《现代设计方法》优质课建设探讨

陈修龙，盛永超，高顺

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东青岛 266590）

《现代设计方法》 作为机械类专业的核心基础课程，对学生创新设计和实践能力的培养具有重要作用，一流专业建设需要更多优质课程来支撑，因此非常有必要建设同时具备广度和深度的优质《现代设计方法》课程。

目前，众多学者对课程建设进行了深入研究，如王阳俊[1]针对《现代设计方法》课程的不足，对教学内容、模式和方法等方面进行了改革，提高了教学质量。宋磊[2]融合多种教学方式和教学资源，在工科专业优质课程改革上取得了一定的成果和经验。王雪莲[3]对《现代设计方法》课程的实践环节、考核体系等进行了改革，提高学生解决复杂问题的综合能力。王继荣[4]将多种教学方法融入《现代设计方法》课堂教学案例，提高了学生学习积极性和课堂教学质量。何喜玲[5]将对话式教学融入《现代设计方法》课程改革中，教学质量显著提高。赵强[6]将现代设计方法与机械专业教学环节进行了融合，促进学生的全面发展。

本文根据一流专业建设的要求，对《现代设计方法》优质课程建设进行了研究，重点探讨了课程目标、课程设计理念、课程地位和作用、课程结构、课程内容、课程教学方法和手段等内容。

1 《现代设计方法》课程概述

1.1 课程目标

通过本课程的学习，使学生全面了解现代设计的特点、技术体系以及基本理念、思路和方法，重点掌握机械设计学理论，特别是一些应用广泛、实用性强的设计方法，如优化设计、可靠性设计和有限元法，在理解相关理论的基础上着眼于实际应用。另外使学生掌握一些现代设计常用的计算机软件操作和具体使用方法，并将其应用于工程实例中。通过课程的学习，拓宽学生的知识领域，丰富学生解决问题的方式方法，培养学生的创新设计意识。

1.2 设计理念

从工程设计实质、 研究生的科研和工作需求出发进行授课，注重理论联系实际。讲解机械设计学理论，并选取成熟、常用的现代设计方法进行介绍，通过基础理论的讲述，使学生能够理解和掌握相关方法的数学本质和内涵，然后辅之以实际工程实例/案例的讲解和训练，使学生更进一步掌握这些方法，并学会在实践中灵活运用这些方法和理论去解决问题。增加互动讨论环节来加强学生的主导性，使用“头脑风暴”来激发学生的创造性思维，以期在今后的设计工作中能灵活运用现代设计方法，创造出高品质、高竞争力的新产品。

1.3 课程地位和作用

《现代设计方法》 是一门新兴的多领域相互渗透、融合的学科，具有发展速度快、涵盖面广的特点。本课程通过挑选高质量案例，丰富课程内容，将重点介绍产品设计学理论、优化设计、可靠性设计和有限元法这些应用广泛、实用性强的设计方法，培养学生理论与实践相结合的能力。通过本课程的学习，可为学生今后从事机电产品开发工作打下扎实的理论基础，使其不仅能正确应用现代设计理论与设计方法，还能结合实际，发展、创造出新的设计方法。

2 课程结构

2.1 知识构成

主要包括典型现代设计方法的相关理论知识和方法。（1）产品设计理论：包括产品设计流程，产品功能原理设计、 实用化设计及商品化设计的相关知识及设计试验。（2）优化设计：包括优化问题的数学模型、数学表达等基础理论，以及几种典型优化方法的相关知识与优化程序设计。（3）可靠性设计：包括可靠性的量化指标、应力-强度干涉模型、概率密度函数的相关理论、系统可靠度预测及分配的相关知识等。（4）有限元法：包括基本原理、 有限元分析步骤和方法及相关软件(如ANSYS)的使用等相关知识。

2.2 能力构成

（1）在产品设计实践中，能正确应用现代设计方法的能力。对于常用的设计方法，学生应具有将其应用于工程实际问题的能力。例如对于优化设计，应该具有建立正确的数学模型并选择合理的优化方法，最终通过编程或调用现成的工具进行求解的能力。对于可靠性方法，应具有对简单的机械零件进行结构强度可靠性设计的能力。（2）应用各种现代设计软件处理工程问题的能力。现代设计方法大都以网络技术为基础，并有不同层次的软件支撑。因此学生应具备熟练应用有限元、优化设计、可靠性设计、CAD/CAE 等的相关软件，为从事工程设计提供强有力支持的能力。（3）具备一定创新设计的能力。根据实际需要，能够运用所学知识对产品的功能、原理进行设计，对设计方案的可行性、可靠性进行校核，从而设计出品质好、竞争力高的优秀产品。

2.3 讲述内容与自修内容

机械设计学理论、优化设计、可靠性设计和有限元法为主要讲授内容，辅之以相关软件应用、算例和综合实例，使学生深刻理解这几种常用的现代设计方法。相关编程语言及部分现代设计软件的学习使用为自学内容。根据以上安排，课程的讲授内容占比75%，自修内容占比25%。

