“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”研究生示范課程的建設(shè)與實踐

張 威，姚桂芬，陳振宏，石 寶

(河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,河北 石家莊 050018)

一、 “紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”課程簡介

“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”是我校(河北科技大學(xué))紡織工程專業(yè)碩士研究生的一門學(xué)位課及校級研究生示范課程。該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識結(jié)合Matlab等應(yīng)用軟件解決紡織生產(chǎn)實際問題的能力。包括采用試驗方法解決紡織新原料應(yīng)用、新產(chǎn)品開發(fā)、新工藝應(yīng)用等問題，以最少的試驗次數(shù)獲得盡可能多的關(guān)于研究對象的信息；在工程參數(shù)變化范圍內(nèi)，建立各可控影響因素與所關(guān)注指標(biāo)間高精度回歸方程；通過對優(yōu)化對象各指標(biāo)間的科學(xué)協(xié)調(diào)與折中，達(dá)到指標(biāo)的總體優(yōu)化；采用灰色聚類分析方法對紡織品性能進(jìn)行綜合評價，以確定最優(yōu)的工藝組合。該課程對培養(yǎng)理論知識扎實、創(chuàng)新及實踐能力強的紡織工程專業(yè)高級技術(shù)人才具有重要意義[1-3]。

“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”是在我校紡織科學(xué)與工程學(xué)術(shù)型研究生同名課程的基礎(chǔ)上調(diào)整相關(guān)內(nèi)容而設(shè)定的。授課之初，我們發(fā)現(xiàn)偏重理論的課程內(nèi)容及單一的授課方式不適合紡織工程專業(yè)碩士研究生的培養(yǎng)。針對專業(yè)學(xué)位研究生要著重培養(yǎng)面向生產(chǎn)實際、具備較強的分析和解決實際問題能力的要求，我們借鑒兄弟院校經(jīng)驗，與學(xué)生和企業(yè)進(jìn)行了廣泛的溝通和交流，積極探索提高“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”課程教學(xué)效果的有效途徑，通過采取優(yōu)化課程設(shè)置、采用多種教學(xué)方式、共建校外專業(yè)學(xué)位研究生工作站以及改革課程考核方式等措施，取得了較好的教學(xué)效果。

二、 “紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”課程的建設(shè)與實踐

1. 優(yōu)化課程設(shè)置，培養(yǎng)學(xué)生的理論素養(yǎng)

針對紡織行業(yè)對高水平工程技術(shù)人才的要求，“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”課程設(shè)置了工程試驗設(shè)計、工程參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計、灰色聚類分析三部分內(nèi)容[4]，為學(xué)生能開展紡織工藝設(shè)計與優(yōu)化等方面的工作打下堅實的理論基礎(chǔ)。

(1) 工程試驗設(shè)計。在工程實踐中常需要通過有限次數(shù)的試驗所反映的局部信息來推斷研究對象質(zhì)量指標(biāo)或產(chǎn)量指標(biāo)的整體特征，因此，合理選擇試驗方案在紡織工藝設(shè)計與優(yōu)化中占有重要地位，是解決問題的基礎(chǔ)。工程試驗設(shè)計就是根據(jù)實際需要，合理設(shè)計試驗方案，實現(xiàn)以盡可能少的試驗次數(shù)獲得盡可能全面、準(zhǔn)確反映實際情況的具有隨機性、正態(tài)分布性、方差一致性等特性的試驗數(shù)據(jù)，以保證以后的統(tǒng)計分析工作的正確性和有效性。課程設(shè)置的“試驗數(shù)據(jù)的處理”包括數(shù)據(jù)的獨立性、異常值、正態(tài)分布性以及等方差性的檢驗，為以后的統(tǒng)計分析工作提供合理有效的試驗數(shù)據(jù)；“線性回歸和多項式回歸”是依托試驗數(shù)據(jù)建立所關(guān)注指標(biāo)與各影響因素間呈線性和多項式關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并對其顯著性進(jìn)行檢驗，以得到高精度的回歸方程；為提高回歸分析的效率，又設(shè)置了“正交多項式”的相關(guān)內(nèi)容；為了在研究和生產(chǎn)實踐中能科學(xué)合理地安排試驗，課程設(shè)置了“回歸正交設(shè)計”和“回歸旋轉(zhuǎn)設(shè)計”等內(nèi)容。

