“機械優(yōu)化設計”課程實驗與考核方式的研究與探索

馬秀騰

摘 要：機械優(yōu)化設計作為機械類專業(yè)的一門重要課程，最終的目標是要學生能使用優(yōu)化的數學知識解決工程問題，具有機械優(yōu)化設計的能力。該文主要分析了課程現狀和存在的問題，從解決問題的角度，在課程實驗、課程考核的方式和內容等方面，提出了一些改進措施，并進行了實踐。

關鍵詞：機械優(yōu)化設計 實驗 考核 Matlab

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0179-02

“機械優(yōu)化設計”是機械類專業(yè)的一門專業(yè)發(fā)展的重要課程，主要內容包括優(yōu)化設計的基本概念、優(yōu)化設計方法和機械優(yōu)化設計實例等內容。機械優(yōu)化設計是將最優(yōu)化原理和計算技術應用于機械設計領域，為機械設計提供一種重要的科學設計方法。采用機械優(yōu)化設計方法，人們可以從眾多的設計方案中找出最佳設計方案，提高設計效率和質量。

該文簡要介紹了“機械優(yōu)化設計”課程的作用，針對課程教學中存在的問題，從課程實驗、課程考核的方式和內容等方面，提出了一系列的改革方法與措施，注重與科學計算軟件Matlab的結合，從實驗和考核方式的改變引導教學的改變，提高了教學效果與教學質量，取得了較好地實踐效果。

1 課程作用簡介

“機械優(yōu)化設計”課程的目標是使學生樹立優(yōu)化設計的思想，掌握優(yōu)化設計的概念和方法，將最優(yōu)化和計算技術應用于設計領域，獲得解決機械優(yōu)化設計問題的能力[1]?！皺C械優(yōu)化設計”課程是中國機械工程教育專業(yè)認證通用標準畢業(yè)要求“能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題”和“能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論”的具體體現。“優(yōu)化設計”是現代設計理論和方法的重要領域，所以“優(yōu)化設計”也是“現代設計方法”課程的重要組成部分。

2 課程現狀

在筆者所在學院機械類專業(yè)的培養(yǎng)體系中，機械優(yōu)化設計課程是一門實踐性很強的技術基礎課，重在培養(yǎng)學生的建模能力、編制優(yōu)化程序的能力和靈活運用優(yōu)化設計方法解決工程實際問題的能力。課程教學包括課堂和上機實驗，通過實驗，使學生進一步鞏固和加深對基本知識的理解，能夠獨立編制計算機程序，掌握常用優(yōu)化方法程序的使用方法，最終達到靈活運用優(yōu)化設計方法解決工程實際問題[1]。

在近幾次的大綱修訂中，為了加強對學生應用能力的培養(yǎng)，在總學時不變的情況下，機械優(yōu)化設計課程的實驗學時有所增加，但實驗的內容并沒有本質的提升。在機械優(yōu)化設計原來的教學大綱中，課程的考核以實驗成績?yōu)橹?，這種考核方式很難全面反映出學生對知識的掌握程度。

機械優(yōu)化設計課程所采用的經典教材中常用優(yōu)化方法的程序是基于FORTRAN語言完成，現在本科生基本沒有學習FORTRAN語言。世界上最優(yōu)秀的科學計算軟件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軟件內置優(yōu)化函數方面，都有較大的優(yōu)勢，很多學生都選修了Matlab相關課程，但優(yōu)化設計與Matlab軟件的結合不論是在Matlab選修課，還是在機械優(yōu)化設計課程中，都沒有得到很好的體現，這不利于學生知識面的拓寬和綜合素質的提高[2-4]。

3 實驗教學改進

機械優(yōu)化設計實驗是實現機械優(yōu)化設計教學目標，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要教學環(huán)節(jié)。針對教學中存在的問題，主要從以下幾方面進行教學改革的實踐。

