面向“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)研究與實(shí)踐

袁新梅 馮 進(jìn) 華 劍長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖北荊州 434023

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面向“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)研究與實(shí)踐

袁新梅 馮 進(jìn) 華 劍
長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖北荊州 434023

摘 要：以強(qiáng)化工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為核心，結(jié)合學(xué)校“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”機(jī)械專業(yè)實(shí)施要求，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程改進(jìn)教學(xué)模式、引入工程案例和加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了改革探索與實(shí)踐，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：卓越計(jì)劃；機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；案例教學(xué)；課程建設(shè)

目前社會(huì)對(duì)高校畢業(yè)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求，2010年以來(lái)教育部聯(lián)合有關(guān)部門和行業(yè)協(xié)會(huì)，共同實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”），旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的創(chuàng)新型高素質(zhì)工程技術(shù)人才。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程是高校機(jī)械類研究生和高年級(jí)本科生的選修課，也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程的重要組成部分［1］。為了適應(yīng)“卓越計(jì)劃”的實(shí)施要求，筆者在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中改進(jìn)課堂教學(xué)模式、實(shí)施案例教學(xué)和加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以期拓寬機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革思路，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

1　現(xiàn)行機(jī)械優(yōu)化課程存在的主要問(wèn)題

（1）隨著教學(xué)改革的不斷深入，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課時(shí)逐漸減少，而對(duì)于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)要求而言，不僅要培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握基本理論知識(shí)，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，傳統(tǒng)的“滿堂灌”以傳授理論知識(shí)為主，難以適應(yīng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。

（2）學(xué)生主體作用發(fā)揮不充分。長(zhǎng)期以來(lái)，由于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程理論性強(qiáng)、知識(shí)綜合、內(nèi)容抽象等實(shí)際問(wèn)題的存在，一定程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。在教學(xué)中引入具有啟發(fā)性、實(shí)踐性的工程案例，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，但筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教材多側(cè)重于優(yōu)化方法的闡述，與機(jī)械工程實(shí)踐緊密結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例缺乏或不完善［2］，學(xué)生在學(xué)習(xí)中學(xué)以致用的實(shí)踐訓(xùn)練少，參與度低，致使學(xué)生主觀能動(dòng)作用發(fā)揮不充分。

（3）機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，主要包括建立數(shù)學(xué)模型和選擇優(yōu)化方法與程序設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容，必須通過(guò)上機(jī)實(shí)踐操作來(lái)加深對(duì)基本理論和算法步驟的理解，培養(yǎng)獨(dú)立編制計(jì)算機(jī)程序的能力和靈活運(yùn)用優(yōu)化方法解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力，但是在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置薄弱［2］，不利于學(xué)生知識(shí)面的拓寬和綜合素質(zhì)的提高。

總之，為了適應(yīng)“卓越計(jì)劃”全面提高學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的實(shí)施要求，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，對(duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程改進(jìn)教學(xué)模式、引入工程案例和加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行改革顯得尤為重要。

