《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)探討

陳　就　汪建曉

一、前言

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》是機(jī)械類專業(yè)本科生的一門專業(yè)限選課，是一門綜合性課程，它融匯了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的精華，與各相關(guān)學(xué)科緊密相聯(lián)。開(kāi)設(shè)的目的是使學(xué)生對(duì)常用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的理論、創(chuàng)新思維和技法有深入的了解，對(duì)計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用有較深刻的認(rèn)識(shí)，擴(kuò)大學(xué)生專業(yè)知識(shí)的深度和廣度，提高其創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和理論認(rèn)知能力。課程的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)方法種類多、復(fù)雜抽象、理論性強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)建模、數(shù)值分析、模擬仿真等方面的知識(shí)較多，因此課程安排在最后一學(xué)年，學(xué)生修完了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等大部分專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課。以及工程數(shù)學(xué)、概率論等數(shù)學(xué)課程，有一定的前期知識(shí)的基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中不至于遇到太大的難度，影響學(xué)習(xí)興趣。

課堂教學(xué)中，設(shè)計(jì)方法原理的講解不可避免要涉及到大量數(shù)學(xué)公式，而在實(shí)際應(yīng)用中，只需建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)置參數(shù)、確定條件，求解過(guò)程由計(jì)算機(jī)和軟件來(lái)完成，因此，枯燥的理論學(xué)習(xí)和良好的計(jì)算機(jī)應(yīng)用界面形成了強(qiáng)烈的反差，學(xué)生往往對(duì)上機(jī)應(yīng)用感興趣，而對(duì)理論學(xué)習(xí)缺乏熱情。針對(duì)這一情況，教師應(yīng)積極應(yīng)對(duì)、認(rèn)真思考、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探索在教學(xué)中如何采用適合的教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，使他們既學(xué)習(xí)好現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的理論知識(shí)，又掌握好實(shí)際的應(yīng)用，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)能力的新型人才。以下從教學(xué)方法角度對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

二、教學(xué)方法探討

1精選教材、分析教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，融會(huì)新的科學(xué)理論和科技成果而形成一個(gè)知識(shí)群體，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展到現(xiàn)在已有幾十種設(shè)計(jì)方法。課程教學(xué)大綱計(jì)劃的授課學(xué)時(shí)是有限的，如何讓學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)接觸更多的知識(shí)，在將來(lái)的實(shí)際工作中正確應(yīng)用，是教師在策劃和組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)要首先考慮的問(wèn)題，要根據(jù)現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的特點(diǎn)，學(xué)校所在地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特色，考慮學(xué)生將來(lái)走上工作崗位以后可能遇到的工程實(shí)際問(wèn)題，精心選擇教材，分析教學(xué)內(nèi)容。授課老師也應(yīng)該具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，參加過(guò)多項(xiàng)的科研項(xiàng)目，有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和較多的工程實(shí)際案例，對(duì)于豐富教學(xué)內(nèi)容，增加課堂吸引力，使授課順利進(jìn)行有重要意義。

通過(guò)分析現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法教材，可以把教學(xué)內(nèi)容分成兩大類：一是概念性強(qiáng)的內(nèi)容，如緒論、設(shè)計(jì)方法學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等章節(jié)，主要涉及設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)新思維、空間想象能力的培養(yǎng)；二是理論性強(qiáng)的內(nèi)容，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元法、機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等章節(jié)，主要涉及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法原理的講解，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)、計(jì)算機(jī)算法的建立等。

2針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，靈活采用合適的教學(xué)手段

在教學(xué)中針對(duì)不同類型特點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容，采用不同的教學(xué)方法和手段。在講授概念性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容時(shí)適當(dāng)采用多媒體教學(xué)，使用圖片、動(dòng)畫等講解難以用語(yǔ)言表達(dá)或?qū)W生難以理解的概念、原理，使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)、直觀，便于理解，避免教學(xué)內(nèi)容的單調(diào)枯燥，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在概念設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的虛擬裝配等有關(guān)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的內(nèi)容時(shí)，采用三維設(shè)計(jì)軟件，調(diào)出設(shè)計(jì)實(shí)例，使講解更生動(dòng)、更貼近工程實(shí)際，使學(xué)生印象更深刻，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維有較大幫助。

