“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”課程教學(xué)經(jīng)驗探討

閆亮?李新華?羅靜

摘要：從“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”本科教學(xué)的特點談起，結(jié)合教學(xué)體會，從運用比較式教學(xué)、引導(dǎo)式教學(xué)、工程案例教學(xué)法以及多媒體與板書相結(jié)合等多種教學(xué)方法，加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，采用綜合考核制度等方面，對該課程教學(xué)方法進(jìn)行了全面的探討，并進(jìn)一步指出現(xiàn)代設(shè)計理論與方法在畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計理論與方法；教學(xué)方法；實踐教學(xué)；畢業(yè)設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0124-02

“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”是一門多元綜合、新興交叉學(xué)科的課程，它融匯了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的精華，與各相關(guān)學(xué)科緊密聯(lián)系。河南理工大學(xué)把此課程作為機械類專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課，在大三第二學(xué)期開設(shè)此課程。該課程在專業(yè)的體系中起到承前啟后的作用，它緊密聯(lián)系和應(yīng)用先修課程，如高等數(shù)學(xué)、概率與數(shù)理統(tǒng)計、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械設(shè)計、機械原理以及高級程序語言等多方面的知識，并為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)打下先進(jìn)的理念基礎(chǔ)。

該課程講解內(nèi)容包括了系統(tǒng)分析設(shè)計方法、創(chuàng)造性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、有限元分析法以及機械工程CAD基礎(chǔ)等。教材編排上，每一章的內(nèi)容講解一類現(xiàn)代設(shè)計方法，前后章節(jié)相對獨立，一方面使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不至于出現(xiàn)某一章節(jié)掌握不好而影響其他章節(jié)的學(xué)習(xí)，另一方面也使得老師在講解每一章內(nèi)容的時候，教學(xué)方法靈活，針對不同的現(xiàn)代設(shè)計方法的特點采用不同的授課方法。本課程所涉及的設(shè)計方法種類多，部分設(shè)計方法理論性強，公式推導(dǎo)多，枯燥乏味，內(nèi)容抽象，且現(xiàn)代設(shè)計方法的理論學(xué)習(xí)與實際應(yīng)用有較大的反差，如果完全按照教科書來組織教學(xué)，學(xué)生就會學(xué)得索然無味，也不知道理論該怎么應(yīng)用，收不到良好的教學(xué)效果。因此，在教學(xué)中應(yīng)針對不同章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容采用合適的教學(xué)方法，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性以及提高教學(xué)效果起到促進(jìn)的作用。經(jīng)過幾年的課堂教學(xué)實踐探索出以下幾點經(jīng)驗。

一、教學(xué)方法

1.比較式教學(xué)法

人的各種活動都是由一定的動機所引發(fā)的，學(xué)生學(xué)習(xí)也總是為一定的學(xué)習(xí)動機所支配。動機強度大，學(xué)習(xí)積極性高，學(xué)習(xí)的潛能就會得到最好的發(fā)揮，學(xué)習(xí)效率也高。為了使學(xué)生較好地掌握“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”的知識乃至此學(xué)科方面的理論，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)動機至關(guān)重要，第一章“緒論”講授的重點也就在此。為了使學(xué)生們認(rèn)識到本課程的重要性，采用比較式的教學(xué)方法，將現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行對比教學(xué)，從可靠性、高效性、動態(tài)化、最優(yōu)化、創(chuàng)造性等方面講解兩種設(shè)計方法的特點，傳統(tǒng)設(shè)計方法只能獲得簡化條件下的近似解，而現(xiàn)代設(shè)計方法能獲得準(zhǔn)確解和最優(yōu)解，從而認(rèn)識現(xiàn)代設(shè)計方法的先進(jìn)性，提高學(xué)生設(shè)計理念的現(xiàn)代意識?！皟?yōu)化設(shè)計”一章所涉及的優(yōu)化方法種類較多，根據(jù)數(shù)學(xué)模型中設(shè)計變量的個數(shù)以及是否有約束條件，優(yōu)化方法分為一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、有約束優(yōu)化方法三大類，每一類優(yōu)化方法中又包含了不同的優(yōu)化算法。在實際工程中，采用何種優(yōu)化算法，才能簡化計算、提高計算速度及計算穩(wěn)定性等，最終得到滿足精度要求的優(yōu)化解，是學(xué)生們比較關(guān)注，也比較困惑的地方。為此，在講解的過程中應(yīng)針對不同的優(yōu)化算法，列舉其特點，比較不同算法之間的優(yōu)缺點、適用條件、初始點選取規(guī)則等等，根據(jù)每種算法自身的特點去有目的地選取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法。

