《現代設計理論與方法》課程的改革與實踐

紀占玲，高勇偉，劉凱安

《現代設計理論與方法》課程的改革與實踐

紀占玲，高勇偉，劉凱安

通過編寫校本教材、改革教學方法和教學手段，加強實踐性環節等推進《現代設計理論與方法》課程改革，構建針對培養創新型、實用型人才的模塊化課程新體系。

現代設計方法；教材建設；畢業設計；改革與實踐

《現代設計理論與方法》是機械設計制造及其自動化專業的限選課程。開設的目的是通過幾種常用現代設計方法的系統學習和其他現代設計方法的介紹，拓寬學生視野，增強學生創新設計意識，使學生全面了解現代設計方法總體情況，掌握常用設計方法，為學生在工程中的實際應用奠定扎實的基礎。《現代設計理論與方法》是一門綜合性、交叉性的課程，涉及的設計方法多、理論性強、復雜抽象、數學公式推導多、優化方法原理圖和產品造型圖示多、實踐性強。要學好該課程需具備矩陣理論、概率與數理統計、工程力學、機械設計、高級程序語言等多方面的知識及應用能力。

一、精選內容

該課程內容豐富，要在64學時內完成所有內容并不現實。因此，根據現代設計方法中各分支成熟程度、應用效果和實際應用的需要，可將重點放在優化方法、可靠性設計部分。學生通過這兩部分的學習，能夠運用這兩種方法解決工程實際中的一些基本問題。同時為反映現代方法的發展前沿和趨勢，對機電產品造型設計、遺傳算法、虛擬設計、并行設計、綠色設計等設計方法進行介紹，擴大學生的知識面。而有限元法、計算機輔助設計、創新設計、SolidWorks、Pro/E、AutoCAD等內容和方法則通過開設的任選課程來完成。這樣，既突出重點，覆蓋全面，也避免了與其他課程的簡單重復。建立相互聯系、相對獨立的模塊化課程體系，點線面相結合，使學生對現代設計的知識掌握既有深度又有廣度。

二、教材建設

教材是教學思想、教學模式最主要資源與載體的體現，是專業建設的基本內容之一。目前，各高校使用的《現代設計理論與方法》教材各有不足，不能滿足教學大綱要求。其主要表現為：泛泛介紹各種現代設計方法，重點不突出。如果僅講解2-3種現代設計方法，雖然重點突出，但成本較高，不適宜作為教材。沒有具體的工程實例，學習難度大，效果也不好。有的設計方法運用較少，難以達到學以致用。為此，課題組教師結合學校實際情況，針對社會對機械專業人才現代設計技術的實際需求，編寫適合以機自專業為基礎的《現代設計理論與方法》教材，優化課程教學內容，以必需和易懂的理論作為基礎，以實用技術作為重點，并將最新科研成果提煉為教學案例，將抽象的理論知識融入到具體的工程實例中，將現代設計理論與實際工程應用相結合，對學生理解現代設計理論及其實際應用起到積極作用。教材編寫還注意介紹本學科及本行業的新技術、新動態，每章最后附有適量的、與課程內容緊密結合的習題供學生選做。

三、方法手段

傳統的授課模式主要是教師講、學生聽和課程測試。學生通常缺乏直感而索然無味，不清楚所學理論如何應用，主動性得不到激發，對課程的作用和重要性無從知曉。對此，教師認真要分析教學內容，針對其不同特點，采用不同的教學方法和手段。

講解概念性強的知識，要化抽象難懂為形象具體，變枯燥無味為生動直觀，可適當采用圖片、動畫等軟件、多媒體教學［1］。例如，在講虛擬設計的內容時，采用虛擬設計軟件，調出工程設計實例，使學生親身體驗虛擬環境的真實性和價值。在機電產品造型設計時，在課件中插入大量的真實圖片，以此來說明設計師如何對產品的諸要素從不同角度作系統綜合處理，設計出符合時代要求的產品。在常用軟件章節中，涉及到多種CAD和CAE軟件，如果只講每種軟件的主要功能和特點則比較抽象，難于理解。可以利用軟件采用案例式教學法授課，選擇液壓油缸為實例來介紹三維CAD繪圖軟件、有限元軟件、多體動力學仿真軟件等的強大功能和特點。這樣，學生的學習興趣不僅可以得到激發，而且實踐能力能夠得到提高。

在理論知識講解時，設計方法的計算過程必然需要大量的數學公式。根據教學經驗，類似可靠性設計內容的教學，板書強于多媒體的教學的效果。板書使整個計算過程前后連貫清晰，學生容易理解，邏輯思維能力和習慣利于培養。板書信息停留時間長，便于學生消化吸收［2］。

必要時也可以采用多種教學手段和方法的結合。優化設計主要講解各種優化方法的基本原理、算法步驟和計算實例。如果單純按照傳統的板書方式，學生將會失去興趣。如果在基本原理講解時，使用精心制作的多媒體，以動畫方式展現每種優化方法的基本思想，牢牢吸引學生的注意力，然后板書總結出算法步驟，再舉實例加以鞏固，這樣的教學效果明顯要好于傳統方式。但是，學生仍然不能親身感受優化設計的巨大魅力，并且在實際應用中，只需建立由目標函數、設計變量、約束條件三要素構成的數學模型，由計算機和軟件來完成繁瑣的求解過程，復雜的計算過程和簡單的計算機操作形成了強烈的反差。舉例后再轉換到高級程序語言環境中，查看程序對該實例的調試過程和運行結果，使學生親身感受計算速度之高，和傳統設計結果比較，感受結果之優，做到邊學邊用，一目了然，使設計計算過程輕松而且有吸引力。

