“現代設計方法”課程教學探索與實踐

[摘要]“現代設計方法”是一門工程實用性較強的新興邊緣學科，目的在于使其成為學生未來從事工業產品設計的有力工具，提高產品的設計水平和質量，推動人類設計事業的進步。結合多年來，在“現代設計方法”課程教學中的探索與實踐，從教學內容的確定、教材的選用、軟件平臺的使用方面進行了詳細的闡述，并對實驗教學、教學理念、考核方式幾個方面的改進進行了介紹。

[關鍵詞]現代設計方法 優化設計 有限元 教學 Matlab

“現代設計方法”是一門工程實用性較強的新興邊緣學科，根本目的在于使它成為學生未來從事工業產品設計的有力工具，以提高產品的設計水平和質量，推動人類設計事業的進步。多年來，我們在“現代設計方法”教學中不斷探索、實踐。

一、確定教學內容

現代設計方法是一門種類繁多、知識面廣的學科群，它由多種設計方法組成，包括計算機輔助設計、優化設計、可靠性設計、有限元法、模塊化設計、動態設計、疲勞強度設計、并行設計、綠色設計、虛擬設計、反求工程、人機工程等。由于課時有限，在“現代設計方法”這門課中，主要介紹理論上比較成熟并已經獲得廣泛應用的現代設計計算方法，包括計算機輔助設計、優化設計、有限元法和可靠性設計，學生通過本課程的學習，能夠運用這四種方法解決工程實際中的一些基本問題。對于其他現代設計理念和方法，作為前沿知識介紹給學生，擴大學生的知識面。從教學內容上既突出現代設計方法的重點，又覆蓋現代設計方法的全貌。

二、選用教材

要完成以上教學內容，目前沒有一本教材可以完全勝任，必須以一本為主，再輔以其他教材作為參考。由于“現代設計方法”涉及高數、物理、線性代數、概率與數理統計、力學等多門學科內容，為了便于基礎差的學生課前預習、課后自學，選用了西安理工大學應錦春教授主編的全國高等教育自學考試指定的《現代設計方法》教材作為主教材，這本教材中主要介紹了計算機輔助設計、優化設計、有限元法和可靠性設計這四種現代設計方法。由于是自學考試教材，學生學起來有一種通俗易懂的感覺，而且實例豐富，利于學以致用。對于其他現代設計理念和方法，參考了盧小平、吳威主編的《現代制造技術》，黃雨、董遇泰主編的《現代機械設計理論與方法》等教材，并通過網絡查找更多有關現代設計方法的相關內容。在實驗教學上參考肖偉、劉忠主編的《Matlab程序設計與應用》、宋兆基主編的《Matlab 6.5在科學計算中的應用》，(德)P.I.Kattan著，韓來彬譯的《Matlab有限元分析及應用》，自編了實驗指導書。

三、選用優秀的軟件平臺——Matlab軟件輔助教學

1．Matlab軟件的特點

Matlab (Matrix Laboratoy)是由美國Mathworks公司1994年推出的優秀科技應用軟件，它具有強大的科技計算、圖形處理、可視化、開放式和可擴展環境，特別是所附帶的幾十種面向不同領域的工具箱支持，已經廣泛應用于數值分析、信號與圖像處理、控制系統設計、通信仿真、工程優化、數學建模和統計分析等領域，成為目前市場上強有力的工程問題分析計算和程序設計的桌面工程師系統，是工科大學生和研究生必須掌握的基本工具。

2．Matlab軟件在“現代設計方法”課程中的應用

在“現代設計方法”課程中，使用Matlab解決復雜的數學計算，可以簡化公式的推導和概念的敘述，使學生既掌握了一門計算機編程語言，又使學生進一步加深對所學內容的理解；同時，Matlab能方便的將計算結果用圖形、圖像等來表達，使得教學更加生動、形象，提高學生的學習興趣。

在第一章“工程數據的計算機處理”一節中，利用Matlab軟件的interp1，interp2，interp3和interpn很容易地實現各種維數的函數插值，同時利用Matlab的圖形處理函數如plot，meshgrid，mesh等將插值效果直觀地表達出來。而對于曲線擬合，利用Matlab函數，既可以容易地求出擬合曲線，又可以將擬合曲線與原函數在同一坐標系中顯示出來，直觀地表達擬合曲線與原函數的符合程度

在第二章“優化設計”中，涉及到高等數學、線性代數、矩陣論等數學問題，對于工科學生而言，本門課程不需要他們對優化的算法進行深入的研究，只要求他們了解和掌握基本概念，每一種算法的特點和應用場合，并將這些算法應用到解決實際問題中。當優化的目標函數和約束條件比較復雜時，計算的工作量很大。利用Matlab軟件提供的最優化計算工具箱能很快很好地解決幾乎所有的最優化設計問題。對于二維優化設計問題還可以用圖形將數學模型和結果表示出來，生動、形象，加深學生對優化設計問題的理解。

