“現代設計方法”省級精品課程的建設與改革

摘要：精品課程是具有一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理等特點的示范性課程。精品課程建設是高等學校教學質量與教學改革工程的重要組成部分。本文主要介紹西安外事學院“現代設計方法”精品課程的建設與實踐工作，包括課程教材建設、多媒體MCAI課件研制、新的教學模式及教學方法探索、師資隊伍建設和課程網站的建設與開發。文中還就深化課程教學改革、加強學生創新能力培養等進行了有益的嘗試。

關鍵詞：精品課程；現代設計方法；課程建設；教材建設；人才培養

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0099-05

為了切實推進教育創新，深化教學改革，促進現代信息技術在教學中的應用，共享優質教學資源，全面提高教育教學質量，造就數以千萬計的專門人才和一大批拔尖創新人才，提升我國高等教育的綜合實力和國際競爭能力，教育部于2003年決定在全國高等學校（包括高職高專院校）中啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作（簡稱“精品課程建設”）。我校“現代設計方法”課程經過申報和專家組的評審，于2009年被學校批準為“校級精品課程”，并于2015年6月被陜西省教育廳批準為“省級精品資源共享課”，予以經費資助進行建設。現將本課程多年來的建設與實踐工作進行如下交流。

一、精品課程的教材建設

重視教材建設，是精品課程建設工作的重要內容之一。本課程組吸收我校20多年來建設各種“現代設計方法”系列教材的寶貴經驗，在先后所建設出的特色講義《現代設計方法》、《工程優化設計》、《計算機輔助設計（CAD）》和特色教材《現代設計方法》（西安交通大學出版社，1999年版）的基礎上，編寫出具有我校特色又受全國歡迎新編教材《現代設計理論與方法》（科學出版社，2007年版）。該教材不僅被列為高等院校“十一五”規劃教材，而且于2007年由北京科學出版社出版后，成為年年印刷、年年暢銷的教材，現已被全國幾十所高校和多家工礦企業使用，又于2014年出版新編第2版教材《現代設計理論與方法（第2版）》（科學出版社，2014年版）；2013年，高等教育出版社出版新編特色教材《現代設計方法》（高等教育出版社，2013年版）。

從20世紀80年代中期開始，為了緊跟世界科技潮流，增強學生的創新設計能力，提高現代設計技能，我校在眾多工科專業教學建設中，率先在國內工科院校開設計算機輔助設計與繪圖、機械優化設計、可靠性設計、工業造型設計和設計方法學等現代設計方法學的系列課程，相繼較早地在國內編寫出一批頗具影響的系列教材。因此，我們在進行精品課程教材建設中，積極吸取系列教材的建設經驗，進而建立精品課程的教材體系和內容。

鑒于“現代設計方法”所涉及的內容十分廣泛，同時考慮到本課程的課時有限，經過討論，我們提出用系統化思想來優化課程體系和教材內容，制定出“抓住主線，精選內容，突出特色”的精品課程教材編寫原則。依據這一原則，我們精選出目前國際上最具代表性又為國內外廣泛應用的14種現代設計方法，作為教材的基本內容，并對這些所選內容設定主次，以達到保證重點，實現主次匹配，形成我校“現代設計理論與方法”課程新體系。

依據所選定的內容，最終確定課程教材共11章，分三個層次介紹14種現代設計方法。三個層次分別為：第一層次，重點介紹目前工程設計領域中最為常用又為我國當前設計政策重點推廣應用的5種現代設計方法：優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計、有限元法和工業造型設計；重點介紹這5種方法的目的，使學生能夠牢固掌握這些方法的基本理論和應用技能，為今后工作應用打下堅實基礎，也是進行產品現代設計所必需的。第二層次，為一般性介紹反求工程設計、綠色設計、動態設計、系統化設計、創造性設計和摩擦學設計等6種現代設計方法，目的是使學生初步掌握這些設計方法的原理與應用，為今后設計工作服務，并為豐富設計方法和思路，特別是適應目前國家倡導的“節能、環保”產品設計，提供現代設計手段和工具。第三層次，簡要介紹三次設計、并行設計、模糊設計等3種現代設計方法，目的使學生基本了解這些設計方法的原理和應用，擴展設計視野，為今后設計工作提供手段及參考。

