“现代设计方法”省级精品课程的建设与改革

摘要：精品课程是具有一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等特点的示范性课程。精品课程建设是高等学校教学质量与教学改革工程的重要组成部分。本文主要介绍西安外事学院“现代设计方法”精品课程的建设与实践工作，包括课程教材建设、多媒体MCAI课件研制、新的教学模式及教学方法探索、师资队伍建设和课程网站的建设与开发。文中还就深化课程教学改革、加强学生创新能力培养等进行了有益的尝试。

关键词：精品课程；现代设计方法；课程建设；教材建设；人才培养

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）51-0099-05

为了切实推进教育创新，深化教学改革，促进现代信息技术在教学中的应用，共享优质教学资源，全面提高教育教学质量，造就数以千万计的专门人才和一大批拔尖创新人才，提升我国高等教育的综合实力和国际竞争能力，教育部于2003年决定在全国高等学校（包括高职高专院校）中启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作（简称“精品课程建设”）。我校“现代设计方法”课程经过申报和专家组的评审，于2009年被学校批准为“校级精品课程”，并于2015年6月被陕西省教育厅批准为“省级精品资源共享课”，予以经费资助进行建设。现将本课程多年来的建设与实践工作进行如下交流。

一、精品课程的教材建设

重视教材建设，是精品课程建设工作的重要内容之一。本课程组吸收我校20多年来建设各种“现代设计方法”系列教材的宝贵经验，在先后所建设出的特色讲义《现代设计方法》、《工程优化设计》、《计算机辅助设计（CAD）》和特色教材《现代设计方法》（西安交通大学出版社，1999年版）的基础上，编写出具有我校特色又受全国欢迎新编教材《现代设计理论与方法》（科学出版社，2007年版）。该教材不仅被列为高等院校“十一五”规划教材，而且于2007年由北京科学出版社出版后，成为年年印刷、年年畅销的教材，现已被全国几十所高校和多家工矿企业使用，又于2014年出版新编第2版教材《现代设计理论与方法（第2版）》（科学出版社，2014年版）；2013年，高等教育出版社出版新编特色教材《现代设计方法》（高等教育出版社，2013年版）。

从20世纪80年代中期开始，为了紧跟世界科技潮流，增强学生的创新设计能力，提高现代设计技能，我校在众多工科专业教学建设中，率先在国内工科院校开设计算机辅助设计与绘图、机械优化设计、可靠性设计、工业造型设计和设计方法学等现代设计方法学的系列课程，相继较早地在国内编写出一批颇具影响的系列教材。因此，我们在进行精品课程教材建设中，积极吸取系列教材的建设经验，进而建立精品课程的教材体系和内容。

鉴于“现代设计方法”所涉及的内容十分广泛，同时考虑到本课程的课时有限，经过讨论，我们提出用系统化思想来优化课程体系和教材内容，制定出“抓住主线，精选内容，突出特色”的精品课程教材编写原则。依据这一原则，我们精选出目前国际上最具代表性又为国内外广泛应用的14种现代设计方法，作为教材的基本内容，并对这些所选内容设定主次，以达到保证重点，实现主次匹配，形成我校“现代设计理论与方法”课程新体系。

依据所选定的内容，最终确定课程教材共11章，分三个层次介绍14种现代设计方法。三个层次分别为：第一层次，重点介绍目前工程设计领域中最为常用又为我国当前设计政策重点推广应用的5种现代设计方法：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法和工业造型设计；重点介绍这5种方法的目的，使学生能够牢固掌握这些方法的基本理论和应用技能，为今后工作应用打下坚实基础，也是进行产品现代设计所必需的。第二层次，为一般性介绍反求工程设计、绿色设计、动态设计、系统化设计、创造性设计和摩擦学设计等6种现代设计方法，目的是使学生初步掌握这些设计方法的原理与应用，为今后设计工作服务，并为丰富设计方法和思路，特别是适应目前国家倡导的“节能、环保”产品设计，提供现代设计手段和工具。第三层次，简要介绍三次设计、并行设计、模糊设计等3种现代设计方法，目的使学生基本了解这些设计方法的原理和应用，扩展设计视野，为今后設计工作提供手段及参考。