2.引導(dǎo)式教學(xué)法

在講授過程中，善于提問，引導(dǎo)學(xué)生自己思考，提問后鼓勵學(xué)生回答問題，發(fā)表自己的見解，通過一問一答或只問不答的形式，與學(xué)生之間形成互動，以此激發(fā)學(xué)生強烈的求知欲望，加強學(xué)生的聯(lián)想能力、發(fā)散思維能力以及知識的運用能力。同時，通過提問的形式來提高學(xué)生的集中力和課堂的教學(xué)效果。如“可靠性設(shè)計”一章，講解可靠度的推導(dǎo)公式時，其公式推導(dǎo)過程是單調(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)分步驟地詳細(xì)推導(dǎo)，層層設(shè)問，逐步求解，注意引導(dǎo)學(xué)生思維。

3.工程案例教學(xué)法

實踐是理論的基礎(chǔ)，實踐對理論起決定作用，理論必須與實踐緊密結(jié)合?！艾F(xiàn)代設(shè)計理論與方法”課程本身實踐性較強，離開實踐就如同空中樓閣，就會喪失生命力和可信度。但是該課程的教學(xué)計劃中僅僅開設(shè)了4個學(xué)時的實驗課，其余36學(xué)時為課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，為了彌補實踐環(huán)節(jié)學(xué)時的不足，講授過程中適當(dāng)采用工程案例教學(xué)法，在相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)引入工程實例?！坝嬎銠C輔助設(shè)計”章節(jié)涉及到多種CAD和CAE軟件，如果只講每種軟件的主要功能和特點則比較抽象，可以利用軟件采用案例式教學(xué)法授課，以汽車的核心技術(shù)部件內(nèi)燃機為例，介紹三維Pro/E繪圖軟件、動力學(xué)仿真軟件Adams等的強大功能和特點?！皟?yōu)化設(shè)計”章節(jié)，以學(xué)生們所熟悉的減速器設(shè)計為例進(jìn)行介紹，以此來確定滿足工作條件和強度要求時使減速器的重量最輕的設(shè)計方案。

這些案例開拓了學(xué)生的視野，使學(xué)生了解現(xiàn)代設(shè)計方法如何應(yīng)用于工程實際當(dāng)中，有利于他們體會現(xiàn)代設(shè)計方法的先進(jìn)性和重要性，提高其學(xué)習(xí)的興趣。

4.多媒體資源與板書相結(jié)合

該課程的教學(xué)內(nèi)容分成兩大類：一是概念性強的內(nèi)容；二是理論性強的內(nèi)容。針對不同教學(xué)內(nèi)容的特點，采用不同的教學(xué)方法和手段。講解概念性強的知識時，可適當(dāng)采用圖片、動畫等軟件，借助于多媒體教學(xué)，[1]使教學(xué)內(nèi)容生動直觀，便于理解，避免教學(xué)內(nèi)容的單調(diào)枯燥，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講述“有限元法”進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，用多媒體圖片來顯示工程結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格劃分后的離散模型以及加載求解后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，可以讓學(xué)生更加直觀地理解采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的步驟和求解特點。講解理論性強的教學(xué)內(nèi)容時，要讓學(xué)生理解某一設(shè)計方法的原理和解決問題的算法，必然涉及大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗時發(fā)現(xiàn)，使用板書的教學(xué)效果好于多媒體。因為傳統(tǒng)的板書式教學(xué)，推導(dǎo)過程前后連貫清晰、信息停留時間長、內(nèi)容可以及時修改等優(yōu)點，便于學(xué)生消化吸收。[2]

二、實踐環(huán)節(jié)

1.實驗教學(xué)

