“現代設計理論與方法”課程教學經驗探討

閆亮?李新華?羅靜

摘要：從“現代設計理論與方法”本科教學的特點談起，結合教學體會，從運用比較式教學、引導式教學、工程案例教學法以及多媒體與板書相結合等多種教學方法，加強實踐教學環節，采用綜合考核制度等方面，對該課程教學方法進行了全面的探討，并進一步指出現代設計理論與方法在畢業設計中的應用。

關鍵詞：現代設計理論與方法；教學方法；實踐教學；畢業設計

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0124-02

“現代設計理論與方法”是一門多元綜合、新興交叉學科的課程，它融匯了當今科學技術的精華，與各相關學科緊密聯系。河南理工大學把此課程作為機械類專業本科生的一門專業必修課，在大三第二學期開設此課程。該課程在專業的體系中起到承前啟后的作用，它緊密聯系和應用先修課程，如高等數學、概率與數理統計、理論力學、材料力學、機械設計、機械原理以及高級程序語言等多方面的知識，并為后續的畢業設計環節打下先進的理念基礎。

該課程講解內容包括了系統分析設計方法、創造性設計、優化設計、可靠性設計、有限元分析法以及機械工程CAD基礎等。教材編排上，每一章的內容講解一類現代設計方法，前后章節相對獨立，一方面使學生在學習中不至于出現某一章節掌握不好而影響其他章節的學習，另一方面也使得老師在講解每一章內容的時候，教學方法靈活，針對不同的現代設計方法的特點采用不同的授課方法。本課程所涉及的設計方法種類多，部分設計方法理論性強，公式推導多，枯燥乏味，內容抽象，且現代設計方法的理論學習與實際應用有較大的反差，如果完全按照教科書來組織教學，學生就會學得索然無味，也不知道理論該怎么應用，收不到良好的教學效果。因此，在教學中應針對不同章節的教學內容采用合適的教學方法，對激發學生的學習積極性、主動性以及提高教學效果起到促進的作用。經過幾年的課堂教學實踐探索出以下幾點經驗。

一、教學方法

1.比較式教學法

人的各種活動都是由一定的動機所引發的，學生學習也總是為一定的學習動機所支配。動機強度大，學習積極性高，學習的潛能就會得到最好的發揮，學習效率也高。為了使學生較好地掌握“現代設計理論與方法”的知識乃至此學科方面的理論，激發他們的學習興趣，學習動機至關重要，第一章“緒論”講授的重點也就在此。為了使學生們認識到本課程的重要性，采用比較式的教學方法，將現代設計方法與傳統設計方法進行對比教學，從可靠性、高效性、動態化、最優化、創造性等方面講解兩種設計方法的特點，傳統設計方法只能獲得簡化條件下的近似解，而現代設計方法能獲得準確解和最優解，從而認識現代設計方法的先進性，提高學生設計理念的現代意識。“優化設計”一章所涉及的優化方法種類較多，根據數學模型中設計變量的個數以及是否有約束條件，優化方法分為一維搜索方法、無約束優化方法、有約束優化方法三大類，每一類優化方法中又包含了不同的優化算法。在實際工程中，采用何種優化算法，才能簡化計算、提高計算速度及計算穩定性等，最終得到滿足精度要求的優化解，是學生們比較關注，也比較困惑的地方。為此，在講解的過程中應針對不同的優化算法，列舉其特點，比較不同算法之間的優缺點、適用條件、初始點選取規則等等，根據每種算法自身的特點去有目的地選取適當的優化算法。

2.引導式教學法

在講授過程中，善于提問，引導學生自己思考，提問后鼓勵學生回答問題，發表自己的見解，通過一問一答或只問不答的形式，與學生之間形成互動，以此激發學生強烈的求知欲望，加強學生的聯想能力、發散思維能力以及知識的運用能力。同時，通過提問的形式來提高學生的集中力和課堂的教學效果。如“可靠性設計”一章，講解可靠度的推導公式時，其公式推導過程是單調枯燥的，為了避免學生精力不集中，產生厭煩情緒，應分步驟地詳細推導，層層設問，逐步求解，注意引導學生思維。

3.工程案例教學法

實踐是理論的基礎，實踐對理論起決定作用，理論必須與實踐緊密結合。“現代設計理論與方法”課程本身實踐性較強，離開實踐就如同空中樓閣，就會喪失生命力和可信度。但是該課程的教學計劃中僅僅開設了4個學時的實驗課，其余36學時為課堂教學環節，為了彌補實踐環節學時的不足，講授過程中適當采用工程案例教學法，在相關的教學內容中適當引入工程實例。“計算機輔助設計”章節涉及到多種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，可以利用軟件采用案例式教學法授課，以汽車的核心技術部件內燃機為例，介紹三維Pro/E繪圖軟件、動力學仿真軟件Adams等的強大功能和特點。“優化設計”章節，以學生們所熟悉的減速器設計為例進行介紹，以此來確定滿足工作條件和強度要求時使減速器的重量最輕的設計方案。

