低碳景观设计不只是注重设计对环境的作用，也注重人的活动本身。它是研究人类和人类活动在作用于景观时所产生的碳的排放量的问题，更低的碳排放量是低碳景观设计所追求的目标。因此，从对坏境的影响上而言，低碳设计与生态设计有共同之处，但是它们的侧重点不同。生态设计更加注重目的，而低碳设计更加注重过程的低碳。生态设计更宽泛，而低碳设计注重结构的优化和细节的处理，因而更容易见效，也更容易被普通大众所理解和接受。

（二）低碳景观设计的特征

在生态设计理论的影响下，低碳景观设计体现出如下一些特征。第一，更加尊重场地，设计结合自然。在生态设计理论的指导下，低碳景观设计尽量利用场地的有利条件，协调和解决场地的不利条件甚至变不利为有利。利用场地已有条件和物质基础必定会减少景观设计和施工过程中的碳排放量。尊重场地是低碳景观设计的基本特征。结合场地的自然条件进行设计而不是“归零设计”，那种仅凭技术而无视场地现状的肆意妄为的做法是对资源的巨大浪费，我们已经付出了沉重的代价。第二，景观生态系统的动态平衡。景观生态系统包括景观与外部系统、景观内部各元素之间、景观元素内部的结构与功能之间、景观生命体与其环境之间以及人类与景观生态系统之间的生态关系都是动态平衡的关系［11］。生态系统的跨尺度性要求低碳景观设计力求平衡这些关系，并在此过程中减少碳的排放，而景观生态系统达到动态平衡之后也会达到减少碳排放的目的。第三，生态设计指导下设计生态。生态可以被设计，低碳景观设计在生态设计原则的指导下设计生态。众所周知生态系统是个很复杂的系统，它包含很多子系统，每个子系统又包涵了很丰富的内容并自成体系，因此生态系统不能被设计也很难被设计，但是设计可以发挥作用，人工设计的生态应该被纳入自然生态系统，是自然生态系统的一部分。因此在低碳景观设计过程中实际上是设计生态，是模仿自然设计生态的过程。只有如此设计出来的景观设计，在项目完成之后才能形成良好的生态循环。第四，减法设计，节约人力物力。低碳景观设计主张做减法设计，不浪费精力。不但在景观项目的方案设计初期，在项目设计和施工过程中，都秉承能少则少，节约人力物力的原则。要减少碳的排放量，只有更大程度地减少人力物力的损耗。低碳景观设计在整个过程中都注重节约人力物力，以达到更少的碳排放的目的。第五，尽量降低能源消耗，减少碳排放。低碳景观设计以尽量降低能源消耗，减少碳排放为原则。很多低碳设计打着低碳的旗号，事实上并不低碳。说低碳并不低碳的例子很多，如为了打造更好的自然效果，千里迢迢去找材料，或为了一两种植物跑几个省份。以及不珍惜资源，随意浪费能源，这些做法只注重了目的性，而忽视了过程的低碳，也不是低碳景观设计的正确做法。这也是生态设计和低碳设计最大的不同。

三、低碳景观设计的应用模式研究

低碳景观设计的应用模式的理论基础是生态学和景观生态学。基于生态设计理论的低碳景观设计目前的应用模式有以下几种。

（一）自上而下的模式与自下而上的模式

我国景观设计的现状和国外有很大区别，国外的景观设计项目一般而言要通过社区居民讨论，规划师、建筑师也要加入到景观项目的设计和施工中。而在我国则是政府行为，先立项，政府通过了之后到达主管部门，主管部门之后才进入到景观设计师手中。但是很多景观项目实际上负责人都不是景观行业从业人员，这给景观设计的具体开展带来了难度，甚至出现一个设计方案改十几次或几十次的情况。由于低碳景观设计很多时候并不是在第一时间就能够体现经济效益，在讲究效率和效益的现实条件下，低碳景观设计开展起来也困难重重。如果管理者（包括政府和相关主管部门）重视民众的声音，尊重设计师，给设计师更大的权限和空间，景观项目由自上而下的模式转变为自下而上的模式，这样才有可能给低碳景观设计带来新的局面。

（二）千层饼模式

这是一种叠加模式。设计师麦克哈格在景观设计时尊重自然，提出了强调“土地适宜性”的“千层饼模式”。千层饼模式是将影响景观设计的自然因子都列举出来，进行叠加，然后可以从叠加模式中看出垂直自然生态过程，并可据此判断出该设计与环境适不适合。到了设计阶段，将要做的设计分层进行，叠加之后成为一个完整的方案。然而该模式仅注重垂直的自然生态过程，而忽略了水平生态过程，因为设计的各要素之间不是孤立的而是相互联系相互作用的。如此势必割裂部分与整体的关系，使低碳景观设计成为形而上学的一种模式而达不到低能耗、低污染以及降低碳排放的目的。