在教材的编写中，我们十分重视教材的体系和质量。通过对14种现代设计方法选编和介绍，将重点放在实践中应用十分广泛的5种现代设计方法：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法和工业造型设计等上，使教材既保持现代设计理论与方法体系较广的覆盖面，又能突出重点，使学生在有限课时内，既能对本门新兴学科有较全面的了解，又能对其中重要的设计方法有较深入的了解与应用，以提高他们的创新设计技能。

为了能使学生学习后学以致用，在内容安排上，教材着重介绍这些方法的基本思想、基本理论及解决实际问题的主要步骤、方法与手段。同时，在教材内容的组织上，突出知识的实用性、整体性、科学性和先进性，力求通俗易懂，深入浅出，尽量避免烦琐的理论证明和数学推导。

因此，精品课程教材表现出内容丰富、适应面广、重点突出、内容先进、学以致用的特点。经过多年的使用和实践，本教材不仅作为高等学校工科专业学生教学用书，也可作为工程技术人员继续教育的培训教材，还可供有关工程技术人员及企业管理工作者和专业青年教师参考使用。20多年来，我们先后在全国出版《计算机辅助设计》、《计算机绘图》、《现代设计方法》、《现代设计理论与方法》、《机械与工程优化设计》等多部教材，编写《计算机辅助设计与绘图》、《机械优化设计》、《机械可靠性设计》、《设计方法学》、《工业产品造型设计》和《摩擦学设计》等多种讲义，在全国产生较大影响，形成“现代设计方法”系列优秀教材（图1）。特别是《现代设计理论与方法》、《机械与工程优化设计》和《现代设计方法》三本教材由科学出版社和高等教育出版社出版后，在全国产生较大影响，现已得到国内几十所高校和多家厂矿企业的应用，发挥了较大的社会作用。

在进行课程精品教材建设的同时，我们迅速开发出“现代设计方法”课程多媒体课件（.ppt），提供给本教材使用的高校和个人，同时研制出“现代设计方法”网络版CAI，不仅能满足课程远程教育学生自学、复习、实验、答疑、考试等多种功能需要，还能为在校学生预习和复习“现代设计方法”知识提供重要工具和手段。这样，初步建立和形成“现代设计方法”的立体化教材体系，即从知识载体——教材而言，实现从过去单纯的平面载体（书本）向立体载体（集书籍、CAI课件、网络、光盘、电子图书等于一体）的转变。立体化教材包括纸质书本教材、CAI课件、课外辅导、习题库、电子教案、试题库和网络课件系统等。

此外，为了配合“现代设计方法”课程的教学需要，课程组还编写、出版现代设计方法课程的众多辅助教材：《AutoCAD2007机械设计实例精解》（化学工业出版社，2008年版）、《AutoCAD2010实例教程》（西北工业大学出版社，2010年版）、《UG NX4 CAD精通篇》（化学工业出版社，2006年版）等。

二、结合“现代设计方法”课程特点，研制和开发多种多媒体CAD课件

与传统设计方法相比，现代设计方法是一种以动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计方法。该方法是以计算机为基本工具，将现代设计理论与方法及其有关技术全面引入设计过程。设计中，通过设计者与计算机的密切配合，借助先进的设计理论与方法，提高产品设计的质量和速度。所以，要想完成好课程的实践性教学工作，必须有多种CAD课件来支撑。为此，作为课程建设的一个重要工作，我们结合课程内容，自主开发出多种CAD课件，满足课程教学需要。

