面向應用型本科的《現代設計方法》課程教學

張小芹 趙進尚 倫翠芬 孫磊

摘 要： 文章在介紹《現代設計方法》產生背景的基礎上，說明了開設《現代設計方法》課程的必要性。并從《現代設計方法》課程定位、內容選擇、教學方法和考核方式方面進行了詳細敘述。

關鍵詞： 應用型本科 《現代設計方法》 教學方法

1.引言

《現代設計方法》是隨著當代科學技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用而在設計領域發展起來的一門新興的多元交叉學科，是以設計產品為目標的一個知識群體的統稱，凝聚當代科技的精華，涉及的內容十分廣泛，包括計算機輔助設計、優化設計、可靠性設計、有限元法、模塊化設計、動態設計、疲勞強度設計、并行設計、綠色設計、虛擬設計、反求工程、人機工程、人工神經網絡、工程遺傳算法等，是擴大學生專業知識的廣度和深度、提高學生創新設計能力和應用實踐能力的一門重要課程[1][2]。

2.《現代設計方法》課程產生的背景

20世紀中后期以來，在社會經濟發展需求的推動下，新的設計理念不斷涌現，隨著計算機技術的飛速發展，有限元法、優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計等現代設計方法發展起來。目前，現代設計方法的工程應用已經在世界范圍內產生巨大的社會效益和經濟效益，現代設計方法已經發展到幾十種之多。由于這些方法的先進性，很快得到我國研究人員和工程技術人員的重視和科技教育部門的關注。隨著在設計和制造業的推廣和應用，這些方法已成為設計人員必不可少的設計技術手段。對高等院校機械工程專業教學也產生重大影響，《現代設計方法》課程應運而生[1]。

目前，國內中小企業基本上還基于經驗設計；設計方法還停留在傳統設計方法上。而沒有采用優化設計、有限元分析等現代設計方法。在我國從制造大國向制造強國邁進的歷史進程中，急需大批能夠采用先進技術開展機械設計、制造和使用的工程技術人員。我國各類學校培養的具備掌握現代設計方法應用能力的技術人才還非常匱乏，在以培養應用型實用人才為主要目標的應用型本科院校，開設《現代設計方法》課程是十分必要的[3][4]。

3.應用型本科《現代設計方法》課程定位及內容的選擇

《現代設計方法》作為一門交叉邊緣學科，涉及高等數學、線性代數、復變函數、概率論、工程力學、機械設計、計算機等專業基礎，又涉及模糊數學、神經網絡、遺傳算法等人工智能理論。因此，現代設計方法具有知識面廣、難度大、學生不易掌握等特點。

現代設計方法教學一般有兩種模式：一種側重于理論教學，目標是培養研究型人才，教學內容偏重于理論學習，如有限元法重點學習各種單元的剛度矩陣、平衡方程的求解方法及程序實現，優化設計重點學習不同優化設計的算法、編程；另一種側重于工程應用教學，目標是培養工程技術應用人才，教學內容偏重于解決實際工程問題中的常用技術，如有限元法重點學習有限元模型的建立、針對不同工程實踐問題進行單元類型的選擇及網格劃分、載荷及邊界條件的施加、處理結果的查看與分析等，并通過軟件平臺實現，在優化設計中重點學習數學模型的建立，針對不同類型的數學模型選擇不同的優化方法及求解，并通過軟件平臺實現。第一種模式比較適合研究型大學采用，課程可開設在本科高年級或研究生階段，而第二種模式則適合于應用型本科所采用。

在應用型本科院校開設《現代設計方法》課程的目的是使學生在了解基本原理、基本概念的基礎上，重點掌握應用現代設計方法求解實際問題的步驟和方法。教學內容的選擇應從以下兩個方面考慮：

3.1對目前理論上比較成熟并得到廣泛應用的現代設計方法，如有限元、優化設計、可靠性設計等重點講解，包括基本原理、基本概念，利用項目教學方法，采用任務的形式，解決實際問題，讓學生熟練掌握應用這些方法解決問題的步驟和方法。對于概念性比較強的新的設計理念，如設計方法學、創新設計、綠色設計、并行設計等只講基本原理，擴大學生的知識面，培養學生的創新思維、空間想象力。

3.2有針對性地選擇目前應用比較成熟、求解問題方便的軟件應用平臺，如有限元選擇ANSYS軟件，優化設計和可靠性設計選擇MATLAB軟件。

4.不同教學方法相結合

4.1板書教學

雖然有限元法、優化設計和可靠性設計可以很方便地用應用軟件實現，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，才能得心應手地應用這些軟件求解工程問題。這部分內容既涉及高數、線性代數、概率等數學知識，又涉及材料力學、工程力學等專業知識，理論性較強，內容較為抽象，而對于課程的整體理解具有重要的作用，此時宜采用傳統的板書教學。利用板書教學，內容停留時間長，邏輯推理清楚，便于學生理解和掌握，增強此部分內容的課堂教學效果。

4.2案例教學法

《現代設計方法》課程的最終目的是讓學生在最短的時間內掌握現代設計方法的實際運用步驟和方法，所以除了少學時采用板書教學，以教師講授為主之外，大部分學時采用案例教學法，以學生演練和實際操作為主。例如在有限元法中，針對平面問題、空間問題、動力學問題等分別選用不同的工程案例，由學生自主完成建模、選擇單元類型、定義材料、劃分網格、施加載荷和邊界條件、求解及查看結果等，掌握用有限元法解決實際問題的方法和步驟。

4.3啟發式教學

在課堂教學中，盡量避免填鴨式，采用啟發式教學方法，將要解決的問題分解成一個個相互聯系的子問題，通過設問引導學生利用已有知識主動進行理論分析和解決實際問題。

例如，在講述可靠性設計的內容時，以軸的設計為例，通過設計問題的形式讓學生自己理解可靠性的內容。如按傳統設計得到的軸的應力安全系數為2，那么軸的強度是否絕對安全呢？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力均是符合正態分布的隨機變量，通過向學生介紹應力一強度干涉理論，讓學生自己推導軸的可靠度。通過對這個實例的思考和分析，學生體會到機械工程中的物理量都是隨機變量，初步建立可靠性設計的概念，了解傳統的安全系數設計與可靠性設計的區別與聯系，同時掌握可靠性設計在工程設計中的應用方法。

5.改變傳統的考核方式

傳統的考核方式大多以期末筆試試卷作為考核方式，而現代設計方法是一門應用性比較強的課程，最終目的是應用。所以在本課程中成績評定分兩部分：一部分是平時成績，考核依據為平時案例教學的完成情況及表現，這部分占50%；另一部分為期末成績，考核形式為將幾種現代設計方法結合完成一個綜合案例，這部分占50%。

6.結語

從本校2005年開設《現代設計方法》課程以來，從教學內容、教學方法、軟件平臺、考核方式等方面作了多次改革嘗試，逐步適應了應用型本科教學，得到了學生的認可。

參考文獻：

[1]孟憲頤.現代設計方法基礎[M].北京：機械工業出版社，2010（5）：5-10.

[2]張小芹，劉長榮，杜殿會[J].中國校外教育，2008（10）：72-73.

[3]黃建平.機械加工技術專業課程設置模式改革探討[J].職業技術研究，2008（9）：143-144.

[4]徐美燕.以就業為導向培養學生職業能力[J].教育與職業，2005（8）：65-67.