[摘要]“現(xiàn)代設(shè)計方法”是一門工程實用性較強(qiáng)的新興邊緣學(xué)科，目的在于使其成為學(xué)生未來從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的有力工具，提高產(chǎn)品的設(shè)計水平和質(zhì)量，推動人類設(shè)計事業(yè)的進(jìn)步。結(jié)合多年來，在“現(xiàn)代設(shè)計方法”課程教學(xué)中的探索與實踐，從教學(xué)內(nèi)容的確定、教材的選用、軟件平臺的使用方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對實驗教學(xué)、教學(xué)理念、考核方式幾個方面的改進(jìn)進(jìn)行了介紹。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)代設(shè)計方法 優(yōu)化設(shè)計 有限元 教學(xué) Matlab

“現(xiàn)代設(shè)計方法”是一門工程實用性較強(qiáng)的新興邊緣學(xué)科，根本目的在于使它成為學(xué)生未來從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的有力工具，以提高產(chǎn)品的設(shè)計水平和質(zhì)量，推動人類設(shè)計事業(yè)的進(jìn)步。多年來，我們在“現(xiàn)代設(shè)計方法”教學(xué)中不斷探索、實踐。

一、確定教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)代設(shè)計方法是一門種類繁多、知識面廣的學(xué)科群，它由多種設(shè)計方法組成，包括計算機(jī)輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、有限元法、模塊化設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、疲勞強(qiáng)度設(shè)計、并行設(shè)計、綠色設(shè)計、虛擬設(shè)計、反求工程、人機(jī)工程等。由于課時有限，在“現(xiàn)代設(shè)計方法”這門課中，主要介紹理論上比較成熟并已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代設(shè)計計算方法，包括計算機(jī)輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、有限元法和可靠性設(shè)計，學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠運用這四種方法解決工程實際中的一些基本問題。對于其他現(xiàn)代設(shè)計理念和方法，作為前沿知識介紹給學(xué)生，擴(kuò)大學(xué)生的知識面。從教學(xué)內(nèi)容上既突出現(xiàn)代設(shè)計方法的重點，又覆蓋現(xiàn)代設(shè)計方法的全貌。

二、選用教材

要完成以上教學(xué)內(nèi)容，目前沒有一本教材可以完全勝任，必須以一本為主，再輔以其他教材作為參考。由于“現(xiàn)代設(shè)計方法”涉及高數(shù)、物理、線性代數(shù)、概率與數(shù)理統(tǒng)計、力學(xué)等多門學(xué)科內(nèi)容，為了便于基礎(chǔ)差的學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后自學(xué)，選用了西安理工大學(xué)應(yīng)錦春教授主編的全國高等教育自學(xué)考試指定的《現(xiàn)代設(shè)計方法》教材作為主教材，這本教材中主要介紹了計算機(jī)輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、有限元法和可靠性設(shè)計這四種現(xiàn)代設(shè)計方法。由于是自學(xué)考試教材，學(xué)生學(xué)起來有一種通俗易懂的感覺，而且實例豐富，利于學(xué)以致用。對于其他現(xiàn)代設(shè)計理念和方法，參考了盧小平、吳威主編的《現(xiàn)代制造技術(shù)》，黃雨、董遇泰主編的《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論與方法》等教材，并通過網(wǎng)絡(luò)查找更多有關(guān)現(xiàn)代設(shè)計方法的相關(guān)內(nèi)容。在實驗教學(xué)上參考肖偉、劉忠主編的《Matlab程序設(shè)計與應(yīng)用》、宋兆基主編的《Matlab 6.5在科學(xué)計算中的應(yīng)用》，(德)P.I.Kattan著，韓來彬譯的《Matlab有限元分析及應(yīng)用》，自編了實驗指導(dǎo)書。

三、選用優(yōu)秀的軟件平臺——Matlab軟件輔助教學(xué)

1．Matlab軟件的特點

Matlab (Matrix Laboratoy)是由美國Mathworks公司1994年推出的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件，它具有強(qiáng)大的科技計算、圖形處理、可視化、開放式和可擴(kuò)展環(huán)境，特別是所附帶的幾十種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)值分析、信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、通信仿真、工程優(yōu)化、數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計分析等領(lǐng)域，成為目前市場上強(qiáng)有力的工程問題分析計算和程序設(shè)計的桌面工程師系統(tǒng)，是工科大學(xué)生和研究生必須掌握的基本工具。