在教材的編寫中，我們十分重視教材的體系和質量。通過對14種現代設計方法選編和介紹，將重點放在實踐中應用十分廣泛的5種現代設計方法：優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計、有限元法和工業造型設計等上，使教材既保持現代設計理論與方法體系較廣的覆蓋面，又能突出重點，使學生在有限課時內，既能對本門新興學科有較全面的了解，又能對其中重要的設計方法有較深入的了解與應用，以提高他們的創新設計技能。

為了能使學生學習后學以致用，在內容安排上，教材著重介紹這些方法的基本思想、基本理論及解決實際問題的主要步驟、方法與手段。同時，在教材內容的組織上，突出知識的實用性、整體性、科學性和先進性，力求通俗易懂，深入淺出，盡量避免煩瑣的理論證明和數學推導。

因此，精品課程教材表現出內容豐富、適應面廣、重點突出、內容先進、學以致用的特點。經過多年的使用和實踐，本教材不僅作為高等學校工科專業學生教學用書，也可作為工程技術人員繼續教育的培訓教材，還可供有關工程技術人員及企業管理工作者和專業青年教師參考使用。20多年來，我們先后在全國出版《計算機輔助設計》、《計算機繪圖》、《現代設計方法》、《現代設計理論與方法》、《機械與工程優化設計》等多部教材，編寫《計算機輔助設計與繪圖》、《機械優化設計》、《機械可靠性設計》、《設計方法學》、《工業產品造型設計》和《摩擦學設計》等多種講義，在全國產生較大影響，形成“現代設計方法”系列優秀教材（圖1）。特別是《現代設計理論與方法》、《機械與工程優化設計》和《現代設計方法》三本教材由科學出版社和高等教育出版社出版后，在全國產生較大影響，現已得到國內幾十所高校和多家廠礦企業的應用，發揮了較大的社會作用。

在進行課程精品教材建設的同時，我們迅速開發出“現代設計方法”課程多媒體課件（.ppt），提供給本教材使用的高校和個人，同時研制出“現代設計方法”網絡版CAI，不僅能滿足課程遠程教育學生自學、復習、實驗、答疑、考試等多種功能需要，還能為在校學生預習和復習“現代設計方法”知識提供重要工具和手段。這樣，初步建立和形成“現代設計方法”的立體化教材體系，即從知識載體——教材而言，實現從過去單純的平面載體（書本）向立體載體（集書籍、CAI課件、網絡、光盤、電子圖書等于一體）的轉變。立體化教材包括紙質書本教材、CAI課件、課外輔導、習題庫、電子教案、試題庫和網絡課件系統等。

此外，為了配合“現代設計方法”課程的教學需要，課程組還編寫、出版現代設計方法課程的眾多輔助教材：《AutoCAD2007機械設計實例精解》（化學工業出版社，2008年版）、《AutoCAD2010實例教程》（西北工業大學出版社，2010年版）、《UG NX4 CAD精通篇》（化學工業出版社，2006年版）等。

二、結合“現代設計方法”課程特點，研制和開發多種多媒體CAD課件

與傳統設計方法相比，現代設計方法是一種以動態分析、精確計算、優化設計和CAD為特征的設計方法。該方法是以計算機為基本工具，將現代設計理論與方法及其有關技術全面引入設計過程。設計中，通過設計者與計算機的密切配合，借助先進的設計理論與方法，提高產品設計的質量和速度。所以，要想完成好課程的實踐性教學工作，必須有多種CAD課件來支撐。為此，作為課程建設的一個重要工作，我們結合課程內容，自主開發出多種CAD課件，滿足課程教學需要。

