現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法教學(xué)方法改革研究

張洪麗 周淑霞

摘 要 根據(jù)新的人才培養(yǎng)模式及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段和方法，采用多媒體課件演示與實(shí)際操作及訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)方法對課程內(nèi)容進(jìn)行講解。利用探究式研討教學(xué)方法，將采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)完成的減速器設(shè)計(jì)貫穿于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的整個(gè)教學(xué)過程，在學(xué)習(xí)基本理論的同時(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生對新知識的熟知感，利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)積極性。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 改革 探究式教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程是我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)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，涵蓋了基礎(chǔ)學(xué)科、計(jì)算機(jī)及機(jī)械學(xué)科的大部分內(nèi)容，與各相關(guān)學(xué)科緊密相聯(lián)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)方法種類繁多、理論性很強(qiáng)，部分基礎(chǔ)理論知識復(fù)雜且抽象，涉及到高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、機(jī)械制圖、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值分析、

美學(xué)法則等基礎(chǔ)及專業(yè)知識。①②根據(jù)本課程內(nèi)容的特點(diǎn)，如果單純運(yùn)用板書教學(xué)方法，學(xué)生會(huì)感到枯燥乏味，失去學(xué)習(xí)的興趣；多媒體教學(xué)雖然具有傳遞的信息量大、生動(dòng)、形象直觀及便于理解的優(yōu)點(diǎn)，但是仍不能使學(xué)生親身感觸到現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的顯著優(yōu)勢。因而，有必要對現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的教學(xué)方法和手段進(jìn)行全方位的改革，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法解決實(shí)際工程問題的能力。

1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法內(nèi)容簡介

（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD。主要講述現(xiàn)代CAD技術(shù)的內(nèi)涵及主要研究內(nèi)容；工程數(shù)據(jù)處理方法；計(jì)算機(jī)繪圖基本原理及機(jī)械工程圖的繪制。（2）計(jì)算機(jī)輔助工程CAE。主要講述在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中，對產(chǎn)品及其重要零部件進(jìn)行力學(xué)分析及優(yōu)化分析計(jì)算的有限元法。（3）機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要講述借助于最優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法在計(jì)算機(jī)上尋求工程最優(yōu)方案的數(shù)值解法。（4）可靠性設(shè)計(jì)。主要講述產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)及量值，對可靠性指標(biāo)進(jìn)行合理的分配，再把規(guī)定的可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去。

2 教學(xué)方法及手段改革探索

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理論內(nèi)容的整個(gè)教學(xué)過程以多媒體課件教學(xué)為主線，板書教學(xué)為輔助手段進(jìn)行。每一獨(dú)立授課環(huán)節(jié)的多媒體課件都是根據(jù)授課內(nèi)容的具體特點(diǎn)采用不同表現(xiàn)形式進(jìn)行制作，③并附之與講解內(nèi)容相關(guān)的成功案例。例如理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，多媒體課件的制作為綱領(lǐng)性的，具體內(nèi)容講解以板書為主，將所用到具體基礎(chǔ)學(xué)科知識依據(jù)學(xué)生所用教材給予提示，具體到章節(jié)；實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容，以實(shí)際應(yīng)用案例為導(dǎo)向，實(shí)施啟發(fā)性教學(xué)，④使現(xiàn)代設(shè)計(jì)概念先入為主，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。為使學(xué)生能夠充分理解消化所學(xué)知識，根據(jù)授課進(jìn)度安排上機(jī)訓(xùn)練。利用比較教學(xué)法，將傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的減速器關(guān)鍵部件及整體模型用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段進(jìn)行重現(xiàn)，比較二者的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD階段

（1）工程數(shù)據(jù)處理。播放精選的相關(guān)視頻資料，使學(xué)生體會(huì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中查詢工程數(shù)據(jù)的不同手段和方法，從而理解對傳統(tǒng)紙質(zhì)記載的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的必要性。選用機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中所用到的典型數(shù)表和線圖，根據(jù)其不同特點(diǎn)采用不同方法進(jìn)行工程數(shù)據(jù)處理，常用方法是程序化和建立工程數(shù)據(jù)庫。課后安排上機(jī)練習(xí)，主要熟悉工程數(shù)據(jù)的各種處理方法。建議學(xué)生自由選擇機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)過程中曾用過的數(shù)表或線圖進(jìn)行處理，同學(xué)之間最好不要重復(fù)，以盡可能多地處理工程數(shù)據(jù)。所有結(jié)果留待后續(xù)設(shè)計(jì)使用。（2）關(guān)鍵零部件的三維模型建立。結(jié)合工程應(yīng)用軟件Solidworks講述不同的產(chǎn)品建模方法，重點(diǎn)講述特征建模方法。上機(jī)練習(xí)時(shí)，同學(xué)們分成幾個(gè)小組，嘗試采用調(diào)用程序或檢索數(shù)據(jù)庫的方法進(jìn)行齒輪和軸的幾何尺寸設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)處理結(jié)果的不合理及不正確性并進(jìn)行修改。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助工程CAE階段

