摘 要：在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程的教學(xué)方法方面進(jìn)行了一些探索，對(duì)教學(xué)內(nèi)容體系進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，采用多媒體教學(xué)和板書教學(xué)結(jié)合的教學(xué)手段，利用MABLAB軟件和ANSYS軟件輔助教學(xué)，采用工程案例教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法，同時(shí)增加以工程項(xiàng)目訓(xùn)練為主的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐表明，這些探索有利于提高現(xiàn)代方法課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法多媒體工程案例教學(xué)法啟發(fā)式教學(xué)法

中圖分類號(hào)：G62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)03(c)-0000-00

1 引言

《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》是工科學(xué)校機(jī)械專業(yè)及近機(jī)類專業(yè)重要的一門綜合性專業(yè)課程，它融匯了當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的精華，與各相關(guān)學(xué)科緊密聯(lián)系?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法主要研究設(shè)計(jì)方法學(xué)的基礎(chǔ)理論以及優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、有限元法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、工程遺傳算法等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，是擴(kuò)大學(xué)生專業(yè)知識(shí)的廣度和深度、提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用實(shí)踐能力的一門重要課程。

課程的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)方法種類多、復(fù)雜抽象、理論性強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)建模、數(shù)值分析、模擬仿真等多方面的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的工程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高；同時(shí)該課程又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，研究的內(nèi)容直接面向工程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，與工程應(yīng)用緊密結(jié)合。因此，在教學(xué)過程中，除講授學(xué)生必須掌握的基本理論外，還要特別注重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。當(dāng)前，由于學(xué)分制的實(shí)施，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法教學(xué)時(shí)數(shù)較少，只有2個(gè)學(xué)分，32個(gè)課時(shí)，要在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生既掌握基本理論又培養(yǎng)其分析和解決實(shí)際問題的能力，對(duì)任課教師來說是一種挑戰(zhàn)。

2 教學(xué)方法探討

2.1 課程內(nèi)容體系的合理安排

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上融會(huì)新的科學(xué)理論和新的科學(xué)技術(shù)成果而形成的，是以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為目標(biāo)的一個(gè)知識(shí)群體的總稱。目前新興的設(shè)計(jì)理論與方法主要包括設(shè)計(jì)方法學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元法等。

通過分析目前新興的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，其主要理論分成兩大類：一是概念性強(qiáng)的內(nèi)容，如設(shè)計(jì)方法學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等，主要涉及設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)新思維、空間想象能力的培養(yǎng)；二是理論性強(qiáng)的內(nèi)容，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、遺傳算法等，主要涉及算法基本原理、算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)等。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心是優(yōu)化設(shè)計(jì)，各種不同的設(shè)計(jì)理論與方法從本質(zhì)上講都是優(yōu)化設(shè)計(jì)思想的具體實(shí)現(xiàn)方法。由于課程教學(xué)大綱計(jì)劃的授課學(xué)時(shí)是有限的，因此必須結(jié)合當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際需求對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容體系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)接觸到較多的實(shí)用知識(shí)。圍繞機(jī)械專業(yè)目前的工程設(shè)計(jì)實(shí)際，課堂講授的主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)方法學(xué)的相關(guān)知識(shí)，主要包括機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般進(jìn)程、設(shè)計(jì)規(guī)律、設(shè)計(jì)思維、工作方法、設(shè)計(jì)工具等；部分機(jī)械工程中常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，主要包括優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、有限元法、可靠性設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。在各部分內(nèi)容講授過程中，以優(yōu)化思想為主線，注意結(jié)合工程實(shí)例時(shí)刻提及該方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使學(xué)生既學(xué)習(xí)了基本理論又能使學(xué)生了解所學(xué)內(nèi)容的工程應(yīng)用，從而提高課堂教學(xué)效果。

2.2 多媒體教學(xué)與板書教學(xué)結(jié)合

課程中部分內(nèi)容理論性較強(qiáng)，內(nèi)容又較為抽象，同時(shí)對(duì)于課程的整體理解又具有重要作用，此時(shí)宜采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)。例如優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，既是學(xué)生學(xué)習(xí)古典優(yōu)化方法時(shí)的重要內(nèi)容，也是學(xué)生建立優(yōu)化設(shè)計(jì)思想的重要基礎(chǔ)，是需要重點(diǎn)講解的一部分內(nèi)容。在由工程實(shí)例引入優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型后，求解該數(shù)學(xué)模型就需要用到古典典優(yōu)化理論，這時(shí)需要采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)，可以利用板書教學(xué)內(nèi)容停留時(shí)間長(zhǎng)，邏輯推理清楚、學(xué)生便于理解和掌握的優(yōu)點(diǎn)，提高此部分內(nèi)容的課堂教學(xué)效果。其它如可靠性設(shè)計(jì)及有限元法等相關(guān)的部分內(nèi)容也適宜部分采用板書教學(xué)的方式。

