現代設計理論與方法課程教學方法實踐

王現輝++喬慧++羅靜++張海

摘 要 機械設計是機械產品具有市場競爭力的關鍵性環節之一，現代設計理論與方法課程教育的一大特色就是理解和使用現代的設計理論和方法進行機械設計。從案例教學方法、多媒體教學和實踐教學出發，對該課程的教學模式改革進行探討，通過教學實踐，取得良好的教學效果。

關鍵詞 現代設計理論與方法；案例教學；教學模式改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）14-0094-02

College of Modern Design Theory and Method Teaching Analysis//

WANG Xianhui， QIAO Hui， LUO Jing， ZHANG Hai

Abstract Mechanical design is one of the key parts of mechanical products with market competitiveness. A major education feature of

modern design theory and method is understanding and using the

modern design theory and method to design the mechanical products.

Based on the case teaching method， multimedia teaching and practice

teaching， this paper probes into the reform of the teaching mode of the course， and obtains good teaching effect through the teaching practice.

Key words modern design theory and method； case teaching； tea-ching mode reform

1 前言

近年來，由于現代科學技術和計算機技術的迅猛發展，機械設計領域的創新層出不窮。因而，當代機械類大學生十分有必要進行現代設計理論與方法的學習和研究。另外，在機械類專業學生進行任務書設計過程中，引導學生采用現代設計方法進行設計，對提高任務書設計的水平和質量、培養學生的科研和創新能力起到重要作用[1]。現代設計理論與方法是一門綜合性交叉學科，它將機械設計、計算力學、計算數學和計算機等多方面知識融合在一起，為以后開展設計的學習和研究打好基礎。

該課程涉及優化設計、可靠性設計、有限元分析、系統分析設計方法以及計算機輔助設計基礎等眾多的設計方法[2]，理論性較強，內容抽象，相關數學公式繁多，枯燥乏味；且理論學習與實際應用相差較大，直接學習理論將導致學生學得索然無味，學習興趣低下，學習效果差。因此，如何引導學生學習該課程，是這門課程不斷建設、提升需要考慮的環節。基于這種認識，在該課程教學手段和教學方法上進行改革和實踐，取得一些有益的經驗和成果。

2 課程教學改革實踐

現代設計理論與方法課程內容繁多，而本科生課程繁重。為滿足基本的教學需求，并將枯燥、抽象的課程變得直觀和生動，提高學生學習的主動性和積極性，文中從案例教學方法出發，將現代設計方法和當前學生的實際情況結合，對現代設計理論與方法課程教學模式改革進行探討，以期能增加課程學習的趣味性，調動學生學習該課程的積極性，最大限度提高課程的教學效率和質量。

案例教學法 案例教學法一直是高校教學的重要方法之一，許多學者對案例教學的選編原則、教學目標、教學定位與方法等進行了初步探討。一直以來，現代設計理論與方法課程只是在教學中引入了少量的案例，且案例的安排比較零散，不夠系統化，以偏重單個技術應用介紹為主。

為了充分調動學生學習的主動性，提高學生的學習興趣，提高授課效率和教學質量，本課程教學組共搜集和設計完善21個綜合運用各種現代設計方法的案例，組建一個師生共享的案例庫。為了使案例庫涵蓋更多的設計方法，以方案評價方法、創新設計、優化設計、可靠性設計、有限元分析、計算機輔助設計、模態分析、動態設計、相似性設計等方法作為案例制作的目標去收集案例，并將所選案例進行進一步的整合，使其典型化、系統化。

為使案例在課內能融入教學，在授課過程中運用案例教學講授現代設計理論與方法課程。在授課過程中，針對每種方法講解時，均從案例庫中選擇1～2個相關案例進行講解，不僅要思路清晰、目標明確，而且能夠理解每種方法在工程實踐中的應用。

案例之一是綜合運用相似性設計及有限元分析方法對沖擊式破碎機錘頭與物料之間的沖擊時間進行研究，探索錘頭質量無窮大和錘頭質量為有限值時的沖擊時間表達式，并進行數值仿真，表達式與仿真結果吻合度很好。在進行相似性設計及有限元方法的學習之后，通過本案例的講解和分析，讓學生能夠把理論知識和實際應用結合，更好地理解本課程。

為了進一步調動學生的學習積極性，組織對現代設計方法有興趣的學生組成4～6人學習小組。每個小組負責一種設計方法的深度學習和研究，并把該方法應用于具體的工程問題。在各個學習小組完成課題后，教師在課堂上對設計方案和結果進行分析。采用這種方式，可以讓學生把枯燥的理論學習轉化為多彩的工程實踐，加深對現代設計方法的理解。同時，該案例庫在課下則可供師生查閱檢索，搭建學生與教師互動的平臺，教學相長、共贏互進[3]。

