《现代设计方法》理论与实践环节教学探讨

陈　就　汪建晓

一、前言

《现代设计方法》是机械类专业本科生的一门专业限选课，是一门综合性课程，它融汇了当今科学技术的精华，与各相关学科紧密相联。开设的目的是使学生对常用现代设计方法的理论、创新思维和技法有深入的了解，对计算机在设计领域中的应用有较深刻的认识，扩大学生专业知识的深度和广度，提高其创新设计能力和理论认知能力。课程的特点是设计方法种类多、复杂抽象、理论性强，涉及数学建模、数值分析、模拟仿真等方面的知识较多，因此课程安排在最后一学年，学生修完了机械原理、机械设计等大部分专业基础课和专业课。以及工程数学、概率论等数学课程，有一定的前期知识的基础，在学习过程中不至于遇到太大的难度，影响学习兴趣。

课堂教学中，设计方法原理的讲解不可避免要涉及到大量数学公式，而在实际应用中，只需建立数学模型、设置参数、确定条件，求解过程由计算机和软件来完成，因此，枯燥的理论学习和良好的计算机应用界面形成了强烈的反差，学生往往对上机应用感兴趣，而对理论学习缺乏热情。针对这一情况，教师应积极应对、认真思考、总结经验，探索在教学中如何采用适合的教学方法，提高学生学习积极性，使他们既学习好现代设计方法的理论知识，又掌握好实际的应用，培养具有创新能力、综合设计能力的新型人才。以下从教学方法角度对这一问题进行探讨。

二、教学方法探讨

1精选教材、分析教学内容

现代设计方法是在继承和发展传统设计方法的基础上，融会新的科学理论和科技成果而形成一个知识群体，经过三十多年的发展到现在已有几十种设计方法。课程教学大纲计划的授课学时是有限的，如何让学生在规定的学时内接触更多的知识，在将来的实际工作中正确应用，是教师在策划和组织教学内容时要首先考虑的问题，要根据现代机电产品的特点，学校所在地方经济发展的特色，考虑学生将来走上工作岗位以后可能遇到的工程实际问题，精心选择教材，分析教学内容。授课老师也应该具有扎实的理论基础，参加过多项的科研项目，有丰富的实践经验和较多的工程实际案例，对于丰富教学内容，增加课堂吸引力，使授课顺利进行有重要意义。

通过分析现代设计方法教材，可以把教学内容分成两大类：一是概念性强的内容，如绪论、设计方法学、创新设计、计算机辅助设计等章节，主要涉及设计理念、创新思维、空间想象能力的培养；二是理论性强的内容，如优化设计、可靠性设计、有限元法、机械动态设计等章节，主要涉及现代设计方法原理的讲解，数学公式推导、计算机算法的建立等。

2针对教学内容的特点，灵活采用合适的教学手段

在教学中针对不同类型特点的教学内容，采用不同的教学方法和手段。在讲授概念性强的教学内容时适当采用多媒体教学，使用图片、动画等讲解难以用语言表达或学生难以理解的概念、原理，使教学内容生动、直观，便于理解，避免教学内容的单调枯燥，提高学生学习兴趣。在概念设计、虚拟设计、机械结构的虚拟装配等有关计算机辅助设计的内容时，采用三维设计软件，调出设计实例，使讲解更生动、更贴近工程实际，使学生印象更深刻，对于培养学生的创新思维有较大帮助。

讲解理论性强的教学内容时，要让学生理解设计方法的原理和解决问题的算法，必然涉及大量的数学公式推导。总结教学经验时发现，使用板书的教学效果好于多媒体，因为传统的板书式教学，推导过程前后连贯、清晰，信息停留时间长、内容可以及时修改等优点。在课堂上的公式推导过程是单调、枯燥的，为了避免学生精力不集中，产生厌烦情绪，应分步骤详细推导，层层设问，逐步求解，注意引导学生思维，在得到最后结果时，要进一步讲解计算机算法的建立，让学生理解公式推导的目的是为了以后对实际项目的应用。

3采用多种教学方法，注意调动学生的学习积极性

课堂教学最忌讳的是：教师灌得多，学生接受少，学习气氛沉闷。在教学过程中要注意启发和引导学生积极思维，尤其是难以理解或枯燥的教学内容，更应注意调动学生学习的积极性和主动性，只有学生积极主动，才能获得好的教学效果，可以从以下几方面采用多种教学方法。

(1)添加新的刺激成分。大学生通常对一些新事物感兴趣，讲课时注意穿插一些工程实际中的新鲜事物，科技发展热点，教师科研项目的进展等，增加知识的新颖度，提高学生的学习兴趣。适当采用多媒体教学，减少板书，避免冗长的公式推导，减少理论教学枯燥感。