2．Matlab軟件在“現(xiàn)代設(shè)計方法”課程中的應(yīng)用

在“現(xiàn)代設(shè)計方法”課程中，使用Matlab解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，可以簡化公式的推導(dǎo)和概念的敘述，使學(xué)生既掌握了一門計算機(jī)編程語言，又使學(xué)生進(jìn)一步加深對所學(xué)內(nèi)容的理解；同時，Matlab能方便的將計算結(jié)果用圖形、圖像等來表達(dá)，使得教學(xué)更加生動、形象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在第一章“工程數(shù)據(jù)的計算機(jī)處理”一節(jié)中，利用Matlab軟件的interp1，interp2，interp3和interpn很容易地實現(xiàn)各種維數(shù)的函數(shù)插值，同時利用Matlab的圖形處理函數(shù)如plot，meshgrid，mesh等將插值效果直觀地表達(dá)出來。而對于曲線擬合，利用Matlab函數(shù)，既可以容易地求出擬合曲線，又可以將擬合曲線與原函數(shù)在同一坐標(biāo)系中顯示出來，直觀地表達(dá)擬合曲線與原函數(shù)的符合程度

在第二章“優(yōu)化設(shè)計”中，涉及到高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、矩陣論等數(shù)學(xué)問題，對于工科學(xué)生而言，本門課程不需要他們對優(yōu)化的算法進(jìn)行深入的研究，只要求他們了解和掌握基本概念，每一種算法的特點和應(yīng)用場合，并將這些算法應(yīng)用到解決實際問題中。當(dāng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和約束條件比較復(fù)雜時，計算的工作量很大。利用Matlab軟件提供的最優(yōu)化計算工具箱能很快很好地解決幾乎所有的最優(yōu)化設(shè)計問題。對于二維優(yōu)化設(shè)計問題還可以用圖形將數(shù)學(xué)模型和結(jié)果表示出來，生動、形象，加深學(xué)生對優(yōu)化設(shè)計問題的理解。

第三章“有限元法”，在求單元剛度矩陣、集成總體剛度矩陣，求解平衡方程中，由于涉及到矩陣運算，計算工作量非常大。所以在本章中使用Matlab作為矩陣計算器進(jìn)行有限元分析，除了某些手動操作外，主要使用Matlab解決冗長的矩陣計算問題，強(qiáng)調(diào)有限元方法的步驟。同時使用了《Matlab有限元分析及應(yīng)用》提供的有限元工具箱中的函數(shù)，大大簡化了有限元問題的求解過程，可以將更多的精力放在問題的解決上，在課上可以為學(xué)生提供更多練習(xí)、討論的時間，大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第四章可靠性設(shè)計中，主要是在第四節(jié)“可靠性設(shè)計方法的簡單應(yīng)用”中，利用norminv(1-R)函數(shù)，根據(jù)可靠度R確定聯(lián)結(jié)系數(shù)；利用normcdf(z)函數(shù)根據(jù)聯(lián)結(jié)系數(shù)z確定失效概率F；利用normpdf(z)函數(shù)根據(jù)聯(lián)結(jié)系數(shù)z確定失效率f;利用roots(P)根據(jù)多項式各項系數(shù)向量P求解多項式的根。一方面省去了查表，另一方面可以大大簡化計算。

四、增加實驗內(nèi)容，改進(jìn)實驗平臺

在以往的“現(xiàn)代設(shè)計方法”課程中，只在第一章和第二章各安排2學(xué)時(總學(xué)時為40學(xué)時)的實驗，主要要求學(xué)生利用C語言完成工程數(shù)據(jù)程序化處理、一維搜索、無約束優(yōu)化設(shè)計方法的程序編制、調(diào)試和考核，并用已編好的程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械設(shè)計中的數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化設(shè)計問題。由于實驗學(xué)時數(shù)偏少，學(xué)生在調(diào)試、運行程序時花掉大量時間，導(dǎo)致在規(guī)定的時間內(nèi)無法完成實驗任務(wù)，更不能把理論應(yīng)用于實踐。而對于第三章“有限元法”和第四章“可靠性設(shè)計”，過去只講理論，沒有實驗，學(xué)生無法感受到這些先進(jìn)的設(shè)計方法的巨大“魅力”，反而被繁瑣的公式推導(dǎo)對這些方法產(chǎn)生一種“望而生畏”的感覺。

