“現(xiàn)代設(shè)計方法”課程教學探索與實踐

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1、“現(xiàn)代設(shè)計方法”課程教學探索與實踐[摘要]“現(xiàn)代設(shè)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(yè)產(chǎn)品設(shè)計的有力工具，提高產(chǎn)品的設(shè)計水平和質(zhì)量，推動人類設(shè)計事業(yè)的進步。結(jié)合多年來，在“現(xiàn)代設(shè)計方法”課程教學中的探索與實踐，從教學內(nèi)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(guān)鍵詞]現(xiàn)代設(shè)計方法優(yōu)化設(shè)計有限元教學Matlab　　　　“現(xiàn)代設(shè)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

2、于使它成為學生未來從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的有力工具，以提高產(chǎn)品的設(shè)計水平和質(zhì)量，推動人類設(shè)計事業(yè)的進步。多年來，我們在“現(xiàn)代設(shè)計方法”教學中不斷探索、實踐?！　　　∫?、確定教學內(nèi)容　　　　現(xiàn)代設(shè)計方法是一門種類繁多、知識面廣的學科群，它由多種設(shè)計方法組成，包括計算機輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、有限元法、模塊化設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、疲勞強度設(shè)計、并行設(shè)計、綠色設(shè)計、虛擬設(shè)計、反求工程、人機工程等。由于課時有限，在“現(xiàn)代設(shè)計方法”這門課中，主要介紹理論上比較成熟并已經(jīng)獲得廣泛應用的現(xiàn)代設(shè)計計算方法，包括計算機輔助設(shè)

3、計、優(yōu)化設(shè)計、有限元法和可靠性設(shè)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(xiàn)代設(shè)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(nèi)容上既突出現(xiàn)代設(shè)計方法的重點，又覆蓋現(xiàn)代設(shè)計方法的全貌。　　　　二、選用教材　　　　要完成以上教學內(nèi)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(xiàn)代設(shè)計方法”涉及高數(shù)、物理、線性代數(shù)、概率與數(shù)理統(tǒng)計、力學等多門學科內(nèi)容，為了便于基礎(chǔ)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

4、主編的全國高等教育自學考試指定的《現(xiàn)代設(shè)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(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、有限元法和可靠性設(shè)計這四種現(xiàn)代設(shè)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(xiàn)代設(shè)計理念和方法，參考了盧小平、吳威主編的《現(xiàn)代制造技術(shù)》，黃雨、董遇泰主編的《現(xiàn)代機械設(shè)計理論與方法》等教材，并通過網(wǎng)絡查找更多有關(guān)現(xiàn)代設(shè)計方法的相關(guān)內(nèi)容。在實驗教學上參考肖偉、劉忠主編的《Matlab程序設(shè)計與應用》、宋兆基主編的《Matlab6.5在科學計算中的

5、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(yōu)秀的軟件平臺——Matlab軟件輔助教學　　　　1．Matlab軟件的特點　　Matlab(MatrixLaboratoy)是由美國Matheshgrid，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(shù)，既可以容易地求出擬合曲線，又可以將擬合曲線與原函數(shù)在同一坐標系中顯示出來，直觀地表達擬合曲線與原函數(shù)的符合程度　　在第二章“優(yōu)化設(shè)計”中，涉及到高等數(shù)學、線性代

6、數(shù)、矩陣論等數(shù)學問題，對于工科學生而言，本門課程不需要他們對優(yōu)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(yōu)化的目標函數(shù)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(yōu)化計算工具箱能很快很好地解決幾乎所有的最優(yōu)化設(shè)計問題。對于二維優(yōu)化設(shè)計問題還可以用圖形將數(shù)學模型和結(jié)果表示出來，生動、形象，加深學生對優(yōu)化設(shè)計問題的理解?！　〉谌隆坝邢拊ā?，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

7、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(diào)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(shù)，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?！　〉谒恼驴煽啃栽O(shè)計中，主要是在第四節(jié)“可靠性設(shè)計方法的簡單應用”中，利用norminv(1-R)函數(shù)，根據(jù)可靠度R確定聯(lián)結(jié)系數(shù)；利用n

8、ormcdf(z)函數(shù)根據(jù)聯(lián)結(jié)系數(shù)z確定失效概率F；利用normpdf(z)函數(shù)根據(jù)聯(lián)結(jié)系數(shù)z確定失效率f;利用roots(P)根據(jù)多項式各項系數(shù)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(nèi)容，改進實驗平臺　　　　在以往的“現(xiàn)代設(shè)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(shù)據(jù)程序化處理、一維搜索、無約束優(yōu)化設(shè)計方法的程序編制、調(diào)試和考核，并