“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程實(shí)驗(yàn)與考核方式的研究與探索

馬秀騰

摘 要：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)作為機(jī)械類專業(yè)的一門重要課程，最終的目標(biāo)是要學(xué)生能使用優(yōu)化的數(shù)學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題，具有機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。該文主要分析了課程現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，從解決問(wèn)題的角度，在課程實(shí)驗(yàn)、課程考核的方式和內(nèi)容等方面，提出了一些改進(jìn)措施，并進(jìn)行了實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn) 考核 Matlab

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0179-02

“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”是機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)發(fā)展的重要課程，主要內(nèi)容包括優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例等內(nèi)容。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是將最優(yōu)化原理和計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。采用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，人們可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中找出最佳設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

該文簡(jiǎn)要介紹了“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程的作用，針對(duì)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，從課程實(shí)驗(yàn)、課程考核的方式和內(nèi)容等方面，提出了一系列的改革方法與措施，注重與科學(xué)計(jì)算軟件Matlab的結(jié)合，從實(shí)驗(yàn)和考核方式的改變引導(dǎo)教學(xué)的改變，提高了教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量，取得了較好地實(shí)踐效果。

1 課程作用簡(jiǎn)介

“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程的目標(biāo)是使學(xué)生樹立優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，掌握優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念和方法，將最優(yōu)化和計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，獲得解決機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力[1]?！皺C(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程是中國(guó)機(jī)械工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)畢業(yè)要求“能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題”和“能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)、并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問(wèn)題，以獲得有效結(jié)論”的具體體現(xiàn)?！皟?yōu)化設(shè)計(jì)”是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的重要領(lǐng)域，所以“優(yōu)化設(shè)計(jì)”也是“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”課程的重要組成部分。

2 課程現(xiàn)狀

在筆者所在學(xué)院機(jī)械類專業(yè)的培養(yǎng)體系中，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，重在培養(yǎng)學(xué)生的建模能力、編制優(yōu)化程序的能力和靈活運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。課程教學(xué)包括課堂和上機(jī)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對(duì)基本知識(shí)的理解，能夠獨(dú)立編制計(jì)算機(jī)程序，掌握常用優(yōu)化方法程序的使用方法，最終達(dá)到靈活運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法解決工程實(shí)際問(wèn)題[1]。

在近幾次的大綱修訂中，為了加強(qiáng)對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，在總學(xué)時(shí)不變的情況下，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有所增加，但實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容并沒有本質(zhì)的提升。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)原來(lái)的教學(xué)大綱中，課程的考核以實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)橹?，這種考核方式很難全面反映出學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程所采用的經(jīng)典教材中常用優(yōu)化方法的程序是基于FORTRAN語(yǔ)言完成，現(xiàn)在本科生基本沒有學(xué)習(xí)FORTRAN語(yǔ)言。世界上最優(yōu)秀的科學(xué)計(jì)算軟件Matlab及其優(yōu)化工具箱不論是在編寫優(yōu)化程序，還是在直接使用Matlab軟件內(nèi)置優(yōu)化函數(shù)方面，都有較大的優(yōu)勢(shì)，很多學(xué)生都選修了Matlab相關(guān)課程，但優(yōu)化設(shè)計(jì)與Matlab軟件的結(jié)合不論是在Matlab選修課，還是在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中，都沒有得到很好的體現(xiàn)，這不利于學(xué)生知識(shí)面的拓寬和綜合素質(zhì)的提高[2-4]。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。針對(duì)教學(xué)中存在的問(wèn)題，主要從以下幾方面進(jìn)行教學(xué)改革的實(shí)踐。

（1）在一維搜索方法和無(wú)約束優(yōu)化方法課程實(shí)驗(yàn)中，主要內(nèi)容包括基于Matlab語(yǔ)言的一維搜索和無(wú)約束優(yōu)化方法程序的編寫、調(diào)試和考核，程序能夠求解相應(yīng)的程序考題。同時(shí)要求會(huì)使用Matlab軟件的優(yōu)化函數(shù)：求一元函數(shù)極小值的函數(shù)fminbnd，求無(wú)約束極小值的函數(shù)fminunc，fminsearch。求解相同的程序考題，與Matlab語(yǔ)言編制程序的求解結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證編制程序的正確性和有效性。