因此，近年來將Matlab軟件引入教學(xué)課堂的同時，對實驗內(nèi)容和實驗平臺也進(jìn)行了改革?？倢W(xué)時不變，實驗學(xué)時由以前的4學(xué)時增加到12學(xué)時，其中第一章4學(xué)時，第二章4學(xué)時，第三章2學(xué)時，第四章2學(xué)時。實驗內(nèi)容不再要求學(xué)生完成各種程序的編制、調(diào)試，而把重點放在讓學(xué)生掌握各種設(shè)計方法的使用上，培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代設(shè)計方法解決機(jī)械工程問題的能力。實驗平臺由以前的C語言改為現(xiàn)在的Matlab語言。除了第一個實驗是用Visual Basic語言開發(fā)AutoCAD和Solidworks軟件之外，其它5個實驗全部是借助Matlab語言用所學(xué)的現(xiàn)代設(shè)計方法解決難度適中的若干工程實際問題。

五、尊重學(xué)生，形成互動式的教學(xué)理念

尊重學(xué)生就是要確立學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生積極思維，激活學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動精神，形成師生互動式的教學(xué)理念。主要包括以下幾個方面：

1．善于提出問題，揭示矛盾，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望，加強(qiáng)學(xué)生的聯(lián)想能力、發(fā)散思維能力，特別是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。

2．在課堂講授中淡化繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與數(shù)字運算，強(qiáng)化定性分析，突出分析思路與分析方法。使學(xué)生懂得“問題是什么”，“問題的性質(zhì)是什么”，“解決問題的方法是什么”，等。

3．引導(dǎo)學(xué)生自己思考，并得出某些結(jié)論，包括一些重要結(jié)論。正如學(xué)生所說：“老師講得再多、再好都是有限的，而我們自己琢磨出來的知識才是無限的?！?/p>

4．為學(xué)生留出充分的思維空間，改變教師“一言堂”，展開課堂討論。

基于上述教學(xué)理念，在課堂上經(jīng)常鼓勵學(xué)生參與，鼓勵他們積極思維，不要被動思維，更不要拒絕思維；鼓勵學(xué)生回答問題，發(fā)表自己的見解，“說錯了比不說好”。

六、改革考核方式

為了全面評價學(xué)生，一門課的學(xué)習(xí)成績，不能只憑一次考試的成績來決定，而應(yīng)采用多種考查的方式。近年來，我們采用平時成績(50%)+期末考查(50%)相結(jié)合的形式。其中平時成績包括上機(jī)實驗成績(20%)+日常課外作業(yè)成績(20%)+出勤表現(xiàn)(10%)；期末考查包括上機(jī)操作(40%)+大型作業(yè) (10%)。上機(jī)實驗成績由每次上機(jī)時記錄的表現(xiàn)情況和完成任務(wù)情況綜合給定；對學(xué)生中抄襲作業(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，由小組組長給出組員成績作為參考；出勤表現(xiàn)成績是針對我系部分學(xué)生自控能力差，曠課現(xiàn)象嚴(yán)重而采取的措施；期末上機(jī)操作是以閉卷的形式上機(jī)完成實驗指導(dǎo)書中隨機(jī)抽取的一個實驗項目；大型作業(yè)是要求學(xué)生通過查找資料，對目前的各種現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行搜集整理，了解各種現(xiàn)代設(shè)計方法的概念、特點、發(fā)展現(xiàn)狀等。

以上考核方式可以比較全面的考查學(xué)生，使學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計方法有重點掌握，又能全面了解，同時又能督促學(xué)生更加自覺地學(xué)習(xí)。

七、結(jié)論

通過《現(xiàn)代設(shè)計方法》課程教學(xué)的探索與實踐，使學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計方法有所全面了解，掌握了目前比較成熟的現(xiàn)代設(shè)計方法的基本原理與應(yīng)用方法，擴(kuò)充了學(xué)生的知識面，提高了CAD應(yīng)用的綜合技能，培養(yǎng)了學(xué)生靈活運用現(xiàn)代設(shè)計方法解決工程實際問題的能力，為今后從事工程技術(shù)工作、科學(xué)研究以及開拓新技術(shù)領(lǐng)域，打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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(作者單位：河北科技師范學(xué)院)