過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)改革淺析

王 龍 來永斌 王 成 伍 廣 李雪斌 周毅鈞

（安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》課程主要運用優(yōu)化技術(shù)對過程控制相關(guān)設(shè)備進行優(yōu)化分析， 降低成本， 提高工作效率。 《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》 課程含有優(yōu)化概念的認識、優(yōu)化計算公式推導(dǎo)、計算方法等。 考慮到大四學(xué)生雖已學(xué)習(xí)過專業(yè)課， 但解決實際工程問題能力尚欠缺， 學(xué)生在學(xué)習(xí)過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計常常會感到疑惑。本文通過列出過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)過程中常見的若干問題，對《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》教學(xué)改革進行分析， 結(jié)合課程積累的若干教學(xué)經(jīng)驗提出未來需要改變的方向。

1 多利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)

一般來說，《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》 教材中均以優(yōu)化后的設(shè)備作為引入點來說明優(yōu)化過程， 是否能正確理解優(yōu)化設(shè)計過程會影響學(xué)生學(xué)習(xí)過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計積極性。 以前的教學(xué)過程多是授課教師以黑板板書講解化工設(shè)備的優(yōu)化過程， 由于此過程中的優(yōu)化多是枯燥的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)與計算， 大多數(shù)學(xué)生對其不感興趣。 隨著智能手機的普及， 刻板枯燥的教學(xué)方式使學(xué)生對優(yōu)化過程缺乏進一步認識和理解， 學(xué)生的學(xué)習(xí)效率進一步降低。

如果在《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》課堂上多應(yīng)用多媒體課件，通過制作一些優(yōu)化設(shè)計零部件的Flash 動畫演示把優(yōu)化步驟及過程形象地展示在課堂， 輔以圖文解釋說明流程， 使學(xué)生可以直觀地接觸化工設(shè)備各個零部件的優(yōu)化設(shè)計， 通過改進教學(xué)展示內(nèi)容， 可以改善相對枯燥的教學(xué)過程， 創(chuàng)造出較為主動啟發(fā)式的教學(xué)環(huán)境， 若果可以激發(fā)大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 則可調(diào)動其積極性。

其次，《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》 教材中涵蓋的基本概念、 原理及公式推導(dǎo)等， 據(jù)統(tǒng)計大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)時間占課堂總時間比例較多， 這就會造成在大綱規(guī)定的課時內(nèi)完成無法完成相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容， 教學(xué)效率下降。

圖1 過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計教學(xué)手段模型

在《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》教學(xué)中，把繁瑣耗時的推導(dǎo)公式過程利用PPT 多媒體技術(shù)展示出來， 為使學(xué)生較好地把所學(xué)應(yīng)用到工程中， 還可以適當(dāng)加入某些公式的應(yīng)用環(huán)境及所提出的背景需求。 一旦達到上述教學(xué)過程， 那么在大綱要求的學(xué)時內(nèi)必將可圓滿地完成教學(xué)任務(wù)，達到較好的教學(xué)效果。

此外，《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》 教學(xué)中對多媒體的使用多集中于壓力容器的優(yōu)化設(shè)計、 換熱器的優(yōu)化設(shè)計、化工塔設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計、風(fēng)機與泵的優(yōu)化設(shè)計等。

在實際課堂教學(xué)中應(yīng)用上述教學(xué)手段， 對同一學(xué)期采用不同教學(xué)手段模型的班級的考試成績分析，發(fā)現(xiàn)一旦過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計課程采用改良后的教學(xué)方法， 其考試結(jié)果的優(yōu)秀率及班級平均分數(shù)均比以前高出約10%左右。

最后， 由于多媒體教學(xué)在單位時間內(nèi)其包含知識信息較多[1]，合理分配教學(xué)時間及學(xué)生理解PPT 涵蓋內(nèi)容對教師的教學(xué)能力也是一個挑戰(zhàn)。 一旦整個教學(xué)過程利用不停轉(zhuǎn)動的PPT 幻燈片來傳遞復(fù)雜的教學(xué)難點及重點， 與電影畫面不同， 學(xué)生需要一定時間來思考及吸收所學(xué)內(nèi)容，這種‘填鴨’式教學(xué)會阻礙學(xué)生對其學(xué)習(xí)內(nèi)容接受與理解，扼殺了學(xué)生創(chuàng)作的機會[2]。

2 合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

以《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》課程的教學(xué)大綱作為參考， 同時借鑒世界發(fā)達國家對過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計課程的改革經(jīng)驗。對教材內(nèi)容進行相應(yīng)調(diào)整與規(guī)劃。以優(yōu)化設(shè)計為主線，將課本教學(xué)內(nèi)容相互結(jié)合、相互統(tǒng)一，形成有機的整體，如圖2 所示。

圖2 過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計課程體系

課程主體由三個部分組成： 第一部分是優(yōu)化設(shè)計概念及示例， 主要講述優(yōu)化設(shè)計的基本概念與如何利用其技術(shù)完成相關(guān)化工設(shè)備的優(yōu)化結(jié)果。 第二部分是優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)知識， 使學(xué)生掌握多元函數(shù)的泰勒展開及一維搜索的最優(yōu)化方法， 對多維無約束最優(yōu)化方法及多維約束最優(yōu)化方法有定性的認識， 考慮到Matlab工具箱的廣泛應(yīng)用， 上述方法均可利用Matlab 進行編程實現(xiàn)， 因此其實現(xiàn)過程不是學(xué)生掌握的重點。 第三部分是化工設(shè)備優(yōu)化設(shè)計， 該內(nèi)容實際上是工程應(yīng)用問題的解決過程及結(jié)果。 從該內(nèi)容難度及學(xué)生對其理解的程度來看， 完全掌握其方法是可以達成的， 但學(xué)生能獨立解決該問題則是一個比較困難的問題。 如果本章內(nèi)容采用動態(tài)演示輔以教學(xué)互動環(huán)節(jié)實現(xiàn)教學(xué)過程， 視頻播放中可以增加每個部件在優(yōu)化過程中的逐步實現(xiàn)過程， 使學(xué)生可以了解過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計計算中每一步迭代所對應(yīng)的物理過程， 達到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計的目的。

3 利用實驗手段提高學(xué)生認知能力

《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》實驗可以作為是學(xué)生理解優(yōu)化過程的補充手段， 其實現(xiàn)方式可以是學(xué)生上機實現(xiàn)的數(shù)值計算結(jié)果。 所涉及到一維搜索的最優(yōu)化方法，多維約束最優(yōu)化方法等都可以通過計算機數(shù)值運算得到[3]。 通過選取典型的優(yōu)化設(shè)計方法，讓學(xué)生自主動手采用相關(guān)編程語言實現(xiàn)其計算過程獲取結(jié)果。 通過學(xué)生自身展示實驗結(jié)果， 了解優(yōu)化過程。 教師在指導(dǎo)過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計實驗中可對相關(guān)實驗環(huán)節(jié)進行改進，可增加相關(guān)優(yōu)化設(shè)計實驗。

4 結(jié)束語

隨著科技發(fā)展，《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》 教學(xué)改革也是不斷發(fā)展變化的。 本文以多利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)作為主導(dǎo)， 合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容作為改革主線， 最后通過利用實驗手段提高學(xué)生認知能力。 給出了 《過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計》改革的一些做法，其中可能會存在不足，但這些做法會對教學(xué)起到積極作用。