《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》優(yōu)質(zhì)課建設(shè)探討

陳修龍，盛永超，高順

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590）

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》 作為機(jī)械類(lèi)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要作用，一流專業(yè)建設(shè)需要更多優(yōu)質(zhì)課程來(lái)支撐，因此非常有必要建設(shè)同時(shí)具備廣度和深度的優(yōu)質(zhì)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程。

目前，眾多學(xué)者對(duì)課程建設(shè)進(jìn)行了深入研究，如王陽(yáng)俊[1]針對(duì)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程的不足，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、模式和方法等方面進(jìn)行了改革，提高了教學(xué)質(zhì)量。宋磊[2]融合多種教學(xué)方式和教學(xué)資源，在工科專業(yè)優(yōu)質(zhì)課程改革上取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)。王雪蓮[3]對(duì)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)、考核體系等進(jìn)行了改革，提高學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力。王繼榮[4]將多種教學(xué)方法融入《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課堂教學(xué)案例，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和課堂教學(xué)質(zhì)量。何喜玲[5]將對(duì)話式教學(xué)融入《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程改革中，教學(xué)質(zhì)量顯著提高。趙強(qiáng)[6]將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與機(jī)械專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了融合，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

本文根據(jù)一流專業(yè)建設(shè)的要求，對(duì)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)探討了課程目標(biāo)、課程設(shè)計(jì)理念、課程地位和作用、課程結(jié)構(gòu)、課程內(nèi)容、課程教學(xué)方法和手段等內(nèi)容。

1 《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程概述

1.1 課程目標(biāo)

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生全面了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、技術(shù)體系以及基本理念、思路和方法，重點(diǎn)掌握機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)理論，特別是一些應(yīng)用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和有限元法，在理解相關(guān)理論的基礎(chǔ)上著眼于實(shí)際應(yīng)用。另外使學(xué)生掌握一些現(xiàn)代設(shè)計(jì)常用的計(jì)算機(jī)軟件操作和具體使用方法，并將其應(yīng)用于工程實(shí)例中。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)領(lǐng)域，豐富學(xué)生解決問(wèn)題的方式方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)。

1.2 設(shè)計(jì)理念

從工程設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)、 研究生的科研和工作需求出發(fā)進(jìn)行授課，注重理論聯(lián)系實(shí)際。講解機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)理論，并選取成熟、常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，通過(guò)基礎(chǔ)理論的講述，使學(xué)生能夠理解和掌握相關(guān)方法的數(shù)學(xué)本質(zhì)和內(nèi)涵，然后輔之以實(shí)際工程實(shí)例/案例的講解和訓(xùn)練，使學(xué)生更進(jìn)一步掌握這些方法，并學(xué)會(huì)在實(shí)踐中靈活運(yùn)用這些方法和理論去解決問(wèn)題。增加互動(dòng)討論環(huán)節(jié)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的主導(dǎo)性，使用“頭腦風(fēng)暴”來(lái)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，以期在今后的設(shè)計(jì)工作中能靈活運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)造出高品質(zhì)、高競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品。

1.3 課程地位和作用

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》 是一門(mén)新興的多領(lǐng)域相互滲透、融合的學(xué)科，具有發(fā)展速度快、涵蓋面廣的特點(diǎn)。本課程通過(guò)挑選高質(zhì)量案例，豐富課程內(nèi)容，將重點(diǎn)介紹產(chǎn)品設(shè)計(jì)學(xué)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和有限元法這些應(yīng)用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，可為學(xué)生今后從事機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，使其不僅能正確應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法，還能結(jié)合實(shí)際，發(fā)展、創(chuàng)造出新的設(shè)計(jì)方法。

2 課程結(jié)構(gòu)

2.1 知識(shí)構(gòu)成

主要包括典型現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的相關(guān)理論知識(shí)和方法。（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論：包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，產(chǎn)品功能原理設(shè)計(jì)、 實(shí)用化設(shè)計(jì)及商品化設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)及設(shè)計(jì)試驗(yàn)。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)：包括優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)表達(dá)等基礎(chǔ)理論，以及幾種典型優(yōu)化方法的相關(guān)知識(shí)與優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。（3）可靠性設(shè)計(jì)：包括可靠性的量化指標(biāo)、應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型、概率密度函數(shù)的相關(guān)理論、系統(tǒng)可靠度預(yù)測(cè)及分配的相關(guān)知識(shí)等。（4）有限元法：包括基本原理、 有限元分析步驟和方法及相關(guān)軟件(如ANSYS)的使用等相關(guān)知識(shí)。