對(duì)于課程中與工程實(shí)際聯(lián)系緊密的部分內(nèi)容宜采用多媒體教學(xué)，這有利于發(fā)揮多媒體教學(xué)信息量大，且可以對(duì)大量實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行動(dòng)畫顯示等優(yōu)點(diǎn)。例如，在講述采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可以利用多媒體圖片來顯示工程結(jié)構(gòu)采用進(jìn)行網(wǎng)格剖分后的結(jié)構(gòu)離散模型和加載求解后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，可以讓學(xué)生直觀地理解采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的步驟和求解特點(diǎn)。在講述遺傳算法時(shí)，可以利用多媒體圖片來顯示隨著遺傳算法的進(jìn)行，每一代群體的平均適應(yīng)度及最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度的變化規(guī)律，從而使學(xué)生更直觀地理解遺傳算法中群體的進(jìn)化過程。

2.3 工程案例教學(xué)法

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的部分設(shè)計(jì)方法，理論性較強(qiáng)且難度大，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元法、機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等。在課堂講授時(shí)，如不結(jié)合工程案例，則易使教學(xué)過程單調(diào)枯燥，學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，從而降低課堂教學(xué)效果。因此，在講授過程中需要采用工程案例教學(xué)法，將合適的工程實(shí)例引入教學(xué)，由于工程案例引出相關(guān)理論內(nèi)容，這有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果。

如在講述優(yōu)化設(shè)計(jì)中的約束優(yōu)化時(shí)，以學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)課程時(shí)所做的減速器課程設(shè)計(jì)為例，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)思路是：先依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定好關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，然后依據(jù)減速器的工作條件和強(qiáng)度要求進(jìn)行校核，以確定已選定的設(shè)計(jì)參數(shù)是否合適，若不合適，則再修改設(shè)計(jì)參數(shù)，重新進(jìn)行校核，最后確定一個(gè)滿足工作條件和強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)設(shè)計(jì)過程并未考慮最終得到的減速器設(shè)計(jì)方案是否是滿足工作條件和強(qiáng)度要求的重量最輕、造價(jià)最省的設(shè)計(jì)方案。那么，如何來確定滿足工作條件和強(qiáng)度要求的重量最輕的設(shè)計(jì)方案？在提出此問題后，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行求解：先確定減速器體積的表達(dá)式，以此作為目標(biāo)函數(shù)，并選擇表達(dá)式中的關(guān)鍵參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，以工作條件和強(qiáng)度要求作為約束條件，將實(shí)際的減速器設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為在滿足約束條件下對(duì)目標(biāo)函數(shù)求最優(yōu)解的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，求解此數(shù)學(xué)模型，即可以確定滿足工作條件和強(qiáng)度要求的最優(yōu)的減速器設(shè)計(jì)方案。通過這個(gè)實(shí)例，學(xué)生既了解了如何將實(shí)際工程問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，又激發(fā)了學(xué)生求解此數(shù)學(xué)模型的興趣。然后，在此優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上向?qū)W生講解如何來求解這一約束優(yōu)化的問題，即向?qū)W生講解約束優(yōu)化問題的一般求解方法。

2.4 啟發(fā)式教學(xué)

在課堂教學(xué)中，應(yīng)盡量避免填鴨式教育，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，將要解決的問題分解成一個(gè)個(gè)相互聯(lián)系的子問題，通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識(shí)去主動(dòng)進(jìn)行理論分析和解決實(shí)際問題。

