《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革與探索

（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

在應(yīng)用型本科院校中，《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》是機(jī)械類高年級(jí)本科生一門重要的選修課，但目前 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)效果卻不理想，主要是如下2個(gè)重要原因所致：① 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程在教學(xué)中常常需要運(yùn)用大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，涉及到較多的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、優(yōu)化算法及程序設(shè)計(jì)等綜合知識(shí)，內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，不易理解，學(xué)生畏難情緒大，學(xué)習(xí)熱情不高；②由于隨著教學(xué)改革的不斷深入，《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)課時(shí)逐漸減少。針對(duì) 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)存在的問題，圍繞專業(yè)建設(shè)和應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，如何對(duì) 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程進(jìn)行教學(xué)改革，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力顯得尤為重要。為此，筆者結(jié)合長江大學(xué)機(jī)械專業(yè)特色及教學(xué)實(shí)踐，就 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等改革進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

1 教學(xué)目標(biāo)強(qiáng)調(diào) “學(xué)以致用”

1.1 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程特點(diǎn)

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)就是把機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及方法相結(jié)合，借助電子計(jì)算機(jī)，自動(dòng)尋找實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的一種有效的設(shè)計(jì)方法[1]，應(yīng)用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，不僅能使設(shè)計(jì)周期大大縮短，計(jì)算精度顯著提高，而且可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所不能解決的比較復(fù)雜的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，主要包括建立設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型和選擇恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法與程序設(shè)計(jì)2方面內(nèi)容，該課程理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)多，涉及到較多的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、高等矩陣、程序設(shè)計(jì)語言編程等課程的知識(shí)。

1.2 瞄準(zhǔn)專業(yè)定位，突出學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)

不同的學(xué)校其辦學(xué)層次、人才培養(yǎng)目標(biāo)和人才定位不同[2]，《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)也相應(yīng)不同。長江大學(xué)是一所綜合性省屬普通本科院校，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的前身是石油礦場(chǎng)機(jī)械專業(yè)，專業(yè)在人才培養(yǎng)、教學(xué)科研活動(dòng)中與石油工業(yè)緊密結(jié)合，石油特色鮮明，為石油工業(yè)培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用型本科人才是本專業(yè)的基本定位。應(yīng)用型本科的特點(diǎn)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，重視知識(shí)應(yīng)用能力和實(shí)際操作能力的培養(yǎng)，以適應(yīng)社會(huì)需要為目標(biāo)，著重 “應(yīng)用”二字，以 “應(yīng)用”為主旨和特征構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容，重視學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

長江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)計(jì)劃安排 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》為大三學(xué)生的一門專業(yè)選修課，針對(duì) 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》教學(xué)中理論性強(qiáng)、學(xué)生畏難情緒大、學(xué)習(xí)熱情不高、課時(shí)逐漸減少等問題，應(yīng)瞄準(zhǔn)應(yīng)用型專業(yè)人才定位的要求，堅(jiān)持 “理論聯(lián)系實(shí)際、重視工程應(yīng)用”的思想，突出學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，引入Matlab優(yōu)化工具箱，減少學(xué)生編程與調(diào)試的工作量，將課程教學(xué)重點(diǎn)放在數(shù)學(xué)模型的建立，優(yōu)化方法的選擇，以及Matlab優(yōu)化工具箱中優(yōu)化函數(shù)的使用上，使學(xué)生既學(xué)到優(yōu)化的思想與理論方法，又能夠把實(shí)際決策問題用數(shù)學(xué)建模的方法轉(zhuǎn)化為優(yōu)化模型，進(jìn)而選擇、利用優(yōu)化方法和工具進(jìn)行模型求解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2 教學(xué)內(nèi)容側(cè)重理論與實(shí)踐結(jié)合