1.工程優化設計程序庫。該程序庫開發有國際上廣泛應用的14種先進優化算法，全部采用模塊化結構，組合性能好，計算速度快，操作應用簡捷方便。它可用于一維優化、多維無約束優化、約束優化和線性規劃等工程優化設計問題數學模型的求解，為課程教學和學生上機實踐提供有用工具。

2.常用機械零件CAD設計系統。該系統為一參數化、集成化CAD系統。在通過人機交互方式輸入設計參數后，系統便能進行齒輪傳動、帶傳動、滾動軸承等典型機械零件的強度校核計算、結構選型、零件尺寸確定到零件圖自動生成的集成化、參數化CAD設計工作。通過該系統，學生在完成典型機械零件設計時，能大大提高設計效率。

3.沖裁模CAD系統。該CAD系統是以中科院北京軟件工程公司的PICAD系統為支撐平臺，利用二次開發函數庫開發出的可進行單沖孔、單落料和復合模等三種模具設計的沖裁模CAD系統。該系統在課程教學中，能為學生較為全面地展示應用“現代設計方法”進行典型工業產品計算機輔助設計（CAD）的全過程，包括從完成沖裁模具的全部設計計算、沖裁件工藝性檢查、優化排樣、結構選型直到模具裝配圖的自動繪制和零件圖的自動生成。

4.軸系零件參數化繪圖系統。隨著CAD技術的飛速發展和生產實際的需要，為提高機械零部件圖形自動生成與修改的效率，發展交互式參數化繪圖技術是重要的方法。通過這一技術，利用零件結構的相似性，在保持零件基本結構不變的情況，將零件的尺寸標注視為變量。當給予不同尺寸時，便能快速生成一系列結構相同而尺寸不同的相似零件圖。進行參數化繪圖，它允許設計者在定義一個典型零件時，不必考慮零件中幾何元素的準確位置，而只需保證拓撲結構正確，同時進行必要的尺寸參數標注，通過尺寸參數值的變化，生成結構相同而參數不同的零件族，為零部件圖形的快速生成與修改，帶來極大的方便。我們利用CAD技術原理，開發出本課件，為學生展示交互式參數化繪圖技術這一原理提供有用工具。

上述CAD課件的研制，為較好完成課程實踐教學提供重要工具，特別是良好的人機界面、優越的人機交互功能、較好的實用性和可視性，為開闊學生視野、培養創新設計能力起到極大的作用。

三、“現代設計方法”網絡教學系統的研制和開發

現代遠程教學是時代的要求。它是利用網絡技術、多媒體技術等現代信息手段開展起來的新型教學形式。發展現代遠程教學，是擴大教育規模、增強辦學效益、建立終身教育體系的重大措施。為了滿足本課程的遠程教學需要，我們研制和開發出“現代設計方法”網絡版系統。