(2)采用比较法的教学方法。将现代设计方法与传统设计方法进行对比教学，从系统性、社会性、动态化、最优化、创造性等方面讲解两种设计方法的特点，传统设计方法只能获得简化条件下的近似解，而现代设计方法能获得准确解和最优解，从而认识现代设计方法的先进性，提高学生设计理念的现代意识。

(3)采用启发式教学方法。启发的方式有：采用逻辑推理，讨论的方式；典型案例，引导讨论的方式等，在教学过程中注意启发和引导学生积极思维，尤其是在难以理解的设计方法原理或枯燥的公式推导过程，如果平铺直叙地灌输式教学，学生就会来不及理解而容易走神，影响学习积极性。在创新设计章节的教学中，创新思维的培养更需要采用案例启发，能从想象的事物看到虚拟结果的，使学生感兴趣的教学内容更能启发思维，培养他们的创新意识。

(4)采用交互式教学。与学生进行双向交流，了解学生兴趣所在和学习难点，听学生谈论对现代设计方法的感受，或就设计方法的发展趋势和应用，某一具体的科研项目所需的设计方法的选择和应用等内容进行探讨，改变教师单方面灌输的局面，让学生有表达思想的场所，同时也给教师一个了解教学效果的机会。

4注重实践环节，培养设计能力

(1)课后作业和大作业。实践环节是培养学生的动手能力和现代设计方法的应用的重要步骤。在理论课学习中，做作业是学习过程中实践环节的一个部分，主要是课后作业和大作业，通过做作业对课堂所学内容进行巩固和复习，加深对现代设计方法理论的理解，教师通过批改作业可以及时了解学生是否掌握了课堂学习内容，从而及时对教学方法进行调整。通过精选适量的习题，确保学生对所学知识进行基本训练，掌握基本内容和知识点。

在优化设计章节安排有一个大作业，学生在课后根据理论公式和程序框图，应用c语言编写并调试计算机程序，操作界面和数据输入方式由学生自主设计，计算过程由电算程序完成，最后得到题目的最优解，通过大作业培养学生独立运用设计方法的理论和计算机编程的能力，激发学生应用计算机的兴趣，加深了参数选择对设计结果影响的认识。

(2)工程实际案例的演示。由于教学大纲没有现代设计方法的课程设计，加上授课学时、学校教学条件的局限，设计方法的综合应用环节，只能采取课堂演示的方式进行教学。教师将自己以前参加过的科研项目作为实例给学生作演示讲解，选用的典型案例是：大型液压机的设计，机器工作情况是：压制频率高，工作压制力大，采用液压驱动方式。首先进行机械结构的功能分析、概念设计、设计方案的对比论证，然后应用三维设计软件如：SolidWorks、Pro-E进行零部件的建模，建立装配结构的实体模型；接着要对虚拟样机进行分析评价，应用有限元分析软件如：ANSYS对关键零件和主体结构进行载荷数据输入、约束条件设置、建立解算模型，对立柱进行力学分析、横梁进行疲劳强度分析、主体结构进行动态分析、进行模态仿真，观察主体结构的应力、应变分布、振动的频率和振型图等，最后进行结构优化分析计算，获得需要修改的部位和数据，以获得准确的最优解。

通过这样一个综合性的工程应用实例，使学生对机电产品设计的过程有一个全面的了解，获得大彻大悟的感觉，原来机械设计要考虑这么多的问题，同时又有这么多的设计方法可以解决，对比以前采用传统设计方法的课程设计(主要是指机械原理、机械设计课程设计)，更能领会到现代设计方法的先进性，解决问题的准确性。在后来带毕业设计时，教师感到学生有现代设计方法的学习基础，通过后来再深入的学习，毕业设计项目完成得非常好，他们将自己设计的机械结构在电脑里观察，简直就像是做了一件真的机械设备，获得了极大的成就感和成功的喜悦，收到了非常好的教学效果。

三、结束语

现代设计方法的理论学习和实际应用有较大反差，理论学习内容多、公式推导多、枯燥乏味，而实际应用则显得简单直观，应用软件有友好的用户界面，结果显示清晰明确，原因是计算机承担了所有的复杂计算，使设计计算过程轻松而且有吸引力。现代设计方法的教材讲理论推导的多，而实际运用涉及很少，如果完全按照教科书来组织教学，学生就会学得索然无味，也不知道理论该怎么应用，收不到好的教学效果。因此在教学中要分析教学内容，采用好的教学方法和手段，注重实践环节，引用工程实际案例进行综合性应用、演示，将抽象的理论转化为具体的实际应用，使设计方法的理论更有说服力，学生更容易理解和接受，学习起来更有兴趣，对提高教学效果的起到促进作用。通过本课程的学习，提高了学生创新意识，对培养解决实际问题的能力，综合设计能力和计算机应用能力，理论联系实际的工作作风有重要意义。