現代設計方法課程之教學方法初探

張可維

【摘要】針對現代設計方法課程，列舉了適合機械工程專業的重點教學內容，對教學中存在的困難進行了分析。在參考其他高校教學改革成果的基礎上，結合本校的實際情況，對該課程的教學方法做出了初步探索。

【關鍵詞】現代設計方法 MATLAB編程 機械工程 本科培養

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）06-0232-02

我國高等教育發展綱要中提出了“優化知識結構，豐富社會實踐，強化能力培養”的要求，目的是切實增強高級專門人才的能力。實踐教育，特別是創新性實踐教育是達到這一目的關鍵舉措[1]。長期以來，我國機械工程專業學生占大學生總數的比重始終居于前列，這與社會渴求機械類人才的現狀相適應，這種趨勢還將延續。因此，機械工程專業的教學改革在高等教育改革中占有重要地位——它直接決定了高校培養的機械專門人才能否適應我國社會主義現代化建設的需要。為了培養具備創新設計能力、基礎扎實、適應面廣的機械專門人才，我國工科院校普遍開設了現代設計方法課程；該課程是一門綜合性課程，可以直接用于創新性實踐教育，一般作為高年級本科生的專業必修課。由于各個高校具有不同的傳統和特色，因此這門課并沒有統一的教材和教學內容。“如何針對本學校的實際情況、讓學生有效地掌握現代設計方法”已經成為擺在相關授課教師面前的緊要問題。本文對現代設計方法的課程內容、教學困難做出分析，在借鑒其他高校課程改革成果的基礎上，探索適合本校的課程教學方法。

1.現代設計方法課程的內容

現代設計方法涉及的內容非常廣泛，融合了當代科技的各種先進理念，適用范圍并不局限于機械設計，例如：優化設計可以用于各行各業，有限元方法可以用于流場、電磁場等多種連續域物理問題。實際上現代設計方法要求學生既要理解通用的數學模型，又要熟悉本專業的理論知識，還要會使用專門的軟件工具。下面從機械工程專業的角度，列舉現代設計方法課程的主要內容。

1.1設計方法學

設計方法學是從全局的視角幫助設計人員開發出高價值的創新產品。它將設計對象視為一個技術系統，將技術系統的總功能分解至功能元，為功能元求解就是尋找實體結構。這樣可以得到多種整體方案，然后從中找到最優解。這個過程需要創新思維方法和技法，如頭腦風暴法、組合創新法等。近年來，基于TRIZ理論的創新設計方法開始引入教學。TRIZ又稱萃智，試圖將發明創造過程流程化，讓人們以查表的方法找到問題解決方案；實踐證明，它確實可以加快人們創造發明的進程以得到高質量的產品。

1.2優化設計

優化設計（Optimization Design）能幫助設計者從所有方案中選擇出最佳方案。普通設計中，設計人員憑借經驗和規范提出多種設計方案，然后按照一定的評價準則選出得分最高的方案。優化設計中，設計者首先需要將工程問題用數學語言描述成優化模型，然后選擇合適的優化方法，最后在計算機上搜索設計空間以找到最佳方案。根據問題的不同復雜程度，有時候只能得到局部最優的方案。

如何將工程實際問題用優化數學模型描述出來是教學要點。求解數學模型可以用MATLAB編程實現。

1.3可靠性設計

可靠性設計（reliability design）認為任何產品都存在失效的可能，設計人員應該保證產品有足夠能力在規定的時間內和給定的條件下，完成規定功能。這需要學生建立新的觀念：產品的物理屬性不是定值，而是服從某個概率分布的隨機變量。學生還要學會將概率統計理論知識用于零部件的可靠性設計。

1.4有限元方法

有限元方法也稱有限元分析（Finite Element Analysis），它將連續域問題用多個互聯的子域問題代替，每個子域問題用節點變量描述出單元數學方程，接著組裝成整體數學方程，最后進行數值求解。一般要求學生會用ANSYS軟件對零部件的強度進行校核。