“現代設計方法”網絡教學系統的研制，主要是依據國家精品課程建設要求并參考其他精品課程網絡教學系統的格式，主要由10個模塊組成，包括：負責人介紹、教學隊伍、課程描述、教學研討、自我評價、建設規劃、課程素材、網絡教學系統、網絡視頻和相關網站。網上教學部分的文字腳本，以我校本科生采用的張鄂任主編的《現代設計方法》教材為藍本，充分吸收我校多年教學經驗，注意突出重點，詳略得當，有利于學生自學。界面的設計力求既體現課程風格，又突出遠程教育特點，追求清新大方，避免過分花哨。為了節省屏幕，左側菜單采用推拉式。為了閱讀方便，每一小節盡可能縮短到二三屏。負責人介紹模塊主要包括：課程介紹、基本情況、教學情況和學術研究等。其中，課程介紹主要說明本課程的性質、目的、發展概況、教學內容和師資簡況等。基本情況、教學情況和學術研究主要介紹本課程教學負責人簡介、從事教學活動和參加科學研究、承擔國家科研課題等情況。教學隊伍模塊主要包括：人員構成、整體情況、教學改革、教材建設、教學成果，主要介紹課程教學師資隊伍狀況，以及課程教學團隊在進行課程教學過程中所進行的教學改革情況、教材建設情況和所取得的教學經驗及成果。課程描述模塊主要包括：歷史沿革、教學內容、教學條件、教學方法、教學效果等，分別介紹課程歷史沿革、課程教學內容，以及課程教學條件、主要教學方法和所取得的教學效果。教學研討模塊主要介紹課程在教學活動中所進行的教學研究、教學改革等方面的情況。自我評價模塊主要包括：主要特色、課程地位、不足之處等，主要介紹課程教學特點與特色、課程建設情況在全國所處的地位及課程教學中目前還存在的不足之處。建設規劃模塊主要介紹課程教學建設目標、步驟、課程資源上網計劃，以及本課程已經上網的資源名稱列表。課程素材模塊主要包括：電子教案、教學案例、參考書目等，主要介紹承擔課程教學的部分教師的電子教案、課程部分教學案例，以及課程教學使用的教材、參考書目等。網絡教學系統模塊主要包括：課程學習、在線練習、在線答疑等。通過這些模塊，學生可利用課程網絡教學系統進行課程學習，通過網絡系統進行在線課程練習、在線課程答疑、在線課程知識討論和網上課程知識自測。網絡視頻模塊會鏈接課程部分優秀教師的教學錄像，以利優秀教學資源的共享。相關網站模塊會鏈接西安外事學院校園官網，為學生和教師進行“現代設計方法”課程學習及教學活動進行網際聯系或查找資料，提供便利。

四、以培養學生“三個能力”為目標，不斷探索新的教學模式，改革教學方法

為了滿足面向21世紀新型人才培養的需要，提高學生的創新能力，在課程教學過程中，課程組堅持以培養學生“三個能力”（即分析問題能力、解決問題能力和創新設計能力）為目標，不斷探索新的教學模式，改革相應的教學方法。

1.以能力培養為目標，認真組織好課堂教學。在授課中，排除傳統的“重理論，輕設計”的思想，注意加大設計內容的比重。教學中，本著“精講多練”的原則，在精講各現代設計方法的基本思想、特點及設計步驟的基礎上，側重強化學生掌握各方法的實際工程應用技能。例如，在講授“優化設計”一章時，把重點放在提高學生如下三個能力上，即：怎樣正確地分析優化設計對象的能力、實際優化設計問題的數學模型建模能力和優化設計程序庫的熟練使用能力，而不倡導學生把精力放在優化算法的編程上（因已提供了程序庫）。同時，在課程教學中，我們把“只講方法，不講設計”作為禁忌，力將“方法”與“設計”構成緊密的有機整體，使學生學完一種現代設計方法后，能迅速熟練地掌握工程設計的應用。

2.教學方法上，采用理論和實踐并重的原則。教學中，十分注意加強學生工程設計訓練，除了課堂上介紹各方法的實際應用外，在各章中還普遍安排了設計類型的作業，以強化學生應用現代設計方法分析、解決實際工程設計問題的能力和創新設計能力。此外，針對計算機輔助設計、優化設計和可靠性設計等重要設計方法，專門安排學生可自選的“興趣大作業”，以增強工程創新設計能力和動手能力的培養。

3.應用多種CAD課件輔助教學，增強學生感性認識，提高教學質量。在該課程的48學時中，除去8學時的上機實踐教學，在40學時的理論教學中，會安排6～8學時的應用多種CAD課件的輔助教學。目前，教學中已有的課件有：集成化參數化PICAD系統（通過該系統展示參數化集成化計算機繪圖原理及技術）、沖裁模CAD系統（通過系統展示進行典型工業產品計算機輔助設計的工作原理、工作過程及工程優化設計技術的應用）、常用機械零件CAD系統（通過系統展現人機交互完成各種典型零件強度計算、零件尺寸確定、結構選型到零件圖自動生成的集成化CAD設計過程）、3DS MAX、SolidWorks系統（通過這些系統，演示三維實體造型設計的原理、方法及應用）以及ANSYS、Pro/Engineer、PINC、回轉零件CAPP系統。學生對上述CAD課件（軟件）輔助教學，普遍反應效果好，收獲大。他們說：看了這些CAD課、軟件，大開眼界，不僅有利于對“現代設計方法”技術的理解和掌握，而且更能深刻地體會到“現代設計方法”的重要作用，對提高工程分析問題能力、解決問題能力和創新設計能力，有極大的幫助。