在高等工科院校中，實驗教學(xué)在學(xué)生們更好地領(lǐng)會并掌握現(xiàn)代設(shè)計方法在實際工程中的正確應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生基本素質(zhì)和能力等方面具有不可替代的重要作用。為提高教學(xué)效果和質(zhì)量，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，需合理確定實驗教學(xué)的內(nèi)容與形式。該課程主要采用計算機模擬軟件Matlab進(jìn)行實驗。該軟件是美國MathWorks公司于20世紀(jì)80年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件，Matlab優(yōu)化工具箱可以解決線性、非線性最小化及最大化、方程求解、曲線擬合、二次規(guī)劃等問題中的大型課題的求解方法，為優(yōu)化方法在工程中的實際應(yīng)用提供了更方便快捷的途徑。[3]將Matlab軟件引入“現(xiàn)代設(shè)計理論及方法”教學(xué)中，可以通過學(xué)生的上機練習(xí)對所學(xué)知識加深理解，學(xué)會如何運用計算機技術(shù)去解決實際問題，可以大大提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.畢業(yè)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計作為高等學(xué)校培養(yǎng)人才的最后一個綜合性實踐的教學(xué)環(huán)節(jié)，是本科學(xué)生開始從事科學(xué)研究和工程設(shè)計的初步嘗試，是對大學(xué)四年所學(xué)知識和技能的全面體驗，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的理論知識和技能解決本專業(yè)工程問題的重要途徑。畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量是提高教學(xué)水平和學(xué)生創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。傳統(tǒng)的機械畢業(yè)設(shè)計中學(xué)生的大部分精力耗費在零部件的常規(guī)設(shè)計以及繁重的繪圖工作中，對整機全局難以進(jìn)入深入研究，很難獲得最優(yōu)方案。并且在分析計算中，采用靜態(tài)的或近似的方法而不是動態(tài)的精確的方法計算，計算結(jié)果未能反映零部件的真實工作狀態(tài)，影響了設(shè)計的質(zhì)量。對于一些模具和鈑金件這樣的復(fù)雜曲線和曲面，用傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法進(jìn)行表現(xiàn)時，表現(xiàn)能力較差，且二維圖紙繪制比較困難；傳統(tǒng)設(shè)計方案是否可行只能靠理論推導(dǎo)和計算，難以進(jìn)行實際檢驗，使學(xué)生感到畢業(yè)設(shè)計只是“紙上談兵”，失去興趣。[4]近年，筆者在指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計中引導(dǎo)部分學(xué)生在畢業(yè)中運用三維設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、動力學(xué)仿真及有限元計算等方法。例如，在設(shè)計帶式輸送機減速器的高速級齒輪傳動時，采用優(yōu)化設(shè)計方法，使齒輪滿足正常工作條件下兩齒輪的體積最??；在對齒輪的強度進(jìn)行校核時，借助有限元軟件ANSYS完成，這使學(xué)生在設(shè)計中進(jìn)一步深入地掌握了現(xiàn)代設(shè)計方法和手段，開闊了視野，也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計的積極性、主動性，極大地提高了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。

三、采用綜合考核制度

考核是考查一門課程講授效果的一種方式，該門課程是機械類學(xué)生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在考試中采用閉卷的考試方式。了解一個學(xué)生對該門課程的掌握程度，不能僅從卷面成績來判斷。影響學(xué)生卷面成績的因素比較多，比如考前的臨時突擊式復(fù)習(xí)可以取得一個好成績，考生比較粗心，計算容易出錯，導(dǎo)致卷面成績不理想等等，不能由此判定該生對該門課程的掌握程度，該成績也不能反映出學(xué)生的綜合能力。因此，在該課程考核的時候采用卷面成績占70%，實驗成績占10%，作業(yè)占10%，出勤情況占10%，實驗成績由實驗時的表現(xiàn)情況以及完成任務(wù)情況來綜合給定。針對學(xué)生抄襲作業(yè)的現(xiàn)象，采取了以小組為單位完成不同作業(yè)題目的方法，出勤情況的考查主要是針對一些學(xué)生自控能力差，為督促學(xué)生更加自覺學(xué)習(xí)采取的措施。采用考試、實驗、作業(yè)和考勤并重的考核方式，教師的任務(wù)將加重，對任課老師的要求也更高。因此，任課老師一定要加強自身的學(xué)習(xí)，積極參與科研，努力掌握現(xiàn)代設(shè)計方法的新知識和其在工程中的應(yīng)用，以期使自己的教學(xué)在培養(yǎng)本科大學(xué)生的基本素質(zhì)和能力上發(fā)揮更大的能量。

四、結(jié)束語

在信息時代的今天，改革過去灌輸式的教學(xué)模式勢在必行，通過近幾年“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”課程的教學(xué)實踐，深切體會到比較式教學(xué)、引導(dǎo)式教學(xué)法、工程案例教學(xué)法、多媒體資源與板書相結(jié)合以及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性和有效性。教學(xué)改革是一個新的事物，總會出現(xiàn)新的問題，應(yīng)該認(rèn)真分析教學(xué)方法，從自身實踐中改進(jìn)教學(xué)思路，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。在今后的教學(xué)中通過不斷認(rèn)識，不斷實踐，不斷完善，以期獲得一條適合本科生教學(xué)的成功之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅莎，楊洪濤.多媒體教學(xué)在現(xiàn)代教育技術(shù)中的實踐策略[J].科技信息，2011，（12）：117-118.

[2]陳就，王建曉.《現(xiàn)代設(shè)計方法》理論與實踐環(huán)節(jié)教學(xué)探討[J].高教論談，2009，（5）：100-101.

[3]焦麗麗.MATLAB軟件在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].科教文匯，2011，（6）：90-91.

[4]白曉虎，張祖立，辛明金.現(xiàn)代設(shè)計方法在機械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，（9）：25-26.

（責(zé)任編輯：王意琴）