現(xiàn)代設(shè)計方法課程教學(xué)方法初探

摘 要：在現(xiàn)代設(shè)計方法課程的教學(xué)方法方面進行了一些探索，對教學(xué)內(nèi)容體系進行優(yōu)化調(diào)整，采用多媒體教學(xué)和板書教學(xué)結(jié)合的教學(xué)手段，利用MABLAB軟件和ANSYS軟件輔助教學(xué)，采用工程案例教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法，同時增加以工程項目訓(xùn)練為主的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實踐表明，這些探索有利于提高現(xiàn)代方法課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計方法多媒體工程案例教學(xué)法啟發(fā)式教學(xué)法

中圖分類號：G62 文獻標識碼A 文章編號：1674-098X(2012)03(c)-0000-00

1 引言

《現(xiàn)代設(shè)計方法》是工科學(xué)校機械專業(yè)及近機類專業(yè)重要的一門綜合性專業(yè)課程，它融匯了當(dāng)今機械設(shè)計技術(shù)的精華，與各相關(guān)學(xué)科緊密聯(lián)系。現(xiàn)代設(shè)計方法主要研究設(shè)計方法學(xué)的基礎(chǔ)理論以及優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、有限元法、計算機輔助設(shè)計、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、工程遺傳算法等現(xiàn)代設(shè)計理論與方法，是擴大學(xué)生專業(yè)知識的廣度和深度、提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力和應(yīng)用實踐能力的一門重要課程。

課程的特點是設(shè)計方法種類多、復(fù)雜抽象、理論性強，涉及數(shù)學(xué)建模、數(shù)值分析、模擬仿真等多方面的知識，對學(xué)生的工程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高；同時該課程又具有很強的實踐性，研究的內(nèi)容直接面向工程中的優(yōu)化設(shè)計問題，與工程應(yīng)用緊密結(jié)合。因此，在教學(xué)過程中，除講授學(xué)生必須掌握的基本理論外，還要特別注重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力。當(dāng)前，由于學(xué)分制的實施，現(xiàn)代設(shè)計方法教學(xué)時數(shù)較少，只有2個學(xué)分，32個課時，要在有限的時間內(nèi)讓學(xué)生既掌握基本理論又培養(yǎng)其分析和解決實際問題的能力，對任課教師來說是一種挑戰(zhàn)。

2 教學(xué)方法探討

2.1 課程內(nèi)容體系的合理安排

現(xiàn)代設(shè)計方法是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上融會新的科學(xué)理論和新的科學(xué)技術(shù)成果而形成的，是以設(shè)計產(chǎn)品為目標的一個知識群體的總稱。目前新興的設(shè)計理論與方法主要包括設(shè)計方法學(xué)、優(yōu)化設(shè)計、并行設(shè)計、模塊化設(shè)計、綠色設(shè)計、模糊設(shè)計、可靠性設(shè)計、相似設(shè)計、摩擦學(xué)設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、計算機輔助設(shè)計、有限元法等。

通過分析目前新興的現(xiàn)代設(shè)計理論與方法，其主要理論分成兩大類：一是概念性強的內(nèi)容，如設(shè)計方法學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計、并行設(shè)計、計算機輔助設(shè)計等，主要涉及設(shè)計理念、創(chuàng)新思維、空間想象能力的培養(yǎng)；二是理論性強的內(nèi)容，如優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、有限元法、動態(tài)設(shè)計、遺傳算法等，主要涉及算法基本原理、算法的計算機實現(xiàn)等。

現(xiàn)代設(shè)計方法的核心是優(yōu)化設(shè)計，各種不同的設(shè)計理論與方法從本質(zhì)上講都是優(yōu)化設(shè)計思想的具體實現(xiàn)方法。由于課程教學(xué)大綱計劃的授課學(xué)時是有限的，因此必須結(jié)合當(dāng)前機械設(shè)計的實際需求對課堂教學(xué)內(nèi)容體系進行適當(dāng)調(diào)整，使學(xué)生在有限時間內(nèi)接觸到較多的實用知識。圍繞機械專業(yè)目前的工程設(shè)計實際，課堂講授的主要內(nèi)容包括：設(shè)計方法學(xué)的相關(guān)知識，主要包括機械產(chǎn)品設(shè)計的一般進程、設(shè)計規(guī)律、設(shè)計思維、工作方法、設(shè)計工具等；部分機械工程中常用的優(yōu)化設(shè)計理論，主要包括優(yōu)化設(shè)計、機械動態(tài)設(shè)計、有限元法、可靠性設(shè)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。在各部分內(nèi)容講授過程中，以優(yōu)化思想為主線，注意結(jié)合工程實例時刻提及該方法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用，使學(xué)生既學(xué)習(xí)了基本理論又能使學(xué)生了解所學(xué)內(nèi)容的工程應(yīng)用，從而提高課堂教學(xué)效果。

