“现代设计理论与方法”课程教学经验探讨

摘要：从“现代设计理论与方法”本科教学的特点谈起，结合教学体会，从运用比较式教学、引导式教学、工程案例教学法以及多媒体与板书相结合等多种教学方法，加强实践教学环节，采用综合考核制度等方面，对该课程教学方法进行了全面的探讨，并进一步指出现代设计理论与方法在毕业设计中的应用。

关键词：现代设计理论与方法；教学方法；实践教学；毕业设计

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0124-02

“现代设计理论与方法”是一门多元综合、新兴交叉学科的课程，它融汇了当今科学技术的精华，与各相关学科紧密联系。河南理工大学把此课程作为机械类专业本科生的一门专业必修课，在大三第二学期开设此课程。该课程在专业的体系中起到承前启后的作用，它紧密联系和应用先修课程，如高等数学、概率与数理统计、理论力学、材料力学、机械设计、机械原理以及高级程序语言等多方面的知识，并为后续的毕业设计环节打下先进的理念基础。

该课程讲解内容包括了系统分析设计方法、创造性设计、优化设计、可靠性设计、有限元分析法以及机械工程CAD基础等。教材编排上，每一章的内容讲解一类现代设计方法，前后章节相对独立，一方面使学生在学习中不至于出现某一章节掌握不好而影响其他章节的学习，另一方面也使得老师在讲解每一章内容的时候，教学方法灵活，针对不同的现代设计方法的特点采用不同的授课方法。本课程所涉及的设计方法种类多，部分设计方法理论性强，公式推导多，枯燥乏味，内容抽象，且现代设计方法的理论学习与实际应用有较大的反差，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，收不到良好的教学效果。因此，在教学中应针对不同章节的教学内容采用合适的教学方法，对激发学生的学习积极性、主动性以及提高教学效果起到促进的作用。经过几年的课堂教学实践探索出以下几点经验。

一、教学方法

1.比较式教学法

人的各种活动都是由一定的动机所引发的，学生学习也总是为一定的学习动机所支配。动机强度大，学习积极性高，学习的潜能就会得到最好的发挥，学习效率也高。为了使学生较好地掌握“现代设计理论与方法”的知识乃至此学科方面的理论，激发他们的学习兴趣，学习动机至关重要，第一章“绪论”讲授的重点也就在此。为了使学生们认识到本课程的重要性，采用比较式的教学方法，将现代设计方法与传统设计方法进行对比教学，从可靠性、高效性、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。“优化设计”一章所涉及的优化方法种类较多，根据数学模型中设计变量的个数以及是否有约束条件，优化方法分为一维搜索方法、无约束优化方法、有约束优化方法三大类，每一类优化方法中又包含了不同的优化算法。在实际工程中，采用何种优化算法，才能简化计算、提高计算速度及计算稳定性等，最终得到满足精度要求的优化解，是学生们比较关注，也比较困惑的地方。为此，在讲解的过程中应针对不同的优化算法，列举其特点，比较不同算法之间的优缺点、适用条件、初始点选取规则等等，根据每种算法自身的特点去有目的地选取适当的优化算法。

2.引导式教学法

在讲授过程中，善于提问，引导学生自己思考，提问后鼓励学生回答问题，发表自己的见解，通过一问一答或只问不答的形式，与学生之间形成互动，以此激发学生强烈的求知欲望，加强学生的联想能力、发散思维能力以及知识的运用能力。同时，通过提问的形式来提高学生的集中力和课堂的教学效果。如“可靠性设计”一章，讲解可靠度的推导公式时，其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，应分步骤地详细推导，层层设问，逐步求解，注意引导学生思维。

3.工程案例教学法

实践是理论的基础，实践对理论起决定作用，理论必须与实践紧密结合。“现代设计理论与方法”课程本身实践性较强，离开实践就如同空中楼阁，就会丧失生命力和可信度。但是该课程的教学计划中仅仅开设了4个学时的实验课，其余36学时为课堂教学环节，为了弥补实践环节学时的不足，讲授过程中适当采用工程案例教学法，在相关的教学内容中适当引入工程实例。“计算机辅助设计”章节涉及到多种CAD和CAE软件，如果只讲每种软件的主要功能和特点则比较抽象，可以利用软件采用案例式教学法授课，以汽车的核心技术部件内燃机为例，介绍三维Pro/E绘图软件、动力学仿真软件Adams等的强大功能和特点。“优化设计”章节，以学生们所熟悉的减速器设计为例进行介绍，以此来确定满足工作条件和强度要求时使减速器的重量最轻的设计方案。

这些案例开拓了学生的视野，使学生了解现代设计方法如何应用于工程实际当中，有利于他们体会现代设计方法的先进性和重要性，提高其学习的兴趣。

4.多媒体资源与板书相结合

该课程的教学内容分成两大类：一是概念性强的内容；二是理论性强的内容。针对不同教学内容的特点，采用不同的教学方法和手段。讲解概念性强的知识时，可适当采用图片、动画等软件，借助于多媒体教学，[1]使教学内容生动直观，便于理解，避免教学内容的单调枯燥，提高学生的学习兴趣。在讲述“有限元法”进行结构分析时，用多媒体图片来显示工程结构、网格划分后的离散模型以及加载求解后的结构应力云图，可以让学生更加直观地理解采用有限元法进行结构分析的步骤和求解特点。讲解理论性强的教学内容时，要让学生理解某一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，便于学生消化吸收。[2]

