现代设计方法课程之教学方法初探

张可维

【摘要】针对现代设计方法课程，列举了适合机械工程专业的重点教学内容，对教学中存在的困难进行了分析。在参考其他高校教学改革成果的基础上，结合本校的实际情况，对该课程的教学方法做出了初步探索。

【关键词】现代设计方法 MATLAB编程 机械工程 本科培养

【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）06-0232-02

我国高等教育发展纲要中提出了“优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养”的要求，目的是切实增强高级专门人才的能力。实践教育，特别是创新性实践教育是达到这一目的关键举措[1]。长期以来，我国机械工程专业学生占大学生总数的比重始终居于前列，这与社会渴求机械类人才的现状相适应，这种趋势还将延续。因此，机械工程专业的教学改革在高等教育改革中占有重要地位——它直接决定了高校培养的机械专门人才能否适应我国社会主义现代化建设的需要。为了培养具备创新设计能力、基础扎实、适应面广的机械专门人才，我国工科院校普遍开设了现代设计方法课程；该课程是一门综合性课程，可以直接用于创新性实践教育，一般作为高年级本科生的专业必修课。由于各个高校具有不同的传统和特色，因此这门课并没有统一的教材和教学内容。“如何针对本学校的实际情况、让学生有效地掌握现代设计方法”已经成为摆在相关授课教师面前的紧要问题。本文对现代设计方法的课程内容、教学困难做出分析，在借鉴其他高校课程改革成果的基础上，探索适合本校的课程教学方法。

1.现代设计方法课程的内容

现代设计方法涉及的内容非常广泛，融合了当代科技的各种先进理念，适用范围并不局限于机械设计，例如：优化设计可以用于各行各业，有限元方法可以用于流场、电磁场等多种连续域物理问题。实际上现代设计方法要求学生既要理解通用的数学模型，又要熟悉本专业的理论知识，还要会使用专门的软件工具。下面从机械工程专业的角度，列举现代设计方法课程的主要内容。

1.1设计方法学

设计方法学是从全局的视角帮助设计人员开发出高价值的创新产品。它将设计对象视为一个技术系统，将技术系统的总功能分解至功能元，为功能元求解就是寻找实体结构。这样可以得到多种整体方案，然后从中找到最优解。这个过程需要创新思维方法和技法，如头脑风暴法、组合创新法等。近年来，基于TRIZ理论的创新设计方法开始引入教学。TRIZ又称萃智，试图将发明创造过程流程化，让人们以查表的方法找到问题解决方案；实践证明，它确实可以加快人们创造发明的进程以得到高质量的产品。

1.2优化设计

优化设计（Optimization Design）能帮助设计者从所有方案中选择出最佳方案。普通设计中，设计人员凭借经验和规范提出多种设计方案，然后按照一定的评价准则选出得分最高的方案。优化设计中，设计者首先需要将工程问题用数学语言描述成优化模型，然后选择合适的优化方法，最后在计算机上搜索设计空间以找到最佳方案。根据问题的不同复杂程度，有时候只能得到局部最优的方案。

如何将工程实际问题用优化数学模型描述出来是教学要点。求解数学模型可以用MATLAB编程实现。

1.3可靠性设计

可靠性设计（reliability design）认为任何产品都存在失效的可能，设计人员应该保证产品有足够能力在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能。这需要学生建立新的观念：产品的物理属性不是定值，而是服从某个概率分布的随机变量。学生还要学会将概率统计理论知识用于零部件的可靠性设计。

1.4有限元方法

有限元方法也称有限元分析（Finite Element Analysis），它将连续域问题用多个互联的子域问题代替，每个子域问题用节点变量描述出单元数学方程，接着组装成整体数学方程，最后进行数值求解。一般要求学生会用ANSYS软件对零部件的强度进行校核。

1.5其它现代设计方法

计算机辅助设计（Computer Aided Design）已经得到普遍应用，这要求学生至少会用一种三维造型软件，如Pro/E， SolidWorks， CATIA，UG等。机械结构的动力学仿真也是与机械设计紧密相关的内容，这需要掌握ADAMS等动力学分析软件。

