《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程的改革與實(shí)踐

紀(jì)占玲，高勇偉，劉凱安

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程的改革與實(shí)踐

紀(jì)占玲，高勇偉，劉凱安

通過編寫校本教材、改革教學(xué)方法和教學(xué)手段，加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)等推進(jìn)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程改革，構(gòu)建針對培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)用型人才的模塊化課程新體系。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；教材建設(shè)；畢業(yè)設(shè)計(jì)；改革與實(shí)踐

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的限選課程。開設(shè)的目的是通過幾種常用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和其他現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的介紹，拓寬學(xué)生視野，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識，使學(xué)生全面了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法總體情況，掌握常用設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生在工程中的實(shí)際應(yīng)用奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)?！冬F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》是一門綜合性、交叉性的課程，涉及的設(shè)計(jì)方法多、理論性強(qiáng)、復(fù)雜抽象、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多、優(yōu)化方法原理圖和產(chǎn)品造型圖示多、實(shí)踐性強(qiáng)。要學(xué)好該課程需具備矩陣?yán)碚?、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、高級程序語言等多方面的知識及應(yīng)用能力。

一、精選內(nèi)容

該課程內(nèi)容豐富，要在64學(xué)時內(nèi)完成所有內(nèi)容并不現(xiàn)實(shí)。因此，根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中各分支成熟程度、應(yīng)用效果和實(shí)際應(yīng)用的需要，可將重點(diǎn)放在優(yōu)化方法、可靠性設(shè)計(jì)部分。學(xué)生通過這兩部分的學(xué)習(xí)，能夠運(yùn)用這兩種方法解決工程實(shí)際中的一些基本問題。同時為反映現(xiàn)代方法的發(fā)展前沿和趨勢，對機(jī)電產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、遺傳算法、虛擬設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，擴(kuò)大學(xué)生的知識面。而有限元法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、SolidWorks、Pro/E、AutoCAD等內(nèi)容和方法則通過開設(shè)的任選課程來完成。這樣，既突出重點(diǎn)，覆蓋全面，也避免了與其他課程的簡單重復(fù)。建立相互聯(lián)系、相對獨(dú)立的模塊化課程體系，點(diǎn)線面相結(jié)合，使學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計(jì)的知識掌握既有深度又有廣度。

二、教材建設(shè)

教材是教學(xué)思想、教學(xué)模式最主要資源與載體的體現(xiàn)，是專業(yè)建設(shè)的基本內(nèi)容之一。目前，各高校使用的《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》教材各有不足，不能滿足教學(xué)大綱要求。其主要表現(xiàn)為：泛泛介紹各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)不突出。如果僅講解2-3種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，雖然重點(diǎn)突出，但成本較高，不適宜作為教材。沒有具體的工程實(shí)例，學(xué)習(xí)難度大，效果也不好。有的設(shè)計(jì)方法運(yùn)用較少，難以達(dá)到學(xué)以致用。為此，課題組教師結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況，針對社會對機(jī)械專業(yè)人才現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)際需求，編寫適合以機(jī)自專業(yè)為基礎(chǔ)的《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》教材，優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，以必需和易懂的理論作為基礎(chǔ)，以實(shí)用技術(shù)作為重點(diǎn)，并將最新科研成果提煉為教學(xué)案例，將抽象的理論知識融入到具體的工程實(shí)例中，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，對學(xué)生理解現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及其實(shí)際應(yīng)用起到積極作用。教材編寫還注意介紹本學(xué)科及本行業(yè)的新技術(shù)、新動態(tài)，每章最后附有適量的、與課程內(nèi)容緊密結(jié)合的習(xí)題供學(xué)生選做。

三、方法手段

傳統(tǒng)的授課模式主要是教師講、學(xué)生聽和課程測試。學(xué)生通常缺乏直感而索然無味，不清楚所學(xué)理論如何應(yīng)用，主動性得不到激發(fā)，對課程的作用和重要性無從知曉。對此，教師認(rèn)真要分析教學(xué)內(nèi)容，針對其不同特點(diǎn)，采用不同的教學(xué)方法和手段。