有限元基本理論部分涉及大量高等數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，知識點(diǎn)比較分散、零碎，學(xué)生聽課時(shí)感覺枯燥、乏味，不感興趣，不利于集中注意力。因而，該部分內(nèi)容的講解主要注重關(guān)鍵問題的處理方法，對于繁瑣的公式推導(dǎo)僅給予簡單的處理說明，并給出具體參考資料讓學(xué)生課下參閱。本章內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析及后續(xù)結(jié)果處理。每一個(gè)知識環(huán)節(jié)講解完畢，通過上機(jī)訓(xùn)練，利用Ansys軟件進(jìn)行演示，將理論知識與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。

上機(jī)練習(xí)課時(shí)，學(xué)生練習(xí)使用Ansys應(yīng)用軟件，將設(shè)計(jì)過的齒輪和軸等減速器的關(guān)鍵零部件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變及變形分析。

2.3 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)階段

傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為保證產(chǎn)品能滿足使用及壽命要求，關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和選用會(huì)在強(qiáng)度、剛度和壽命等方面有冗余，最終導(dǎo)致產(chǎn)品整體尺寸大，體積重，從而造成材料浪費(fèi)。采用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想可以使產(chǎn)品在滿足使用要求的同時(shí)，具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸，從而減小產(chǎn)品總體額尺寸、降低產(chǎn)品的重量，達(dá)到節(jié)省使用空間、節(jié)約材料和降低產(chǎn)品成本的目的。

結(jié)合實(shí)例講解優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立、最優(yōu)化求解方法的選擇及問題的求解步驟。通過上機(jī)練習(xí)，采用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)斜齒輪減速器的關(guān)鍵零部件，并以減速器中心距最小為目標(biāo)，進(jìn)行減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4 可靠性設(shè)計(jì)階段

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為消除產(chǎn)品可能存在的潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，防止產(chǎn)品使用過程中發(fā)生故障，采用可靠性設(shè)計(jì)知識進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以確保產(chǎn)品滿足規(guī)定的固有可靠性要求?？煽啃栽O(shè)計(jì)是可靠性工程的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品固有可靠性要求的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是在可靠性分析的基礎(chǔ)上通過制定和貫徹可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)的。

講解可靠性的相關(guān)知識，結(jié)合實(shí)例講解可靠性模型的建立，使學(xué)生掌握把規(guī)的可靠性指標(biāo)值直接設(shè)計(jì)到零件中去，使它們能夠保證可靠性指標(biāo)值的實(shí)現(xiàn)。

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)

常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)方法是依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式為先導(dǎo)，以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用圖表和手冊等技術(shù)資料，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和編寫設(shè)計(jì)說明的過程。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)以計(jì)算機(jī)為工具，以工程軟件為基礎(chǔ)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念進(jìn)行的機(jī)械設(shè)計(jì)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)知識，進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思、設(shè)計(jì)出具有新穎性、創(chuàng)造性及實(shí)用性機(jī)械產(chǎn)品的一種實(shí)踐活動(dòng)。

在講授現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，使學(xué)生了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段和技術(shù)的發(fā)展使產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程更方便、快捷、高效，但常規(guī)設(shè)計(jì)仍然是最基本的設(shè)計(jì)方法，是機(jī)械設(shè)計(jì)課程的根本內(nèi)容。關(guān)鍵是要能夠?qū)⑺鶎W(xué)習(xí)的新手段、新方法應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。結(jié)合大學(xué)生學(xué)術(shù)科技活動(dòng)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

4 結(jié)論

針對不同類型的知識采用不同的授課方法，多媒體演示與實(shí)際操作及訓(xùn)練相結(jié)合，具體內(nèi)容講解過程中，穿插實(shí)際應(yīng)用案例，采用探究式教學(xué)方法進(jìn)行講解。將采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)完成的減速器設(shè)計(jì)貫穿于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的整個(gè)教學(xué)過程，在學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)基本理論的同時(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用訓(xùn)練。在熟知的減速器設(shè)計(jì)過程中，使學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論、思想、手段和方法有所掌握，增強(qiáng)學(xué)生對新知識的渴求，利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、提高學(xué)習(xí)積極性及能動(dòng)性。

中國交通教育研究會(huì)項(xiàng)目：交教研1202-78；山東交通學(xué)院教育研究課題與教學(xué)改革資助項(xiàng)目

注釋

① 鐘志華，周彥偉.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2007.

② 曹金榜.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與機(jī)械產(chǎn)品[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

③ 陳就，汪建曉.《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)探討[J].教書育人（高教論壇），2009（5）：100-101.

④ 李英霞，焦建軍.基于開放教育的探究式教學(xué)模式實(shí)踐[J].前沿，2012（4）：184-186.