高職機械優(yōu)化設(shè)計課程教與學(xué)研究初探

劉小波 張進春 尹玲 王春光

摘 要 高職機械優(yōu)化設(shè)計課程是以高等數(shù)學(xué)、數(shù)值分析及計算機編程為基礎(chǔ)，以拓寬和掌握機械設(shè)計基礎(chǔ)課程理論和技巧為目的所開展的高職機械類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。通過分析高職機械優(yōu)化設(shè)計課程教與學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題，并結(jié)合企業(yè)實際需要，對高職機械優(yōu)化設(shè)計課程的教與學(xué)方面進行初步研究。

關(guān)鍵詞 優(yōu)化設(shè)計 機械類 教學(xué)研究

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A

Teaching Research on Mechanical Optimization Design

Course Oriented to Vocational Eduacation

LIU Xiaobo, ZHANG Jinchun, YIN Ling, WANG Chunguang

（Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331)

Abstract The vocational optimization of Mechanical Design courses based on higher mathematics, numerical analysis and computer programming, it's a basic course based in order to broaden and master the theory and techniques of mechanical design foundation courses undertaken for the purpose of vocational machinery professional. By analyzing the the vocational optimization of mechanical design curriculum teaching and learning in the current situation and existing problems, and combined with the actual needs of higher vocational optimization of mechanical design courses in teaching and learning for a preliminary study.

Key words optimization design; mechanical class; teaching research

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，社會對人才素質(zhì)提出了更高要求，全面加強素質(zhì)教育，培養(yǎng)動手能力強的高素質(zhì)高級技能型專門人才，成為高職教育面臨的緊迫任務(wù)。以抽象、晦澀著稱的機械優(yōu)化設(shè)計課一直讓莘莘學(xué)子望而生畏，學(xué)生的數(shù)學(xué)理論功底差，教學(xué)內(nèi)容多，課時少，還與生產(chǎn)實際有一定脫節(jié)，造成學(xué)習(xí)效果不理想，更別談將所學(xué)知識服務(wù)于專業(yè)。①因此，開展高職機械優(yōu)化設(shè)計課程的教學(xué)研究，使本課程的教學(xué)更貼近專業(yè)、貼近學(xué)生、貼近生產(chǎn)實際，真正成為一門對專業(yè)很有幫助的專業(yè)課，是擺在高職院校機械優(yōu)化設(shè)計教育工作者面前的一項迫切任務(wù)。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

近年來，隨著社會的發(fā)展，高職培養(yǎng)更加貼近社會，貼近實際，在某些學(xué)科門類高職畢業(yè)生的就業(yè)形式要好于一般本科。同時，企業(yè)對高職生的要求也將越來越高，除了要掌握專業(yè)理論知識和專業(yè)技能外，還要求拓寬專業(yè)知識面和具有成本意識，更好地為企業(yè)服務(wù)。另外在機械創(chuàng)新設(shè)計大賽以及后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)，優(yōu)化設(shè)計方法也有著非常重要的作用。以模具專業(yè)為例，進行塑料模具或者沖壓模具的設(shè)計，使用優(yōu)化設(shè)計，會使設(shè)計更合理、經(jīng)濟；從長遠來看，不懂得優(yōu)化設(shè)計，對于學(xué)生今后的職業(yè)發(fā)展來說，非常不利。在技術(shù)革新中，很難有所突破，嶄露頭角。②正是由于如此，機械優(yōu)化設(shè)計課程是在最近幾年才逐步引入到高職機械類的教學(xué)中，逐步形成高職機械設(shè)計制造類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。

機械優(yōu)化設(shè)計課程是數(shù)學(xué)理論與計算機技術(shù)高度結(jié)合的課程，要求學(xué)生掌握高等數(shù)學(xué)、數(shù)值計算與分析、計算機編程語言及如Matlab、ANSYS等數(shù)據(jù)處理和分析軟件。本課程通常以理論教學(xué)為主，涉及的數(shù)學(xué)知識與優(yōu)化算法較多，其內(nèi)容理論性強，很抽象，不易理解，且上機實踐操作不多，與生產(chǎn)實際還有一定脫節(jié)，猶如純粹做理論研究，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的熱情普遍不高。在教學(xué)過程中，該課程在專業(yè)課程體系中的地位搖擺不定，內(nèi)容增增刪刪，課時加加減減，經(jīng)歷的風(fēng)雨可謂酸甜苦辣。而且結(jié)合高職院校實際教學(xué)狀況，所選教材基本上是本科生用教材，還沒有一本適用于高職的專用機械優(yōu)化設(shè)計教材。雖然可湊合用，但欠缺是明顯的，很難適應(yīng)現(xiàn)在高職教育的發(fā)展需求，遠不能適應(yīng)“工學(xué)結(jié)合”、“校中廠，廠中?！钡娜瞬排囵B(yǎng)模式。主要表現(xiàn)在:

（1）內(nèi)容深奧難懂。由于選用的是本科教材，其要求的理論功底明顯比高職生高。教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的需求不相適應(yīng)，與專業(yè)人才培養(yǎng)目標結(jié)合不夠，與生產(chǎn)實際脫節(jié)，存在著教的內(nèi)容用不上、用的內(nèi)容沒有教等問題。