2.2 能力構(gòu)成

（1）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中，能正確應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的能力。對(duì)于常用的設(shè)計(jì)方法，學(xué)生應(yīng)具有將其應(yīng)用于工程實(shí)際問(wèn)題的能力。例如對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)該具有建立正確的數(shù)學(xué)模型并選擇合理的優(yōu)化方法，最終通過(guò)編程或調(diào)用現(xiàn)成的工具進(jìn)行求解的能力。對(duì)于可靠性方法，應(yīng)具有對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的能力。（2）應(yīng)用各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件處理工程問(wèn)題的能力?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法大都以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，并有不同層次的軟件支撐。因此學(xué)生應(yīng)具備熟練應(yīng)用有限元、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、CAD/CAE 等的相關(guān)軟件，為從事工程設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力支持的能力。（3）具備一定創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。根據(jù)實(shí)際需要，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)產(chǎn)品的功能、原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性、可靠性進(jìn)行校核，從而設(shè)計(jì)出品質(zhì)好、競(jìng)爭(zhēng)力高的優(yōu)秀產(chǎn)品。

2.3 講述內(nèi)容與自修內(nèi)容

機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和有限元法為主要講授內(nèi)容，輔之以相關(guān)軟件應(yīng)用、算例和綜合實(shí)例，使學(xué)生深刻理解這幾種常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。相關(guān)編程語(yǔ)言及部分現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)使用為自學(xué)內(nèi)容。根據(jù)以上安排，課程的講授內(nèi)容占比75%，自修內(nèi)容占比25%。

3 課程內(nèi)容

3.1 課程講授模塊及主要內(nèi)容

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)理論簡(jiǎn)述產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本概念、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)的區(qū)別和聯(lián)系。主要講述產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三大因素（功能、技術(shù)和審美）、產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序及產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題，以及功能原理設(shè)計(jì)、實(shí)用化設(shè)計(jì)、商品化設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)試驗(yàn)（功能原理階段的模型試驗(yàn)、實(shí)用化設(shè)計(jì)階段的樣機(jī)試驗(yàn)、 機(jī)械產(chǎn)品的綜合性能檢測(cè)試驗(yàn)）等內(nèi)容。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)闡述優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)模型以及所用到的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：梯度、凸規(guī)劃、泰勒展開(kāi)、KKT 條件等。講述區(qū)間消去法在一維優(yōu)化問(wèn)題中的應(yīng)用，并講述黃金分割法和二次插值法的具體實(shí)現(xiàn)。講述求解多維無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題的梯度法、 共軛梯度法和鮑威爾法，講述求解多維約束優(yōu)化問(wèn)題常用的懲罰函數(shù)法、隨機(jī)方向法和Nelder-Mead 法，并附以相關(guān)算例。簡(jiǎn)述Matlab、Mathematica 數(shù)學(xué)計(jì)算軟件優(yōu)化函數(shù)庫(kù)的使用以及最優(yōu)化理論在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用。（3）機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)闡述機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本概念和基本理論，重點(diǎn)講述可靠性評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)，如可靠度、失效率、平均壽命等。講述機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)中應(yīng)力--強(qiáng)度干涉模型的含義、 理解可靠性設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的異同、如何用解析法求零件可靠度。講述機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)及可靠性分配，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)等。（4）有限元法闡述有限元的概念及發(fā)展、基本原理、方法、實(shí)用化ANSYS 軟件的使用步驟及工程應(yīng)用案例等內(nèi)容。簡(jiǎn)述一維和二維有限元公式的推導(dǎo)與實(shí)例分析，并簡(jiǎn)要闡述了三維有限元分析，有關(guān)有限元法的工程應(yīng)用是這部分重要內(nèi)容，將ANSYS 講解與實(shí)例介紹相結(jié)合介紹有限元分析的基本步驟。

3.2 擬解決的問(wèn)題

（1）研究生階段現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程學(xué)習(xí)內(nèi)容較多與授課課時(shí)較少的問(wèn)題。優(yōu)化授課內(nèi)容，增加課外學(xué)習(xí)和討論。（2）現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法門(mén)類(lèi)眾多，對(duì)應(yīng)的教材也是多種多樣，因此存在各種方法泛泛介紹、重點(diǎn)不能突出的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際情況，將本課程重點(diǎn)放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和有限元應(yīng)用部分。（3）本課程理論性較強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式、推導(dǎo)很多，容易存在過(guò)于偏重理論學(xué)習(xí)、 死記硬背公式而忽略實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。通過(guò)典型案例進(jìn)行分析，增強(qiáng)研究生分析和處理復(fù)雜問(wèn)題的能力，加深對(duì)本課程的理解。（4）課程學(xué)習(xí)能有效應(yīng)用于科研的問(wèn)題。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)一些具體工程實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)用優(yōu)化方法、有限元等工具進(jìn)行分析，有利于學(xué)生探索科學(xué)規(guī)律并提高科技創(chuàng)新能力。