(2) 工程參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計。最優(yōu)化設(shè)計將優(yōu)化設(shè)計的思想與計算機技術(shù)有機結(jié)合，是將原料選配、加工工藝與設(shè)備以及產(chǎn)品性能等復(fù)雜設(shè)計問題的物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，再采用數(shù)值分析的方法，在一定的技術(shù)和物質(zhì)條件下，從眾多的方案中找到盡可能完善或最適宜的設(shè)計方案。這不僅可以降低材料的消耗和制造成本，而且可以提高產(chǎn)品的加工性能和質(zhì)量，從而提高設(shè)計效率和質(zhì)量。課程設(shè)置的“最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立”，通過選取設(shè)計變量、設(shè)計試驗方案、建立目標(biāo)函數(shù)和給定約束條件構(gòu)造最優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型；設(shè)置了求解單變量、多變量目標(biāo)函數(shù)極小值及其評價準(zhǔn)則和選用方法的“無約束問題和約束問題的最優(yōu)化方法”；“多目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化方法”則是通過統(tǒng)一目標(biāo)法、主要目標(biāo)法、協(xié)調(diào)曲線法等，解決希望同時幾項設(shè)計指標(biāo)都達(dá)到最優(yōu)值的問題。

(3) 灰色聚類分析。生產(chǎn)實踐中有時限于條件，試驗結(jié)果有限或不成體系，不能按照最優(yōu)化設(shè)計的要求得到高精度的回歸方程和實現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)選，這就需要采用灰色聚類分析的方法尋求使產(chǎn)品綜合性能達(dá)到最優(yōu)的工藝組合?；疑垲惙治鲆圆糠中畔⒁阎⒉糠中畔⑽粗男颖?、貧信息的不確定系統(tǒng)為研究對象，通過對部分已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對產(chǎn)品綜合性能的正確認(rèn)識和有效控制。紡織生產(chǎn)中有很多問題，諸如產(chǎn)品性能的綜合評價等都可以看成這種不確定系統(tǒng)，因此，這一理論在紡織領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。課程介紹了灰色聚類分析的原理及適用條件，灰色聚類分析的關(guān)聯(lián)聚類、變權(quán)聚類、定權(quán)聚類三種類型，以及灰色聚類分析的數(shù)學(xué)方法等內(nèi)容。

2. 采用多種教學(xué)方式，改善授課效果

(1) 案例教學(xué)?！凹徔椬顑?yōu)化設(shè)計與分析”課程包括數(shù)據(jù)分析與處理、正交試驗設(shè)計、回歸分析、灰色聚類分析等數(shù)學(xué)知識，過多的理論講授不利于學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)、掌握，以及利用所學(xué)知識解決紡織生產(chǎn)的實際問題。因此，我們引入了問題導(dǎo)向的案例教學(xué)，將紡織生產(chǎn)和工藝設(shè)計中遇到的實際問題，如“細(xì)紗強伸性試驗數(shù)據(jù)分析”“苧麻脫膠工藝的回歸分析”“轉(zhuǎn)杯紡紗工藝優(yōu)化與回歸旋轉(zhuǎn)設(shè)計”“毛滌混紡工藝優(yōu)化的回歸正交設(shè)計”“緯編織物熱濕舒適性的多元回歸分析”“襪子熱濕舒適性的綜合評價”“混紡比對聚乳酸/棉混紡紗線強力的影響”等，以案例的形式引入到課堂教學(xué)中。教師在提示學(xué)生思考的方向和分析的邏輯路徑后，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識來分析和解決紡織工藝設(shè)計與優(yōu)化問題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與熱情，改善了授課效果，對培養(yǎng)和提高學(xué)生利用理論知識解決實際問題的能力具有重要意義。

(2) 翻轉(zhuǎn)課堂。課程的部分內(nèi)容采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)形式，教師不占用課堂時間講授課程的基本內(nèi)容，而是將與課程相關(guān)的資料和習(xí)題上傳到QQ群，學(xué)生利用課余時間自主學(xué)習(xí)，并對知識的掌握程度進(jìn)行檢驗，還能在群里與教師和其他同學(xué)進(jìn)行交流。學(xué)生帶著問題到課堂與同學(xué)進(jìn)行廣泛的探討并提出自己的見解和解決方案，大家進(jìn)行評議和討論；教師則為課堂學(xué)習(xí)的組織者，主要進(jìn)行共性問題的輔導(dǎo)和解答，或者對有困難的學(xué)生提供幫助，從而使學(xué)生獲得對知識更深層次的理解。采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，在多元回歸分析以及灰色聚類分析等內(nèi)容的教學(xué)過程中取得了較好的效果。