四、實踐環節

（一）課程教學

綜合應用環節采用工程實際案例演示。選用以前自己參與的課題門式起重機的設計作為典型案例。首先對整個機械的功能特點進行分析，然后應用三維設計軟件SolidWorks進行零件的建模、裝配，構建結構的實體模型，接著應用動力學分析軟件ADAMS建立剛性構件、施加約束和荷載進行動態仿真、分析，應用有限元分析軟件ANSYS對關鍵零部件施加載荷、設置約束，解算模型，直觀地顯示變形、位移及應力、應變等，對結果進行分析，最后根據需要進行優化設計計算。通過這樣一個綜合性的工程應用實例，學生了解到產品設計的基本過程，意識到現代設計方法的重要性，和傳統設計方法相比，領會現代設計方法的先進性［2］。

課后做作業也是學習過程中實踐環節的一個部分。學生通過做精選的適量習題，可以鞏固課堂教學內容，加深基本理論的理解［2］。教師通過批改作業也可以了解學生對所學內容的掌握程度，找出錯誤和薄弱環節，從而及時地在課堂上指出問題所在。

在高等工科院校中，實驗教學在更好地領會并掌握現代設計方法在實際工程中的正確應用、培養學生基本素質和能力等方面具有不可替代的重要作用［3］，需要安排足夠的實驗時間，但是僅有6學時。為了節省上機時間、提高實驗興趣、保證實驗效果：（1）在指導書中提供了經調試通過的黃金分割法、復合形法多種計算機語言源程序，以便學生參考或選用。（2）分別提供1個黃金分割法和復合形法題目及答案，驗證程序的正確性。（3）分別提供3-4個黃金分割法和復合形法題目，進行簡單應用。（4）提供31個機械優化設計實例，以便學生選用，使其真正領會并掌握優化方法在實際設計中的正確應用。

（二）畢業設計

畢業設計是高等工科院校最重要的一個環節，也是持續時間最長的一個環節。在此期間，若能引導學生使用現代設計方法，對學生綜合素質與工程能力的培養將具有重要和深遠的意義［4］。

傳統的畢業設計通常存在學生積極性不高和選題雷同兩大問題。學生興趣是提高畢業設計質量的動力源泉，而興趣來源于生產、生活實際和新鮮事物。因此，一方面，課題應盡可能地貼近生產實際、生活實際。另一方面，結合這些實際課題，倡導主動實踐模式，僅給出設計范圍，讓學生自主確定現代設計手段，讓學生主動學習，使每一位學生都能產生強烈的探索欲望，解決問題的迫切心理要求。

鄭州大方橋梁機械有限公司是學校的實習基地，與學校有緊密的科研合作關系。校企雙方合作完成了架橋機、鋪軌機、造橋機、風電吊機以及特種工程車輛研制等多項科研課題，在學生畢業設計中引入現代設計方法，使學生不但能夠綜合應用所學的各種理論知識和技能進行設計，而且能夠熟練掌握1-2種現代設計方法［5］。通過這些方法在實際工程中的應用，既提高了學生的產品設計水平、增強設計創新能力，也避免了畢業設計選題雷同現象。

（三）課外活動

要求學生積極聽取一些前沿課題的專題講座和學術報告，鼓勵廣大學生踴躍參加創新設計活動。通過這些課外科技活動，激勵學生學習現代設計方法的積極性，提高學生運用現代設計方法解決實際問題的綜合能力，開拓知識面，培養創新精神及合作意識，推動現代設計方法教學體系、教學內容和方法的改革。

五、教改效果

經過近幾年的建設與改革，“現代設計理論與方法”課程在內容、教材、方法和手段、實踐環節等方面做了大量的研究，已構建了完整合理的課程教學體系。在機自專業2007、2008兩屆共計500名本科學生的教學中，該課程改革已施行。師生反映，新教材內容豐富，體系完備，結構清晰。新課程體系調動了學生的學習積極性，由被動接受轉變主動學習。教學的每個環節都注重理論聯系實際，實踐技能和創新能力得到較大提高。

[1]婁國煥，等.“匯編語言”雙語教學課程改革與實踐[J].中國電力教育，2010(22).

[2]陳就，汪建曉.《現代設計方法》理論與實踐環節教學探討[J].高教論壇，2009(5).

[3]程令孝，等.物理實驗課程綜合改革的研究與實踐[J].鄭州輕工業學院學報(社科版)，2000(3).

[4]上官林建.現代設計方法在培養創新型人才中的探索與實踐[J].華北水利水電學院學報(社科版)，2005(1).

[5]白曉虎，張祖立，辛明金.現代設計方法在機械類專業畢業設計中的應用[J].中國現代教育裝備，2008(9).

G642.0

：A

：1673-1999（2011）04-0191-02

紀占玲（1979-），女，河南泌陽人，碩士，華北水利水電學院（河南鄭州450011）機械學院講師，研究方向為機械設計和現代設計方法。

2010-12-02

華北水利水電學院2009年教改項目“《現代設計理論與方法》課程體系的改革與實踐”。