2.1 強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，增加上機(jī)實(shí)踐比重

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》原課程總學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí)，現(xiàn)課程總學(xué)時(shí)為30學(xué)時(shí)。經(jīng)過多年的改革與探索，逐漸確定了在總學(xué)時(shí)有所縮減的情況下，將 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的理論教學(xué)學(xué)時(shí)縮短，強(qiáng)化學(xué)生上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)，為學(xué)生上機(jī)學(xué)習(xí)Matlab優(yōu)化工具箱分出一些學(xué)時(shí)，確定為理論學(xué)時(shí)16個(gè)，上機(jī)實(shí)踐學(xué)時(shí)14個(gè)。理論教學(xué)內(nèi)容主要包括：優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法(一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、線性規(guī)劃、約束優(yōu)化方法）；上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)主要結(jié)合機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例及上機(jī)操作學(xué)習(xí)如何以計(jì)算機(jī)為工具，以當(dāng)前比較通用的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)，把優(yōu)化設(shè)計(jì)基本理論與方法應(yīng)用于解決機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的過程。學(xué)生可以通過實(shí)踐加深對(duì)機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論與方法的理解，學(xué)會(huì)如何將機(jī)械設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，并合理建立機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，選用恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法求解機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，了解特殊數(shù)學(xué)模型如線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、幾何規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解的基本理論與方法，最終達(dá)到獨(dú)立解決工程實(shí)際中機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的目的。

2.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，理論與應(yīng)用知識(shí)并舉

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》包括建立優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型和選擇恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法及程序3方面的內(nèi)容[3]。在授課過程中以 “應(yīng)用是優(yōu)化設(shè)計(jì)的精髓，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇是教學(xué)的主題，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用技巧是教學(xué)的重點(diǎn)”為原則，注重學(xué)以致用，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，即從重視應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行合理地調(diào)整，將繁瑣的公式推導(dǎo)、分析和計(jì)算等內(nèi)容壓縮，并增加Matlab語言基礎(chǔ)知識(shí)和其優(yōu)化工具箱的應(yīng)用。如對(duì)優(yōu)化的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(方向?qū)?shù)、梯度、極值存在條件等）只要求學(xué)生掌握最基本的概念，簡化優(yōu)化方法(一維搜索、無約束優(yōu)化方法、有約束優(yōu)化方法）計(jì)算公式的推導(dǎo)過程及算法的程序框圖；在理論教學(xué)中增加Matlab語言基礎(chǔ)知識(shí)和其優(yōu)化工具箱的內(nèi)容，使學(xué)生掌握Matlab基礎(chǔ)知識(shí)、Matlab優(yōu)化工具箱常用的優(yōu)化函數(shù)，并初步具有選擇合適的優(yōu)化函數(shù)、編制Matlab程序等將優(yōu)化函數(shù)應(yīng)用于解決機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化問題的方法，這樣有助于學(xué)生將學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在數(shù)學(xué)模型的建立、優(yōu)化方法的選擇以及Matlab優(yōu)化工具箱中優(yōu)化函數(shù)的使用上，從而培養(yǎng)學(xué)生能靈活應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法解決實(shí)際工程問題的能力。

2.3 結(jié)合石油特色，豐富優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，授課教師側(cè)重于定理、公式的證明、推導(dǎo)以及計(jì)算，結(jié)合專業(yè)特色的工程實(shí)例的情況比較少。如果在 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課堂教學(xué)中注重結(jié)合專業(yè)特色工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹，既能體現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的使用價(jià)值和意義，又能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和興趣。筆者注重結(jié)合我校機(jī)械專業(yè)特色，把具有石油機(jī)械工程應(yīng)用背景的實(shí)例有機(jī)地融入教學(xué)過程，豐富機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例。比如，抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)、變速箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、泥漿泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等石油機(jī)械工程中的實(shí)際問題，將Matlab優(yōu)化工具箱函數(shù)應(yīng)用于石油工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

為了提高學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合的能力，在講授理論課的過程中穿插布置相應(yīng)的上機(jī)實(shí)踐任務(wù)。如講完有約束優(yōu)化方法及相應(yīng)Matlab優(yōu)化函數(shù)fmincon后，可布置曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、齒輪泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)等工程實(shí)際問題，讓學(xué)生課后建模，應(yīng)用Matlab優(yōu)化函數(shù)fmincon求解，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及分析問題、解決問題的能力，從而改善了教學(xué)效果。比如，在游梁式抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]的機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化部分，可以在抽油機(jī)的基本尺寸中選擇數(shù)個(gè)因素作為設(shè)計(jì)變量，來完成指定尺寸參數(shù)的優(yōu)化，滿足不同情況下改造設(shè)計(jì)的不同需要；平衡重滯后角優(yōu)化部分，是在機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化的結(jié)果基礎(chǔ)上確定最大曲柄平衡扭矩，同時(shí)對(duì)平衡重相位角進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳的平衡效果；抽油機(jī)連桿的優(yōu)化可以獲得最優(yōu)的抽油機(jī)連桿外徑和壁厚，以期獲得重量最輕、耗材最少的連桿，提高抽油效率和可靠性。

