張小芹 趙進(jìn)尚 倫翠芬 孫磊

摘 要： 文章在介紹《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》產(chǎn)生背景的基礎(chǔ)上，說明了開設(shè)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程的必要性。并從《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程定位、內(nèi)容選擇、教學(xué)方法和考核方式方面進(jìn)行了詳細(xì)敘述。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)用型本科 《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》 教學(xué)方法

1.引言

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學(xué)科，是以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為目標(biāo)的一個(gè)知識(shí)群體的統(tǒng)稱，凝聚當(dāng)代科技的精華，涉及的內(nèi)容十分廣泛，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元法、模塊化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、反求工程、人機(jī)工程、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、工程遺傳算法等，是擴(kuò)大學(xué)生專業(yè)知識(shí)的廣度和深度、提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用實(shí)踐能力的一門重要課程[1][2]。

2.《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程產(chǎn)生的背景

20世紀(jì)中后期以來，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的推動(dòng)下，新的設(shè)計(jì)理念不斷涌現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法發(fā)展起來。目前，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的工程應(yīng)用已經(jīng)在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法已經(jīng)發(fā)展到幾十種之多。由于這些方法的先進(jìn)性，很快得到我國研究人員和工程技術(shù)人員的重視和科技教育部門的關(guān)注。隨著在設(shè)計(jì)和制造業(yè)的推廣和應(yīng)用，這些方法已成為設(shè)計(jì)人員必不可少的設(shè)計(jì)技術(shù)手段。對高等院校機(jī)械工程專業(yè)教學(xué)也產(chǎn)生重大影響，《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程應(yīng)運(yùn)而生[1]。

目前，國內(nèi)中小企業(yè)基本上還基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法還停留在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法上。而沒有采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。在我國從制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)的歷史進(jìn)程中，急需大批能夠采用先進(jìn)技術(shù)開展機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和使用的工程技術(shù)人員。我國各類學(xué)校培養(yǎng)的具備掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用能力的技術(shù)人才還非常匱乏，在以培養(yǎng)應(yīng)用型實(shí)用人才為主要目標(biāo)的應(yīng)用型本科院校，開設(shè)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程是十分必要的[3][4]。

3.應(yīng)用型本科《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程定位及內(nèi)容的選擇

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》作為一門交叉邊緣學(xué)科，涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、概率論、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)等專業(yè)基礎(chǔ)，又涉及模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能理論。因此，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法具有知識(shí)面廣、難度大、學(xué)生不易掌握等特點(diǎn)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法教學(xué)一般有兩種模式：一種側(cè)重于理論教學(xué)，目標(biāo)是培養(yǎng)研究型人才，教學(xué)內(nèi)容偏重于理論學(xué)習(xí)，如有限元法重點(diǎn)學(xué)習(xí)各種單元的剛度矩陣、平衡方程的求解方法及程序?qū)崿F(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)學(xué)習(xí)不同優(yōu)化設(shè)計(jì)的算法、編程；另一種側(cè)重于工程應(yīng)用教學(xué)，目標(biāo)是培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用人才，教學(xué)內(nèi)容偏重于解決實(shí)際工程問題中的常用技術(shù)，如有限元法重點(diǎn)學(xué)習(xí)有限元模型的建立、針對不同工程實(shí)踐問題進(jìn)行單元類型的選擇及網(wǎng)格劃分、載荷及邊界條件的施加、處理結(jié)果的查看與分析等，并通過軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中重點(diǎn)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)模型的建立，針對不同類型的數(shù)學(xué)模型選擇不同的優(yōu)化方法及求解，并通過軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。第一種模式比較適合研究型大學(xué)采用，課程可開設(shè)在本科高年級或研究生階段，而第二種模式則適合于應(yīng)用型本科所采用。

在應(yīng)用型本科院校開設(shè)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程的目的是使學(xué)生在了解基本原理、基本概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法求解實(shí)際問題的步驟和方法。教學(xué)內(nèi)容的選擇應(yīng)從以下兩個(gè)方面考慮：

