【摘 要】本文針對(duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程的教學(xué)現(xiàn)狀,基于MATLAB數(shù)值分析軟件,對(duì)該課程從教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)方法、教學(xué)模式等方面進(jìn)行教學(xué)改革,增強(qiáng)課程知識(shí)的實(shí)踐性。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐表明:改革后的課程能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,更好地培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的綜合素質(zhì)和能力。
【關(guān)鍵詞】機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì);MATLAB;教學(xué)改革;工程教育
【中圖分類號(hào)】G807.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089(2019)20-00-01
引言
《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》是我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的專業(yè)選修課,也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。該課程具有抽象概念多;公式推導(dǎo)過程繁瑣;算法流程邏輯性強(qiáng);需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和編程能力等特點(diǎn)。目前該課程以理論知識(shí)講授為主,面對(duì)各種優(yōu)化方法的基本思想和求解步驟,學(xué)生往往會(huì)感到枯燥無味,再加上機(jī)械類學(xué)生數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)不扎實(shí),專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用能力較弱,大部分學(xué)生學(xué)習(xí)過程中畏難情緒重,導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳,學(xué)生不能很好地運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決工程實(shí)際優(yōu)化問題。
為了提高工程教育認(rèn)證背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量,筆者根據(jù)近年來的理論與實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn),在詳細(xì)分析本課程特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,利用MATLAB軟件對(duì)本課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式等方面進(jìn)行改革,通過引入機(jī)械設(shè)計(jì)中常見的案例,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,提高機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果和質(zhì)量,充分鍛煉學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力,以滿足普通高校本科工程教育專業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)模式的需要。
一、基于MATLAB的教學(xué)改革方法與措施
(一)精選教學(xué)內(nèi)容,合理安排理論與實(shí)踐學(xué)時(shí)
長期以來,隨著課程學(xué)時(shí)的減少,機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程只重視理論教學(xué),選用的教材中的程序也是用學(xué)生未接觸過的FORTRAN語言編寫,盡管課上老師布置學(xué)生課后自學(xué)了解編程,學(xué)生也是感覺困難重重,落實(shí)效果差。在調(diào)查了解了本專業(yè)課程體系和目前用于優(yōu)化求解常用的程序后,對(duì)本課程的教學(xué)進(jìn)行了重新規(guī)劃。課程分理論與實(shí)踐兩部分,總計(jì)32學(xué)時(shí),其中理論部分24學(xué)時(shí),實(shí)踐部分8學(xué)時(shí)。
理論部分講授內(nèi)容主要有:(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述;(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ);(3)一維搜索方法;(4)無約束優(yōu)化方法;(5)約束優(yōu)化方法;(6)多目標(biāo)及離散變量優(yōu)化方法;(7)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例。
實(shí)踐部分內(nèi)容主要有:(1)MATLAB軟件應(yīng)用基礎(chǔ);(2)MATLAB優(yōu)化函數(shù)應(yīng)用;(3)MATLAB優(yōu)化工具箱應(yīng)用;(4)基于UG軟件的優(yōu)化分析。
由于理論學(xué)時(shí)有限,根據(jù)理論與實(shí)踐結(jié)合,對(duì)于章節(jié)中的部分內(nèi)容,比如原理較簡單的優(yōu)化方法,過多的實(shí)例要求學(xué)生通過自學(xué)了解,這樣確定了較為合理的教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于理論部分的講授,利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)基礎(chǔ)抽象概念可視化,優(yōu)化算法基本原理和算法流程講解,極值點(diǎn)和迭代過程可視化,將優(yōu)化算法的每輪迭代過程實(shí)時(shí)地演示出來,形象、生動(dòng)、直觀地呈現(xiàn)出算法流程,幫助學(xué)生理解并掌握優(yōu)化算法,加深印象。同時(shí)將優(yōu)化方法基本原理和求解流程的理論講授,結(jié)合機(jī)械類專業(yè)常見優(yōu)化設(shè)計(jì)案例,增加了數(shù)值分析軟件MATLAB求解,理論與實(shí)踐相結(jié)合,降低課程的學(xué)習(xí)難度,提高課程的教學(xué)質(zhì)量,同時(shí)提高了學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。
(二)注重實(shí)踐效果,提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門數(shù)學(xué)理論知識(shí)多,實(shí)踐性強(qiáng)的課程,要想理論教學(xué)取得較好的效果,還得通過一定的實(shí)踐教學(xué)加以輔佐,故本課程在改革中安排了8個(gè)學(xué)時(shí)的上機(jī)操作,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要結(jié)合教材各章節(jié),主要通過MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)前先布置實(shí)驗(yàn)任務(wù),讓學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)或圖書館書集查找相關(guān)解決方法,實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)需要展開討論式交流,對(duì)于同一問題采用多種解決方法。通過比對(duì)各種方法求解過程的復(fù)雜性和求解結(jié)果的準(zhǔn)確性,總結(jié)各種方法的求解精度和求解問題的適用性。
(三)注重已學(xué)知識(shí)的應(yīng)用
隨著科學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,目前的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件已基本上具有優(yōu)化功能。機(jī)械專業(yè)學(xué)生在大二就進(jìn)行了三維軟件UG的學(xué)習(xí),而UG的優(yōu)化模塊在產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面功能比較強(qiáng)大,可以結(jié)合有限元分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品重要幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐內(nèi)容增加了基于UG的連桿優(yōu)化,通過操作學(xué)生掌握了用UG的CAE模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程,提高學(xué)生CAD綜合能力。
(四)采用開放式課堂翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性
對(duì)于現(xiàn)代優(yōu)化算法,如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、模擬退火算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等這些能夠較好解決普通算法難以解決的不連續(xù)、高維、非凸性等問題的算法,采用翻轉(zhuǎn)課堂模式,以4~5人為一組,每組選擇一種算法,先利用課外時(shí)間搜集資料和展開討論,總結(jié)整理并做成PPT,每小組派一名代表在課堂上花15分鐘上臺(tái)講演,其余小組參評(píng)和提問,最后老師點(diǎn)評(píng)。這種翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式能很好地鍛煉學(xué)生查找資料、發(fā)散思維的能力,同時(shí)也能提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和自我表達(dá)能力。
二、總結(jié)
本課程在基于MATLAB改革后,教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式都有所改進(jìn),并且突出了運(yùn)用MATLAB解決機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力和水平。經(jīng)過近兩屆的教學(xué)實(shí)踐表明,機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革取得了較好的效果,學(xué)生對(duì)本課程的教學(xué)滿意度較高,學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決工程實(shí)際問題的能力得到增強(qiáng)。
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作者簡介:鄧嶺(1985-),女,湖南婁底人,碩士,助教,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)。