（三）场地拼嵌模式

随着近些年来研究的深入，形成了分析景观的一个基本模式，即“斑块—廊道—基质”［12］。这是一种场地拼嵌模式，是利用景观生态学原理，将景观场地分为斑块—廊道—基质的形式，斑块－廊道－基质模型是构成景观空间结构的一个基本模式，也是描述景观空间异质性的一个基本模式。这一模式为比较和判别景观结构，分析结构与功能的关系和改变景观提供了一种通俗、简明和可操作的方式。这个模式也有缺点，有可能注重局部而忽视了整体，而且并不是每个景观场地一定包含这三个内容。就这几种模式而言，有景观设计程序上的，有方法上的，但是低碳景观设计并不是单一的或机械的使用这些模式。低碳景观设计应该以生态整体性为基本原则，灵活运用各种模式进行设计，要根据项目的实际情况选择合适的设计模式，也可以以一种模式为主，结合其他的模式进行研究或设计。

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(1)概念设计阶段。

所谓概念设计，就是在设计初始从全局的角度做一个基本的构想，建立可行性方案。在这个阶段，需要做很多先期的准备:①确定所选用的支承结构体系的类别，不同类别的支承结构体系针对不同的功能用途，对于结构和承重等方面的要求也各有不同;②确定基本的构建和架设方案，针对主墙的结构以及实际的施工环境和情况进行详细的调研，再根据调研结果设计构建和架设方案;③确定面板的连接方法，根据主墙体的实际结构和角度，结合安装的需要进行合理的连接方法设计。设计外观装饰效果，在最大程度上满足客户需求的同时，还需要充分考虑环保节能。

(2)技术设计阶段。

在技术设计阶段，我们主要的工作就是将之前的概念设计中的构想具体落实到详细的参数和计算中来，形成完整的指导图纸和步骤说明。一般来说，以下几点是需要重点关注的方面:①最主要的步骤就是结合实际的建筑需要和主墙的结构，对概念设计形成的构想进行修正，建立正确清晰的参数设计尺寸分格图;②幕墙整体设计时需要考虑刚性要求和稳定性要求，确保幕墙可以承受足够的重力及风荷载等外力。同时，还需要所选择的的材料的防水性能和密封性能，避免发生漏水或隔音不良等情况的出现。同时，还需要充分的考虑幕墙与主墙体之间留有足够的空间的要求，防止幕墙由于主墙体的伸缩位移而受损。同时也需要保证幕墙自身具备一定的可伸缩性，上下之间一般建议留出不小于15mm的空间距离。当然，作为建筑体系的一部分，幕墙设计必须要充分考虑安全性的要求。一般而言，主要需要关注于防火安全和防雷安全。防火安全设计主要体现在对防火规范的严格遵循，重点在幕墙空间和节点位置采用岩棉等不可燃材料作为填充材料;而防雷安全设计则主要体现于要注意将幕墙的防雷措施与主建筑的防雷系统相连接，使两者组合成一个完整的防雷体系，提高安全系数。一般而言，幕墙的顶部接闪器应采用不小于2.5mm的铝制单板，将雷击电能导入地下。另外，由于幕墙是一种可更换可移动式装饰墙体，所以必须考虑幕墙部件的使用年限和备用更换件。一般而言，使用年限介于25－50年之间为佳，同时，主墙的使用年限也是一个重要的参考依据。

(3)施工设计阶段。

该阶段就是依照之前总结出的所有数据进行具体的实际操作，出详细的施工图纸供现场安装使用;并根据施工图纸进行提料、出加工图、框架组装图等，配合采购、制造、运输、安装甚至维护等各个环节。需要注意的是，在这个环节并不是单纯的按照图纸做工程，而应该在施工中不停地验证设计的可靠性，不断地进行修正和改进。

2我国建筑幕墙行业的发展历程及发展趋势

2．1建筑幕墙的发展历程与行业现状

我国建筑幕墙从1978年开始起步，经过了30多年的发展，到目前已进入了高速发展的阶段，自2001年开始，每年以750万平方米左右的速度增长。尽管我国的建筑幕墙行业发展蓬勃兴旺，但其中也存在一些值得我们重视的隐患和问题:(1)建筑幕墙设计图纸不规范，图纸审核不够严密;(2)过分以追求装饰效果为主，忽略基础因素的严格监控和限定;(3)施工材料和施工设备的质量依然有待提高;(4)产品层次和技术水平还有待提高。

2．2建筑幕墙的发展趋势

随着经济水平的快速发展和人们审美理念、生活需求的不断变化，以及高层建筑甚至超高层建筑的大量增加，建筑幕墙行业必然会在兴旺发展的同时有新的变化和发展，基于个人的一点看法和经验，节能环保理念作为当前的重点，也是政府和社会广泛宣传和推广的热点问题之一，极有可能成为未来建筑幕墙行业的发展趋势。其实在建筑幕墙行业，很早就有了关于节能的构想和实施。目前阶段，建筑幕墙已经成功实现对太阳能的利用，将太阳光转向照明技术和光电幕墙技术。下面简单介绍一下这两项技术:(1)太阳光转向照明技术，即在幕墙上装设光线反射装置，将日光反射到市内天花板，再通过天花板上架设的设备将光线反射到工作区域和生活区域。(2)光电幕墙技术，就是将太阳能光电板集成到幕墙材料中，在接受太阳光照的同时，使用太阳能发电技术将太阳光转化为电能，进行储存和利用。