例如，在講述可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容時(shí)，筆者在這里舉了一個(gè)起重機(jī)鋼絲繩可靠性的例子，通過設(shè)計(jì)問題的形式讓學(xué)生自己去理解可靠性的內(nèi)容。假定起重機(jī)鋼絲繩工作時(shí)橫截面上的應(yīng)力小于鋼絲繩所用材料的許用應(yīng)力，按傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，此時(shí)鋼絲繩的強(qiáng)度是安全的，而實(shí)際上起重機(jī)鋼絲繩的可靠度是否是100%即鋼絲繩是否絕對(duì)安全？很明顯，學(xué)生也知道鋼絲繩并不是絕對(duì)安全，那安全的概率是多少？假定鋼絲繩所受荷載和鋼絲繩材料的許用應(yīng)力均是符合正態(tài)分布的隨機(jī)變量，通過向?qū)W生介紹應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，讓學(xué)生自己去推導(dǎo)鋼絲繩的可靠度。通過對(duì)這個(gè)實(shí)例的思考和分析，學(xué)生體會(huì)到機(jī)械工程中的物理量都是隨機(jī)變量，初步建立了可靠性設(shè)計(jì)的概念，了解了傳統(tǒng)的安全系數(shù)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別與聯(lián)系，同時(shí)也掌握了可靠性設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。

教學(xué)實(shí)踐表明，啟發(fā)式教學(xué)法使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了明顯提高，其學(xué)習(xí)積極性也得到了充分發(fā)揮。學(xué)生樂于在教師的引導(dǎo)下通過自學(xué)去一步步解決實(shí)際問題，他們的自學(xué)能力及分析和解決實(shí)際問題的能力在這一過程中都得到較大程度的提高。

2.5 MATLAB軟件及ANSYS軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法作為一門與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密的課程，各種設(shè)計(jì)方法隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷完善。學(xué)生在理解理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)于實(shí)際解決問題時(shí)所用的計(jì)算機(jī)軟件工具也必須有相當(dāng)程度的了解。筆者在教學(xué)中，采用了工程中廣泛應(yīng)用的MATLAB軟件及ANSYS軟件作為課堂教學(xué)的輔助工具。

例如，在講述遺傳算法時(shí)，針對(duì)工程實(shí)際問題，在建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型后，除可以采用一般的計(jì)算機(jī)語言如C語言或MATLAB來編制遺傳算法優(yōu)化程序進(jìn)行求解之外，還可采用MATLAB軟件的gaot遺傳算法優(yōu)化工具箱，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，輸入目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)，從而得到問題的最優(yōu)解。

在講述有限元法的內(nèi)容時(shí)，除講述有限元法基本理論外，還向?qū)W生介紹了工程中常用的ANSYS有限元分析軟件。通過對(duì)一些典型結(jié)構(gòu)分析實(shí)例的學(xué)習(xí)，學(xué)生熟悉了利用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的求解過程，解決工程實(shí)際問題的能力也得到了提高。

通過這些輔助軟件的應(yīng)用，學(xué)生既學(xué)習(xí)了基本理論，又掌握了利用軟件來解決工程實(shí)際問題的方法，從而提高了課堂教學(xué)效果。

2.6 增加實(shí)踐環(huán)節(jié)改進(jìn)

在課程基本內(nèi)容講授完后，向?qū)W生布置大作業(yè)，這些作業(yè)都是面向工程應(yīng)用的實(shí)際問題，要求學(xué)生利用所學(xué)的理論去解決。例如，在課程學(xué)習(xí)基本完成之后，向部分學(xué)生布置了一道對(duì)減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的大作業(yè)，讓學(xué)生自己選用合適的優(yōu)化方法，對(duì)其在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。部分同學(xué)采用了古典優(yōu)化算法，自己采用MATLAB語言來編制優(yōu)化設(shè)計(jì)程序；部分同學(xué)采用了有限元法建立了減速器的結(jié)構(gòu)分析模型并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；部分同學(xué)采用了遺傳算法并編制了優(yōu)化程序。通過這些動(dòng)手項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生除了能夠有效復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)內(nèi)容之外，還能夠培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問題的能力，而這些鍛煉對(duì)于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程技術(shù)應(yīng)用人才無疑具有重要作用。

3 結(jié)語

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法作為一門課時(shí)較少且有較大難度的重要專業(yè)課，對(duì)于任課教師如何在有限的時(shí)間內(nèi)達(dá)到既能完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容又能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力提出了挑戰(zhàn)。筆者根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)踐，在該課程的教學(xué)內(nèi)容安排上選取以機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)思想為主的知識(shí)單元，在教學(xué)方法上采用了工程案例教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法，并增加了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)踐表明，這些措施明顯提高了該課程的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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