1.工程优化设计程序库。该程序库开发有国际上广泛应用的14种先进优化算法，全部采用模块化结构，组合性能好，计算速度快，操作应用简捷方便。它可用于一维优化、多维无约束优化、约束优化和线性规划等工程优化设计问题数学模型的求解，为课程教学和学生上机实践提供有用工具。

2.常用机械零件CAD设计系统。该系统为一参数化、集成化CAD系统。在通过人机交互方式输入设计参数后，系统便能进行齿轮传动、带传动、滚动轴承等典型机械零件的强度校核计算、结构选型、零件尺寸确定到零件图自动生成的集成化、参数化CAD設计工作。通过该系统，学生在完成典型机械零件设计时，能大大提高设计效率。

3.冲裁模CAD系统。该CAD系统是以中科院北京软件工程公司的PICAD系统为支撑平台，利用二次开发函数库开发出的可进行单冲孔、单落料和复合模等三种模具设计的冲裁模CAD系统。该系统在课程教学中，能为学生较为全面地展示应用“现代设计方法”进行典型工业产品计算机辅助设计（CAD）的全过程，包括从完成冲裁模具的全部设计计算、冲裁件工艺性检查、优化排样、结构选型直到模具装配图的自动绘制和零件图的自动生成。

4.轴系零件参数化绘图系统。随着CAD技术的飞速发展和生产实际的需要，为提高机械零部件图形自动生成与修改的效率，发展交互式参数化绘图技术是重要的方法。通过这一技术，利用零件结构的相似性，在保持零件基本结构不变的情况，将零件的尺寸标注视为变量。当给予不同尺寸时，便能快速生成一系列结构相同而尺寸不同的相似零件图。进行参数化绘图，它允许设计者在定义一个典型零件时，不必考虑零件中几何元素的准确位置，而只需保证拓扑结构正确，同时进行必要的尺寸参数标注，通过尺寸参数值的变化，生成结构相同而参数不同的零件族，为零部件图形的快速生成与修改，带来极大的方便。我们利用CAD技术原理，开发出本课件，为学生展示交互式参数化绘图技术这一原理提供有用工具。

上述CAD课件的研制，为较好完成课程实践教学提供重要工具，特别是良好的人机界面、优越的人机交互功能、较好的实用性和可视性，为开阔学生视野、培养创新设计能力起到极大的作用。

三、“现代设计方法”网络教学系统的研制和开发

现代远程教学是时代的要求。它是利用网络技术、多媒体技术等现代信息手段开展起来的新型教学形式。发展现代远程教学，是扩大教育规模、增强办学效益、建立终身教育体系的重大措施。为了满足本课程的远程教学需要，我们研制和开发出“现代设计方法”网络版系统。