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1．1模块化设计理论与方法

模块化是指采用具有相对固定结构和功能作用的模块对产品或系统进行组织和规划;通过对产品在某种范围内按照不同功能、相同功能的不同性能或者不同规格进行分析，规划出不同的功能模块，通过不同模块的选择和组合，配置出系列产品，以满足用户的不同需求的设计方法［2］。模块化设计是适应性设计、快速配置设计和可重构设计等现代设计的重要设计方法和核心技术，通过功能模块的配置组合能够实现产品的标准化和个性化设计。模块化设计已在现代产品设计中广泛应用，其理论基础是Suh［3］提出的独立公理理论，即“一个最优设计必须保持功能需求的独立性”。20世纪50年代，欧美一些发达国家提出了模块化设计［4］的概念，随着计算机技术的发展，这一概念越来越得到设计界的广泛关注和深入研究。人们在模块化设计概念的定义、模块的划分与组合、实现过程，以及基于模块化设计的产品平台规划与设计等方面都有相当多的研究。Suh［3］从“功能-设计参数”映射的角度给出了模块化设计的定义:模块化设计是将产品、过程和系统以一定的形式表现，满足预定的客户需求，采用的方法是选择恰当的设计参数，完成从功能需求域到设计参数域的映射。Ulrich等人［4］从设计学角度指出了影响模块化设计程度的两个基本因素:1)产品功能域与物理结构域之间的对应程度。2)产品物理结构间相互关联程度的最小化。PAHL等人［5］仍然认为模块化设计是完成从功能需求域到模块功能域的映射，再考虑模块特性参数(如尺寸、重量等)，完成从模块的功能域到模块的结构域映射，并按照不同的模块功能，在设计域内(功能域和结构域)进行模块分类与定义。在模块化设计的方法研究中，模块划分技术是关键技术之一。ERIXON等人［6］提出了产品某项功能成为独立模块需要满足的11个条件，并将其作为模块划分的普遍原则，根据子功能结构建立模块识别矩阵，然后对模块识别矩阵进行聚类分析。STONE等人［7］考虑产品的各个子功能与能量流、物流和信号流的关联性，将一种功能模型定量化建模方法用于产品架构开发，并以客户需求重要度为度量标准，建立需求与功能数据库，将功能与需求的关系定量化作为模块划分与模块发展的主要依据。GU等人［8］提出了一种基于产品全生命周期技术的多目标(可回收设计、可升级设计、可重用设计和重构设计)模块划分方法，并将模糊数学中权重的概念应用于功能结构分析，为定量化模块划分提供了依据。模块组合技术是模块化设计的另一关键技术。O’GRADY等人［9］针对网络设计环境下分布协同设计，研究了其模块组合方法，即建立一个基于面向对象的模块化产品设计环境，根据用户的需要，将不在一个地区的各个模块制造商生产的模块快速组合成模块化产品。TSAI等人［10］考虑产品设计、加工和装配等复杂性，基于并行工程思想，按产品功能在设计过程中的不同类型接口关系进行模块的不同类型划分，并从中选择最优模块，最后根据模块包含的相关信息，对模块中的各个功能进行优先权排序，以此作为产品规划设计的原则。另外，在模块化设计中，模块接口的匹配是模块组合的重要条件，即一个零/部件结构能够成为模块的条件是零/部件的功能、结构以及其接口特征不能超出模块化产品给定的标准接口所允许的范围［11］。HILLSTROM［12］基于公理化设计原理，并结合面向装配和制造的设计方法，对模块化设计的接口进行了系统分析。

1．2参数化设计理论与方法

参数化设计是产品设计规格化、系列化的一种简单、高效和快速的方法，通过改变结构特征某一部分或某几部分的尺寸，基于参数化驱动技术，实现对特征中相关部分的自动改动。参数化设计是CAD的一个重要理论和方法，它包括两个基本要素:参数化图元和参数化修改引擎。CAD中的图元都是以对象特征的形式表现，并通过参数的调整变化驱动图元的变化，参数包含作为数字化对象图元的所有信息。参数化修改引擎所使用的参数驱动技术，使设计者对设计对象所做的全部改动都可以在其他相关联的部分自动反映出来，并采用智能结构单元、视图和注释符号，通过一个变更和约束驱动引擎使每一个图元都可互相关联。对象特征尺寸的改动、移动或者删除所引起的参数变化，会引起相关对象特征参数产生相应的变化，不同视图下所发生的改变都能以参数化的、双向的方式扩散到所有其他视图，以保证所有设计对象的一致性，不必对所有视图逐一进行修改，从而显著提高设计效率和设计质量。1963年由Sutherland［13］在SketchPad系统中提出参数化设计方法，Light等人［14］在1982年提出变量几何和几何约束思想。为提高零件生成的智能化，在20世纪80年代将人工智能技术(AI)应用到参数化设计中，如神经网络和几何推理等技术，更重要的是将参数化技术应用到实体造型并形成了特征造型技术。产品开发之初，零件形状和尺寸都具有一定的不确定性，因此希望零件模型具有柔性修改的能力。参数化设计可将零件模型中固定的参数变量化，使之成为可以在一定范围内修改的参数，根据不同设计要求，对变量化参数赋予不同数值，就可获得不同形状和规格的零件模型。约束是CAD中参数化模型的重要内容，包括零件图形的几何约束和工程约束。几何约束分为尺寸约束和结构约束。尺寸约束是指通过指定特征尺寸参数描述的约束，如长度尺寸、角度尺寸以及直径尺寸等;结构约束是指几何元素间的拓扑约束关系，如垂直、平行、相等、同心和相切等。工程约束是指尺寸之间的函数约束关系，即根据工程设计知识，通过定义尺寸各变量之间在参数值或者逻辑上的关联关系来表示。