1.5其它現代設計方法

計算機輔助設計（Computer Aided Design）已經得到普遍應用，這要求學生至少會用一種三維造型軟件，如Pro/E， SolidWorks， CATIA，UG等。機械結構的動力學仿真也是與機械設計緊密相關的內容，這需要掌握ADAMS等動力學分析軟件。

2.教學中存在的問題

由于現代設計方法這門學科發展迅速，內容繁多，這給教學帶來了一系列困難，也引發了諸多教學改革嘗試，體現在以下幾個方面：

2.1 缺乏權威定義

一個明確的定義有利于讓學生準確地區分傳統設計方法與現代設計方法，從而使他們更好地理解課程內容。現有教材將一些先進的設計方法的集合統稱現代設計方法[2， 3]。但是隨著現代科技的飛速發展，新的設計方法將不斷出現，同時一些以前視為先進的方法逐漸變成常規方法。這種動態變化使得現代設計方法目前沒有權威的定義。針對這個問題，有學者提出將“當今時代為產品制造或工程項目完成達成實體化全過程而制定的技術上的方案、圖樣與程序”作為定義[4]；還有學者使用比較教學法從九個方面展現出現代設計方法和傳統設計方法之間的差異。這些工作有益于人們明確對現代設計方法的認識。

2.2 難以全面講解

現代設計方法經過多年發展已經成為一個內容龐雜的理論和方法的體系。有學者列舉了50多種已經研究和應用的現代設計方法；有的教材提出八種不同設計方法作為教學內容。但是有限的課時是教學內容的最大限制；如果以創新實踐教育為目標，那么學生只能掌握很少的設計方法。因此，授課教師只能選擇重要的內容進行講解。普遍認為：創新設計思想，優化設計，有限元方法，可靠性設計等內容是不可或缺的模塊內容。

2.3 難以深入講解

現代設計方法的主要教學模塊內容十分豐富，大多可以獨立成專門的課程。在有限學時的約束下，教師很難將每個模塊深入講解到學生能夠運用自如的程度。據稱國外著名大學一般不設立此課程而是分別設置諸如“優化設計”、“有限元法”等課程。國內有的教學團隊也嘗試建立相關課程體系來解決這個問題[5]。該團隊提出“注重專業必修課，深化專業選修課，擴展公共選修課”的思路，著力構建和完善現代設計方法課程體系。具體地說，將現代設計理論及方法作為專業必修課作為基礎課程，同時開設“優化設計”、“有限單元法”等專業選修課供學生進行深入學習，還設立“ANSYS有限元分析”、“ADAMS動力學分析”等多種公共選修課供學生學習設計工具的使用；此外，還將其它先進的設計方法如“反求工程設計”、“并行設計”等作為公共選修課供學生拓展知識。

3.教學方法初探

本校根據實際情況安排40學時用于現代設計方法課程。如果以實踐教育為導向，有限的學時不能保質保量地完成教學。筆者經過初步探索做出如下教學安排：

a）教學內容：TRIZ創新設計方法，優化設計，有限元分析，可靠性分析，計算機仿真工具原理；

b）教學重點：各種設計方法的基本數學模型和MATLAB求解。

在這個安排中，實踐教育的重點在于訓練學生針對簡單工程問題進行數學建模，然后用MATLAB軟件編程求解；對于各種仿真軟件的具體使用不做介紹，但是集中介紹各種仿真軟件原理，并將它們的操作流程與數學模型的建立與求解過程聯系起來。

4.結束語

如果以實踐教育為導向，那么教師需要根據本校的實際情況確定教學重點內容，同時還要探索新的教學方法，才能使學生在有限的學時里掌握先進的設計方法、并將其應用在機械產品的設計實踐中。這個探索過程是必要的也將是長期存在的。

參考文獻：

[1]顧秉林，王大中等.高水平學科建設的創新人才培養之路[J].清華大學教育研究，2010，31（1）.

[2]趙松年，佟杰新，盧秀春. 現代設計方法[M].北京： 機械工業出版社，2011.

[3]孫靖民. 現代機械設計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

[4]盧險峰. 現代設計方法的定義及一級分類[J].南昌大學學報，2009，31（1）.

[5]秦勤，吳迪平等. 現代設計方法課程體系建設[J].中國冶金教育，2012（4）.