2.2 多媒體教學(xué)與板書教學(xué)結(jié)合

課程中部分內(nèi)容理論性較強，內(nèi)容又較為抽象，同時對于課程的整體理解又具有重要作用，此時宜采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)。例如優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容，既是學(xué)生學(xué)習(xí)古典優(yōu)化方法時的重要內(nèi)容，也是學(xué)生建立優(yōu)化設(shè)計思想的重要基礎(chǔ)，是需要重點講解的一部分內(nèi)容。在由工程實例引入優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型后，求解該數(shù)學(xué)模型就需要用到古典典優(yōu)化理論，這時需要采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)，可以利用板書教學(xué)內(nèi)容停留時間長，邏輯推理清楚、學(xué)生便于理解和掌握的優(yōu)點，提高此部分內(nèi)容的課堂教學(xué)效果。其它如可靠性設(shè)計及有限元法等相關(guān)的部分內(nèi)容也適宜部分采用板書教學(xué)的方式。

對于課程中與工程實際聯(lián)系緊密的部分內(nèi)容宜采用多媒體教學(xué)，這有利于發(fā)揮多媒體教學(xué)信息量大，且可以對大量實際應(yīng)用進行動畫顯示等優(yōu)點。例如，在講述采用有限元法進行結(jié)構(gòu)分析時，可以利用多媒體圖片來顯示工程結(jié)構(gòu)采用進行網(wǎng)格剖分后的結(jié)構(gòu)離散模型和加載求解后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，可以讓學(xué)生直觀地理解采用有限元方法進行結(jié)構(gòu)分析的步驟和求解特點。在講述遺傳算法時，可以利用多媒體圖片來顯示隨著遺傳算法的進行，每一代群體的平均適應(yīng)度及最優(yōu)個體的適應(yīng)度的變化規(guī)律，從而使學(xué)生更直觀地理解遺傳算法中群體的進化過程。

2.3 工程案例教學(xué)法

現(xiàn)代設(shè)計方法中的部分設(shè)計方法，理論性較強且難度大，如優(yōu)化設(shè)計、有限元法、機械動態(tài)設(shè)計等。在課堂講授時，如不結(jié)合工程案例，則易使教學(xué)過程單調(diào)枯燥，學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，從而降低課堂教學(xué)效果。因此，在講授過程中需要采用工程案例教學(xué)法，將合適的工程實例引入教學(xué)，由于工程案例引出相關(guān)理論內(nèi)容，這有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果。

如在講述優(yōu)化設(shè)計中的約束優(yōu)化時，以學(xué)生在學(xué)習(xí)機械設(shè)計課程時所做的減速器課程設(shè)計為例，當(dāng)時的設(shè)計思路是：先依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗確定好關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，然后依據(jù)減速器的工作條件和強度要求進行校核，以確定已選定的設(shè)計參數(shù)是否合適，若不合適，則再修改設(shè)計參數(shù)，重新進行校核，最后確定一個滿足工作條件和強度要求的設(shè)計方案，整個設(shè)計過程并未考慮最終得到的減速器設(shè)計方案是否是滿足工作條件和強度要求的重量最輕、造價最省的設(shè)計方案。那么，如何來確定滿足工作條件和強度要求的重量最輕的設(shè)計方案？在提出此問題后，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)優(yōu)化設(shè)計的思路進行求解：先確定減速器體積的表達式，以此作為目標函數(shù)，并選擇表達式中的關(guān)鍵參數(shù)作為設(shè)計變量，以工作條件和強度要求作為約束條件，將實際的減速器設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為在滿足約束條件下對目標函數(shù)求最優(yōu)解的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，求解此數(shù)學(xué)模型，即可以確定滿足工作條件和強度要求的最優(yōu)的減速器設(shè)計方案。通過這個實例，學(xué)生既了解了如何將實際工程問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，又激發(fā)了學(xué)生求解此數(shù)學(xué)模型的興趣。然后，在此優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上向?qū)W生講解如何來求解這一約束優(yōu)化的問題，即向?qū)W生講解約束優(yōu)化問題的一般求解方法。

2.4 啟發(fā)式教學(xué)

在課堂教學(xué)中，應(yīng)盡量避免填鴨式教育，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，將要解決的問題分解成一個個相互聯(lián)系的子問題，通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識去主動進行理論分析和解決實際問題。