1．3产品族设计理论与方法

产品族设计是通过基本特征、组件或子系统的共享，以满足不同市场需求的多产品设计方法，是实现规模化产品制造的有效手段。对于产品族的定义，许多学者给出了不同的描述。Ulrich［4］将产品族定义为由某种参数化数据结构确定的一组产品，当所有参数赋予某一具体数值时，就表现为一个具体产品。Erens等人［15］认为产品族是具有相同内部接口的一组产品，并且在设计的各个领域(功能域、技术域和物理域)中产品族接口为标准化接口，能够实现产品部件的完全互换。McAdams等人［16］将产品族定义为具有相同功能流的一组产品。Simpson等人［17］定义的产品族是建立在通用产品平台之上的一组相关产品，并共享平台通用特征、部件和子系统，以此满足市场的多样化需求。其中，参数化产品族(scale-basedproductfamily)在平台公共变量不变的基础上，通过可调节变量的值来满足不同性能要求的系列化产品，是产品族设计的一个具体方法，平台通用性的考虑和实例产品性能选择是参数化产品族设计的关键问题［18］。产品族结构体系(ProductFamilyArchitecture，PFA)是现代大规模定制设计方法(DesignforMassCustomization，DFMC)的核心部分，它为制造企业内的不同部门协同工作提供一个公共平台，同时作为一个类产品以实现产品变型设计来满足客户多样化需求。目前研究的产品族模型主要有通用物料清单(GenericBill-of-Material，GBOM)模型、三视图模型和产品族主结构模型等。Tseng等人［19］给出的产品族三视图体系结构模型，包括功能视图、行为视图和结构视图及其相互之间的映射关系。其中，功能视图表达产品的总体功能及其子功能结构图;行为视图从技术角度描述产品功能的技术原理;结构视图则描述产品的零/部件组成与装配模型。Hegge等人［20］提出GBOM定义，以产品族将GBOM定义为一组变量，并通过一组参数指定具体值来确定这些变量，现在GBOM已成为表达产品族结构及其构型的基本模型。在国内也开展了产品族的大量研究。祁国宁等人［21］提出了面向大批量定制(MassCustomization，MC)的产品事物特性表建模技术。由描述产品构成的产品族主结构以及描述零/部件的主模型和主文档组成模块化产品族。其中，产品族主结构描述了一个可配置的模块化产品系统的组成情况，并包括所有标准零/部件。基于产品族的主结构、构件主模型和主文档，结合客户的个性化需求，采用配置设计或变型设计方法，可以进行产品的快速定制设计。此外，Jiao等人［22］在面向对象方法和语义网络的基础上，建立了通用产品族信息模型，其多视图产品族结构采用树形结构、多样化变量值和配置规则进行表达，以此生成不同特殊需求的产品变型，同时减少各视图间的数据冗余。Nomaguchi等人［23］根据标准建模语言(UnifiedModelingLanguage，UML)，提出了关于产品族体系结构的知识表达模型，该模型记录了设计的整个过程的详细步骤和设计结果，方便设计过程的跟踪查看;为便于设计者进行准确、无冗余的知识获取，模型还将用户需求、产品功能、结构和成本等不同层面的产品信息进行了集成。目前，本体技术开始应用于产品族模型的建立，Nanda等人［24］构建了基于本体的产品族设计方法，在表达产品族结构时使用网络本体语言，应用规范化的概念分析(FormalCon-ceptAnalysis，FCA)方法寻找设计特征间的共性元素，在此基础上，建立了产品族多视图模型的一般表达方式;高鹏等人［25］也基于本体的方法提出了本体之间的映射法则，构建了本体映射、知识映射和模型映射三层映射模式，并以此为核心搭建了产品配置模型的建模框架。Siddique等人［26］研究了产品族设计体系结构的开发过程，给出了产品族体系结构的数学模型、评价指标和有效性推理规则，并对产品组件、模块和体系结构进行了构建，给出了装配过程的描述方案。朱斌等人［27］则对传统设计方法学和面向产品族设计的差异进行了研究，从产品设计的需求模型、功能原理模型和结构设计模型等三个方面，论述了关于产品族设计模型的构建方法。