4.加強實踐性教學環節，強化學生上機設計能力。現代設計方法的特點，是以計算機為基本工具應用現代設計方法來進行工程及產品設計。為了幫助學生對現代設計方法技術的理解，提高學生的上機設計能力，我們在本課程48學時中，特安排8學時進行上機實踐性教學。為了提高上機效果和質量，除了研制與組織多種各類設計應用軟件外，還編寫了《現代設計方法課程上機指導書》，以保證學生在8學時內，能基本獨立完成規定的工程優化設計、機械CAD編程、工程數據庫處理與應用、參數化繪圖以及有限元分析等實踐工作。

5.采用現代化教學手段提高教學效果。隨著計算機技術在現代教學中的廣泛應用，傳統教學方式正受到來自多方面的沖擊。計算機輔助教學的日益發展，帶來教育理論、教學方法、教學方式及整個教育領域的一次大的革命，在我國及世界范圍內，教學技術現代化正成為發展的必然趨勢。多媒體計算機的出現，又一次為這一發展趨勢注入新的生機，開辟新的天地。為了利用現代教學技術提高“現代設計方法”課程的教學效果，從1990年開始，我們抽調力量進行“現代設計方法”多媒體MCAI教學系統的研制，已于1992年推出vol.1.0光盤版，經試教后，得到學生肯定。他們認為，該課件創意新穎，內容重點突出，理論嚴謹，圖文并茂，可視性強，可大大提高課程教學質量。

6.改革考試方法和內容，促進學生能力培養。在“現代設計方法”的課程教學中，課程組堅持以促進學生能力培養為指導思想，為了克服學生死記硬背的現象，在課程考試方法和考試內容上，進行改革和探索。采取的措施主要有：①將理論教學、上機實踐教學和平時作業，分別納入成績考核，顯著提高學生對上機實踐性教學的重視程度和作業質量。②在試題中，增大綜合分析與理解、注重考核能力的試題，用以消除死記硬背現象。③試題分為閉卷和開卷兩個部分，閉卷部分為考查基礎理論、基本計算能力，開卷部分為測試綜合設計能力。

為了促進學生創新能力的培養，從2009年開始，課程組教師組織我校工學院學生利用“現代設計方法”知識與技能，積極參加全國大學生各類競賽活動，先后獲得全國、陜西省級大獎達18項之多。如，2012年，指導學生參加“2012年全國大學生工業設計大賽”，獲入圍獎1項；2013年4月，指導學生參加“2013全國大學生工程訓練綜合能力競賽”，獲陜西賽區二等獎2項；2013年6月，指導學生參加“第九屆挑戰杯—陜西省大學生課外學術科技作品競賽”，獲得省級三等獎2項；2014年5月，指導學生參加“2014‘非凡士杯第六屆全國大學生機械創新設計大賽”，獲陜西賽區一等獎1項、二等獎2項、三等獎4項，獲獎7項之多；從2009年開始，課程組教師指導學生參加“全國大學生數學建模競賽”，獲得全國、省級獎6項之多。通過組織和指導學生參加全國大學生各類創新設計競賽活動，不僅可以使學生得到鍛煉，獲得多項全國、省級大獎，而且使學到的“現代設計方法”知識得到有效應用與發揮，也為培養學生的創新設計能力和提高應用型人才素質做出卓越貢獻。

此外，從2011年開始，課程組教師指導我校學生參加全國CAD（計算機輔助設計）相關證書考試，并于2011年12月和2012年5月，我校樊濤、盛志國、Tao Fan等多名學生獲得“全國信息化工程師崗位技能證書”——“全國信息化應用能力考試AutoCAD機械設計考試證書”以及“Solidworks考試認證證書”，使“現代設計方法”課程教學為學生的現代設計技能取得豐碩成果。

