現(xiàn)代設計方法課程之教學方法初探

張可維

【摘要】針對現(xiàn)代設計方法課程，列舉了適合機械工程專業(yè)的重點教學內(nèi)容，對教學中存在的困難進行了分析。在參考其他高校教學改革成果的基礎上，結合本校的實際情況，對該課程的教學方法做出了初步探索。

【關鍵詞】現(xiàn)代設計方法 MATLAB編程 機械工程 本科培養(yǎng)

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）06-0232-02

我國高等教育發(fā)展綱要中提出了“優(yōu)化知識結構，豐富社會實踐，強化能力培養(yǎng)”的要求，目的是切實增強高級專門人才的能力。實踐教育，特別是創(chuàng)新性實踐教育是達到這一目的關鍵舉措[1]。長期以來，我國機械工程專業(yè)學生占大學生總數(shù)的比重始終居于前列，這與社會渴求機械類人才的現(xiàn)狀相適應，這種趨勢還將延續(xù)。因此，機械工程專業(yè)的教學改革在高等教育改革中占有重要地位——它直接決定了高校培養(yǎng)的機械專門人才能否適應我國社會主義現(xiàn)代化建設的需要。為了培養(yǎng)具備創(chuàng)新設計能力、基礎扎實、適應面廣的機械專門人才，我國工科院校普遍開設了現(xiàn)代設計方法課程；該課程是一門綜合性課程，可以直接用于創(chuàng)新性實踐教育，一般作為高年級本科生的專業(yè)必修課。由于各個高校具有不同的傳統(tǒng)和特色，因此這門課并沒有統(tǒng)一的教材和教學內(nèi)容。“如何針對本學校的實際情況、讓學生有效地掌握現(xiàn)代設計方法”已經(jīng)成為擺在相關授課教師面前的緊要問題。本文對現(xiàn)代設計方法的課程內(nèi)容、教學困難做出分析，在借鑒其他高校課程改革成果的基礎上，探索適合本校的課程教學方法。

1.現(xiàn)代設計方法課程的內(nèi)容

現(xiàn)代設計方法涉及的內(nèi)容非常廣泛，融合了當代科技的各種先進理念，適用范圍并不局限于機械設計，例如：優(yōu)化設計可以用于各行各業(yè)，有限元方法可以用于流場、電磁場等多種連續(xù)域物理問題。實際上現(xiàn)代設計方法要求學生既要理解通用的數(shù)學模型，又要熟悉本專業(yè)的理論知識，還要會使用專門的軟件工具。下面從機械工程專業(yè)的角度，列舉現(xiàn)代設計方法課程的主要內(nèi)容。

1.1設計方法學

設計方法學是從全局的視角幫助設計人員開發(fā)出高價值的創(chuàng)新產(chǎn)品。它將設計對象視為一個技術系統(tǒng)，將技術系統(tǒng)的總功能分解至功能元，為功能元求解就是尋找實體結構。這樣可以得到多種整體方案，然后從中找到最優(yōu)解。這個過程需要創(chuàng)新思維方法和技法，如頭腦風暴法、組合創(chuàng)新法等。近年來，基于TRIZ理論的創(chuàng)新設計方法開始引入教學。TRIZ又稱萃智，試圖將發(fā)明創(chuàng)造過程流程化，讓人們以查表的方法找到問題解決方案；實踐證明，它確實可以加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。

1.2優(yōu)化設計

優(yōu)化設計（Optimization Design）能幫助設計者從所有方案中選擇出最佳方案。普通設計中，設計人員憑借經(jīng)驗和規(guī)范提出多種設計方案，然后按照一定的評價準則選出得分最高的方案。優(yōu)化設計中，設計者首先需要將工程問題用數(shù)學語言描述成優(yōu)化模型，然后選擇合適的優(yōu)化方法，最后在計算機上搜索設計空間以找到最佳方案。根據(jù)問題的不同復雜程度，有時候只能得到局部最優(yōu)的方案。

如何將工程實際問題用優(yōu)化數(shù)學模型描述出來是教學要點。求解數(shù)學模型可以用MATLAB編程實現(xiàn)。

1.3可靠性設計

可靠性設計（reliability design）認為任何產(chǎn)品都存在失效的可能，設計人員應該保證產(chǎn)品有足夠能力在規(guī)定的時間內(nèi)和給定的條件下，完成規(guī)定功能。這需要學生建立新的觀念：產(chǎn)品的物理屬性不是定值，而是服從某個概率分布的隨機變量。學生還要學會將概率統(tǒng)計理論知識用于零部件的可靠性設計。

1.4有限元方法

有限元方法也稱有限元分析（Finite Element Analysis），它將連續(xù)域問題用多個互聯(lián)的子域問題代替，每個子域問題用節(jié)點變量描述出單元數(shù)學方程，接著組裝成整體數(shù)學方程，最后進行數(shù)值求解。一般要求學生會用ANSYS軟件對零部件的強度進行校核。

