1、“現代設計方法 ”課程教學探索與實踐 (一)摘要 “現代設計方法 ”是一門工程代寫論文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

2、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

3、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

4、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 Matlab6.5 在科學計算中的應用，(德著，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1Matlab 軟件的特點Matlab(MatrixLaboratoy) 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

5、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。2Matlab 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 i

6、nterp1，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

7、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 n