现代设计方法教学方法改革研究

张洪丽 周淑霞

摘 要 根据新的人才培养模式及现代设计方法课程教学内容的特点，选择适当的教学手段和方法，采用多媒体课件演示与实际操作及训练相结合的教学方法对课程内容进行讲解。利用探究式研讨教学方法，将采用传统设计方法已经完成的减速器设计贯穿于现代设计方法的整个教学过程，在学习基本理论的同时进行实际应用训练，增强学生对新知识的熟知感，利于激发学习兴趣、提高学习积极性。

关键词 现代设计方法 改革 探究式教学

中图分类号：G424 文献标识码：A

0 前言

现代设计方法课程是我校机械设计制造及其自动化专业的专业课，是一门综合性课程，它融汇了当今科学技术的精华，涵盖了基础学科、计算机及机械学科的大部分内容，与各相关学科紧密相联。现代设计方法课程的特点是设计方法种类繁多、理论性很强，部分基础理论知识复杂且抽象，涉及到高等数学、工程数学、机械制图、数学建模、数值分析、

美学法则等基础及专业知识。①②根据本课程内容的特点，如果单纯运用板书教学方法，学生会感到枯燥乏味，失去学习的兴趣；多媒体教学虽然具有传递的信息量大、生动、形象直观及便于理解的优点，但是仍不能使学生亲身感触到现代设计手段在实际产品设计过程中的显著优势。因而，有必要对现代设计方法的教学方法和手段进行全方位的改革，从而调动学生学习的积极性和主动性，提高学生应用现代设计方法解决实际工程问题的能力。

1 现代设计方法内容简介

（1）计算机辅助设计CAD。主要讲述现代CAD技术的内涵及主要研究内容；工程数据处理方法；计算机绘图基本原理及机械工程图的绘制。（2）计算机辅助工程CAE。主要讲述在现代设计方法中，对产品及其重要零部件进行力学分析及优化分析计算的有限元法。（3）机械优化设计。主要讲述借助于最优化数值计算方法在计算机上寻求工程最优方案的数值解法。（4）可靠性设计。主要讲述产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设计到产品中去。

2 教学方法及手段改革探索

现代设计方法理论内容的整个教学过程以多媒体课件教学为主线，板书教学为辅助手段进行。每一独立授课环节的多媒体课件都是根据授课内容的具体特点采用不同表现形式进行制作，③并附之与讲解内容相关的成功案例。例如理论性较强的内容，多媒体课件的制作为纲领性的，具体内容讲解以板书为主，将所用到具体基础学科知识依据学生所用教材给予提示，具体到章节；实践性较强的内容，以实际应用案例为导向，实施启发性教学，④使现代设计概念先入为主，增强学生学习的能动性。为使学生能够充分理解消化所学知识，根据授课进度安排上机训练。利用比较教学法，将传统机械设计方法设计的减速器关键部件及整体模型用现代设计手段进行重现，比较二者的设计结果。

2.1 计算机辅助设计CAD阶段

（1）工程数据处理。播放精选的相关视频资料，使学生体会传统设计与现代设计过程中查询工程数据的不同手段和方法，从而理解对传统纸质记载的工程数据进行处理的必要性。选用机械设计课程设计中所用到的典型数表和线图，根据其不同特点采用不同方法进行工程数据处理，常用方法是程序化和建立工程数据库。课后安排上机练习，主要熟悉工程数据的各种处理方法。建议学生自由选择机械设计课程设计过程中曾用过的数表或线图进行处理，同学之间最好不要重复，以尽可能多地处理工程数据。所有结果留待后续设计使用。（2）关键零部件的三维模型建立。结合工程应用软件Solidworks讲述不同的产品建模方法，重点讲述特征建模方法。上机练习时，同学们分成几个小组，尝试采用调用程序或检索数据库的方法进行齿轮和轴的几何尺寸设计。设计过程中及时发现工程数据处理结果的不合理及不正确性并进行修改。

2.2 计算机辅助工程CAE阶段

有限元基本理论部分涉及大量高等数学公式的推导，知识点比较分散、零碎，学生听课时感觉枯燥、乏味，不感兴趣，不利于集中注意力。因而，该部分内容的讲解主要注重关键问题的处理方法，对于繁琐的公式推导仅给予简单的处理说明，并给出具体参考资料让学生课下参阅。本章内容主要包括结构离散化、单元分析、整体分析及后续结果处理。每一个知识环节讲解完毕，通过上机训练，利用Ansys软件进行演示，将理论知识与实际应用结合起来。

上机练习课时，学生练习使用Ansys应用软件，将设计过的齿轮和轴等减速器的关键零部件进行应力、应变及变形分析。

2.3 机械优化设计阶段

传统产品设计过程中，为保证产品能满足使用及寿命要求，关键零部件的设计和选用会在强度、刚度和寿命等方面有冗余，最终导致产品整体尺寸大，体积重，从而造成材料浪费。采用机械优化设计的思想可以使产品在满足使用要求的同时，具有最优的结构尺寸，从而减小产品总体额尺寸、降低产品的重量，达到节省使用空间、节约材料和降低产品成本的目的。

结合实例讲解优化设计数学模型的建立、最优化求解方法的选择及问题的求解步骤。通过上机练习，采用机械优化设计思想设计斜齿轮减速器的关键零部件，并以减速器中心距最小为目标，进行减速器的优化设计。

2.4 可靠性设计阶段

在产品设计过程中，为消除产品可能存在的潜在缺陷和薄弱环节，防止产品使用过程中发生故障，采用可靠性设计知识进行产品设计，以确保产品满足规定的固有可靠性要求。可靠性设计是可靠性工程的重要组成部分，是实现产品固有可靠性要求的最关键的环节，是在可靠性分析的基础上通过制定和贯彻可靠性设计准则来实现的。

讲解可靠性的相关知识，结合实例讲解可靠性模型的建立，使学生掌握把规的可靠性指标值直接设计到零件中去，使它们能够保证可靠性指标值的实现。

3 创新设计能力培养

常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明的过程。现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。

在讲授现代设计方法的同时，使学生了解现代设计手段和技术的发展使产品设计过程更方便、快捷、高效，但常规设计仍然是最基本的设计方法，是机械设计课程的根本内容。关键是要能够将所学习的新手段、新方法应用于实际工程领域，进行产品创新设计。结合大学生学术科技活动，进一步加强学生创新设计能力的培养。

4 结论

针对不同类型的知识采用不同的授课方法，多媒体演示与实际操作及训练相结合，具体内容讲解过程中，穿插实际应用案例，采用探究式教学方法进行讲解。将采用传统设计方法已经完成的减速器设计贯穿于现代设计方法的整个教学过程，在学习现代设计基本理论的同时进行实际应用训练。在熟知的减速器设计过程中，使学生对现代设计的理论、思想、手段和方法有所掌握，增强学生对新知识的渴求，利于激发学生学习的兴趣、提高学习积极性及能动性。

中国交通教育研究会项目：交教研1202-78；山东交通学院教育研究课题与教学改革资助项目

注释

① 钟志华，周彦伟.现代设计方法[M].武汉：武汉理工大学出版社，2007.

② 曹金榜.现代设计技术与机械产品[M].北京：机械工业出版社，1987.

③ 陈就，汪建晓.《现代设计方法》理论与实践环节教学探讨[J].教书育人（高教论坛），2009（5）：100-101.

④ 李英霞，焦建军.基于开放教育的探究式教学模式实践[J].前沿，2012（4）：184-186.