(3) 專題研討。在授課過程中設(shè)置了專題研討環(huán)節(jié)，圍繞教師或者學(xué)生提出的諸如“羊毛衫起毛起球”等紡織生產(chǎn)中的實際問題，每名學(xué)生根據(jù)個人的認(rèn)識和理解在課堂上講述自己的觀點，從原料、紗線結(jié)構(gòu)、織物組織以及后整理多個方面分析問題產(chǎn)生的原因，利用所學(xué)知識提出解決方案，并對方案的可行性和效果進(jìn)行分析和預(yù)測。其他學(xué)生及教師可以提出不同意見或者建議，經(jīng)廣泛深入討論后，任課教師總結(jié)歸納出解決問題的最合理或最有效的辦法，并組織學(xué)生課下分組予以實施和驗證。這樣可以充分發(fā)揮每名學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，提高了利用最優(yōu)化設(shè)計思想分析和解決紡織生產(chǎn)中實際問題的能力，為以后開展課題研究和從事實際工作打下良好的基礎(chǔ)。

3. 共建企業(yè)研究生工作站，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力

我校紡織服裝學(xué)院先后與邯鄲紡織有限公司、石家莊常山紡織股份有限公司共建了河北科技大學(xué)企業(yè)研究生工作站。在授課過程中安排學(xué)生進(jìn)入工作站，選擇與企業(yè)實際生產(chǎn)密切相關(guān)、亟待解決的技術(shù)難題作為學(xué)生平時作業(yè)的研究課題。任課教師作為學(xué)術(shù)指導(dǎo)教師，聘請企業(yè)既有實踐經(jīng)驗又有理論知識的專業(yè)技術(shù)人員擔(dān)任研究生的校外指導(dǎo)教師，共同指導(dǎo)進(jìn)站研究生的課題研究工作。學(xué)生利用所學(xué)“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”課程知識，針對生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合企業(yè)實際情況，合理設(shè)計試驗方案，在對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)化設(shè)計和灰色聚類分析等方法得到合理的工藝方案，并在企業(yè)予以實施以檢驗優(yōu)化的效果。這樣學(xué)生在完成課題的同時，也幫助企業(yè)解決了實際問題，使自己分析和解決實際問題的能力得到提升。例如，一名學(xué)生深入研究生工作站，從聚苯硫醚、不銹鋼等原纖維材料的性能分析入手，制訂和優(yōu)化紡紗工藝，選擇合理的設(shè)備類型和織物組織，在對產(chǎn)品性能測試分析的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化織造工藝參數(shù)，理論與實踐緊密結(jié)合，協(xié)助企業(yè)開發(fā)了基于聚苯硫醚纖維的復(fù)合功能性機織面料，提升了自己的創(chuàng)新和工程實踐能力。

4. 改革課程考核方式，準(zhǔn)確評價學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力

“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”課程具有較強的實踐性和應(yīng)用性。閉卷考試只側(cè)重考查學(xué)生對數(shù)學(xué)公式和理論知識的掌握程度，而忽略了對學(xué)生利用所學(xué)知識分析和解決紡織生產(chǎn)實際問題能力方面的考核。為準(zhǔn)確評價教學(xué)效果，我們將考核方式由閉卷考試改為開卷考試，試題均來自紡織生產(chǎn)實際，如試驗數(shù)據(jù)的分析與處理、試驗方案設(shè)計與紡織品性能的回歸分析、產(chǎn)品工藝參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計以及多目標(biāo)優(yōu)選等內(nèi)容。學(xué)生利用所學(xué)知識，借助參考資料以及Matlab等計算機應(yīng)用軟件，制訂每個問題的解決方案并予以解釋和說明。這種注重實際能力的考核方式使學(xué)生加深了對所學(xué)理論知識的認(rèn)識和理解，提高了科技創(chuàng)新和解決實際問題的能力。

三、 結(jié)語

通過幾年的建設(shè)和實踐，我校“紡織最優(yōu)化設(shè)計與分析”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及考核形式得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可。課程在培養(yǎng)學(xué)生理論素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，提高了學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識結(jié)合計算機應(yīng)用軟件解決紡織生產(chǎn)實際問題的能力，對培養(yǎng)既有堅實的理論知識又有創(chuàng)新和工程實踐能力的紡織行業(yè)高層次應(yīng)用型人才具有重要意義。