“现代设计方法”网络教学系统的研制，主要是依据国家精品课程建设要求并参考其他精品课程网络教学系统的格式，主要由10个模块组成，包括：负责人介绍、教学队伍、课程描述、教学研讨、自我评价、建设规划、课程素材、网络教学系统、网络视频和相关网站。网上教学部分的文字脚本，以我校本科生采用的张鄂任主编的《现代设计方法》教材为蓝本，充分吸收我校多年教学经验，注意突出重点，详略得当，有利于学生自学。界面的设计力求既体现课程风格，又突出远程教育特点，追求清新大方，避免过分花哨。为了节省屏幕，左侧菜单采用推拉式。为了阅读方便，每一小节尽可能缩短到二三屏。负责人介绍模块主要包括：课程介绍、基本情况、教学情况和学术研究等。其中，课程介绍主要说明本课程的性质、目的、发展概况、教学内容和师资简况等。基本情况、教学情况和学术研究主要介绍本课程教学负责人简介、从事教学活动和参加科学研究、承担国家科研课题等情况。教学队伍模块主要包括：人员构成、整体情况、教学改革、教材建设、教学成果，主要介绍课程教学师资队伍状况，以及课程教学团队在进行课程教学过程中所进行的教学改革情况、教材建设情况和所取得的教学经验及成果。课程描述模块主要包括：历史沿革、教学内容、教学条件、教学方法、教学效果等，分别介绍课程历史沿革、课程教学内容，以及课程教学条件、主要教学方法和所取得的教学效果。教学研讨模块主要介绍课程在教学活动中所进行的教学研究、教学改革等方面的情况。自我评价模块主要包括：主要特色、课程地位、不足之处等，主要介绍课程教学特点与特色、课程建设情况在全国所处的地位及课程教学中目前还存在的不足之处。建设规划模块主要介绍课程教学建设目标、步骤、课程资源上网计划，以及本课程已经上网的资源名称列表。课程素材模块主要包括：电子教案、教学案例、参考书目等，主要介绍承担课程教学的部分教师的电子教案、课程部分教学案例，以及课程教学使用的教材、参考书目等。网络教学系统模块主要包括：课程学习、在线练习、在线答疑等。通过这些模块，学生可利用课程网络教学系统进行课程学习，通过网络系统进行在线课程练习、在线课程答疑、在线课程知识讨论和网上课程知识自测。网络视频模块会链接课程部分优秀教师的教学录像，以利优秀教学资源的共享。相关网站模块会链接西安外事学院校园官网，为学生和教师进行“现代设计方法”课程学习及教学活动进行网际联系或查找资料，提供便利。

四、以培养学生“三个能力”为目标，不断探索新的教学模式，改革教学方法

为了满足面向21世纪新型人才培养的需要，提高学生的创新能力，在课程教学过程中，课程组坚持以培养学生“三个能力”（即分析问题能力、解决问题能力和创新设计能力）为目标，不断探索新的教学模式，改革相应的教学方法。

1.以能力培养为目标，认真组织好课堂教学。在授课中，排除传统的“重理论，轻设计”的思想，注意加大设计内容的比重。教学中，本着“精讲多练”的原则，在精讲各现代设计方法的基本思想、特点及设计步骤的基础上，侧重强化学生掌握各方法的实际工程应用技能。例如，在讲授“优化设计”一章时，把重点放在提高学生如下三个能力上，即：怎样正确地分析优化设计对象的能力、实际优化设计问题的数学模型建模能力和优化设计程序库的熟练使用能力，而不倡导学生把精力放在优化算法的编程上（因已提供了程序库）。同時，在课程教学中，我们把“只讲方法，不讲设计”作为禁忌，力将“方法”与“设计”构成紧密的有机整体，使学生学完一种现代设计方法后，能迅速熟练地掌握工程设计的应用。

2.教学方法上，采用理论和实践并重的原则。教学中，十分注意加强学生工程设计训练，除了课堂上介绍各方法的实际应用外，在各章中还普遍安排了设计类型的作业，以强化学生应用现代设计方法分析、解决实际工程设计问题的能力和创新设计能力。此外，针对计算机辅助设计、优化设计和可靠性设计等重要设计方法，专门安排学生可自选的“兴趣大作业”，以增强工程创新设计能力和动手能力的培养。

3.应用多种CAD课件辅助教学，增强学生感性认识，提高教学质量。在该课程的48学时中，除去8学时的上机实践教学，在40学时的理论教学中，会安排6～8学时的应用多种CAD课件的辅助教学。目前，教学中已有的课件有：集成化参数化PICAD系统（通过该系统展示参数化集成化计算机绘图原理及技术）、冲裁模CAD系统（通过系统展示进行典型工业产品计算机辅助设计的工作原理、工作过程及工程优化设计技术的应用）、常用机械零件CAD系统（通过系统展现人机交互完成各种典型零件强度计算、零件尺寸确定、结构选型到零件图自动生成的集成化CAD设计过程）、3DS MAX、SolidWorks系统（通过这些系统，演示三维实体造型设计的原理、方法及应用）以及ANSYS、Pro/Engineer、PINC、回转零件CAPP系统。学生对上述CAD课件（软件）辅助教学，普遍反应效果好，收获大。他们说：看了这些CAD课、软件，大开眼界，不仅有利于对“现代设计方法”技术的理解和掌握，而且更能深刻地体会到“现代设计方法”的重要作用，对提高工程分析问题能力、解决问题能力和创新设计能力，有极大的帮助。