3 课程内容

3.1 课程讲授模块及主要内容

（1）机械设计学理论简述产品设计的基本概念、产品设计与机械设计的区别和联系。主要讲述产品设计的三大因素（功能、技术和审美）、产品设计程序及产品设计中的主要问题，以及功能原理设计、实用化设计、商品化设计及设计试验（功能原理阶段的模型试验、实用化设计阶段的样机试验、 机械产品的综合性能检测试验）等内容。（2）优化设计阐述优化方法的数学模型以及所用到的数学基础知识：梯度、凸规划、泰勒展开、KKT 条件等。讲述区间消去法在一维优化问题中的应用，并讲述黄金分割法和二次插值法的具体实现。讲述求解多维无约束优化问题的梯度法、 共轭梯度法和鲍威尔法，讲述求解多维约束优化问题常用的惩罚函数法、随机方向法和Nelder-Mead 法，并附以相关算例。简述Matlab、Mathematica 数学计算软件优化函数库的使用以及最优化理论在机器学习领域的应用。（3）机械可靠性设计阐述机械可靠性设计的基本概念和基本理论，重点讲述可靠性评价的量化指标，如可靠度、失效率、平均寿命等。讲述机械强度可靠性设计中应力--强度干涉模型的含义、 理解可靠性设计和传统设计的异同、如何用解析法求零件可靠度。讲述机械强度可靠性设计、疲劳强度可靠性设计、机械系统的可靠性预测及可靠性分配，机构运动可靠性设计等。（4）有限元法阐述有限元的概念及发展、基本原理、方法、实用化ANSYS 软件的使用步骤及工程应用案例等内容。简述一维和二维有限元公式的推导与实例分析，并简要阐述了三维有限元分析，有关有限元法的工程应用是这部分重要内容，将ANSYS 讲解与实例介绍相结合介绍有限元分析的基本步骤。

3.2 拟解决的问题

（1）研究生阶段现代设计方法课程学习内容较多与授课课时较少的问题。优化授课内容，增加课外学习和讨论。（2）现代设计方法门类众多，对应的教材也是多种多样，因此存在各种方法泛泛介绍、重点不能突出的问题。根据实际情况，将本课程重点放在产品设计理论与方法、优化设计、可靠性设计和有限元应用部分。（3）本课程理论性较强，数学公式、推导很多，容易存在过于偏重理论学习、 死记硬背公式而忽略实际应用的问题。通过典型案例进行分析，增强研究生分析和处理复杂问题的能力，加深对本课程的理解。（4）课程学习能有效应用于科研的问题。在理论学习的基础上，鼓励学生针对一些具体工程实际问题，应用优化方法、有限元等工具进行分析，有利于学生探索科学规律并提高科技创新能力。

4 课程主要教学方法和手段

4.1 主要教学方法

（1）现场教学、案例教学和项目实践。通过现场教学、案例教学和项目实践激发和培养学生的学习兴趣，增强学习效果。例如，带领学生到青岛东和科技股份有限公司进行高速冲床设计的现场教学，围绕青岛博世通工业设备有限公司机械手产品进行创新设计案例教学，以爬楼机器人设计为题目开展项目实践教学等。（2）碰到问题实施引导式教学，在现代设计方法教学中，鼓励学生思考并提出自己的解决方案； 然后逐步引入教材中的解决方案，启发学生求解这些问题，从而增强学生的主动学习意识和参与意识。例如，在讲到产品设计程序时让学生自己思考如何设计一个实际产品，具体步骤是什么，通过启发引导最终完成内容的讲解，取得很好的教学效果。（3）开展课堂辩论与交互式教学，设置议题包括：现代设计方法与传统设计方法的区别，现代设计方法与传统设计方法的关系等，让学生对议题进行自主辩论，激发学生的学习潜能，同时明确学习目标。（4）个性化学习与因材施教。教师在教学过程中，鼓励优秀学生就感兴趣的问题探讨更深层次的问题。又如，在教学设计、上机操作和实验设计中，在完成基本教学任务的同时，可以要求对部分创新性内容感兴趣的同学相互之间进行深层次探讨，发挥学生的个性优势，达到因材施教的目的。同时对学习较差的学生进行有针对性的指导，建立学习小组，督促学习。

4.2 信息化教学

（1）专家报告和专业视频材料结合。通过国内外著名设计制造专家的相关报告和专业视频材料，为学生呈现国际上最新的设计理论和方法，以及典型的设计案例，扩大学生的知识面。（2）建立网络课程学习平台，开设《现代设计方法》网络课程，由团队教师管理，学生(往届生) 注册后均可通过平台进行在线学习和自主学习。（3）建立远程交流和指导平台，如QQ 群、微信群等，开展与学生的远程交流指导。

4.3 创新探索

（1）构建创新设计和实践能力培养的课程构架，以现代设计方法的关键理论和技术为基础，以科研和工程实践成果为导向，精选教学内容，突出创新设计和实践能力的培养，通过基本理论教学、专题讲座讨论、工程问题分析和产品创新设计等多个环节，培养理论与实际相结合，多方位解决复杂问题的能力。（2）探索探究式、 项目驱动式和翻转式等多样化教学模式和教学方法，授课力求生动形象，富有趣味性和启发性，以学生为主体，通过组织课堂辩论，专家报告，专业视频材料等，培养学生的学习兴趣、潜能和学习自主性。（3）先进教学手段的应用，借助多媒体教学和网络平台，为学生提供个性化、情景化的学习环境，调动学生学习积极性，让学生能够乐意学、主动学。（4）科研、工程实践、学科建设和科技竞赛有机融合，把高水平学科建设的优秀成果、 工程实践成果和教师的科研成果时时转化为教学内容，开展现代设计方法前沿专题讨论及工程实例演示，鼓励和指导学生开展自主专题研究及参加各种科技竞赛，强调创新设计能力与综合能力的培养。

5 结语

积极响应教育部“新工科建设”号召，进行《现代设计方法》课程改革，建设优质课程。紧跟时代，从课程本质出发，更深层次理解教学目标和理念，重新定义课程的地位和作用，拓展课程结构，丰富教学内容，理论与实践紧密结合，同时开展多样化教学手段，为培养能创新、能实践、能独立解决复杂工程问题模型的一流设计人才提供支撑。