這些案例開拓了學生的視野，使學生了解現代設計方法如何應用于工程實際當中，有利于他們體會現代設計方法的先進性和重要性，提高其學習的興趣。

4.多媒體資源與板書相結合

該課程的教學內容分成兩大類：一是概念性強的內容；二是理論性強的內容。針對不同教學內容的特點，采用不同的教學方法和手段。講解概念性強的知識時，可適當采用圖片、動畫等軟件，借助于多媒體教學，[1]使教學內容生動直觀，便于理解，避免教學內容的單調枯燥，提高學生的學習興趣。在講述“有限元法”進行結構分析時，用多媒體圖片來顯示工程結構、網格劃分后的離散模型以及加載求解后的結構應力云圖，可以讓學生更加直觀地理解采用有限元法進行結構分析的步驟和求解特點。講解理論性強的教學內容時，要讓學生理解某一設計方法的原理和解決問題的算法，必然涉及大量的數學公式推導，總結教學經驗時發現，使用板書的教學效果好于多媒體。因為傳統的板書式教學，推導過程前后連貫清晰、信息停留時間長、內容可以及時修改等優點，便于學生消化吸收。[2]

二、實踐環節

1.實驗教學

在高等工科院校中，實驗教學在學生們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。為提高教學效果和質量，增強學生的學習興趣，需合理確定實驗教學的內容與形式。該課程主要采用計算機模擬軟件Matlab進行實驗。該軟件是美國MathWorks公司于20世紀80年代中期推出的數學軟件，Matlab優化工具箱可以解決線性、非線性最小化及最大化、方程求解、曲線擬合、二次規劃等問題中的大型課題的求解方法，為優化方法在工程中的實際應用提供了更方便快捷的途徑。[3]將Matlab軟件引入“現代設計理論及方法”教學中，可以通過學生的上機練習對所學知識加深理解，學會如何運用計算機技術去解決實際問題，可以大大提高教學質量和學生的綜合素質。

2.畢業設計

畢業設計作為高等學校培養人才的最后一個綜合性實踐的教學環節，是本科學生開始從事科學研究和工程設計的初步嘗試，是對大學四年所學知識和技能的全面體驗，也是培養學生綜合運用所學的理論知識和技能解決本專業工程問題的重要途徑。畢業設計質量是提高教學水平和學生創新能力的體現。傳統的機械畢業設計中學生的大部分精力耗費在零部件的常規設計以及繁重的繪圖工作中，對整機全局難以進入深入研究，很難獲得最優方案。并且在分析計算中，采用靜態的或近似的方法而不是動態的精確的方法計算，計算結果未能反映零部件的真實工作狀態，影響了設計的質量。對于一些模具和鈑金件這樣的復雜曲線和曲面，用傳統的二維設計方法進行表現時，表現能力較差，且二維圖紙繪制比較困難；傳統設計方案是否可行只能靠理論推導和計算，難以進行實際檢驗，使學生感到畢業設計只是“紙上談兵”，失去興趣。[4]近年，筆者在指導畢業設計中引導部分學生在畢業中運用三維設計、優化設計、動力學仿真及有限元計算等方法。例如，在設計帶式輸送機減速器的高速級齒輪傳動時，采用優化設計方法，使齒輪滿足正常工作條件下兩齒輪的體積最小；在對齒輪的強度進行校核時，借助有限元軟件ANSYS完成，這使學生在設計中進一步深入地掌握了現代設計方法和手段，開闊了視野，也極大地提高了學生的學習興趣和設計的積極性、主動性，極大地提高了畢業設計的質量。

三、采用綜合考核制度

考核是考查一門課程講授效果的一種方式，該門課程是機械類學生一門重要的專業基礎課，在考試中采用閉卷的考試方式。了解一個學生對該門課程的掌握程度，不能僅從卷面成績來判斷。影響學生卷面成績的因素比較多，比如考前的臨時突擊式復習可以取得一個好成績，考生比較粗心，計算容易出錯，導致卷面成績不理想等等，不能由此判定該生對該門課程的掌握程度，該成績也不能反映出學生的綜合能力。因此，在該課程考核的時候采用卷面成績占70%，實驗成績占10%，作業占10%，出勤情況占10%，實驗成績由實驗時的表現情況以及完成任務情況來綜合給定。針對學生抄襲作業的現象，采取了以小組為單位完成不同作業題目的方法，出勤情況的考查主要是針對一些學生自控能力差，為督促學生更加自覺學習采取的措施。采用考試、實驗、作業和考勤并重的考核方式，教師的任務將加重，對任課老師的要求也更高。因此，任課老師一定要加強自身的學習，積極參與科研，努力掌握現代設計方法的新知識和其在工程中的應用，以期使自己的教學在培養本科大學生的基本素質和能力上發揮更大的能量。

四、結束語

在信息時代的今天，改革過去灌輸式的教學模式勢在必行，通過近幾年“現代設計理論與方法”課程的教學實踐，深切體會到比較式教學、引導式教學法、工程案例教學法、多媒體資源與板書相結合以及實踐教學環節的重要性和有效性。教學改革是一個新的事物，總會出現新的問題，應該認真分析教學方法，從自身實踐中改進教學思路，進一步提高教學質量。在今后的教學中通過不斷認識，不斷實踐，不斷完善，以期獲得一條適合本科生教學的成功之路。

參考文獻：

[1]李紅莎，楊洪濤.多媒體教學在現代教育技術中的實踐策略[J].科技信息，2011，（12）：117-118.

[2]陳就，王建曉.《現代設計方法》理論與實踐環節教學探討[J].高教論談，2009，（5）：100-101.

[3]焦麗麗.MATLAB軟件在機械優化設計中的應用研究[J].科教文匯，2011，（6）：90-91.

[4]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）：25-26.

（責任編輯：王意琴）