关于《现代设计方法》课程的“教学做”一体化探索.doc

关于现代设计方法课程的“教学做”一体化探索宋慧（青岛黄海学院 山东 青岛 266427） 摘要：现代设计方法是一门实践性很强的新兴学科，在工程设计中得到广泛应用。结合机电专业特点，从教学内容的确定、软件平台的使用方面进行了阐述，并对实验教学、教学理念两个方面的改进进行了介绍。 关键词：现代设计方法 优化设计 有限元 教学 Matlab 近年来，由于高速、大容量、多媒体计算机的普及，现代设计方法在机械工业中得到广泛应用，大大提高产品的设计水平和质量。通过对本课程的学习，使学生掌握产品设计和开发的基本技能。所以，从事本课程教学的工作者应该“以应用为目的，以够用为度”不断探索新的教学途径和方法。 1 确定教学内容，优化课程安排。 教学内容以够用为度，适用为限，适当缩减课堂理论教学的时间，增加技能学习等实践性教学环节的教学时间，以提高学生的动手能力。由于课时有限，在现代设计方法这门课中，我们主要介绍理论上比较成熟并已经获得广泛应用的四种现代设计计算方法，包括计算机辅助设计、优化设计、有限元法和可靠性设计，学生通过本课程的学习，能够运用这四种方法解决工程实际中的一些基本问题。对于其他现代设计理念和方法，通过网络查找作为前沿知识介绍给学生，扩大学生的知识面。从教学内容上既突出现代设计方法的重点，又覆盖现代设计方法的全貌。 2 选用优秀的软件平台Matlab软件辅助教学 2.1 Matlab软件的特点 Matlab (Matrix Laboratoy)是由美国Mathworks公司1994年推出的优秀科技应用软件，它具有强大的科技计算、图形处理、可视化、开放式和可扩展环境，特别是所附带的几十种面向不同领域的工具箱支持，已经广泛应用于数值分析、信号与图像处理、控制系统设计、通信仿真、工程优化、数学建模和统计分析等领域，成为目前市场上强有力的工程问题分析计算和程序设计的桌面工程师系统，是工科大学生和研究生必须掌握的基本工具。 2.2 Matlab软件在“现代设计方法”课程中的应用 在“现代设计方法”课程中，使用Matlab解决复杂的数学计算，可以简化公式的推导和概念的叙述，使学生既掌握了一门计算机编程语言，又使学生进一步加深对所学内容的理解；同时，Matlab能方便的将计算结果用图形、图像等来表达，使得教学更加生动、形象，提高学生的学习兴趣。 在第一章“工程数据的计算机处理”一节中，利用Matlab软件的interp1，interp2，interp3和interpn很容易地实现各种维数的函数插值，同时利用Matlab的图形处理函数如plot，meshgrid，mesh等将插值效果直观地表达出来。而对于曲线拟合，利用Matlab函数，既可以容易地求出拟合曲线，又可以将拟合曲线与原函数在同一坐标系中显示出来，直观地表达拟合曲线与原函数的符合程度 。在第二章“优化设计”中，涉及到高等数学、线性代数、矩阵论等数学问题，对于工科学生而言，本门课程不需要他们对优化的算法进行深入的研究，只要求他们了解和掌握基本概念，每一种算法的特点和应用场合，并将这些算法应用到解决实际问题中。当优化的目标函数和约束条件比较复杂时，计算的工作量很大。利用Matlab软件提供的最优化计算工具箱能很快很好地解决几乎所有的最优化设计问题。对于二维优化设计问题还可以用图形将数学模型和结果表示出来，生动、形象，加深学生对优化设计问题的理解。 第三章“有限元法”，在求单元刚度矩阵、集成总体刚度矩阵，求解平衡方程中，由于涉及到矩阵运算，计算工作量非常大。所以在本章中使用Matlab作为矩阵计算器进行有限元分析，除了某些手动操作外，主要使用Matlab解决冗长的矩阵计算问题，强调有限元方法的步骤。同时使用了Matlab有限元分析及应用提供的有限元工具箱中的函数，大大简化了有限元问题的求解过程，可以将更多的精力放在问题的解决上，在课上可以为学生提供更多练习、讨论的时间，大大增加了学生的学习兴趣。 第四章可靠性设计中，主要是在第四节“可靠性设计方法的简单应用”中，利用norminv(1-R)函数，根据可靠度R确定联结系数；利用normcdf(z)函数根据联结系数z确定失效概率F；利用normpdf(z)函数根据联结系数z确定失效率f;利用roots(P)根据多项式各项系数向量P求解多项式的根。一方面省去了查表，另一方面可以大大简化计算。 3 增加实验教学课程比重 安排实验教学课程，理论与实践互动，提高学生实际操作能力。在以往的“现代设计方法”课程中，只在第一章和第二章各安排了实验，主要要求学生利用C语言完成工程数据程序化处理、一维搜索、无约束优化设计方法的程序编制、调试和考核，并用已编好的程序实现机械设计中的数据处理和优化设计问题。由于实验学时数偏少，学生在调试、运行程序时花掉大量时间，导致在规定的时间内无法完成实验任务，更不能把理论应用于实践。而对于第三章“有限元法”和第四章“可靠性设计”，过去只讲理论，没有实验，学生无法感受到这些先进的设计方法的优点。因此，近年来将Matlab软件引入课堂教学的同时，对实验内容也进行了改革。实验内容不再要求学生完成各种程序的编制、调试，而把重点放在让学生掌握各种设计方法的使用上，培养学生使用现代设计方法解决机械工程问题的能力。 4 尊重学生，形成互动式的教学理念 尊重学生就是要确立学生在教学活动中的主体地位，引导学生积极思维，激活学生的学习积极性与主动精神，形成师生互动式的教学理念。主要包括以下几个方面： （1） 善于提出问题，揭示矛盾，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，特别是培养学生发现问题的能力。 （2） 在课堂讲授中淡化繁琐的数学推导与数字运算，强化定性分析，突出分析思路与分析方法。使学生懂得“问题是什么”，“问题的性质是什么”，“解决问题的方法是什么”，等。 （3） 引导学生自己思考，并得出某些结论，包括一些重要结论。正如学生所说：“老师讲得再多、再好都是有限的，而我们自己琢磨出来的知识才是无限的。” （4） 为学生留出充分的思维空间，改变教师“一言堂”，展开课堂讨论。 基于上述教学理念，在课堂上经常鼓励学生参与，鼓励他们积极思维，不要被动思维，更不要拒绝思维；鼓励学生回答问题，发表自己的见解，“说错了比不说好”。 5结论 通过现代设计方法课程教学的探索与实践，使学生对现代设计方法有所全面了解，掌握了目前比较成熟的现代设计方法的基本原理与应用方法，扩充了学生的知识面，提高了CAD应用的综合技能，培养了学生灵活运用现代设计方法解决工程实际问题的能力，为今后从事工程技术工作、科学研究以及开拓新技术领域，打下了坚实的基础。 参考文献： 1张鄂.“现代设计方法”课程建设的实践与思考J.西安交通大学学报(社会科学版)，1998，(3)：46-48. 2郭仁生.机械工程设计分析和Matlab