現代設計方法教學方法改革研究

張洪麗 周淑霞

摘 要 根據新的人才培養模式及現代設計方法課程教學內容的特點，選擇適當的教學手段和方法，采用多媒體課件演示與實際操作及訓練相結合的教學方法對課程內容進行講解。利用探究式研討教學方法，將采用傳統設計方法已經完成的減速器設計貫穿于現代設計方法的整個教學過程，在學習基本理論的同時進行實際應用訓練，增強學生對新知識的熟知感，利于激發學習興趣、提高學習積極性。

關鍵詞 現代設計方法 改革 探究式教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 前言

現代設計方法課程是我校機械設計制造及其自動化專業的專業課，是一門綜合性課程，它融匯了當今科學技術的精華，涵蓋了基礎學科、計算機及機械學科的大部分內容，與各相關學科緊密相聯?，F代設計方法課程的特點是設計方法種類繁多、理論性很強，部分基礎理論知識復雜且抽象，涉及到高等數學、工程數學、機械制圖、數學建模、數值分析、

美學法則等基礎及專業知識。①②根據本課程內容的特點，如果單純運用板書教學方法，學生會感到枯燥乏味，失去學習的興趣；多媒體教學雖然具有傳遞的信息量大、生動、形象直觀及便于理解的優點，但是仍不能使學生親身感觸到現代設計手段在實際產品設計過程中的顯著優勢。因而，有必要對現代設計方法的教學方法和手段進行全方位的改革，從而調動學生學習的積極性和主動性，提高學生應用現代設計方法解決實際工程問題的能力。

1 現代設計方法內容簡介

（1）計算機輔助設計CAD。主要講述現代CAD技術的內涵及主要研究內容；工程數據處理方法；計算機繪圖基本原理及機械工程圖的繪制。（2）計算機輔助工程CAE。主要講述在現代設計方法中，對產品及其重要零部件進行力學分析及優化分析計算的有限元法。（3）機械優化設計。主要講述借助于最優化數值計算方法在計算機上尋求工程最優方案的數值解法。（4）可靠性設計。主要講述產品的可靠性指標及量值，對可靠性指標進行合理的分配，再把規定的可靠性指標設計到產品中去。

2 教學方法及手段改革探索

現代設計方法理論內容的整個教學過程以多媒體課件教學為主線，板書教學為輔助手段進行。每一獨立授課環節的多媒體課件都是根據授課內容的具體特點采用不同表現形式進行制作，③并附之與講解內容相關的成功案例。例如理論性較強的內容，多媒體課件的制作為綱領性的，具體內容講解以板書為主，將所用到具體基礎學科知識依據學生所用教材給予提示，具體到章節；實踐性較強的內容，以實際應用案例為導向，實施啟發性教學，④使現代設計概念先入為主，增強學生學習的能動性。為使學生能夠充分理解消化所學知識，根據授課進度安排上機訓練。利用比較教學法，將傳統機械設計方法設計的減速器關鍵部件及整體模型用現代設計手段進行重現，比較二者的設計結果。

2.1 計算機輔助設計CAD階段

（1）工程數據處理。播放精選的相關視頻資料，使學生體會傳統設計與現代設計過程中查詢工程數據的不同手段和方法，從而理解對傳統紙質記載的工程數據進行處理的必要性。選用機械設計課程設計中所用到的典型數表和線圖，根據其不同特點采用不同方法進行工程數據處理，常用方法是程序化和建立工程數據庫。課后安排上機練習，主要熟悉工程數據的各種處理方法。建議學生自由選擇機械設計課程設計過程中曾用過的數表或線圖進行處理，同學之間最好不要重復，以盡可能多地處理工程數據。所有結果留待后續設計使用。（2）關鍵零部件的三維模型建立。結合工程應用軟件Solidworks講述不同的產品建模方法，重點講述特征建模方法。上機練習時，同學們分成幾個小組，嘗試采用調用程序或檢索數據庫的方法進行齒輪和軸的幾何尺寸設計。設計過程中及時發現工程數據處理結果的不合理及不正確性并進行修改。