2.4 注重新知識(shí)的引入

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程授課中要注重新知識(shí)的引入，堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注現(xiàn)代優(yōu)化方法。比如把在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用日益增多的計(jì)算機(jī)輔助工程分析(Computer Aided Engineering）知識(shí)引入課堂，簡要介紹計(jì)算機(jī)輔助工程分析軟件(如ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊等）的應(yīng)用，適當(dāng)介紹模擬退火算法、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群優(yōu)化算法等現(xiàn)代優(yōu)化方法的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)這些方法具有解決普通算法難以解決的不連續(xù)、多峰、高維、具有凹凸性等優(yōu)化問題的特點(diǎn)，豐富學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大學(xué)生的視野。

3 教學(xué)形式融合課內(nèi)與課外

“教、學(xué)、做”融一體的教學(xué)模式特別適合于需要較強(qiáng)邏輯思維，而在傳統(tǒng)講授方法難以讓學(xué)生接受的課程內(nèi)容。在 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課中教師在講清了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、基本概念、基本優(yōu)化方法及常用函數(shù)之后，就安排學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，鞏固理論知識(shí)，提高學(xué)生解決問題的能力。課內(nèi)教學(xué)過程中注重問題探究型教學(xué)、討論式教學(xué)和案例教學(xué)等教學(xué)方法的應(yīng)用，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，然后學(xué)生在課外時(shí)間主動(dòng)學(xué)習(xí)，擴(kuò)展自己的知識(shí)范圍。教學(xué)形式上課內(nèi)課外的有機(jī)融合，使學(xué)生更好地領(lǐng)會(huì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)解決問題的思路，分析并完成教師提出的綜合性問題或者討論題，最終找到解決問題的辦法，從而進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果，形成教學(xué)過程的良性循環(huán)。

4 考核方式兼顧過程與結(jié)果

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程考核方式突出對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的考核，采取 “理論考核＋上機(jī)實(shí)踐”的形式，采用百分制記分法，成績?cè)u(píng)定按平時(shí)成績占20%，理論考核成績占40%，上機(jī)實(shí)踐成績占40%的比例，在期末進(jìn)行綜合評(píng)定。平時(shí)成績包括了到課率、平日的學(xué)習(xí)狀況、作業(yè)等多方面進(jìn)行全面考核；理論考核突破閉卷考試的局限，摒棄了套公式計(jì)算的考核目標(biāo)，實(shí)行開卷考試，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心和主動(dòng)性，加大對(duì)學(xué)生理解與應(yīng)用能力的考核力度，從而提高教學(xué)質(zhì)量；上機(jī)實(shí)踐內(nèi)容突破理論考核局限，把機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與現(xiàn)代計(jì)算方法相結(jié)合，采用分組安排形式，5人一組，每組4個(gè)題目，內(nèi)容包括線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、無約束優(yōu)化等問題和非線性規(guī)劃的綜合應(yīng)用題，上機(jī)實(shí)踐考核過程貫穿于教學(xué)全過程，主要突出學(xué)生的運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力和綜合應(yīng)用能力。《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的考核方式兼顧了過程與結(jié)果，使成績的評(píng)定更趨合理，起到了良好的激勵(lì)作用及教學(xué)反饋?zhàn)饔谩?/p>

[1]孫靖民，梁迎春 .機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]林雪燕 .從應(yīng)用型本科教育看應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng) [J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）：83-85.

[3]武照云，劉曉霞，劉楠嶓，等 .《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)研究與改革 [J].機(jī)械管理開發(fā)，2011，（2）：190-191.

[4]俞慶，李仁興 .基于Matlab技術(shù)的后置型游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].裝備制造技術(shù)，2010（2）：69-73.