（2）閱讀并理解已有的基于Matlab語(yǔ)言的約束優(yōu)化算法程序，了解程序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，會(huì)用程序求解約束優(yōu)化方法的程序考題。同時(shí)要求會(huì)使用Matlab軟件的優(yōu)化函數(shù)——求約束極小值函數(shù)fmincon，求解相同的程序考題，與Matlab語(yǔ)言編寫程序的求解結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證編寫程序的正確性和有效性。

（3）在調(diào)用Matlab軟件中的優(yōu)化函數(shù)fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon時(shí)，既會(huì)使用程序調(diào)用，還要會(huì)使用Matlab軟件的優(yōu)化工具箱GUI直接調(diào)用，有精力的學(xué)生可以繼續(xù)通過(guò)Matlab軟件的幫助功能了解fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon函數(shù)的數(shù)學(xué)原理，了解這4個(gè)函數(shù)所使用的優(yōu)化算法。

（4）對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，如機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、圓柱齒輪減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)、平面連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、汽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱壓機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、月生產(chǎn)計(jì)劃的最優(yōu)安排等，參考教材中建立適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，基于已有的程序和Matlab內(nèi)置優(yōu)化函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)與機(jī)械專業(yè)相關(guān)的實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

4 考核方式的改進(jìn)

針對(duì)以實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)橹鞯某煽?jī)考核方式很難全面的反映出學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度的問(wèn)題，合理分配課程總成績(jī)的構(gòu)成，改為平時(shí)成績(jī)20%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)40%，考試成績(jī)40%，兼顧平時(shí)、實(shí)驗(yàn)和考試各個(gè)方面。平時(shí)成績(jī)主要包括課堂表現(xiàn)，如學(xué)生主動(dòng)參與課堂練習(xí)、討論，創(chuàng)造性地提出問(wèn)題的能力等，以及作業(yè)完成情況、課堂考勤等?？荚嚟h(huán)節(jié)，以課堂講解的內(nèi)容為主，主要考察學(xué)生對(duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)基本概念的掌握情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法理論的理解與運(yùn)用情況。實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要包括完成自編優(yōu)化方法程序的情況，考核題計(jì)算結(jié)果及分析，以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫情況等。

對(duì)于有精力的學(xué)生可以布置相應(yīng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)研究小課題，要求學(xué)生提交研究報(bào)告，根據(jù)學(xué)生收集資料能力，研究設(shè)計(jì)能力，解決實(shí)際問(wèn)題能力和合作研究能力等評(píng)定成績(jī)，作為實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定的加分項(xiàng)，加到實(shí)驗(yàn)成績(jī)100分止。還可以向?qū)W生介紹現(xiàn)在工程優(yōu)化的前沿——拓?fù)鋬?yōu)化，建議學(xué)生去拓?fù)鋬?yōu)化的權(quán)威OLE SIGMUND教授的個(gè)人主頁(yè)http：//www.topopt.dtu.dk/下載拓?fù)鋬?yōu)化相關(guān)Matlab程序運(yùn)行，培養(yǎng)學(xué)生興趣和科研能力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)和考核方式改進(jìn)，使得學(xué)生不但掌握了優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且還掌握了使用科學(xué)計(jì)算軟件Matlab解決機(jī)械優(yōu)化實(shí)例的初步能力。學(xué)生可以掌握基于Matlab語(yǔ)言編寫機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，還能掌握Matlab軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具箱的使用， 為今后各門功課的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。課程教改內(nèi)容在大綱修訂中得到體現(xiàn)，取得了較好地實(shí)踐效果，更好地發(fā)揮了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)在從“基礎(chǔ)課”和“專業(yè)基礎(chǔ)”課通向“專業(yè)應(yīng)用”的橋梁作用，加深對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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