1．4可重构设计理论与方法

来源于可重构制造系统的可重构性的概念出现于20世纪90年代。1997年美国Michigan大学的Ko-ren等人［28］首次提出可重构制造系统的概念。可重构制造系统(ReconfigurableManufacturingSystem，RMS)指系统能根据生产的需要，准确地构建出需要的生产功能和生产能力。在1999年国际生产工程研究学会(CIRP)上，Koren等人［29］又对可重构制造系统进行了重新定义，即可重构制造系统是一种预先设计为可快速改变结构、硬件与相应软件的制造系统，并能实现在一个零件族内快速调整生产能力和生产功能，以满足市场或客户需求的突然变化;因此，RMS的主要特点是:1)将加工零/部件控制在一个零件族内;2)突出生产能力和生产功能变化而驱动的重构;3)以可重构机床(ReconfigurableMachineTools，RMT)为基础进行重构。随着可重构性及可重构制造系统的研究发展，其重要性日益显现。美国国家研究委员会(NRC)于1998年在《2020年制造挑战的设想》报告中，就明确地将可重构技术列入21世纪的六大挑战与十大关键技术中，而且排在十大关键技术的第一位。随着制造领域的研究应用，可重构思想开始从制造系统逐步发展到组织体系、制造装备以及产品设计等各种领域，形成了可重构性的概念。Setchi等人［30］基于可重构性的用途，从较为宏观的角度给出了可重构性的定义，他们认为可重构性是一种重复变更或重排系统中构件的能力，且具有继承性、定制性、可转换性、可诊断性和产品化等特征，以此实现产品多样性、重用性、快速性、低成本、高效率、可靠性和简化性等要求。英国剑桥大学的Siddiqi等人［31］给出了需要驱动的可重构的主要因素，并提出了可重构系统建模方法。我国在最近几年也开展了可重构性理论相关研究。清华大学的罗振璧等人［32］针对传统可重构的局限性，提出了基于面向用户需求与使用变化的和基于拓扑相似性“广义组合理论”的可重构性定义。梁福军等人［33］综合运用相似性分析、图论和集合论等理论，研究了制造系统的逻辑重构设计;楼洪梁等人［34-35］利用图论研究了机床的可重构性。在可重构算法方面，王素欣等人［36］运用粒子群算法解决了关于制造系统单元可重构的问题。刘溪涓等人［37］研究了零件配置过程中约束的不同类型，利用“有效可选域”的概念，建立了最小损失函数算法，该算法不仅考虑了构件约束，还考虑了零件重构约束。刘世平等人［38］研究并建立了重构目标模型，利用两个聚类定量指标给出聚类的目标函数，并采用遗传算法对重构进行求解。在可重构设计方面，各国学者主要研究了机床、机器人和其他新产品的可重构设计。在机床方面，Tilbury等人［39］对机床的组成原理进行了研究。冯宁等人［40］结合可重构机床的特征，运用矩阵结构化方法建立机床各组成部分的运动学方程，并提出了由所选择的构件组成机床的所有拓扑结构的方法。许虹等人［41］基于并行工程思想，提出了一种考虑加工工艺与机床配置同时完成的可重构机床设计方法。在可重构机器人方面，Hui等人［42］研究了一种产品化、可重构和可扩展的机器人系统(IntegratedRasterImagingSystem，IRIS)。Paredis等人［43］研究了可重构机器人及其可产品化系统(ReconfigurableModularManipula-torSystem，RMMS)。赵广涛等人［44］基于树状拓扑结构研究了产品化机器人的重构规划设计问题。于海波等人［45］结合图论原理方法，给出了一种比较简单有效的可重构机器人构型综合方法。魏延辉等人［46］采用两级计算(遗传算法和迭代算法)优化了机器人构形组合设计。李树军等人［47］研究了可重构机器人产品的结构，最后总结并设计了七种具有功能独立性的产品。李国喜等人［48-49］提出了基于功能-原理-行为-结构的产品模块化可重构设计方法和基于可拓理论的变形设计与配置方法。

2快速设计方法使能技术

快速设计方法离不开其使能技术的支撑，这其中最重要的使能技术有并行工程和虚拟样机技术。

2．1并行工程

并行工程(ConcurrentEngineering，CE)不仅是一种设计思想，更重要的是一种方法论，是现有先进设计制造和管理模式的理论基础［50］。美国防御分析研究院于1988年给出了并行工程的定义［51］:对产品设计及其相关过程，包括设计过程、制造过程和市场营销等过程，进行并行、一体化设计的系统化工作模式。这种工作模式要求产品设计开发者在开始设计时，要考虑产品生命周期中的各个阶段因素，其中包括用户需求、产品质量、生产成本与阶段进度。传统的企业组织结构会带来部门之间的分割与封闭，并行工程打破了这种各自独立的工作局面，站在产品全生命周期整个过程的高度，突出参与者集群协同工作的效应，对产品开发过程进行重构，结合先进的设计方法学，并在产品设计的初期将后期的所有因素进行综合考虑，力争完全实现产品设计和制造一次成功，从而极大地缩短了开发周期，降低了产品成本，增强了企业的竞争能力［52］。传统的产品设计制造模式为串行工程(SequentialEngineering，SE)模式，其产品开发过程是顺序完成，各个过程之间基本上是独立的，每一过程的开始是以上一个过程的结束作为前提，彼此缺乏信息交流。并行工程的关键是以系统集成为基础对产品及其过程实施并行设计，即是通过多学科产品开发人员的协调与合作，整合产品的开发流程，以缩短开发周期、提高产品质量、降低成本和增强企业竞争能力为目标的设计［53］。当然，并行设计的产品开发周期也分为不同阶段，每一阶段都有自己相对独立的时间段，不过时间段之间有一部分相互交叉重叠，而这部分重叠时间表示开发过程是同时进行的，因此，并行设计开发的时间远小于串行设计所用的时间。与传统线形的、顺序的且部门相对独立的过程相比，并行设计要求在设计的各个阶段，企业的相关部门应以互相合作、交互和平行的方式进行产品开发。当然，并行工程必须以先进的信息技术和产品设计技术为支撑，如以产品数据管理平台作为支持产品开发的环境，采用工作流来实现设计流程重组与流程管理，采用产品的数字化描述、面向制造的设计(DFM)、面向装配的设计(DFA)和质量功能配置(QFD)等技术来提高产品的设计水平［54］。

