现代设计理论与方法课程教学方法实践

王现辉++乔慧++罗静++张海

摘 要 机械设计是机械产品具有市场竞争力的关键性环节之一，现代设计理论与方法课程教育的一大特色就是理解和使用现代的设计理论和方法进行机械设计。从案例教学方法、多媒体教学和实践教学出发，对该课程的教学模式改革进行探讨，通过教学实践，取得良好的教学效果。

关键词 现代设计理论与方法；案例教学；教学模式改革

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）14-0094-02

College of Modern Design Theory and Method Teaching Analysis//

WANG Xianhui， QIAO Hui， LUO Jing， ZHANG Hai

Abstract Mechanical design is one of the key parts of mechanical products with market competitiveness. A major education feature of

modern design theory and method is understanding and using the

modern design theory and method to design the mechanical products.

Based on the case teaching method， multimedia teaching and practice

teaching， this paper probes into the reform of the teaching mode of the course， and obtains good teaching effect through the teaching practice.

Key words modern design theory and method； case teaching； tea-ching mode reform

1 前言

近年来，由于现代科学技术和计算机技术的迅猛发展，机械设计领域的创新层出不穷。因而，当代机械类大学生十分有必要进行现代设计理论与方法的学习和研究。另外，在机械类专业学生进行任务书设计过程中，引导学生采用现代设计方法进行设计，对提高任务书设计的水平和质量、培养学生的科研和创新能力起到重要作用[1]。现代设计理论与方法是一门综合性交叉学科，它将机械设计、计算力学、计算数学和计算机等多方面知识融合在一起，为以后开展设计的学习和研究打好基础。

该课程涉及优化设计、可靠性设计、有限元分析、系统分析设计方法以及计算机辅助设计基础等众多的设计方法[2]，理论性较强，内容抽象，相关数学公式繁多，枯燥乏味；且理论学习与实际应用相差较大，直接学习理论将导致学生学得索然无味，学习兴趣低下，学习效果差。因此，如何引导学生学习该课程，是这门课程不断建设、提升需要考虑的环节。基于这种认识，在该课程教学手段和教学方法上进行改革和实践，取得一些有益的经验和成果。

2 课程教学改革实践

现代设计理论与方法课程内容繁多，而本科生课程繁重。为满足基本的教学需求，并将枯燥、抽象的课程变得直观和生动，提高学生学习的主动性和积极性，文中从案例教学方法出发，将现代设计方法和当前学生的实际情况结合，对现代设计理论与方法课程教学模式改革进行探讨，以期能增加课程学习的趣味性，调动学生学习该课程的积极性，最大限度提高课程的教学效率和质量。

案例教学法 案例教学法一直是高校教学的重要方法之一，许多学者对案例教学的选编原则、教学目标、教学定位与方法等进行了初步探讨。一直以来，现代设计理论与方法课程只是在教学中引入了少量的案例，且案例的安排比较零散，不够系统化，以偏重单个技术应用介绍为主。

为了充分调动学生学习的主动性，提高学生的学习兴趣，提高授课效率和教学质量，本课程教学组共搜集和设计完善21个综合运用各种现代设计方法的案例，组建一个师生共享的案例库。为了使案例库涵盖更多的设计方法，以方案评价方法、创新设计、优化设计、可靠性设计、有限元分析、计算机辅助设计、模态分析、动态设计、相似性设计等方法作为案例制作的目标去收集案例，并将所选案例进行进一步的整合，使其典型化、系统化。

为使案例在课内能融入教学，在授课过程中运用案例教学讲授现代设计理论与方法课程。在授课过程中，针对每种方法讲解时，均从案例库中选择1～2个相关案例进行讲解，不仅要思路清晰、目标明确，而且能够理解每种方法在工程实践中的应用。

案例之一是综合运用相似性设计及有限元分析方法对冲击式破碎机锤头与物料之间的冲击时间进行研究，探索锤头质量无穷大和锤头质量为有限值时的冲击时间表达式，并进行数值仿真，表达式与仿真结果吻合度很好。在进行相似性设计及有限元方法的学习之后，通过本案例的讲解和分析，让学生能够把理论知识和实际应用结合，更好地理解本课程。

为了进一步调动学生的学习积极性，组织对现代设计方法有兴趣的学生组成4～6人学习小组。每个小组负责一种设计方法的深度学习和研究，并把该方法应用于具体的工程问题。在各个学习小组完成课题后，教师在课堂上对设计方案和结果进行分析。采用这种方式，可以让学生把枯燥的理论学习转化为多彩的工程实践，加深对现代设计方法的理解。同时，该案例库在课下则可供师生查阅检索，搭建学生与教师互动的平台，教学相长、共赢互进[3]。

