面向應(yīng)用能力培養(yǎng)的《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》教學(xué)探討

周楓林，廖海洋，余江鴻，孫 曉

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是決定機(jī)械性能最主要的因素?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)都是面向市場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)功能及產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法備受國(guó)內(nèi)外機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)注。而機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)械強(qiáng)度評(píng)價(jià)共同組成了機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，從多種方案中選擇最佳方案的設(shè)計(jì)方法[1]。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，其基本思想是根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的理論、方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等建立反映工程設(shè)計(jì)問題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型，然后采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)自動(dòng)找出設(shè)計(jì)問題的最優(yōu)方案[2]。

1 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程的重要組成部分，是機(jī)械類本科高年級(jí)及研究生的一門重要課程。教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論和方法，學(xué)會(huì)合理地建立數(shù)學(xué)模型，選用恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法求解優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，達(dá)到獨(dú)立解決工程實(shí)際中的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的目的[3，4]。

課程通常由理論學(xué)習(xí)與上機(jī)實(shí)踐兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。內(nèi)容的理論性較強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)知識(shí)較多，優(yōu)化算法難度較大。要求學(xué)生能對(duì)所學(xué)的算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，因此，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)普遍感覺難度較大，畏難心理較強(qiáng)。在課程結(jié)束后，學(xué)生的工程應(yīng)用意識(shí)和能力依然沒有得到提高。因此，為達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題初步能力的教學(xué)目標(biāo)，有必要對(duì)課程教學(xué)方法進(jìn)行適當(dāng)改革。

2 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革探討

2.1 教學(xué)內(nèi)容與體系

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)內(nèi)容與體系，應(yīng)配合專業(yè)培養(yǎng)方案的改革，結(jié)合教學(xué)大綱要求，針對(duì)本校的專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際需要，從合理利用學(xué)時(shí)的角度出發(fā)，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行精選優(yōu)化。大綱要求主要教學(xué)內(nèi)容包括：優(yōu)化設(shè)計(jì)概述、優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、一維搜索方法、無(wú)約束優(yōu)化方法和約束優(yōu)化方法與優(yōu)化問題綜合實(shí)例。課程理論教學(xué)共32學(xué)時(shí)，教學(xué)大綱對(duì)各知識(shí)授課學(xué)時(shí)有明確的規(guī)定，其中優(yōu)化方法教學(xué)內(nèi)容是重點(diǎn)，很多知識(shí)點(diǎn)都要求學(xué)生掌握。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及學(xué)生反饋，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)課時(shí)安排及教學(xué)內(nèi)容作了少量調(diào)整：①考慮數(shù)學(xué)基礎(chǔ)對(duì)課程學(xué)習(xí)的重要性，以及數(shù)學(xué)知識(shí)的抽象性，增加了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的講授課時(shí)，以使學(xué)生對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)有更深刻的理解；②結(jié)合自身科研工作及技術(shù)發(fā)展情況，向?qū)W生介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)的前沿研究和發(fā)展前景，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；③加強(qiáng)案例教學(xué)頻次和分析深度，并將實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。

2.2 實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生鞏固和加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，能夠分析并掌握機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些基本方法，能夠編寫并調(diào)試簡(jiǎn)單的優(yōu)化程序，或選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法解決簡(jiǎn)單的工程問題，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。然而《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的實(shí)踐教學(xué)僅4個(gè)學(xué)時(shí)，主要圍繞Matlab軟件開展，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生的大部分精力花在了熟悉軟件操作方面。為改善實(shí)踐教學(xué)效果，將學(xué)科競(jìng)賽與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，如全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽等，通過(guò)課程與競(jìng)賽的融合，充分利用學(xué)生課余時(shí)間，彌補(bǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)的不足，提升實(shí)戰(zhàn)能力。

圖1 學(xué)生利用Matlab對(duì)S賽道無(wú)碳小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.1 Simulation and optimization of motion trajectory of carbon free vehicle by applying Matlab software

2.3 案例教學(xué)

案例分析在 《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》教學(xué)中起著重要的作用。案例的呈現(xiàn)時(shí)機(jī)、主題選擇和討論分析的教學(xué)方法，可結(jié)合學(xué)生情況和教學(xué)進(jìn)程確定。

在介紹理論知識(shí)前提出案例，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓他們帶著問題去主動(dòng)學(xué)習(xí)各種優(yōu)化方法；而在理論知識(shí)學(xué)習(xí)后進(jìn)行案例分析，可進(jìn)一步固定所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

在案例主題的選擇方面，可以跳出教材，選擇學(xué)生前期課程相關(guān)的案例，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，啟發(fā)學(xué)生自主地開展學(xué)習(xí)，如《機(jī)械原理》課程中的平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例，在學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，既復(fù)習(xí)了《機(jī)械原理》的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)又使不同課程更好的銜接，使課程體系更立體化。選擇跟學(xué)科競(jìng)賽相關(guān)的案例分析，既達(dá)到課程教學(xué)目的，又起到指導(dǎo)競(jìng)賽的效果，為學(xué)生提供了學(xué)以致用的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

在案例分析環(huán)節(jié)，應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生分析、理解案例包含的優(yōu)化設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)，要在課堂上開展討論，鼓勵(lì)學(xué)生提出個(gè)人見解；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。

2.4 考核方式

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的常規(guī)考核方式是筆試，期末考試成績(jī)占總評(píng)成績(jī)70%，平時(shí)成績(jī)、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)課占30%，偏重于考察學(xué)生對(duì)公式記憶和計(jì)算能力，導(dǎo)致學(xué)生大多以套公式計(jì)算為學(xué)習(xí)目標(biāo)，忽略了實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，考慮將期末考試成績(jī)占比減少，提高案例分析及實(shí)踐教學(xué)所占比重，摒棄套公式計(jì)算的考核目標(biāo)，加大對(duì)學(xué)生理解與應(yīng)用能力的考核力度，注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

為培養(yǎng)學(xué)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用能力，提高《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)課程教學(xué)方法進(jìn)行改革。在教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)分配上進(jìn)行了微調(diào)，注重?cái)?shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、優(yōu)化設(shè)計(jì)前沿研究的介紹；將實(shí)踐教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，講授知識(shí)的同時(shí)，為學(xué)生提供學(xué)以致用的平臺(tái)；在案例教學(xué)中，對(duì)案例的提出時(shí)機(jī)、主題選擇和分析過(guò)程進(jìn)行了思考；改革考核方式，加大應(yīng)用能力的考核力度。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，總體上學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提高，分析問題、解決問題的工程實(shí)踐能力得到增強(qiáng)。