2．2虚拟样机技术

在激烈的市场竞争环境下，企业要想占据市场的主动地位，必须比同类企业提前设计并生产出满足用户需求的具有较高质量的新产品，由于物理样机存在成本高、生产周期长等不足，难以支撑企业的快速生产需求，成为企业保持竞争优势的一大技术瓶颈。越来越多的企业和研究机构开始研究采用何种方法取代物理样机从而突破这一瓶颈，正是在这样的技术背景下虚拟样机技术应运而生。虚拟样机技术(VirtualPrototypingTechnology，VPT)是一种基于数字化样机的虚拟设计方法，是计算机辅助/面向设计(CAx/DFx)技术在各个领域的发展和应用。对于虚拟样机的定义［55-56］，从20世纪90年代以来，国内外的研究人员根据各自的研究领域特点，给出了不同的概念。文献［57］中定义虚拟样机技术是“一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法”，这里的数字模型指的就是虚拟样机。一个虚拟样机融入了不同工程领域物理模型数据，从产品的功能、技术原理、外观形态到产品的运行管理均模拟真实产品，并支持并行设计等方法学。虚拟样机技术的最核心优势是技术和信息的集成，即基于并行工程思想，应用计算机技术将计算机辅助设计(CAD)技术、系统运动学和动力学、数值计算方法和有限元技术，以及计算机辅助工艺等现代先进设计制造技术结合在一个系统中，迅速高效地解决问题。利用计算机辅助设计建立产品几何结构模型，在计算机技术和专业技术的支撑下，进行虚拟仿真产品的运动学和动力学分析，在此基础上，采用有限元技术进行数值计算分析，验证产品的强度等性能需求，最后将分析的结果通过动画显示、图表等方式直观表达，这样设计者可以方便快捷地对模型进行修改，在同一模型上赋予各种物理特性，取代物理样机，实现产品功能、结构、制造和试验等全过程的仿真分析，由此将设计意图通过计算机实时地表现出来。王栋［58］指出，虚拟样机技术是基于先进建模/仿真技术、信息技术、先进设计制造技术和企业管理技术，并将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对它们进行集成管理，因此与传统产品设计支撑技术相比，虚拟样机技术更强调系统的集成，集成的思想将覆盖产品整个生命周期，通过不同领域的虚拟化协同设计，实现对产品的全方位测试、分析与验证。随着虚拟样机技术的研究和应用，产品设计开发新模式“设计-虚拟样机-产品样机”逐渐替代了传统模式“设计-样机制造-试验分析”，这对于增强产品设计创新、提高产品设计质量、缩短生产周期和降低产品成本具有重要意义［59］。虚拟样机的应用主要针对大型复杂机械产品，如飞机、车辆和轮船等。最典型的实例为波音公司无纸化研发777飞机［60-61］，整个设计过程全部运用虚拟样机技术，研制费用减少94%，模具设计精度提高10倍，研制周期缩短50%，更重要的是确保了产品一次制造成功。基于虚拟样机技术，德国宝马汽车公司(BMW)研究开发了在三维虚拟环境中的交互碰撞仿真系统，通过改变汽车物理参数(如几何、拓扑结构等)，进行碰撞仿真分析，快速获得碰撞仿真结果，并实时对结果进行动态显示和分析［62-63］。德国大众汽车公司从1994年开始将虚拟样机技术成功用于新产品开发，开发过程中以实时交互的方式进行，以连续和逼真的方式获得产品的设计结果，明显地提高了产品的质量，缩短了产品的开发周期，产品的开发成本也大大降低［64］。国内在20世纪末开始了对虚拟样机技术的跟踪与研究，并取得了初步的研究进展。在21世纪之初，随着我国市场化机制的日渐成熟，产品在市场中的竞争更加激烈，对虚拟样机技术的需求明显增加，社会逐渐形成了这样一个共识，企业要提高产品竞争力，必须应用虚拟样机这一关键技术。清华大学依托985学科重大项目“轿车数字化工程”［65-67］，在国内率先开展了虚拟样机技术的应用。随后，在武器装备［68］、航空发动机和机车车辆等复杂机械产品中也采用了虚拟样机技术，以提高产品的性价比［69-70］。可以预见，在国内复杂产品的设计制造行业中，虚拟样机技术必将成为设计、制造、试验和运行等阶段的技术分析与评价的重要手段之一。