（1）在一維搜索方法和無約束優(yōu)化方法課程實驗中，主要內容包括基于Matlab語言的一維搜索和無約束優(yōu)化方法程序的編寫、調試和考核，程序能夠求解相應的程序考題。同時要求會使用Matlab軟件的優(yōu)化函數：求一元函數極小值的函數fminbnd，求無約束極小值的函數fminunc，fminsearch。求解相同的程序考題，與Matlab語言編制程序的求解結果進行比較，驗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語言的約束優(yōu)化算法程序，了解程序的結構特點，會用程序求解約束優(yōu)化方法的程序考題。同時要求會使用Matlab軟件的優(yōu)化函數——求約束極小值函數fmincon，求解相同的程序考題，與Matlab語言編寫程序的求解結果進行比較，驗證編寫程序的正確性和有效性。

（3）在調用Matlab軟件中的優(yōu)化函數fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon時，既會使用程序調用，還要會使用Matlab軟件的優(yōu)化工具箱GUI直接調用，有精力的學生可以繼續(xù)通過Matlab軟件的幫助功能了解fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon函數的數學原理，了解這4個函數所使用的優(yōu)化算法。

（4）對機械設計問題，如機床主軸結構優(yōu)化設計、圓柱齒輪減速器優(yōu)化設計、平面連桿機構優(yōu)化設計、汽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設計、熱壓機機架結構的優(yōu)化設計、月生產計劃的最優(yōu)安排等，參考教材中建立適當的優(yōu)化設計數學模型，基于已有的程序和Matlab內置優(yōu)化函數，進行優(yōu)化設計計算。通過與機械專業(yè)相關的實例，激發(fā)學生的學習興趣，增強學生分析和解決工程實際問題的能力。

4 考核方式的改進

針對以實驗成績?yōu)橹鞯某煽兛己朔绞胶茈y全面的反映出學生對知識的掌握程度的問題，合理分配課程總成績的構成，改為平時成績20%，實驗成績40%，考試成績40%，兼顧平時、實驗和考試各個方面。平時成績主要包括課堂表現，如學生主動參與課堂練習、討論，創(chuàng)造性地提出問題的能力等，以及作業(yè)完成情況、課堂考勤等?？荚嚟h(huán)節(jié)，以課堂講解的內容為主，主要考察學生對機械優(yōu)化設計基本概念的掌握情況，優(yōu)化設計方法理論的理解與運用情況。實驗成績主要包括完成自編優(yōu)化方法程序的情況，考核題計算結果及分析，以及實驗報告的撰寫情況等。

對于有精力的學生可以布置相應的機械優(yōu)化設計研究小課題，要求學生提交研究報告，根據學生收集資料能力，研究設計能力，解決實際問題能力和合作研究能力等評定成績，作為實驗成績評定的加分項，加到實驗成績100分止。還可以向學生介紹現在工程優(yōu)化的前沿——拓撲優(yōu)化，建議學生去拓撲優(yōu)化的權威OLE SIGMUND教授的個人主頁http：//www.topopt.dtu.dk/下載拓撲優(yōu)化相關Matlab程序運行，培養(yǎng)學生興趣和科研能力。

5 結語

通過機械優(yōu)化設計課程的實驗和考核方式改進，使得學生不但掌握了優(yōu)化設計的基礎知識，而且還掌握了使用科學計算軟件Matlab解決機械優(yōu)化實例的初步能力。學生可以掌握基于Matlab語言編寫機械優(yōu)化設計程序，還能掌握Matlab軟件的優(yōu)化設計工具箱的使用， 為今后各門功課的學習和工作打下基礎。課程教改內容在大綱修訂中得到體現，取得了較好地實踐效果，更好地發(fā)揮了機械優(yōu)化設計在從“基礎課”和“專業(yè)基礎”課通向“專業(yè)應用”的橋梁作用，加深對學生綜合素質的培養(yǎng)。

參考文獻

[1] 梁迎春，孫靖民.機械優(yōu)化設計[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2014.

[2] 溫建明，馬繼杰，程光明.基于MATLAB的機械優(yōu)化設計課程數字化教學改革[J].吉林教育學院學報，2011，27（5）：81-82.

[3] 李旻，黃平.機械優(yōu)化設計課程案例教學的研究與實踐[J].機械工程師，2010（8）：18-20.

[4] 席平原.應用MATLAB工具箱實現機械優(yōu)化設計[J].機械設計與研究，2013，19（3）：40-42.