4 課程主要教學(xué)方法和手段

4.1 主要教學(xué)方法

（1）現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、案例教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、案例教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。例如，帶領(lǐng)學(xué)生到青島東和科技股份有限公司進(jìn)行高速?zèng)_床設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，圍繞青島博世通工業(yè)設(shè)備有限公司機(jī)械手產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例教學(xué)，以爬樓機(jī)器人設(shè)計(jì)為題目開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)等。（2）碰到問(wèn)題實(shí)施引導(dǎo)式教學(xué)，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法教學(xué)中，鼓勵(lì)學(xué)生思考并提出自己的解決方案； 然后逐步引入教材中的解決方案，啟發(fā)學(xué)生求解這些問(wèn)題，從而增強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)和參與意識(shí)。例如，在講到產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序時(shí)讓學(xué)生自己思考如何設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品，具體步驟是什么，通過(guò)啟發(fā)引導(dǎo)最終完成內(nèi)容的講解，取得很好的教學(xué)效果。（3）開(kāi)展課堂辯論與交互式教學(xué)，設(shè)置議題包括：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的區(qū)別，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的關(guān)系等，讓學(xué)生對(duì)議題進(jìn)行自主辯論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，同時(shí)明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。（4）個(gè)性化學(xué)習(xí)與因材施教。教師在教學(xué)過(guò)程中，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生就感興趣的問(wèn)題探討更深層次的問(wèn)題。又如，在教學(xué)設(shè)計(jì)、上機(jī)操作和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在完成基本教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，可以要求對(duì)部分創(chuàng)新性內(nèi)容感興趣的同學(xué)相互之間進(jìn)行深層次探討，發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性優(yōu)勢(shì)，達(dá)到因材施教的目的。同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)較差的學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)，建立學(xué)習(xí)小組，督促學(xué)習(xí)。

4.2 信息化教學(xué)

（1）專家報(bào)告和專業(yè)視頻材料結(jié)合。通過(guò)國(guó)內(nèi)外著名設(shè)計(jì)制造專家的相關(guān)報(bào)告和專業(yè)視頻材料，為學(xué)生呈現(xiàn)國(guó)際上最新的設(shè)計(jì)理論和方法，以及典型的設(shè)計(jì)案例，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。（2）建立網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)平臺(tái)，開(kāi)設(shè)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》網(wǎng)絡(luò)課程，由團(tuán)隊(duì)教師管理，學(xué)生(往屆生) 注冊(cè)后均可通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。（3）建立遠(yuǎn)程交流和指導(dǎo)平臺(tái)，如QQ 群、微信群等，開(kāi)展與學(xué)生的遠(yuǎn)程交流指導(dǎo)。

4.3 創(chuàng)新探索

（1）構(gòu)建創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程構(gòu)架，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，以科研和工程實(shí)踐成果為導(dǎo)向，精選教學(xué)內(nèi)容，突出創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，通過(guò)基本理論教學(xué)、專題講座討論、工程問(wèn)題分析和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)理論與實(shí)際相結(jié)合，多方位解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。（2）探索探究式、 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式和翻轉(zhuǎn)式等多樣化教學(xué)模式和教學(xué)方法，授課力求生動(dòng)形象，富有趣味性和啟發(fā)性，以學(xué)生為主體，通過(guò)組織課堂辯論，專家報(bào)告，專業(yè)視頻材料等，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、潛能和學(xué)習(xí)自主性。（3）先進(jìn)教學(xué)手段的應(yīng)用，借助多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為學(xué)生提供個(gè)性化、情景化的學(xué)習(xí)環(huán)境，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生能夠樂(lè)意學(xué)、主動(dòng)學(xué)。（4）科研、工程實(shí)踐、學(xué)科建設(shè)和科技競(jìng)賽有機(jī)融合，把高水平學(xué)科建設(shè)的優(yōu)秀成果、 工程實(shí)踐成果和教師的科研成果時(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)展現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法前沿專題討論及工程實(shí)例演示，鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展自主專題研究及參加各種科技競(jìng)賽，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力與綜合能力的培養(yǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

積極響應(yīng)教育部“新工科建設(shè)”號(hào)召，進(jìn)行《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程改革，建設(shè)優(yōu)質(zhì)課程。緊跟時(shí)代，從課程本質(zhì)出發(fā)，更深層次理解教學(xué)目標(biāo)和理念，重新定義課程的地位和作用，拓展課程結(jié)構(gòu)，豐富教學(xué)內(nèi)容，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，同時(shí)開(kāi)展多樣化教學(xué)手段，為培養(yǎng)能創(chuàng)新、能實(shí)踐、能獨(dú)立解決復(fù)雜工程問(wèn)題模型的一流設(shè)計(jì)人才提供支撐。