3设计需求与发展趋势

上述每种设计理论都有其各自提出的背景和积极意义，并以解决其应用背景和特定范围内的设计问题为目标，侧重点不尽相同，并无简单的孰高孰低之分。一个好的设计理论应当能适合自身的时代、背景的需求和技术的支持(包括约束)，同时集成现有设计方法的可取之处，运用相关领域的先进研究手段创造性地提出自身的解决方案，并且具备可操作的支持工具与相对完善的评价体系。针对复杂机械系统设计，笔者认为上述设计方法有待从以下几方面进一步完善。1)模块化设计:信息技术、先进制造技术等的不断发展，给产品模块化设计理论和应用研究提出了更多新的课题，融合、利用其他现代设计方法、制造和管理技术已成为现代模块化设计的特点，模块化设计是快速设计、产品族设计和可重构设计等设计理论的基础。但是，复杂机械产品系统内部模块间物理相互作用的非线性、过程之间的耦合性，将造成任何环节或过程出现问题都会导致产品的设计出现问题，因此，基于智能知识的用户需求和功能的整理是模块化设计研究的重点。2)参数化设计:经过几十年的发展，参数化技术在设计中应用越来越广泛，不仅极大地扩展了图形的修改模式，增强了设计的弹性空间，在产品设计的各个阶段，包括概念设计、结构设计、实体造型设计、装配与公差分析以及数值仿真、设计优化等，均显示出强大的生命力，发挥的作用越来越大。对于复杂机械产品，产品设计具有层次性、尺度间的耦合性和参数的模糊性，不可能通过零/部件尺度参数简单的放大与缩小来满足多用户环境的需求，因此，多学科、多参数优化设计是复杂产品设计的必然趋势。3)产品族设计:参数化产品族主要关注于产品设计变量取值的合理共享，是参数化和模块化设计的进一步延伸。复杂机械在结构设计上表现为递归性，即迭代性和反复性，一般需要借能仿真系统，因此，要获得具有平台常量和可调节变量集的数学模型。4)可重构设计:相对传统的设计方式，可重构设计方法较好地解决了继承性和创新性两个设计问题，具有显著的优越性。可重构设计在重用已有的各种设计资源和设计经验知识的基础上，实现了产品的创新设计，能够快速响应竞争激烈的市场多样化和个性化需求，符合未来的发展方向。但传统的可重构性设计的理论基础是独立公理设计理论，强调“设计的明智”和“过程的合理”，强调发散性思维带来的设计创新，而复杂结构机械系统的耦合性和模糊性，则很难满足这一条件。借助模糊集理论研究模糊可重构设计理论和方法是发展趋势之一。

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一、问题的提出

根据《普通高中英语课程标准》，学生必须获得“用英语进行交流的能力，用英语进行思维的能力。”所有这些能力的形成都取决于英语教师的教学思想、教学观念和教学方式，而教学方式就体现在课堂教学的活动设计中，教学效率也依据教学活动任务的完成质量。但目前的实际情况是：学校的生源状况和师资条件、管理水平、教学设备和语言环境、班级大小的差异非常大，教学效果当然不可能一样。所以不能只有一种教学方法、一种教学模式。

随着新教材的使用和课改的进一步深化，英语教学开展了轰轰烈烈的改革。越来越多的教师在思考如何上好新课程理念下的英语课堂教学，提高教学的实效性。在英语课堂教学中，经常能看到教师设计的课堂活动一个接一个，轰轰烈烈、热热闹闹，学生积极参与。这样的教学设计背后出现的问题是：重能力，轻双基；重输出，轻输入；重表演，轻内涵；重功能，轻结构；重流利，轻精准；重归纳，轻演绎等。英语课堂教学效率普遍不高仍然是教师们深感困惑的问题。我们都知道：巧妙的教学设计是有效教学的良好开端，灵活的知识呈现能使新知识更加具体、直观地展现在学生面前，语言的活动能促使学生习得语言相关知识。但是，这些看似行云流水的教学过程有时未必具有良好的教学实效。针对这一现象，笔者欲从在国外亲自体验的B-Slim(成功语言指导模式)理论中论述设计有效的课堂教学活动，提高教学效率。

二、B--SLIM教学理论

笔者有幸在2006年到加拿大北阿尔伯塔省理工学院学习B—Slim理论。有幸聆听了B—Slim理论的创始人Blash博士对其理论的诠释。而且笔者在加拿大学习期间教师的授课也是B—Slim理论实践。通过亲身体验，笔者认识到：B—Slim理论能反映出教师如何在理论的指导下设计教学，在顺序渐进、多样化教学活动中使不同层面的学生获得成功。同时，这理论也为教师设计教学、组织教学和开展教学活动提供了一个平台、一个模式。通过这个模式能反映出教师的教学效果。

三、有效教学

在英语教学中，课堂教学是学校这个特定空间中以学生身心的全面发展为目标，教师和学生共同参与的社会活动。但是英语课堂教学的多样化并没能使学生对英语学习有足够的兴趣和动机，教学效率不高仍是广大英语教师深感困惑的问题。也有种情况是教师课前不进行课堂教学设计，上课缺乏目标意识，随意性大，造成教学时间的隐性浪费。