3.1對目前理論上比較成熟并得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，如有限元、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等重點(diǎn)講解，包括基本原理、基本概念，利用項(xiàng)目教學(xué)方法，采用任務(wù)的形式，解決實(shí)際問題，讓學(xué)生熟練掌握應(yīng)用這些方法解決問題的步驟和方法。對于概念性比較強(qiáng)的新的設(shè)計(jì)理念，如設(shè)計(jì)方法學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)等只講基本原理，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、空間想象力。

3.2有針對性地選擇目前應(yīng)用比較成熟、求解問題方便的軟件應(yīng)用平臺(tái)，如有限元選擇ANSYS軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)選擇MATLAB軟件。

4.不同教學(xué)方法相結(jié)合

4.1板書教學(xué)

雖然有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)可以很方便地用應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，但只有深刻理解這些方法的基本原理、基本概念和求解問題的基本步驟，才能得心應(yīng)手地應(yīng)用這些軟件求解工程問題。這部分內(nèi)容既涉及高數(shù)、線性代數(shù)、概率等數(shù)學(xué)知識(shí)，又涉及材料力學(xué)、工程力學(xué)等專業(yè)知識(shí)，理論性較強(qiáng)，內(nèi)容較為抽象，而對于課程的整體理解具有重要的作用，此時(shí)宜采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)。利用板書教學(xué)，內(nèi)容停留時(shí)間長，邏輯推理清楚，便于學(xué)生理解和掌握，增強(qiáng)此部分內(nèi)容的課堂教學(xué)效果。

4.2案例教學(xué)法

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程的最終目的是讓學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的實(shí)際運(yùn)用步驟和方法，所以除了少學(xué)時(shí)采用板書教學(xué)，以教師講授為主之外，大部分學(xué)時(shí)采用案例教學(xué)法，以學(xué)生演練和實(shí)際操作為主。例如在有限元法中，針對平面問題、空間問題、動(dòng)力學(xué)問題等分別選用不同的工程案例，由學(xué)生自主完成建模、選擇單元類型、定義材料、劃分網(wǎng)格、施加載荷和邊界條件、求解及查看結(jié)果等，掌握用有限元法解決實(shí)際問題的方法和步驟。

4.3啟發(fā)式教學(xué)

在課堂教學(xué)中，盡量避免填鴨式，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，將要解決的問題分解成一個(gè)個(gè)相互聯(lián)系的子問題，通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識(shí)主動(dòng)進(jìn)行理論分析和解決實(shí)際問題。

例如，在講述可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容時(shí)，以軸的設(shè)計(jì)為例，通過設(shè)計(jì)問題的形式讓學(xué)生自己理解可靠性的內(nèi)容。如按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)得到的軸的應(yīng)力安全系數(shù)為2，那么軸的強(qiáng)度是否絕對安全呢？其可靠度是為100%？如果不是，那么可靠度為多少？假定軸所受荷載和材料的許用應(yīng)力均是符合正態(tài)分布的隨機(jī)變量，通過向?qū)W生介紹應(yīng)力一強(qiáng)度干涉理論，讓學(xué)生自己推導(dǎo)軸的可靠度。通過對這個(gè)實(shí)例的思考和分析，學(xué)生體會(huì)到機(jī)械工程中的物理量都是隨機(jī)變量，初步建立可靠性設(shè)計(jì)的概念，了解傳統(tǒng)的安全系數(shù)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別與聯(lián)系，同時(shí)掌握可靠性設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。

5.改變傳統(tǒng)的考核方式

傳統(tǒng)的考核方式大多以期末筆試試卷作為考核方式，而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是一門應(yīng)用性比較強(qiáng)的課程，最終目的是應(yīng)用。所以在本課程中成績評定分兩部分：一部分是平時(shí)成績，考核依據(jù)為平時(shí)案例教學(xué)的完成情況及表現(xiàn)，這部分占50%；另一部分為期末成績，考核形式為將幾種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法結(jié)合完成一個(gè)綜合案例，這部分占50%。

6.結(jié)語

從本校2005年開設(shè)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程以來，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、軟件平臺(tái)、考核方式等方面作了多次改革嘗試，逐步適應(yīng)了應(yīng)用型本科教學(xué)，得到了學(xué)生的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

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