4.加强实践性教学环节，强化学生上机设计能力。现代设计方法的特点，是以计算机为基本工具应用现代设计方法来进行工程及产品设计。为了帮助学生对现代设计方法技术的理解，提高学生的上机设计能力，我们在本课程48学时中，特安排8学时进行上机实践性教学。为了提高上机效果和质量，除了研制与组织多种各类设计应用软件外，还编写了《现代设计方法课程上机指导书》，以保证学生在8学时内，能基本独立完成规定的工程优化设计、机械CAD编程、工程数据库处理与应用、参数化绘图以及有限元分析等实践工作。

5.采用现代化教学手段提高教学效果。随着计算机技术在现代教学中的广泛应用，传统教学方式正受到来自多方面的冲击。计算机辅助教学的日益发展，带来教育理论、教学方法、教学方式及整个教育领域的一次大的革命，在我国及世界范围内，教学技术现代化正成为发展的必然趋势。多媒体计算机的出现，又一次为这一发展趋势注入新的生机，开辟新的天地。为了利用现代教学技术提高“现代设计方法”课程的教学效果，从1990年开始，我们抽调力量进行“现代设计方法”多媒体MCAI教学系统的研制，已于1992年推出vol.1.0光盘版，经试教后，得到学生肯定。他们认为，该课件创意新颖，内容重点突出，理论严谨，图文并茂，可视性强，可大大提高课程教学质量。

6.改革考试方法和内容，促进学生能力培养。在“现代设计方法”的课程教学中，课程组坚持以促进学生能力培养为指导思想，为了克服学生死记硬背的现象，在课程考试方法和考试内容上，进行改革和探索。采取的措施主要有：①将理论教学、上机实践教学和平时作业，分别纳入成绩考核，显著提高学生对上机实践性教学的重视程度和作业质量。②在试题中，增大综合分析与理解、注重考核能力的试题，用以消除死记硬背现象。③试题分为闭卷和开卷两个部分，闭卷部分为考查基础理论、基本计算能力，开卷部分为测试综合设计能力。

为了促进学生创新能力的培养，从2009年开始，课程组教师组织我校工学院学生利用“现代设计方法”知识与技能，积极参加全国大学生各类竞赛活动，先后获得全国、陕西省级大奖达18项之多。如，2012年，指导学生参加“2012年全国大学生工业设计大赛”，获入围奖1项；2013年4月，指导学生参加“2013全国大学生工程训练综合能力竞赛”，获陕西赛区二等奖2项；2013年6月，指导学生参加“第九届挑战杯—陕西省大学生课外学术科技作品竞赛”，获得省级三等奖2项；2014年5月，指导学生参加“2014‘非凡士杯第六届全国大学生机械创新设计大赛”，获陕西赛区一等奖1项、二等奖2项、三等奖4项，获奖7项之多；从2009年开始，课程组教师指导学生参加“全国大学生数学建模竞赛”，获得全国、省级奖6项之多。通过组织和指导学生参加全国大学生各类创新设计竞赛活动，不仅可以使学生得到锻炼，获得多项全国、省级大奖，而且使学到的“现代设计方法”知识得到有效应用与发挥，也为培养学生的创新设计能力和提高应用型人才素质做出卓越贡献。

此外，从2011年开始，课程组教师指导我校学生参加全国CAD（计算机辅助设计）相关证书考试，并于2011年12月和2012年5月，我校樊涛、盛志国、Tao Fan等多名学生获得“全国信息化工程师岗位技能证书”——“全国信息化应用能力考试AutoCAD机械设计考试证书”以及“Solidworks考试认证证书”，使“现代设计方法”课程教学为学生的现代设计技能取得丰硕成果。