二、实践环节

1.实验教学

在高等工科院校中，实验教学在学生们更好地领会并掌握现代设计方法在实际工程中的正确应用，培养学生基本素质和能力等方面具有不可替代的重要作用。为提高教学效果和质量，增强学生的学习兴趣，需合理确定实验教学的内容与形式。该课程主要采用计算机模拟软件Matlab进行实验。该软件是美国MathWorks公司于20世纪80年代中期推出的数学软件，Matlab优化工具箱可以解决线性、非线性最小化及最大化、方程求解、曲线拟合、二次规划等问题中的大型课题的求解方法，为优化方法在工程中的实际应用提供了更方便快捷的途径。[3]将Matlab软件引入“现代设计理论及方法”教学中，可以通过学生的上机练习对所学知识加深理解，学会如何运用计算机技术去解决实际问题，可以大大提高教学质量和学生的综合素质。

2.毕业设计

毕业设计作为高等学校培养人才的最后一个综合性实践的教学环节，是本科学生开始从事科学研究和工程设计的初步尝试，是对大学四年所学知识和技能的全面体验，也是培养学生综合运用所学的理论知识和技能解决本专业工程问题的重要途径。毕业设计质量是提高教学水平和学生创新能力的体现。传统的机械毕业设计中学生的大部分精力耗费在零部件的常规设计以及繁重的绘图工作中，对整机全局难以进入深入研究，很难获得最优方案。并且在分析计算中，采用静态的或近似的方法而不是动态的精确的方法计算，计算结果未能反映零部件的真实工作状态，影响了设计的质量。对于一些模具和钣金件这样的复杂曲线和曲面，用传统的二维设计方法进行表现时，表现能力较差，且二维图纸绘制比较困难；传统设计方案是否可行只能靠理论推导和计算，难以进行实际检验，使学生感到毕业设计只是“纸上谈兵”，失去兴趣。[4]近年，笔者在指导毕业设计中引导部分学生在毕业中运用三维设计、优化设计、动力学仿真及有限元计算等方法。例如，在设计带式输送机减速器的高速级齿轮传动时，采用优化设计方法，使齿轮满足正常工作条件下两齿轮的体积最小；在对齿轮的强度进行校核时，借助有限元软件ANSYS完成，这使学生在设计中进一步深入地掌握了现代设计方法和手段，开阔了视野，也极大地提高了学生的学习兴趣和设计的积极性、主动性，极大地提高了毕业设计的质量。

三、采用综合考核制度

考核是考查一门课程讲授效果的一种方式，该门课程是机械类学生一门重要的专业基础课，在考试中采用闭卷的考试方式。了解一个学生对该门课程的掌握程度，不能仅从卷面成绩来判断。影响学生卷面成绩的因素比较多，比如考前的临时突击式复习可以取得一个好成绩，考生比较粗心，计算容易出错，导致卷面成绩不理想等等，不能由此判定该生对该门课程的掌握程度，该成绩也不能反映出学生的综合能力。因此，在该课程考核的时候采用卷面成绩占70%，实验成绩占10%，作业占10%，出勤情况占10%，实验成绩由实验时的表现情况以及完成任务情况来综合给定。针对学生抄袭作业的现象，采取了以小组为单位完成不同作业题目的方法，出勤情况的考查主要是针对一些学生自控能力差，为督促学生更加自觉学习采取的措施。采用考试、实验、作业和考勤并重的考核方式，教师的任务将加重，对任课老师的要求也更高。因此，任课老师一定要加强自身的学习，积极参与科研，努力掌握现代设计方法的新知识和其在工程中的应用，以期使自己的教学在培养本科大学生的基本素质和能力上发挥更大的能量。

四、结束语

在信息时代的今天，改革过去灌输式的教学模式势在必行，通过近几年“现代设计理论与方法”课程的教学实践，深切体会到比较式教学、引导式教学法、工程案例教学法、多媒体资源与板书相结合以及实践教学环节的重要性和有效性。教学改革是一个新的事物，总会出现新的问题，应该认真分析教学方法，从自身实践中改进教学思路，进一步提高教学质量。在今后的教学中通过不断认识，不断实践，不断完善，以期获得一条适合本科生教学的成功之路。

参考文献：

[1]李红莎，杨洪涛.多媒体教学在现代教育技术中的实践策略[J].科技信息，2011，（12）：117-118.

[2]陈就，王建晓.《现代设计方法》理论与实践环节教学探讨[J].高教论谈，2009，（5）：100-101.

[3]焦丽丽.MATLAB软件在机械优化设计中的应用研究[J].科教文汇，2011，（6）：90-91.

[4]白晓虎，张祖立，辛明金.现代设计方法在机械类专业毕业设计中的应用[J].中国现代教育装备，2008，（9）：25-26.

（责任编辑：王意琴）

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