2.教学中存在的问题

由于现代设计方法这门学科发展迅速，内容繁多，这给教学带来了一系列困难，也引发了诸多教学改革尝试，体现在以下几个方面：

2.1 缺乏权威定义

一个明确的定义有利于让学生准确地区分传统设计方法与现代设计方法，从而使他们更好地理解课程内容。现有教材将一些先进的设计方法的集合统称现代设计方法[2， 3]。但是随着现代科技的飞速发展，新的设计方法将不断出现，同时一些以前视为先进的方法逐渐变成常规方法。这种动态变化使得现代设计方法目前没有权威的定义。针对这个问题，有学者提出将“当今时代为产品制造或工程项目完成达成实体化全过程而制定的技术上的方案、图样与程序”作为定义[4]；还有学者使用比较教学法从九个方面展现出现代设计方法和传统设计方法之间的差异。这些工作有益于人们明确对现代设计方法的认识。

2.2 难以全面讲解

现代设计方法经过多年发展已经成为一个内容庞杂的理论和方法的体系。有学者列举了50多种已经研究和应用的现代设计方法；有的教材提出八种不同设计方法作为教学内容。但是有限的课时是教学内容的最大限制；如果以创新实践教育为目标，那么学生只能掌握很少的设计方法。因此，授课教师只能选择重要的内容进行讲解。普遍认为：创新设计思想，优化设计，有限元方法，可靠性设计等内容是不可或缺的模块内容。

2.3 难以深入讲解

现代设计方法的主要教学模块内容十分丰富，大多可以独立成专门的课程。在有限学时的约束下，教师很难将每个模块深入讲解到学生能够运用自如的程度。据称国外著名大学一般不设立此课程而是分别设置诸如“优化设计”、“有限元法”等课程。国内有的教学团队也尝试建立相关课程体系来解决这个问题[5]。该团队提出“注重专业必修课，深化专业选修课，扩展公共选修课”的思路，着力构建和完善现代设计方法课程体系。具体地说，将现代设计理论及方法作为专业必修课作为基础课程，同时开设“优化设计”、“有限单元法”等专业选修课供学生进行深入学习，还设立“ANSYS有限元分析”、“ADAMS动力学分析”等多种公共选修课供学生学习设计工具的使用；此外，还将其它先进的设计方法如“反求工程设计”、“并行设计”等作为公共选修课供学生拓展知识。

3.教学方法初探

本校根据实际情况安排40学时用于现代设计方法课程。如果以实践教育为导向，有限的学时不能保质保量地完成教学。笔者经过初步探索做出如下教学安排：

a）教学内容：TRIZ创新设计方法，优化设计，有限元分析，可靠性分析，计算机仿真工具原理；

b）教学重点：各种设计方法的基本数学模型和MATLAB求解。

在这个安排中，实践教育的重点在于训练学生针对简单工程问题进行数学建模，然后用MATLAB软件编程求解；对于各种仿真软件的具体使用不做介绍，但是集中介绍各种仿真软件原理，并将它们的操作流程与数学模型的建立与求解过程联系起来。

4.结束语

如果以实践教育为导向，那么教师需要根据本校的实际情况确定教学重点内容，同时还要探索新的教学方法，才能使学生在有限的学时里掌握先进的设计方法、并将其应用在机械产品的设计实践中。这个探索过程是必要的也将是长期存在的。

参考文献：

[1]顾秉林，王大中等.高水平学科建设的创新人才培养之路[J].清华大学教育研究，2010，31（1）.

[2]赵松年，佟杰新，卢秀春. 现代设计方法[M].北京： 机械工业出版社，2011.

[3]孙靖民. 现代机械设计方法[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

[4]卢险峰. 现代设计方法的定义及一级分类[J].南昌大学学报，2009，31（1）.

[5]秦勤，吴迪平等. 现代设计方法课程体系建设[J].中国冶金教育，2012（4）.