講解概念性強(qiáng)的知識，要化抽象難懂為形象具體，變枯燥無味為生動直觀，可適當(dāng)采用圖片、動畫等軟件、多媒體教學(xué)［1］。例如，在講虛擬設(shè)計(jì)的內(nèi)容時，采用虛擬設(shè)計(jì)軟件，調(diào)出工程設(shè)計(jì)實(shí)例，使學(xué)生親身體驗(yàn)虛擬環(huán)境的真實(shí)性和價(jià)值。在機(jī)電產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時，在課件中插入大量的真實(shí)圖片，以此來說明設(shè)計(jì)師如何對產(chǎn)品的諸要素從不同角度作系統(tǒng)綜合處理，設(shè)計(jì)出符合時代要求的產(chǎn)品。在常用軟件章節(jié)中，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(diǎn)則比較抽象，難于理解?？梢岳密浖捎冒咐浇虒W(xué)法授課，選擇液壓油缸為實(shí)例來介紹三維CAD繪圖軟件、有限元軟件、多體動力學(xué)仿真軟件等的強(qiáng)大功能和特點(diǎn)。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不僅可以得到激發(fā)，而且實(shí)踐能力能夠得到提高。

在理論知識講解時，設(shè)計(jì)方法的計(jì)算過程必然需要大量的數(shù)學(xué)公式。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，類似可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容的教學(xué)，板書強(qiáng)于多媒體的教學(xué)的效果。板書使整個計(jì)算過程前后連貫清晰，學(xué)生容易理解，邏輯思維能力和習(xí)慣利于培養(yǎng)。板書信息停留時間長，便于學(xué)生消化吸收［2］。

必要時也可以采用多種教學(xué)手段和方法的結(jié)合。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要講解各種優(yōu)化方法的基本原理、算法步驟和計(jì)算實(shí)例。如果單純按照傳統(tǒng)的板書方式，學(xué)生將會失去興趣。如果在基本原理講解時，使用精心制作的多媒體，以動畫方式展現(xiàn)每種優(yōu)化方法的基本思想，牢牢吸引學(xué)生的注意力，然后板書總結(jié)出算法步驟，再舉實(shí)例加以鞏固，這樣的教學(xué)效果明顯要好于傳統(tǒng)方式。但是，學(xué)生仍然不能親身感受優(yōu)化設(shè)計(jì)的巨大魅力，并且在實(shí)際應(yīng)用中，只需建立由目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量、約束條件三要素構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型，由計(jì)算機(jī)和軟件來完成繁瑣的求解過程，復(fù)雜的計(jì)算過程和簡單的計(jì)算機(jī)操作形成了強(qiáng)烈的反差。舉例后再轉(zhuǎn)換到高級程序語言環(huán)境中，查看程序?qū)υ搶?shí)例的調(diào)試過程和運(yùn)行結(jié)果，使學(xué)生親身感受計(jì)算速度之高，和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果比較，感受結(jié)果之優(yōu)，做到邊學(xué)邊用，一目了然，使設(shè)計(jì)計(jì)算過程輕松而且有吸引力。

四、實(shí)踐環(huán)節(jié)

（一）課程教學(xué)

綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)采用工程實(shí)際案例演示。選用以前自己參與的課題門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)作為典型案例。首先對整個機(jī)械的功能特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行零件的建模、裝配，構(gòu)建結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，接著應(yīng)用動力學(xué)分析軟件ADAMS建立剛性構(gòu)件、施加約束和荷載進(jìn)行動態(tài)仿真、分析，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對關(guān)鍵零部件施加載荷、設(shè)置約束，解算模型，直觀地顯示變形、位移及應(yīng)力、應(yīng)變等，對結(jié)果進(jìn)行分析，最后根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。通過這樣一個綜合性的工程應(yīng)用實(shí)例，學(xué)生了解到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本過程，意識到現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要性，和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，領(lǐng)會現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性［2］。

課后做作業(yè)也是學(xué)習(xí)過程中實(shí)踐環(huán)節(jié)的一個部分。學(xué)生通過做精選的適量習(xí)題，可以鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容，加深基本理論的理解［2］。教師通過批改作業(yè)也可以了解學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握程度，找出錯誤和薄弱環(huán)節(jié)，從而及時地在課堂上指出問題所在。