笔者所指的设计不同于过去的教学计划。过去的教学计划大部分是以教师的直观感觉和主观经验为基础，缺乏目标意识，所关注的是教师的主讲作用，忽视了学生在学习过程中的主体作用。而现在的设计是根据学生的认知规律和记忆规律、并有明确的教学目标，着眼于激发并促进学生的主体学习，充分发挥每一个学生的特点和智力优势，从而习得语言，这就要求教师除具备良好的英语运用能力外，还要求具备系统的英语学科的理论知识。这样才能深刻领会教学大纲的精神及教材内容的设计，才能根据教学对象的不同，设计并运用恰当的教学设计组织课堂教学，同时要求教师加强先进理论的学习、探索教法、大胆创新，帮助学生达到预定目标，并通过评价反馈来强化学生的学习。

对于有效教学，巴班斯基曾经提出最优化教学的四个重点：一是用最优化的观点选择教学方案；二是衡量学生实际的学习可能性；三是考虑现有的教学条件和可能性；四是针对不同程度的学生设计教学任务。这就要求教师在设计教学任务时充分考虑学习环境、学生水平与需求、班级人数等。所设计的教学过程清晰、内容难易适度、教学步骤衔接自然、时间安排合理，调控教学节奏、调动学生积极性、减少学生的情感焦虑、保证学生的参与并有助于发展学生的语言运用能力。

我国英语课程标准清楚地提出教学设计的标准及一般原则：教学设计应基于学生的生活经验和兴趣，以帮助学生获取语言知识、培养语言技能和语言能力，促进跨学科的学习和培养学生的综合能力。任务设计的原则是：任务必须有清晰的目的和可行性，应具有意义和接近真实生活，应包括获取、处理和转换信息的过程。学生应该使用英语做事情，当任务完成时应有具体的结果。

有效性教学就是用科学的方法和手段有效地达到教学目标的教学活动。根据《普通高中英语课程标准》的要求，教师在设计教学任务时，要根据教学目标和学生的实际水平，开展有助于学生学习英语知识和发展语言技能的教学活动，并通过设计和实施各种教学活动提高学生的语言运用能力，使学生的思维能力、想象力、合作能力及创造力等综合素质得到发展。这就要求教师思考以下问题，以提高教学的有效性：

1.本节课的教学目标是什么？学习哪些语言知识？提高哪些技能？

2.开展哪些教学活动？目的是什么？怎样体现整体参与性的原则？怎样体现单个学生的学习效果？

3.运用什么方法和手段开展教学活动？怎样组织活动使其达到最佳效果？

4.怎样帮助学生形成良好的学习策略、提高教学效率？

5.如何激发学生的学习兴趣？如何开发学生的创新思维？

要“因材施教”“课堂有效率”，教师的教学设计应注意以下方面：

1.教学目标全面。这是指根据学生的实际情况而设，包括知识、技能、方法、情感和多维目标。

2.教学情境激励。这是指通过创设各种问题和活动情境，激发学生的思维欲望，鼓励学生运用旧知识与新知识的联系。

3.教学结构有序。这是指科学设计教学内容的呈现顺序，合理安排学习和复习。

4.教学活动民主与合作、主体与互动。这是指尊重学生的主体地位，了解他们的心理需求，给予关怀和帮助。

5.教学反馈及时。这是指教学前和教学后的反馈，前的反馈可以了解学生对学习内容的知识准备和心理准备；后的反馈可以及时检测效果，判断教和学的有效性。

四、教学活动设计

依据B—Slim理论，教师课堂活动设计应包括：教学时间、教学资源及教学活动。它要求教师应根据不同的教学目的设计不同形式的教学活动。可以是发散思维、直觉思维、想象思维和归纳思维等。适合学生实际的和贴近学生生活的灵活多样的教学活动是进行创造思维的具体手段，是培养创造力的途径。活动和能力是相互作用的。学生会在不同的活动中得到不同程度的尝试和提高，使教学活动更具开放性，给学生的参与和思维扩展提供更广阔的空间。

笔者认为教学活动设计要有明确的目的并具有可操作性，设计活动要以学生的生活经验和兴趣为出发点，内容和方式尽量自然，设计的活动应有利于学生学习英语知识，发展语言技能，进而提高实际语言运用能力。

实践证明，科学地选用教学设计能够调动学生学习的积极性和主动性，激发学生学习兴趣和求知欲望；能在不加重学生负担的情况下，完成教学目标任务。

当今的新教材确实能让人耳目一新。教材的版面设计、插图、知识结构、文化背景，教学内容以及语言运用等方面，都具有真实性和趣味性等特点，这些为英语教学提供了丰富的资源，同时也对教师的“教”和学生的“学”提出了更高的要求。教学的关键是教师。提高教师的专业水平，加强科研，促进教师的发展，这是根本。用高水平的语言能力和娴熟的教学技能来感染和影响学生。勤钻研，勤反思是教师进步的源泉。通过对老观念的再创造和乐于接受和尝试教学新理念的态度，加上自身的不断探究教法，在课堂有限的时间内创造最大的教学效率，所以我们有理由相信只要教师在教学研究中多学习、多留意、多思考、多尝试，教师的“输入”到位，就会让英语课堂“活”起来，让学生“动”起来，学生就能自由地“输出”，真正达到提高教学效率的目的，中国的英语教学也会迈向一个新台阶。