面向应用型本科的《现代设计方法》课程教学

张小芹 赵进尚 伦翠芬 孙磊

摘 要： 文章在介绍《现代设计方法》产生背景的基础上，说明了开设《现代设计方法》课程的必要性。并从《现代设计方法》课程定位、内容选择、教学方法和考核方式方面进行了详细叙述。

关键词： 应用型本科 《现代设计方法》 教学方法

1.引言

《现代设计方法》是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科，是以设计产品为目标的一个知识群体的统称，凝聚当代科技的精华，涉及的内容十分广泛，包括计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、模块化设计、动态设计、疲劳强度设计、并行设计、绿色设计、虚拟设计、反求工程、人机工程、人工神经网络、工程遗传算法等，是扩大学生专业知识的广度和深度、提高学生创新设计能力和应用实践能力的一门重要课程[1][2]。

2.《现代设计方法》课程产生的背景

20世纪中后期以来，在社会经济发展需求的推动下，新的设计理念不断涌现，随着计算机技术的飞速发展，有限元法、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等现代设计方法发展起来。目前，现代设计方法的工程应用已经在世界范围内产生巨大的社会效益和经济效益，现代设计方法已经发展到几十种之多。由于这些方法的先进性，很快得到我国研究人员和工程技术人员的重视和科技教育部门的关注。随着在设计和制造业的推广和应用，这些方法已成为设计人员必不可少的设计技术手段。对高等院校机械工程专业教学也产生重大影响，《现代设计方法》课程应运而生[1]。

目前，国内中小企业基本上还基于经验设计；设计方法还停留在传统设计方法上。而没有采用优化设计、有限元分析等现代设计方法。在我国从制造大国向制造强国迈进的历史进程中，急需大批能够采用先进技术开展机械设计、制造和使用的工程技术人员。我国各类学校培养的具备掌握现代设计方法应用能力的技术人才还非常匮乏，在以培养应用型实用人才为主要目标的应用型本科院校，开设《现代设计方法》课程是十分必要的[3][4]。

3.应用型本科《现代设计方法》课程定位及内容的选择

《现代设计方法》作为一门交叉边缘学科，涉及高等数学、线性代数、复变函数、概率论、工程力学、机械设计、计算机等专业基础，又涉及模糊数学、神经网络、遗传算法等人工智能理论。因此，现代设计方法具有知识面广、难度大、学生不易掌握等特点。

现代设计方法教学一般有两种模式：一种侧重于理论教学，目标是培养研究型人才，教学内容偏重于理论学习，如有限元法重点学习各种单元的刚度矩阵、平衡方程的求解方法及程序实现，优化设计重点学习不同优化设计的算法、编程；另一种侧重于工程应用教学，目标是培养工程技术应用人才，教学内容偏重于解决实际工程问题中的常用技术，如有限元法重点学习有限元模型的建立、针对不同工程实践问题进行单元类型的选择及网格划分、载荷及边界条件的施加、处理结果的查看与分析等，并通过软件平台实现，在优化设计中重点学习数学模型的建立，针对不同类型的数学模型选择不同的优化方法及求解，并通过软件平台实现。第一种模式比较适合研究型大学采用，课程可开设在本科高年级或研究生阶段，而第二种模式则适合于应用型本科所采用。

在应用型本科院校开设《现代设计方法》课程的目的是使学生在了解基本原理、基本概念的基础上，重点掌握应用现代设计方法求解实际问题的步骤和方法。教学内容的选择应从以下两个方面考虑：

3.1对目前理论上比较成熟并得到广泛应用的现代设计方法，如有限元、优化设计、可靠性设计等重点讲解，包括基本原理、基本概念，利用项目教学方法，采用任务的形式，解决实际问题，让学生熟练掌握应用这些方法解决问题的步骤和方法。对于概念性比较强的新的设计理念，如设计方法学、创新设计、绿色设计、并行设计等只讲基本原理，扩大学生的知识面，培养学生的创新思维、空间想象力。

3.2有针对性地选择目前应用比较成熟、求解问题方便的软件应用平台，如有限元选择ANSYS软件，优化设计和可靠性设计选择MATLAB软件。

4.不同教学方法相结合

4.1板书教学

虽然有限元法、优化设计和可靠性设计可以很方便地用应用软件实现，但只有深刻理解这些方法的基本原理、基本概念和求解问题的基本步骤，才能得心应手地应用这些软件求解工程问题。这部分内容既涉及高数、线性代数、概率等数学知识，又涉及材料力学、工程力学等专业知识，理论性较强，内容较为抽象，而对于课程的整体理解具有重要的作用，此时宜采用传统的板书教学。利用板书教学，内容停留时间长，逻辑推理清楚，便于学生理解和掌握，增强此部分内容的课堂教学效果。

4.2案例教学法

《现代设计方法》课程的最终目的是让学生在最短的时间内掌握现代设计方法的实际运用步骤和方法，所以除了少学时采用板书教学，以教师讲授为主之外，大部分学时采用案例教学法，以学生演练和实际操作为主。例如在有限元法中，针对平面问题、空间问题、动力学问题等分别选用不同的工程案例，由学生自主完成建模、选择单元类型、定义材料、划分网格、施加载荷和边界条件、求解及查看结果等，掌握用有限元法解决实际问题的方法和步骤。

4.3启发式教学

在课堂教学中，尽量避免填鸭式，采用启发式教学方法，将要解决的问题分解成一个个相互联系的子问题，通过设问引导学生利用已有知识主动进行理论分析和解决实际问题。

例如，在讲述可靠性设计的内容时，以轴的设计为例，通过设计问题的形式让学生自己理解可靠性的内容。如按传统设计得到的轴的应力安全系数为2，那么轴的强度是否绝对安全呢？其可靠度是为100%？如果不是，那么可靠度为多少？假定轴所受荷载和材料的许用应力均是符合正态分布的随机变量，通过向学生介绍应力一强度干涉理论，让学生自己推导轴的可靠度。通过对这个实例的思考和分析，学生体会到机械工程中的物理量都是随机变量，初步建立可靠性设计的概念，了解传统的安全系数设计与可靠性设计的区别与联系，同时掌握可靠性设计在工程设计中的应用方法。

5.改变传统的考核方式

传统的考核方式大多以期末笔试试卷作为考核方式，而现代设计方法是一门应用性比较强的课程，最终目的是应用。所以在本课程中成绩评定分两部分：一部分是平时成绩，考核依据为平时案例教学的完成情况及表现，这部分占50%；另一部分为期末成绩，考核形式为将几种现代设计方法结合完成一个综合案例，这部分占50%。

6.结语

从本校2005年开设《现代设计方法》课程以来，从教学内容、教学方法、软件平台、考核方式等方面作了多次改革尝试，逐步适应了应用型本科教学，得到了学生的认可。

参考文献：

[1]孟宪颐.现代设计方法基础[M].北京：机械工业出版社，2010（5）：5-10.

[2]张小芹，刘长荣，杜殿会[J].中国校外教育，2008（10）：72-73.

[3]黄建平.机械加工技术专业课程设置模式改革探讨[J].职业技术研究，2008（9）：143-144.

[4]徐美燕.以就业为导向培养学生职业能力[J].教育与职业，2005（8）：65-67.