充分利用多媒體資源，提高教學質量 多媒體因其獨特的優點在實踐教學中得到廣泛應用，它最大的成功之處在于化學習被動為主動、化抽象為具體，通過娛樂性的學習能輕松鞏固已學知識，從而切實激發學生發自內心的學習興趣。現代設計理論與方法課程的理論性非常強，作為工科學生，需要很好的數學和力學功底才能學好。在教學活動中應用到大量的實例演示，利用多媒體教學則能收到更好的教學效果。為了提高學生的學習積極性，教師在本門課程的教學中可引入MATLAB和ANSYS計算機輔助分析軟件，把枯燥的理論學習與新穎的軟件學習和仿真相結合，通過課堂演示和課后上機的形式，幫助學生理解各參數變量的物理意義，在開闊學生視野的同時，也可以激發他們的學習興趣。endprint

比如在講授有限元分析時，可以在ANSYS軟件中建立3D實體模型，進行應力應變場的有限元分析。在具體操作過程中，可以一邊給學生講解有限元分析各個模塊的意義，一邊在ANSYS中進行相應操作。最后通過ANSYS仿真，將模擬結果通過輸出數據或者云圖的形式展示給學生，讓學生進行結果分析，他們可以更好地理解有限元分析的整個過程，并且能夠驗證理論教學的結果。

實踐教學改革 在本課程的實踐教學環節中，常用的方式是讓學生在計算機實驗室中進行優化設計的實驗和ANSYS有限元分析實驗，這兩個實驗是獨立的。優化設計的實驗一般是讓學生對某個算法進行MATLAB編程，然后計算一個函數的最小值。ANSYS有限元分析則需要使用有限元軟件分析一個簡單的應力應變問題，得到變形云圖以及最大變形量。這種實驗方式使得實踐教學過于零散，缺乏系統化的組織，因而很難取得良好的教學效果。

為了充分調動學生學習的主動性，嘗試將一些開放式題目布置給學生，讓學生通過4～6人小組合作的方式，以案例庫為參考，綜合采用多種現代設計方法進行現代設計，并提交最終設計報告。如設計規定參數的減速器，學生需要首先使用Pro/E軟件對減速器進行建模，然后使用ANSYS對減速器箱體進行靜力分析，獲得最大位移，之后進行參數優化設計。在此過程中，學生不但要使用CAD軟件，而且要綜合運用有限元法和優化方法，因而能夠考查學生的綜合能力。

注重優選教學內容和改革考試方式 “現代設計理論與方法”是將計算機技術與現代設計方法融合在一起的一門新興的綜合性、交叉性課程，其課程內容較多，這就造成授課內容與學時數之間的矛盾。因此，在講授課程過程中應分清主次、精選內容，針對學生專業情況和發展規劃，認真選擇相應的重點知識進行精講。對于機械工程領域的學生來說，重點應放在對機械產品的優化設計、有限元設計、可靠性設計、計算機輔助設計、相似性設計等實用性的內容上，對于其他的設計方面的內容可以略講。這樣可以使學生充分利用課堂有限的時間掌握更為廣泛的知識，能夠對本課程有更為全面的認識和理解。

通過改革課程作業內容和考試方式，可以更好地挖掘和鼓勵學生的創造性思維。現行的考核方法大多是出一些概念性的題目或者數學類的計算題目，這樣使得很多學生只要在考試前突擊相關知識內容，便可順利通過，不能有效檢驗學生的學習情況。因此，考試采用開放性課題和課堂考試各占總分數一半的方式進行，較好地實現了本課程的目的和要求。

3 總結

通過對現代設計理論與方法課程的案例教學、多媒體教學、實踐教學以及課程考核等幾方面的教學改革，開發出用于教學的諸多資源，提高了教學效率，增強了教學效果，充分調動了學生的學習積極性和求知欲望，在培養學生實踐能力方面進行了一些有益嘗試，取得一定的效果。學生普遍反映設計能力得到訓練和提高，同時對最新的設計理念與方法有了初步了解，開闊了思路，轉變了設計觀念，有利于適應時代的要求。

參考文獻

[1]百曉虎，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.

[2]張鄂等.現代設計理論與方法[M].北京：科學出版社，

2007.

[3]喻問瓊.案例教學法在實踐運用中的問題及對策[J].教育理論與實踐，2011（21）：46-47.endprint