講解理論性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，要讓學(xué)生理解設(shè)計(jì)方法的原理和解決問(wèn)題的算法，必然涉及大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)?？偨Y(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用板書的教學(xué)效果好于多媒體，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的板書式教學(xué)，推導(dǎo)過(guò)程前后連貫、清晰，信息停留時(shí)間長(zhǎng)、內(nèi)容可以及時(shí)修改等優(yōu)點(diǎn)。在課堂上的公式推導(dǎo)過(guò)程是單調(diào)、枯燥的，為了避免學(xué)生精力不集中，產(chǎn)生厭煩情緒，應(yīng)分步驟詳細(xì)推導(dǎo)，層層設(shè)問(wèn)，逐步求解，注意引導(dǎo)學(xué)生思維，在得到最后結(jié)果時(shí)，要進(jìn)一步講解計(jì)算機(jī)算法的建立，讓學(xué)生理解公式推導(dǎo)的目的是為了以后對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用。

3采用多種教學(xué)方法，注意調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

課堂教學(xué)最忌諱的是：教師灌得多，學(xué)生接受少，學(xué)習(xí)氣氛沉悶。在教學(xué)過(guò)程中要注意啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生積極思維，尤其是難以理解或枯燥的教學(xué)內(nèi)容，更應(yīng)注意調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，只有學(xué)生積極主動(dòng)，才能獲得好的教學(xué)效果，可以從以下幾方面采用多種教學(xué)方法。

(1)添加新的刺激成分。大學(xué)生通常對(duì)一些新事物感興趣，講課時(shí)注意穿插一些工程實(shí)際中的新鮮事物，科技發(fā)展熱點(diǎn)，教師科研項(xiàng)目的進(jìn)展等，增加知識(shí)的新穎度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。適當(dāng)采用多媒體教學(xué)，減少板書，避免冗長(zhǎng)的公式推導(dǎo)，減少理論教學(xué)枯燥感。

(2)采用比較法的教學(xué)方法。將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比教學(xué)，從系統(tǒng)性、社會(huì)性、動(dòng)態(tài)化、最優(yōu)化、創(chuàng)造性等方面講解兩種設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法只能獲得簡(jiǎn)化條件下的近似解，而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法能獲得準(zhǔn)確解和最優(yōu)解，從而認(rèn)識(shí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性，提高學(xué)生設(shè)計(jì)理念的現(xiàn)代意識(shí)。

(3)采用啟發(fā)式教學(xué)方法。啟發(fā)的方式有：采用邏輯推理，討論的方式；典型案例，引導(dǎo)討論的方式等，在教學(xué)過(guò)程中注意啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生積極思維，尤其是在難以理解的設(shè)計(jì)方法原理或枯燥的公式推導(dǎo)過(guò)程，如果平鋪直敘地灌輸式教學(xué)，學(xué)生就會(huì)來(lái)不及理解而容易走神，影響學(xué)習(xí)積極性。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)章節(jié)的教學(xué)中，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)更需要采用案例啟發(fā)，能從想象的事物看到虛擬結(jié)果的，使學(xué)生感興趣的教學(xué)內(nèi)容更能啟發(fā)思維，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)。

(4)采用交互式教學(xué)。與學(xué)生進(jìn)行雙向交流，了解學(xué)生興趣所在和學(xué)習(xí)難點(diǎn)，聽(tīng)學(xué)生談?wù)搶?duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的感受，或就設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用，某一具體的科研項(xiàng)目所需的設(shè)計(jì)方法的選擇和應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行探討，改變教師單方面灌輸?shù)木置妫寣W(xué)生有表達(dá)思想的場(chǎng)所，同時(shí)也給教師一個(gè)了解教學(xué)效果的機(jī)會(huì)。