2　突破傳統(tǒng)局限　改進(jìn)課堂教學(xué)模式

突破傳統(tǒng)教學(xué)方法的“教學(xué)局限于教書，教書局限于課程，課程局限于課堂，課堂局限于講授，講授局限于教材”的5個(gè)局限［3］，構(gòu)建“教、學(xué)、做”一體的教學(xué)模式。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課堂教學(xué)過(guò)程中注重采用形象化教學(xué)、問(wèn)題探究型教學(xué)、討論式教學(xué)和案例教學(xué)等開(kāi)放式、自主式的教學(xué)方法，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的積極性和主動(dòng)性。比如采用形象化的“盲人探路”和“圍墻土堆法”解釋一維搜索方法中的進(jìn)退法與懲罰函數(shù)法優(yōu)化原理［4］；在講授數(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，增加數(shù)值計(jì)算軟件Matlab語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)及其優(yōu)化工具箱的應(yīng)用，講解fminbnd函數(shù)、fminunc函數(shù)、fmincon函數(shù)以及l(fā)inprog函數(shù)，向?qū)W生演示用Matlab的優(yōu)化工具箱求解一維優(yōu)化問(wèn)題、無(wú)約束多維優(yōu)化問(wèn)題、有約束多維優(yōu)化問(wèn)題及線性規(guī)劃問(wèn)題的求解過(guò)程，將抽象的理論借助現(xiàn)代工程計(jì)算軟件直觀地呈現(xiàn)出來(lái)［5］；設(shè)置與授課學(xué)生專業(yè)發(fā)展相對(duì)應(yīng)的工程應(yīng)用背景的例題、習(xí)題，引入合適的案例，與學(xué)生探討案例的數(shù)學(xué)模型及特點(diǎn)，并結(jié)合案例教學(xué)內(nèi)容安排學(xué)生集中上機(jī)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生在問(wèn)題研究的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)氛圍中主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考和主動(dòng)實(shí)踐；學(xué)生在討論、理解的基礎(chǔ)上選擇合適的優(yōu)化函數(shù)，編寫目標(biāo)函數(shù)及約束條件，調(diào)用Matlab的優(yōu)化工具箱函數(shù)，編制Matlab程序進(jìn)行求解；引導(dǎo)學(xué)生掌握常用的優(yōu)化方法原理、Matlab基礎(chǔ)知識(shí)和Matlab優(yōu)化工具箱常用的優(yōu)化函數(shù)并將其應(yīng)用到案例探究中去，將課本知識(shí)與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，使其更好地領(lǐng)會(huì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的思路；結(jié)合其他優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件（如ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊等）探討教師親身經(jīng)歷的科研課題及科研所涉及的學(xué)科前沿問(wèn)題等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造精神，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，從而達(dá)到“卓越計(jì)劃”關(guān)于學(xué)生積累知識(shí)、培養(yǎng)能力和提高素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)。

3　甄選合適案例　積極實(shí)施案例教學(xué)

案例教學(xué)具有明確的目的性、客觀真實(shí)性、較強(qiáng)的綜合性、深刻的啟發(fā)性、突出的實(shí)踐性和學(xué)生主體性等特點(diǎn)，授課教師在課堂教學(xué)中適當(dāng)?shù)匾氚咐虒W(xué)可以更形象、高效地完成授課目標(biāo)。案例是為教學(xué)服務(wù)的，筆者結(jié)合我校機(jī)械專業(yè)實(shí)際及教學(xué)實(shí)踐，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)案例甄選中選擇了貼近實(shí)際并且能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的典型案例。目前主要甄選的教學(xué)案例有如下六方面［6］。

（1）純數(shù)學(xué)問(wèn)題的多種優(yōu)化方法求解，通過(guò)對(duì)比各種優(yōu)化方法的優(yōu)劣、適用范圍，使用方法等，使學(xué)生對(duì)剛接觸的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

（2）一般工程問(wèn)題的求解，如生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題、運(yùn)輸問(wèn)題、下料問(wèn)題等，這類問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型比較簡(jiǎn)單，主要講述求解方法的選擇，以及不同方法所得結(jié)果的對(duì)比與分析。

（3）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，如：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)及行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）機(jī)械零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，如：滾動(dòng)軸承摩擦阻力矩最小、氣門彈簧質(zhì)量最輕、壓力容器螺栓組最經(jīng)濟(jì)、齒輪減速箱齒輪質(zhì)量最輕及空心傳動(dòng)軸質(zhì)量最小等優(yōu)化問(wèn)題。

（5）機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，如齒輪動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)床床身和主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、汽車車架或懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化等。

（6）專業(yè)特色案例，筆者把具有石油機(jī)械工程應(yīng)用背景的實(shí)例有機(jī)地融入教學(xué)［5］。例如，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)、抽油機(jī)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)械工程中的工程實(shí)際問(wèn)題。這些優(yōu)化問(wèn)題是學(xué)生感興趣的工程問(wèn)題，其數(shù)學(xué)模型都是以學(xué)生學(xué)過(guò)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，既便于理解與掌握，又可以更好地做到學(xué)以致用。