在高等工科院校中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在更好地領(lǐng)會并掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在實(shí)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［3］，需要安排足夠的實(shí)驗(yàn)時間，但是僅有6學(xué)時。為了節(jié)省上機(jī)時間、提高實(shí)驗(yàn)興趣、保證實(shí)驗(yàn)效果：（1）在指導(dǎo)書中提供了經(jīng)調(diào)試通過的黃金分割法、復(fù)合形法多種計(jì)算機(jī)語言源程序，以便學(xué)生參考或選用。（2）分別提供1個黃金分割法和復(fù)合形法題目及答案，驗(yàn)證程序的正確性。（3）分別提供3-4個黃金分割法和復(fù)合形法題目，進(jìn)行簡單應(yīng)用。（4）提供31個機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，以便學(xué)生選用，使其真正領(lǐng)會并掌握優(yōu)化方法在實(shí)際設(shè)計(jì)中的正確應(yīng)用。

（二）畢業(yè)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)是高等工科院校最重要的一個環(huán)節(jié)，也是持續(xù)時間最長的一個環(huán)節(jié)。在此期間，若能引導(dǎo)學(xué)生使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，對學(xué)生綜合素質(zhì)與工程能力的培養(yǎng)將具有重要和深遠(yuǎn)的意義［4］。

傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)通常存在學(xué)生積極性不高和選題雷同兩大問題。學(xué)生興趣是提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的動力源泉，而興趣來源于生產(chǎn)、生活實(shí)際和新鮮事物。因此，一方面，課題應(yīng)盡可能地貼近生產(chǎn)實(shí)際、生活實(shí)際。另一方面，結(jié)合這些實(shí)際課題，倡導(dǎo)主動實(shí)踐模式，僅給出設(shè)計(jì)范圍，讓學(xué)生自主確定現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)，使每一位學(xué)生都能產(chǎn)生強(qiáng)烈的探索欲望，解決問題的迫切心理要求。

鄭州大方橋梁機(jī)械有限公司是學(xué)校的實(shí)習(xí)基地，與學(xué)校有緊密的科研合作關(guān)系。校企雙方合作完成了架橋機(jī)、鋪軌機(jī)、造橋機(jī)、風(fēng)電吊機(jī)以及特種工程車輛研制等多項(xiàng)科研課題，在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生不但能夠綜合應(yīng)用所學(xué)的各種理論知識和技能進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且能夠熟練掌握1-2種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［5］。通過這些方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用，既提高了學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、增強(qiáng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，也避免了畢業(yè)設(shè)計(jì)選題雷同現(xiàn)象。

（三）課外活動

要求學(xué)生積極聽取一些前沿課題的專題講座和學(xué)術(shù)報(bào)告，鼓勵廣大學(xué)生踴躍參加創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動。通過這些課外科技活動，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的積極性，提高學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法解決實(shí)際問題的綜合能力，開拓知識面，培養(yǎng)創(chuàng)新精神及合作意識，推動現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革。

五、教改效果

經(jīng)過近幾年的建設(shè)與改革，“現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法”課程在內(nèi)容、教材、方法和手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面做了大量的研究，已構(gòu)建了完整合理的課程教學(xué)體系。在機(jī)自專業(yè)2007、2008兩屆共計(jì)500名本科學(xué)生的教學(xué)中，該課程改革已施行。師生反映，新教材內(nèi)容豐富，體系完備，結(jié)構(gòu)清晰。新課程體系調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，由被動接受轉(zhuǎn)變主動學(xué)習(xí)。教學(xué)的每個環(huán)節(jié)都注重理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力得到較大提高。

[1]婁國煥，等.“匯編語言”雙語教學(xué)課程改革與實(shí)踐[J].中國電力教育，2010(22).

[2]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].高教論壇，2009(5).

[3]程令孝，等.物理實(shí)驗(yàn)課程綜合改革的研究與實(shí)踐[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(社科版)，2000(3).

[4]上官林建.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才中的探索與實(shí)踐[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)(社科版)，2005(1).

[5]白曉虎，張祖立，辛明金.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008(9).

G642.0

：A

：1673-1999（2011）04-0191-02

紀(jì)占玲（1979-），女，河南泌陽人，碩士，華北水利水電學(xué)院（河南鄭州450011）機(jī)械學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

2010-12-02

華北水利水電學(xué)院2009年教改項(xiàng)目“《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程體系的改革與實(shí)踐”。