（2）對現(xiàn)代信息技術(shù)的吸收不足。教學(xué)內(nèi)容上計算技巧和編程過多，軟件應(yīng)用并未真正融入內(nèi)容體系中。針對高職生，應(yīng)用軟件培訓(xùn)內(nèi)容及時間偏少，學(xué)生上機實踐操作不夠。

2 教學(xué)方法研究

2.1 適度復(fù)習(xí)和拓寬數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

機械優(yōu)化設(shè)計包括建立優(yōu)化設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型和選擇恰當?shù)膬?yōu)化設(shè)計方法與程序編寫兩方面的內(nèi)容。所涉及到的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有方向?qū)?shù)、梯度、凸函數(shù)、臺勞級數(shù)展開、等高線、矩陣、二次型、正定、負定、共軛以及優(yōu)化目標函數(shù)及約束條件的建立等。目前，高職生的數(shù)學(xué)教學(xué)一般是安排在大一階段，學(xué)機械優(yōu)化設(shè)計這門課時，可能已經(jīng)淡忘。再者高職生的數(shù)學(xué)相對一般本科會作許多簡化，或僅學(xué)高數(shù)上冊，對高數(shù)下冊、矩陣、線性代數(shù)不會涉及，而要學(xué)好機械優(yōu)化設(shè)計這門課，必須掌握上述數(shù)學(xué)理論知識。因此適度復(fù)習(xí)和拓寬數(shù)學(xué)基礎(chǔ)對高職生而言是十分必要的。

2.2 精選教學(xué)內(nèi)容，合理利用課時

針對高職學(xué)生特點和企業(yè)實際需要，要以服務(wù)企業(yè)為出發(fā)點，在掌握一定的理論知識基礎(chǔ)上，要結(jié)合機械優(yōu)化設(shè)計實例著重培養(yǎng)學(xué)生上機實踐操作能力。以此為大綱，確定教學(xué)內(nèi)容，注意學(xué)生理論和操作能力培養(yǎng)及提高。教學(xué)內(nèi)容經(jīng)精選優(yōu)化，充分地體現(xiàn)基礎(chǔ)性、先進性和前沿性。針對我校的專業(yè)特點和實際需要，從合理利用學(xué)時的角度出發(fā)，對課程內(nèi)容進行精選優(yōu)化，③主要包括：（1）數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（方向?qū)?shù)、梯度、極值條件等）；（2）優(yōu)化方法（一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、約束優(yōu)化方法等）；（3）優(yōu)化設(shè)計軟件應(yīng)用及機械優(yōu)化設(shè)計實例。其中：優(yōu)化方法教學(xué)內(nèi)容是重點，很多知識點都要求學(xué)生掌握，對諸如多目標優(yōu)化理論和先進優(yōu)化方法內(nèi)容，只做概述性的講解，僅為拓寬學(xué)生的知識面，讓學(xué)生了解該學(xué)科的發(fā)展前沿與動態(tài)。針對高職生特點，結(jié)合學(xué)科應(yīng)用背景著重講解優(yōu)化設(shè)計軟件應(yīng)用方法，可采取多媒體實踐教學(xué)，邊教邊做。優(yōu)化設(shè)計實例在課堂上講解典型算法的程序框圖，以編制一種算法程序為示例，讓學(xué)生學(xué)習(xí)編寫其它算法程序，在實踐操作課上以學(xué)生自學(xué)加老師輔導(dǎo)的方式調(diào)試運行，讓學(xué)生對該學(xué)科的工程應(yīng)用有所初步了解。

2.3 以提高教學(xué)效果改革課堂教學(xué)模式

2.3.1 多講實例、精講理論

高職學(xué)生培養(yǎng)目標是以培養(yǎng)高素質(zhì)高技能應(yīng)用性人才為出發(fā)點的，相對本科生而言其理論基礎(chǔ)或許欠缺，但所學(xué)技能可能會比他們要扎實些、偏重些。一般來說，當高職學(xué)生看到滿篇的數(shù)學(xué)公式時，對本課程的興趣已經(jīng)減了大半，因此，為上好這門課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣對他們而言要以多講實例、精講理論。比如：減速器體積最小的優(yōu)化，四桿機構(gòu)振動力及振動力矩最小的優(yōu)化，不僅要讓學(xué)生能夠看到優(yōu)化前和優(yōu)化之后的結(jié)果對比，還要灌輸“成本、利潤”這些經(jīng)濟概念。