4注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力

(1)課后作業(yè)和大作業(yè)。實(shí)踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用的重要步驟。在理論課學(xué)習(xí)中，做作業(yè)是學(xué)習(xí)過(guò)程中實(shí)踐環(huán)節(jié)的一個(gè)部分，主要是課后作業(yè)和大作業(yè)，通過(guò)做作業(yè)對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行鞏固和復(fù)習(xí)，加深對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理論的理解，教師通過(guò)批改作業(yè)可以及時(shí)了解學(xué)生是否掌握了課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而及時(shí)對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)精選適量的習(xí)題，確保學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行基本訓(xùn)練，掌握基本內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)章節(jié)安排有一個(gè)大作業(yè)，學(xué)生在課后根據(jù)理論公式和程序框圖，應(yīng)用c語(yǔ)言編寫并調(diào)試計(jì)算機(jī)程序，操作界面和數(shù)據(jù)輸入方式由學(xué)生自主設(shè)計(jì)，計(jì)算過(guò)程由電算程序完成，最后得到題目的最優(yōu)解，通過(guò)大作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用設(shè)計(jì)方法的理論和計(jì)算機(jī)編程的能力，激發(fā)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)的興趣，加深了參數(shù)選擇對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果影響的認(rèn)識(shí)。

(2)工程實(shí)際案例的演示。由于教學(xué)大綱沒(méi)有現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的課程設(shè)計(jì)，加上授課學(xué)時(shí)、學(xué)校教學(xué)條件的局限，設(shè)計(jì)方法的綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)，只能采取課堂演示的方式進(jìn)行教學(xué)。教師將自己以前參加過(guò)的科研項(xiàng)目作為實(shí)例給學(xué)生作演示講解，選用的典型案例是：大型液壓機(jī)的設(shè)計(jì)，機(jī)器工作情況是：壓制頻率高，工作壓制力大，采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。首先進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能分析、概念設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方案的對(duì)比論證，然后應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件如：SolidWorks、Pro-E進(jìn)行零部件的建模，建立裝配結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型；接著要對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，應(yīng)用有限元分析軟件如：ANSYS對(duì)關(guān)鍵零件和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷數(shù)據(jù)輸入、約束條件設(shè)置、建立解算模型，對(duì)立柱進(jìn)行力學(xué)分析、橫梁進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析、主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、進(jìn)行模態(tài)仿真，觀察主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布、振動(dòng)的頻率和振型圖等，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計(jì)算，獲得需要修改的部位和數(shù)據(jù)，以獲得準(zhǔn)確的最優(yōu)解。

通過(guò)這樣一個(gè)綜合性的工程應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生對(duì)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程有一個(gè)全面的了解，獲得大徹大悟的感覺(jué)，原來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)要考慮這么多的問(wèn)題，同時(shí)又有這么多的設(shè)計(jì)方法可以解決，對(duì)比以前采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的課程設(shè)計(jì)(主要是指機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì))，更能領(lǐng)會(huì)到現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性，解決問(wèn)題的準(zhǔn)確性。在后來(lái)帶畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，教師感到學(xué)生有現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，通過(guò)后來(lái)再深入的學(xué)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目完成得非常好，他們將自己設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)在電腦里觀察，簡(jiǎn)直就像是做了一件真的機(jī)械設(shè)備，獲得了極大的成就感和成功的喜悅，收到了非常好的教學(xué)效果。

三、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用有較大反差，理論學(xué)習(xí)內(nèi)容多、公式推導(dǎo)多、枯燥乏味，而實(shí)際應(yīng)用則顯得簡(jiǎn)單直觀，應(yīng)用軟件有友好的用戶界面，結(jié)果顯示清晰明確，原因是計(jì)算機(jī)承擔(dān)了所有的復(fù)雜計(jì)算，使設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程輕松而且有吸引力?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的教材講理論推導(dǎo)的多，而實(shí)際運(yùn)用涉及很少，如果完全按照教科書來(lái)組織教學(xué)，學(xué)生就會(huì)學(xué)得索然無(wú)味，也不知道理論該怎么應(yīng)用，收不到好的教學(xué)效果。因此在教學(xué)中要分析教學(xué)內(nèi)容，采用好的教學(xué)方法和手段，注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，引用工程實(shí)際案例進(jìn)行綜合性應(yīng)用、演示，將抽象的理論轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)際應(yīng)用，使設(shè)計(jì)方法的理論更有說(shuō)服力，學(xué)生更容易理解和接受，學(xué)習(xí)起來(lái)更有興趣，對(duì)提高教學(xué)效果的起到促進(jìn)作用。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，綜合設(shè)計(jì)能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)有重要意義。