第三章“有限元法”，在求單元剛度矩陣、集成總體剛度矩陣，求解平衡方程中，由于涉及到矩陣運算，計算工作量非常大。所以在本章中使用Matlab作為矩陣計算器進行有限元分析，除了某些手動操作外，主要使用Matlab解決冗長的矩陣計算問題，強調有限元方法的步驟。同時使用了《Matlab有限元分析及應用》提供的有限元工具箱中的函數，大大簡化了有限元問題的求解過程，可以將更多的精力放在問題的解決上，在課上可以為學生提供更多練習、討論的時間，大大增加了學生的學習興趣。

第四章可靠性設計中，主要是在第四節“可靠性設計方法的簡單應用”中，利用norminv(1-R)函數，根據可靠度R確定聯結系數；利用normcdf(z)函數根據聯結系數z確定失效概率F；利用normpdf(z)函數根據聯結系數z確定失效率f;利用roots(P)根據多項式各項系數向量P求解多項式的根。一方面省去了查表，另一方面可以大大簡化計算。

四、增加實驗內容，改進實驗平臺

在以往的“現代設計方法”課程中，只在第一章和第二章各安排2學時(總學時為40學時)的實驗，主要要求學生利用C語言完成工程數據程序化處理、一維搜索、無約束優化設計方法的程序編制、調試和考核，并用已編好的程序實現機械設計中的數據處理和優化設計問題。由于實驗學時數偏少，學生在調試、運行程序時花掉大量時間，導致在規定的時間內無法完成實驗任務，更不能把理論應用于實踐。而對于第三章“有限元法”和第四章“可靠性設計”，過去只講理論，沒有實驗，學生無法感受到這些先進的設計方法的巨大“魅力”，反而被繁瑣的公式推導對這些方法產生一種“望而生畏”的感覺。

因此，近年來將Matlab軟件引入教學課堂的同時，對實驗內容和實驗平臺也進行了改革。總學時不變，實驗學時由以前的4學時增加到12學時，其中第一章4學時，第二章4學時，第三章2學時，第四章2學時。實驗內容不再要求學生完成各種程序的編制、調試，而把重點放在讓學生掌握各種設計方法的使用上，培養學生使用現代設計方法解決機械工程問題的能力。實驗平臺由以前的C語言改為現在的Matlab語言。除了第一個實驗是用Visual Basic語言開發AutoCAD和Solidworks軟件之外，其它5個實驗全部是借助Matlab語言用所學的現代設計方法解決難度適中的若干工程實際問題。

五、尊重學生，形成互動式的教學理念

尊重學生就是要確立學生在教學活動中的主體地位，引導學生積極思維，激活學生的學習積極性與主動精神，形成師生互動式的教學理念。主要包括以下幾個方面：

1．善于提出問題，揭示矛盾，激發學生強烈的求知欲望，加強學生的聯想能力、發散思維能力，特別是培養學生發現問題的能力。

2．在課堂講授中淡化繁瑣的數學推導與數字運算，強化定性分析，突出分析思路與分析方法。使學生懂得“問題是什么”，“問題的性質是什么”，“解決問題的方法是什么”，等。

3．引導學生自己思考，并得出某些結論，包括一些重要結論。正如學生所說：“老師講得再多、再好都是有限的，而我們自己琢磨出來的知識才是無限的。”

4．為學生留出充分的思維空間，改變教師“一言堂”，展開課堂討論。

基于上述教學理念，在課堂上經常鼓勵學生參與，鼓勵他們積極思維，不要被動思維，更不要拒絕思維；鼓勵學生回答問題，發表自己的見解，“說錯了比不說好”。

六、改革考核方式

為了全面評價學生，一門課的學習成績，不能只憑一次考試的成績來決定，而應采用多種考查的方式。近年來，我們采用平時成績(50%)+期末考查(50%)相結合的形式。其中平時成績包括上機實驗成績(20%)+日常課外作業成績(20%)+出勤表現(10%)；期末考查包括上機操作(40%)+大型作業 (10%)。上機實驗成績由每次上機時記錄的表現情況和完成任務情況綜合給定；對學生中抄襲作業的現象，采取了以小組為單位完成不同作業題目的方法，由小組組長給出組員成績作為參考；出勤表現成績是針對我系部分學生自控能力差，曠課現象嚴重而采取的措施；期末上機操作是以閉卷的形式上機完成實驗指導書中隨機抽取的一個實驗項目；大型作業是要求學生通過查找資料，對目前的各種現代設計方法進行搜集整理，了解各種現代設計方法的概念、特點、發展現狀等。

以上考核方式可以比較全面的考查學生，使學生對現代設計方法有重點掌握，又能全面了解，同時又能督促學生更加自覺地學習。

七、結論

通過《現代設計方法》課程教學的探索與實踐，使學生對現代設計方法有所全面了解，掌握了目前比較成熟的現代設計方法的基本原理與應用方法，擴充了學生的知識面，提高了CAD應用的綜合技能，培養了學生靈活運用現代設計方法解決工程實際問題的能力，為今后從事工程技術工作、科學研究以及開拓新技術領域，打下了堅實的基礎。

參考文獻：

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[4](德)P.I.Kattan著，韓來彬譯.Matlab有限元分析及應用[M].清華大學出版社，2004.

[5]應錦春.現代設計方法[M].機械工業出版社，2002.

(作者單位：河北科技師范學院)