充分利用多媒体资源，提高教学质量 多媒体因其独特的优点在实践教学中得到广泛应用，它最大的成功之处在于化学习被动为主动、化抽象为具体，通过娱乐性的学习能轻松巩固已学知识，从而切实激发学生发自内心的学习兴趣。现代设计理论与方法课程的理论性非常强，作为工科学生，需要很好的数学和力学功底才能学好。在教学活动中应用到大量的实例演示，利用多媒体教学則能收到更好的教学效果。为了提高学生的学习积极性，教师在本门课程的教学中可引入MATLAB和ANSYS计算机辅助分析软件，把枯燥的理论学习与新颖的软件学习和仿真相结合，通过课堂演示和课后上机的形式，帮助学生理解各参数变量的物理意义，在开阔学生视野的同时，也可以激发他们的学习兴趣。endprint

比如在讲授有限元分析时，可以在ANSYS软件中建立3D实体模型，进行应力应变场的有限元分析。在具体操作过程中，可以一边给学生讲解有限元分析各个模块的意义，一边在ANSYS中进行相应操作。最后通过ANSYS仿真，将模拟结果通过输出数据或者云图的形式展示给学生，让学生进行结果分析，他们可以更好地理解有限元分析的整个过程，并且能够验证理论教学的结果。

实践教学改革 在本课程的实践教学环节中，常用的方式是让学生在计算机实验室中进行优化设计的实验和ANSYS有限元分析实验，这两个实验是独立的。优化设计的实验一般是让学生对某个算法进行MATLAB编程，然后计算一个函数的最小值。ANSYS有限元分析则需要使用有限元软件分析一个简单的应力应变问题，得到变形云图以及最大变形量。这种实验方式使得实践教学过于零散，缺乏系统化的组织，因而很难取得良好的教学效果。

为了充分调动学生学习的主动性，尝试将一些开放式题目布置给学生，让学生通过4～6人小组合作的方式，以案例庫为参考，综合采用多种现代设计方法进行现代设计，并提交最终设计报告。如设计规定参数的减速器，学生需要首先使用Pro/E软件对减速器进行建模，然后使用ANSYS对减速器箱体进行静力分析，获得最大位移，之后进行参数优化设计。在此过程中，学生不但要使用CAD软件，而且要综合运用有限元法和优化方法，因而能够考查学生的综合能力。

注重优选教学内容和改革考试方式 “现代设计理论与方法”是将计算机技术与现代设计方法融合在一起的一门新兴的综合性、交叉性课程，其课程内容较多，这就造成授课内容与学时数之间的矛盾。因此，在讲授课程过程中应分清主次、精选内容，针对学生专业情况和发展规划，认真选择相应的重点知识进行精讲。对于机械工程领域的学生来说，重点应放在对机械产品的优化设计、有限元设计、可靠性设计、计算机辅助设计、相似性设计等实用性的内容上，对于其他的设计方面的内容可以略讲。这样可以使学生充分利用课堂有限的时间掌握更为广泛的知识，能够对本课程有更为全面的认识和理解。

通过改革课程作业内容和考试方式，可以更好地挖掘和鼓励学生的创造性思维。现行的考核方法大多是出一些概念性的题目或者数学类的计算题目，这样使得很多学生只要在考试前突击相关知识内容，便可顺利通过，不能有效检验学生的学习情况。因此，考试采用开放性课题和课堂考试各占总分数一半的方式进行，较好地实现了本课程的目的和要求。

3 总结

通过对现代设计理论与方法课程的案例教学、多媒体教学、实践教学以及课程考核等几方面的教学改革，开发出用于教学的诸多资源，提高了教学效率，增强了教学效果，充分调动了学生的学习积极性和求知欲望，在培养学生实践能力方面进行了一些有益尝试，取得一定的效果。学生普遍反映设计能力得到训练和提高，同时对最新的设计理念与方法有了初步了解，开阔了思路，转变了设计观念，有利于适应时代的要求。

参考文献

[1]百晓虎，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.

[2]张鄂等.现代设计理论与方法[M].北京：科学出版社，

2007.

[3]喻问琼.案例教学法在实践运用中的问题及对策[J].教育理论与实践，2011（21）：46-47.endprint