2.2 計算機輔助工程CAE階段

有限元基本理論部分涉及大量高等數學公式的推導，知識點比較分散、零碎，學生聽課時感覺枯燥、乏味，不感興趣，不利于集中注意力。因而，該部分內容的講解主要注重關鍵問題的處理方法，對于繁瑣的公式推導僅給予簡單的處理說明，并給出具體參考資料讓學生課下參閱。本章內容主要包括結構離散化、單元分析、整體分析及后續結果處理。每一個知識環節講解完畢，通過上機訓練，利用Ansys軟件進行演示，將理論知識與實際應用結合起來。

上機練習課時，學生練習使用Ansys應用軟件，將設計過的齒輪和軸等減速器的關鍵零部件進行應力、應變及變形分析。

2.3 機械優化設計階段

傳統產品設計過程中，為保證產品能滿足使用及壽命要求，關鍵零部件的設計和選用會在強度、剛度和壽命等方面有冗余，最終導致產品整體尺寸大，體積重，從而造成材料浪費。采用機械優化設計的思想可以使產品在滿足使用要求的同時，具有最優的結構尺寸，從而減小產品總體額尺寸、降低產品的重量，達到節省使用空間、節約材料和降低產品成本的目的。

結合實例講解優化設計數學模型的建立、最優化求解方法的選擇及問題的求解步驟。通過上機練習，采用機械優化設計思想設計斜齒輪減速器的關鍵零部件，并以減速器中心距最小為目標，進行減速器的優化設計。

2.4 可靠性設計階段

在產品設計過程中，為消除產品可能存在的潛在缺陷和薄弱環節，防止產品使用過程中發生故障，采用可靠性設計知識進行產品設計，以確保產品滿足規定的固有可靠性要求?？煽啃栽O計是可靠性工程的重要組成部分，是實現產品固有可靠性要求的最關鍵的環節，是在可靠性分析的基礎上通過制定和貫徹可靠性設計準則來實現的。

講解可靠性的相關知識，結合實例講解可靠性模型的建立，使學生掌握把規的可靠性指標值直接設計到零件中去，使它們能夠保證可靠性指標值的實現。

3 創新設計能力培養

常規機械設計方法是依據力學和數學建立的理論公式和經驗公式為先導，以實踐經驗為基礎，運用圖表和手冊等技術資料，進行設計計算、繪圖和編寫設計說明的過程。現代設計方法強調以計算機為工具，以工程軟件為基礎，運用現代設計理念進行的機械設計。機械創新設計是指充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術知識，進行創新構思、設計出具有新穎性、創造性及實用性機械產品的一種實踐活動。

在講授現代設計方法的同時，使學生了解現代設計手段和技術的發展使產品設計過程更方便、快捷、高效，但常規設計仍然是最基本的設計方法，是機械設計課程的根本內容。關鍵是要能夠將所學習的新手段、新方法應用于實際工程領域，進行產品創新設計。結合大學生學術科技活動，進一步加強學生創新設計能力的培養。

4 結論

針對不同類型的知識采用不同的授課方法，多媒體演示與實際操作及訓練相結合，具體內容講解過程中，穿插實際應用案例，采用探究式教學方法進行講解。將采用傳統設計方法已經完成的減速器設計貫穿于現代設計方法的整個教學過程，在學習現代設計基本理論的同時進行實際應用訓練。在熟知的減速器設計過程中，使學生對現代設計的理論、思想、手段和方法有所掌握，增強學生對新知識的渴求，利于激發學生學習的興趣、提高學習積極性及能動性。

中國交通教育研究會項目：交教研1202-78；山東交通學院教育研究課題與教學改革資助項目

注釋

① 鐘志華，周彥偉.現代設計方法[M].武漢：武漢理工大學出版社，2007.

② 曹金榜.現代設計技術與機械產品[M].北京：機械工業出版社，1987.

③ 陳就，汪建曉.《現代設計方法》理論與實踐環節教學探討[J].教書育人（高教論壇），2009（5）：100-101.

④ 李英霞，焦建軍.基于開放教育的探究式教學模式實踐[J].前沿，2012（4）：184-186.