例如，在講述可靠性設(shè)計的內(nèi)容時，筆者在這里舉了一個起重機鋼絲繩可靠性的例子，通過設(shè)計問題的形式讓學(xué)生自己去理解可靠性的內(nèi)容。假定起重機鋼絲繩工作時橫截面上的應(yīng)力小于鋼絲繩所用材料的許用應(yīng)力，按傳統(tǒng)的強度設(shè)計原則，此時鋼絲繩的強度是安全的，而實際上起重機鋼絲繩的可靠度是否是100%即鋼絲繩是否絕對安全？很明顯，學(xué)生也知道鋼絲繩并不是絕對安全，那安全的概率是多少？假定鋼絲繩所受荷載和鋼絲繩材料的許用應(yīng)力均是符合正態(tài)分布的隨機變量，通過向?qū)W生介紹應(yīng)力-強度干涉理論，讓學(xué)生自己去推導(dǎo)鋼絲繩的可靠度。通過對這個實例的思考和分析，學(xué)生體會到機械工程中的物理量都是隨機變量，初步建立了可靠性設(shè)計的概念，了解了傳統(tǒng)的安全系數(shù)設(shè)計與可靠性設(shè)計的區(qū)別與聯(lián)系，同時也掌握了可靠性設(shè)計在工程設(shè)計中的應(yīng)用方法。

教學(xué)實踐表明，啟發(fā)式教學(xué)法使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了明顯提高，其學(xué)習(xí)積極性也得到了充分發(fā)揮。學(xué)生樂于在教師的引導(dǎo)下通過自學(xué)去一步步解決實際問題，他們的自學(xué)能力及分析和解決實際問題的能力在這一過程中都得到較大程度的提高。

2.5 MATLAB軟件及ANSYS軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)

現(xiàn)代設(shè)計方法作為一門與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密的課程，各種設(shè)計方法隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷完善。學(xué)生在理解理論知識的基礎(chǔ)上，對于實際解決問題時所用的計算機軟件工具也必須有相當(dāng)程度的了解。筆者在教學(xué)中，采用了工程中廣泛應(yīng)用的MATLAB軟件及ANSYS軟件作為課堂教學(xué)的輔助工具。

例如，在講述遺傳算法時，針對工程實際問題，在建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型后，除可以采用一般的計算機語言如C語言或MATLAB來編制遺傳算法優(yōu)化程序進行求解之外，還可采用MATLAB軟件的gaot遺傳算法優(yōu)化工具箱，設(shè)置運行參數(shù)，輸入目標函數(shù)和約束函數(shù)，從而得到問題的最優(yōu)解。

在講述有限元法的內(nèi)容時，除講述有限元法基本理論外，還向?qū)W生介紹了工程中常用的ANSYS有限元分析軟件。通過對一些典型結(jié)構(gòu)分析實例的學(xué)習(xí)，學(xué)生熟悉了利用ANSYS軟件進行結(jié)構(gòu)分析的求解過程，解決工程實際問題的能力也得到了提高。

通過這些輔助軟件的應(yīng)用，學(xué)生既學(xué)習(xí)了基本理論，又掌握了利用軟件來解決工程實際問題的方法，從而提高了課堂教學(xué)效果。

2.6 增加實踐環(huán)節(jié)改進

在課程基本內(nèi)容講授完后，向?qū)W生布置大作業(yè)，這些作業(yè)都是面向工程應(yīng)用的實際問題，要求學(xué)生利用所學(xué)的理論去解決。例如，在課程學(xué)習(xí)基本完成之后，向部分學(xué)生布置了一道對減速器進行優(yōu)化設(shè)計的大作業(yè)，讓學(xué)生自己選用合適的優(yōu)化方法，對其在機械設(shè)計課程設(shè)計中所設(shè)計的減速器進行優(yōu)化設(shè)計。部分同學(xué)采用了古典優(yōu)化算法，自己采用MATLAB語言來編制優(yōu)化設(shè)計程序；部分同學(xué)采用了有限元法建立了減速器的結(jié)構(gòu)分析模型并進行了優(yōu)化設(shè)計；部分同學(xué)采用了遺傳算法并編制了優(yōu)化程序。通過這些動手項目的訓(xùn)練，學(xué)生除了能夠有效復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)內(nèi)容之外，還能夠培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力，而這些鍛煉對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程技術(shù)應(yīng)用人才無疑具有重要作用。

3 結(jié)語

現(xiàn)代設(shè)計方法作為一門課時較少且有較大難度的重要專業(yè)課，對于任課教師如何在有限的時間內(nèi)達到既能完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容又能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力提出了挑戰(zhàn)。筆者根據(jù)自己的教學(xué)實踐，在該課程的教學(xué)內(nèi)容安排上選取以機械優(yōu)化設(shè)計思想為主的知識單元，在教學(xué)方法上采用了工程案例教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法，并增加了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實踐表明，這些措施明顯提高了該課程的教學(xué)效果。

參考文獻

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