1.5其它現(xiàn)代設計方法

計算機輔助設計（Computer Aided Design）已經(jīng)得到普遍應用，這要求學生至少會用一種三維造型軟件，如Pro/E， SolidWorks， CATIA，UG等。機械結構的動力學仿真也是與機械設計緊密相關的內(nèi)容，這需要掌握ADAMS等動力學分析軟件。

2.教學中存在的問題

由于現(xiàn)代設計方法這門學科發(fā)展迅速，內(nèi)容繁多，這給教學帶來了一系列困難，也引發(fā)了諸多教學改革嘗試，體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 缺乏權威定義

一個明確的定義有利于讓學生準確地區(qū)分傳統(tǒng)設計方法與現(xiàn)代設計方法，從而使他們更好地理解課程內(nèi)容?，F(xiàn)有教材將一些先進的設計方法的集合統(tǒng)稱現(xiàn)代設計方法[2， 3]。但是隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，新的設計方法將不斷出現(xiàn)，同時一些以前視為先進的方法逐漸變成常規(guī)方法。這種動態(tài)變化使得現(xiàn)代設計方法目前沒有權威的定義。針對這個問題，有學者提出將“當今時代為產(chǎn)品制造或工程項目完成達成實體化全過程而制定的技術上的方案、圖樣與程序”作為定義[4]；還有學者使用比較教學法從九個方面展現(xiàn)出現(xiàn)代設計方法和傳統(tǒng)設計方法之間的差異。這些工作有益于人們明確對現(xiàn)代設計方法的認識。

2.2 難以全面講解

現(xiàn)代設計方法經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)成為一個內(nèi)容龐雜的理論和方法的體系。有學者列舉了50多種已經(jīng)研究和應用的現(xiàn)代設計方法；有的教材提出八種不同設計方法作為教學內(nèi)容。但是有限的課時是教學內(nèi)容的最大限制；如果以創(chuàng)新實踐教育為目標，那么學生只能掌握很少的設計方法。因此，授課教師只能選擇重要的內(nèi)容進行講解。普遍認為：創(chuàng)新設計思想，優(yōu)化設計，有限元方法，可靠性設計等內(nèi)容是不可或缺的模塊內(nèi)容。

2.3 難以深入講解

現(xiàn)代設計方法的主要教學模塊內(nèi)容十分豐富，大多可以獨立成專門的課程。在有限學時的約束下，教師很難將每個模塊深入講解到學生能夠運用自如的程度。據(jù)稱國外著名大學一般不設立此課程而是分別設置諸如“優(yōu)化設計”、“有限元法”等課程。國內(nèi)有的教學團隊也嘗試建立相關課程體系來解決這個問題[5]。該團隊提出“注重專業(yè)必修課，深化專業(yè)選修課，擴展公共選修課”的思路，著力構建和完善現(xiàn)代設計方法課程體系。具體地說，將現(xiàn)代設計理論及方法作為專業(yè)必修課作為基礎課程，同時開設“優(yōu)化設計”、“有限單元法”等專業(yè)選修課供學生進行深入學習，還設立“ANSYS有限元分析”、“ADAMS動力學分析”等多種公共選修課供學生學習設計工具的使用；此外，還將其它先進的設計方法如“反求工程設計”、“并行設計”等作為公共選修課供學生拓展知識。

3.教學方法初探

本校根據(jù)實際情況安排40學時用于現(xiàn)代設計方法課程。如果以實踐教育為導向，有限的學時不能保質(zhì)保量地完成教學。筆者經(jīng)過初步探索做出如下教學安排：

a）教學內(nèi)容：TRIZ創(chuàng)新設計方法，優(yōu)化設計，有限元分析，可靠性分析，計算機仿真工具原理；

b）教學重點：各種設計方法的基本數(shù)學模型和MATLAB求解。

在這個安排中，實踐教育的重點在于訓練學生針對簡單工程問題進行數(shù)學建模，然后用MATLAB軟件編程求解；對于各種仿真軟件的具體使用不做介紹，但是集中介紹各種仿真軟件原理，并將它們的操作流程與數(shù)學模型的建立與求解過程聯(lián)系起來。

4.結束語

如果以實踐教育為導向，那么教師需要根據(jù)本校的實際情況確定教學重點內(nèi)容，同時還要探索新的教學方法，才能使學生在有限的學時里掌握先進的設計方法、并將其應用在機械產(chǎn)品的設計實踐中。這個探索過程是必要的也將是長期存在的。

參考文獻：

[1]顧秉林，王大中等.高水平學科建設的創(chuàng)新人才培養(yǎng)之路[J].清華大學教育研究，2010，31（1）.

[2]趙松年，佟杰新，盧秀春. 現(xiàn)代設計方法[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2011.

[3]孫靖民. 現(xiàn)代機械設計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.

[4]盧險峰. 現(xiàn)代設計方法的定義及一級分類[J].南昌大學學報，2009，31（1）.

[5]秦勤，吳迪平等. 現(xiàn)代設計方法課程體系建設[J].中國冶金教育，2012（4）.