2.3.2 豐富教學(xué)手段，優(yōu)化教學(xué)過程

注意教學(xué)手段的改革，開展課堂板書、多媒體教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合的授課方式。這樣，既能保證傳統(tǒng)教學(xué)方式的優(yōu)點，又能利用現(xiàn)代的教學(xué)設(shè)施使得課堂氣氛更加生動，信息量大大提高。針對一些基本公式和基本方法的推導(dǎo)和證明的需要，仍然延續(xù)課堂板書的授課方式，讓學(xué)生一步一步跟上教師的思路，同時在板書的同時留足夠的時間讓學(xué)生領(lǐng)會；而對于一些需要形象理解、圖示舉例以及演示的部分，采用多媒體教學(xué)方式，充分利用聲音、圖像、視頻、動畫等多種形式進行互動教學(xué)；對于工程優(yōu)化實例，要采取實踐教學(xué)方式，以學(xué)生實際操作為主，可將學(xué)生分組采用不同優(yōu)化算法自編自調(diào)程序，并點評調(diào)試結(jié)果，以加深不同算法的優(yōu)缺點的認識。

2.4 加強實踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生動手能力

機械優(yōu)化設(shè)計是一門實踐性較強的課程。學(xué)生通過上機實驗可以加深對機械優(yōu)化設(shè)計方法的基本理論和算法步驟的理解； 能夠培養(yǎng)學(xué)生獨立編制、調(diào)試計算機程序的能力和學(xué)生靈活運用優(yōu)化設(shè)計方法解決工程實際問題的能力。

C語言是高職學(xué)生在大一年級學(xué)的一門計算機基礎(chǔ)課，學(xué)生在學(xué)習(xí)了相關(guān)的優(yōu)化算法后，通過將機械優(yōu)化設(shè)計與C 語言的結(jié)合，通過C 語言編程來實現(xiàn)相關(guān)算法，不但可以提高學(xué)習(xí)興趣，又有利于學(xué)生獲得解決實際問題的能力。

為了拓寬學(xué)生的知識面，還需選用與企業(yè)結(jié)合緊密的MATLAB 優(yōu)化工具箱和當前CAD/CAE 軟件如ADAMS、ANSYS作為上機實驗的優(yōu)化工具之一。在實踐中既要給學(xué)生介紹軟件中優(yōu)化模塊的使用還要留一定量的思考與作業(yè)題，以便學(xué)生課余學(xué)習(xí)，或者給畢業(yè)設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ)。

3 學(xué)習(xí)方法探討

3.1 樹立正確目標主動學(xué)習(xí)

目前高職學(xué)生絕大部分奮斗在生產(chǎn)第一線，為我國社會主義經(jīng)濟建設(shè)做出了不可磨滅的貢獻。為把自己培養(yǎng)成一名高素質(zhì)高技能應(yīng)用性人才，高職學(xué)生要端正學(xué)習(xí)態(tài)度，拋棄“專科不如本科”的錯誤觀念，樹立正確的學(xué)習(xí)目標。特別是工科的學(xué)生，要主動學(xué)習(xí)理論知識，扎實掌握專業(yè)技能和實際操作動手能力，為就業(yè)打下堅實基礎(chǔ)。

提高學(xué)習(xí)興趣也是主動學(xué)習(xí)的必要條件之一。實踐證明，機械優(yōu)化設(shè)計是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良的性能，減輕自重或體積，降低工程造價的一種有效設(shè)計方法。同時也可使設(shè)計者從大量繁瑣和重復(fù)的計算工作中解脫出來，使之有更多的精力從事創(chuàng)造性的設(shè)計，并大大提高設(shè)計效率。學(xué)習(xí)過程中，要多查閱優(yōu)化設(shè)計經(jīng)典案例，提高學(xué)習(xí)興趣。

3.2 課前預(yù)習(xí)與課后實踐并重

如前所述，機械優(yōu)化設(shè)計是在現(xiàn)代計算機廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)。它是根據(jù)最優(yōu)化原理和方法綜合各方面的因素，以人機配合方式或用“自動探索”的方式，在計算機上進行的半自動或自動設(shè)計，以選出在現(xiàn)有工程條件下的最好設(shè)計方案的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。這門課程涉及到比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論和計算機編程技術(shù)。為學(xué)好這門課，我們提倡課前預(yù)習(xí)與課后實踐并重。課前預(yù)習(xí)便于接受比較晦澀難懂的數(shù)學(xué)理論，課后實踐便于將所學(xué)理論應(yīng)用于實踐、加深理論知識的掌握，更重要的是培養(yǎng)實際操作動手能力。

4 結(jié)論

提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生對知識的掌握和應(yīng)用能力，提高學(xué)生實際就業(yè)率是教師永遠的目標和追求。通過教授“機械優(yōu)化設(shè)計”這門課程，做了一些有意義的教學(xué)嘗試。經(jīng)過調(diào)查，該教學(xué)方法得到了廣大學(xué)生的認同與好評，也培養(yǎng)了一批具有相關(guān)知識的高職生，他們在企業(yè)中對產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到了重要作用。今后，在教學(xué)過程中，仍將繼續(xù)該課的教學(xué)研究，不斷完善教學(xué)過程，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

注釋

① 何亞銀.《機械優(yōu)化設(shè)計》課程教學(xué)研究與實踐[J].機械管理開發(fā),2009.24(2).149-151．

② 熊小燕.論優(yōu)化設(shè)計方法在高職《機械設(shè)計基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報,2010.30(10):34-34．

③ 孫靖民,梁迎春編著.機械優(yōu)化設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.