7.积极将“现代设计方法”技能引入“专业课程设计”、“毕业设计”等实践性教学环节，大力促进学生对产品现代设计技能的提高。由于“现代设计方法”课程课时非常有限，但又亟须提高学生应用“现代设计方法”进行较大工程设计实践的训练，来提高学生的现代设计技能和创新设计能力。为此，课程组积极将“现代设计方法”知识引入后续的专业课程设计、毕业设计等实践性教学环节。多年来，这一实践结果已取得较好效果。一些学生能在工业生产流水线设计、工业机械手设计、机电控制系统设计等专业课程设计以及毕业设计中，运用参数化绘图方法，完成图纸CAD设计和计算机绘图工作等，还能在设计中采用三维实体造型技术来完成。

此外，部分学生在毕业设计中，进行“现代设计方法”在工程设计中的应用研究，能在国内一些期刊上发表研究论文。这说明，通过“现代设计方法”课程的学习与培养，学生已能在专业课程设计、毕业设计等工程实践环节中，发挥较强的创新设计技能和一定的科学研究能力。

五、严格教学管理，坚持教书育人，有效建设出一支高水平的师资队伍

在“现代设计方法”教学建设中，课程组十分重视教师水平的提高和师资队伍建设工作，并把它作為课程建设的重要内容来抓。目前，我院已建成由教授、副教授、讲师和助教组成的课程教学组，形成老中青三结合的教师梯队，所有的中青年教师均具有硕士或博士学位。课程组全体教师能恪守职业道德，严谨治学，从严执教，教书育人。在统一教学大纲的要求下，每位教师课前均能认真写出特色教案。多年来，课程组始终坚持定期开展教学法活动，以提高课程组的整体教学水平。在教学法活动中，大家能对讲课艺术等进行交流和讨论，相互启发，取长补短，以提高全体教师的教学水平。在课程教学中，由于取材恰当，注意教学规律，重视授课艺术，课程教学效果好，一直受到学生的好评。课程的多位教师分别获得“校优秀教师”、“校教学名师”等称号。在搞好课程教学工作的同时，课程组教师积极参加科研工作，先后承担并完成国家自然科学基金项目3项、国家863计划项目1项、陕西省教育厅科研项目2项、企业横向课题十余项、省级教改项目3项，在国内外各类期刊及国际学术会议上发表科研论文和教改研究论文80余篇，拥有国家发明专利3项。教学与科研工作的结合，不仅可以提高课程组教师队伍的科研水平，而且科研成果及经验又将丰富课程教学内容，有力地促进课堂教学效果和质量的提高。

参考文献：

[1]教育部.教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知[R].2003.

[2]国家教育委员会.关于积极推进“高等教育面向2l世纪教学内容和课程体系改革计划”实施工作的若干意见[R].1997.

[3]潘云鹤，顾建民.大学学科的发展与重构[J].高等工程研究，1999，（3）.

[4]竹清时.迎接知识经济时代培养科技创新人才[J].学位与研究生教育，1998，（6）.

[5]张鄂.“现代设计方法”课程建设与思考[J].西安交通大学学报（社会科学版），1998，（1）：45-48.

[6]张鄂，陈晓楠，等.加强课程教学建设，促进创新人才培养——“现代设计方法”课程建设与改革[A].郭可谦.2003机械设计教学研究论文集[C].北京：机械工业出版社，2003.

[7]张鄂.现代设计方法[M].北京：高等教育出版社，2013.

[8]张鄂.现代设计方法[M].西安：西安交通大学出版社，1999.

[9]张鄂.现代设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2007.

[10]张鄂.机械与工程优化设计[M].北京：科学出版社，2008.

[11]张鄂.现代设计理论与方法（第2版）[M].北京：科学出版社，2014.