7.積極將“現代設計方法”技能引入“專業課程設計”、“畢業設計”等實踐性教學環節，大力促進學生對產品現代設計技能的提高。由于“現代設計方法”課程課時非常有限，但又亟須提高學生應用“現代設計方法”進行較大工程設計實踐的訓練，來提高學生的現代設計技能和創新設計能力。為此，課程組積極將“現代設計方法”知識引入后續的專業課程設計、畢業設計等實踐性教學環節。多年來，這一實踐結果已取得較好效果。一些學生能在工業生產流水線設計、工業機械手設計、機電控制系統設計等專業課程設計以及畢業設計中，運用參數化繪圖方法，完成圖紙CAD設計和計算機繪圖工作等，還能在設計中采用三維實體造型技術來完成。

此外，部分學生在畢業設計中，進行“現代設計方法”在工程設計中的應用研究，能在國內一些期刊上發表研究論文。這說明，通過“現代設計方法”課程的學習與培養，學生已能在專業課程設計、畢業設計等工程實踐環節中，發揮較強的創新設計技能和一定的科學研究能力。

五、嚴格教學管理，堅持教書育人，有效建設出一支高水平的師資隊伍

在“現代設計方法”教學建設中，課程組十分重視教師水平的提高和師資隊伍建設工作，并把它作為課程建設的重要內容來抓。目前，我院已建成由教授、副教授、講師和助教組成的課程教學組，形成老中青三結合的教師梯隊，所有的中青年教師均具有碩士或博士學位。課程組全體教師能恪守職業道德，嚴謹治學，從嚴執教，教書育人。在統一教學大綱的要求下，每位教師課前均能認真寫出特色教案。多年來，課程組始終堅持定期開展教學法活動，以提高課程組的整體教學水平。在教學法活動中，大家能對講課藝術等進行交流和討論，相互啟發，取長補短，以提高全體教師的教學水平。在課程教學中，由于取材恰當，注意教學規律，重視授課藝術，課程教學效果好，一直受到學生的好評。課程的多位教師分別獲得“校優秀教師”、“校教學名師”等稱號。在搞好課程教學工作的同時，課程組教師積極參加科研工作，先后承擔并完成國家自然科學基金項目3項、國家863計劃項目1項、陜西省教育廳科研項目2項、企業橫向課題十余項、省級教改項目3項，在國內外各類期刊及國際學術會議上發表科研論文和教改研究論文80余篇，擁有國家發明專利3項。教學與科研工作的結合，不僅可以提高課程組教師隊伍的科研水平，而且科研成果及經驗又將豐富課程教學內容，有力地促進課堂教學效果和質量的提高。

參考文獻：

[1]教育部.教育部關于啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作的通知[R].2003.

[2]國家教育委員會.關于積極推進“高等教育面向2l世紀教學內容和課程體系改革計劃”實施工作的若干意見[R].1997.

[3]潘云鶴，顧建民.大學學科的發展與重構[J].高等工程研究，1999，（3）.

[4]竹清時.迎接知識經濟時代培養科技創新人才[J].學位與研究生教育，1998，（6）.

[5]張鄂.“現代設計方法”課程建設與思考[J].西安交通大學學報（社會科學版），1998，（1）：45-48.

[6]張鄂，陳曉楠，等.加強課程教學建設，促進創新人才培養——“現代設計方法”課程建設與改革[A].郭可謙.2003機械設計教學研究論文集[C].北京：機械工業出版社，2003.

[7]張鄂.現代設計方法[M].北京：高等教育出版社，2013.

[8]張鄂.現代設計方法[M].西安：西安交通大學出版社，1999.

[9]張鄂.現代設計理論與方法[M].北京：科學出版社，2007.

[10]張鄂.機械與工程優化設計[M].北京：科學出版社，2008.

[11]張鄂.現代設計理論與方法（第2版）[M].北京：科學出版社，2014.