另外，在案例教學(xué)實(shí)施過(guò)程中要注重案例的剖析與拓展［2］，教師要適時(shí)引導(dǎo)、調(diào)控課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的參與熱情，積極投入到案例討論中去；要引導(dǎo)學(xué)生分析、理解、研究案例；要鼓勵(lì)學(xué)生提出個(gè)人見(jiàn)解，深化問(wèn)題，就問(wèn)題做出判斷和決策，促進(jìn)學(xué)生完成學(xué)、思、知、行這四方面的結(jié)合，從實(shí)踐到理論再到實(shí)踐，學(xué)思聯(lián)系，知行統(tǒng)一。教師通過(guò)回顧分析討論過(guò)程、羅列主要觀點(diǎn)、提示思維盲區(qū)、發(fā)掘問(wèn)題深度等方法適時(shí)地對(duì)教學(xué)案例進(jìn)行總結(jié)評(píng)述可以使學(xué)生對(duì)案例教學(xué)中的知識(shí)由感性的、零散的分析上升到理性的、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)；引導(dǎo)學(xué)生對(duì)一些未能徹底解決的問(wèn)題繼續(xù)思考，促使學(xué)生對(duì)相關(guān)問(wèn)題保持長(zhǎng)期的關(guān)注。

4　培養(yǎng)動(dòng)手能力　強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程隨著教學(xué)改革的不斷深入教學(xué)課時(shí)逐漸減少，如何在總學(xué)時(shí)縮減的情況下，更好地培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力，成為不可回避的問(wèn)題。我校機(jī)械專業(yè)經(jīng)過(guò)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，將本課程的理論學(xué)時(shí)縮短，注重學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)置理論學(xué)時(shí)16個(gè)，上機(jī)實(shí)踐學(xué)時(shí)14個(gè)［5］。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(wú)約束優(yōu)化方法、線性規(guī)劃、約束優(yōu)化方法）、適當(dāng)介紹多目標(biāo)及離散變量?jī)?yōu)化方法和先進(jìn)優(yōu)化方法（遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群優(yōu)化算法）等。上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)案例及上機(jī)操作，以計(jì)算機(jī)為工具，以當(dāng)前通用的優(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)工程問(wèn)題。筆者在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)精心安排上機(jī)實(shí)踐內(nèi)容，提前編好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并提供部分關(guān)鍵源代碼，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，深度及難度循序漸進(jìn)；幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，在實(shí)踐中學(xué)生學(xué)會(huì)將工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，分析機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法并合理建立數(shù)學(xué)模型，能編寫調(diào)試簡(jiǎn)單的優(yōu)化程序，較好地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在程序調(diào)試中，筆者也適當(dāng)?shù)夭贾孟嚓P(guān)思考題，要求學(xué)生認(rèn)真觀察不同優(yōu)化算法及不同初始參數(shù)（如初始點(diǎn)的選取、搜索步長(zhǎng)的選擇等）引起計(jì)算結(jié)果的不同，提醒學(xué)生分析優(yōu)化結(jié)果差異性的原因及優(yōu)化結(jié)果的合理性，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與體會(huì)寫到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

5　結(jié)束語(yǔ)

以強(qiáng)化工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為核心，結(jié)合我校機(jī)械專業(yè)“卓越計(jì)劃”實(shí)施要求，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中改進(jìn)課堂教學(xué)模式，積極實(shí)施案例教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了探索與實(shí)踐。這些措施的實(shí)施，切實(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，我們將繼續(xù)總結(jié)所取得的經(jīng)驗(yàn)，完善教學(xué)改革成果，致力于培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的機(jī)械工程專業(yè)卓越工程師。

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Teaching Research and Practice of Mechanical Optimization Design for PETOE

Yuan Xinmei， Feng Jin， Hua Jian School of mechanical engineering， Yangtze University， Jingzhou， 434023， China

Abstract:To strengthen engineering practice ability and innovation ability as the core， combined with the requirements of "The Plane for Enducating and Training Outstanding Engineers （PETOE）"， the following reform measures have been explored in the teaching of mechanical optimization design course， such as improvingteaching mode， introduction of engineering cases and strengthen the practice teaching. The implementation of these reform measures is benefcial to improve students' learning interest and strengthen students' engineering practice ability.

Key words:excellence initiative； mechanical optimization design； case teaching； course construction

收稿日期：2015-10-28

作者簡(jiǎn)介：袁新梅，碩士，副教授。

基金項(xiàng)目：教育部“質(zhì)量工程”建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：TS12287），湖北省教研項(xiàng)目（編號(hào)：2013252），長(zhǎng)江大學(xué)教研項(xiàng)目（編號(hào)：JY2012035）。