摘 要 高等工程教育正經(jīng)歷著巨大的變革，CDIO的教育理念正逐步被人們接受。而機械優(yōu)化設計是機械類專業(yè)的一門專業(yè)選修課程，在教學中引入CDIO的教育理念，讓學生主動探尋優(yōu)化算法的本質、實踐優(yōu)化算法、與實際機械工程問題的結合和運用。精選二個項目加以教學實施和實踐，取得了良好的教學效果。

關鍵詞 項目教學 CDIO 機械優(yōu)化設計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.11.061

Teaching Practice of Optimal Design of Machinery Course Based on CDIO

LI Keqin

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Higher engineering education is experiencing the huge changes， CDIO education concept is gradually accepted by people. And optimal design of machinery is a professional elective course of mechanical engineering， CDIO education concept， introduced in the teaching， make students take the initiative to explore the essence of optimization algorithm， practical optimization algorithm， combined with the practical problems in mechanical engineering and application. To select two project instruction teaching and achieved good teaching effect.

Key words project instruction; CDIO; optimal design of machinery

1 CDIO概述

CDIO①②③代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標。

2 機械優(yōu)化設計課程體系架構

隨著設計過程的計算機化，自然就要為設計過程能自動選取最優(yōu)的設計方案建立一種迅速而行之有效的方法。機械優(yōu)化設計④應運而生。優(yōu)化設計借助計算機能進行大量的分析計算，從眾多的設計方案中選出一個既滿足設計要求又使設計指標最好的最優(yōu)設計方案。

機械優(yōu)化設計課程體系大致有四部分：一是優(yōu)化設計數(shù)學基礎;二是無約束優(yōu)化方法;三是約束優(yōu)化方法與工程應用;四是現(xiàn)代的優(yōu)化方法與工程應用。當然部分教材只有三部分：優(yōu)化設計基礎;基于導數(shù)的優(yōu)化方法;非導數(shù)的優(yōu)化方法;而現(xiàn)代的優(yōu)化設計方法的內容極其豐富并在進一步發(fā)展完善中。目前的教材以介紹優(yōu)化基本理論占相當大的篇幅，而缺乏結合優(yōu)化商品化軟件包運用來介紹優(yōu)化設計的內容，導致學和用的脫節(jié)。

3 CDIO和項目教學在機械優(yōu)化設計課程中的教學實踐

MATLAB④⑤是當前最優(yōu)秀的科學計算軟件之一，也是許多科學領域中分析、應用和開發(fā)的基本工具。MATLAB經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種功能全面的軟件，幾乎可以解決科學計算中的所有問題，使得MATLAB在機械工程、通信、控制和信號處理等領域得到了廣泛應用。

3.1 CDIO項目教學案例之一

CDIO教育理念中特別強調項目教學和實踐。案例一的優(yōu)化數(shù)學模型如式（1）。

（） = "+ " "+ 4

（） = "+ 2 ≥ 2 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

（） = "+ 1≥ 0

（） = ≥ 0

（） = ≥ 0

在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過程為：（1）構思，先將優(yōu)化數(shù)學模型的約束條件轉化為適宜MATLAB求解的標準形式;（2）設計，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運作，調試MATLAB程序并分析優(yōu)化設計的結論。

優(yōu)化數(shù)學模型的約束條件轉化為適宜MATLAB求解的標準形式如式（2）。

（） = "+ 2 ≤ 0 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

（） = "+ 1≤ 0

（） = ≤ 0

（） = ≤ 0

在MATLAB軟件環(huán)境中求解過程略。

表1給出了求解運行的結果;圖1為優(yōu)化案例中的目標函數(shù)值與循環(huán)次數(shù)的關系變化趨勢示意圖。

3.2 CDIO項目教學案例之二

二級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設計⑥及其MATLAB實現(xiàn)。

如何讓其設計的二級圓柱齒輪減速器在現(xiàn)有的條件下實現(xiàn)輸出最大、重量最輕或其它目標？這些疑問，可以在機械優(yōu)化設計課程中得到滿意的解決。

案例二的具體要求：二級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設計問題。要求在滿足強度的條件下，使其體積最小，以達到其結構緊湊、質量最小的目的。其輸入?yún)?shù)：給定傳遞的功率 = 6.3kW、總傳動比 = 31.5、輸入轉速（高速軸） = 1450rpm，齒寬系數(shù) = 0.4。大齒輪：45鋼正火187～207HBS;小齒輪：45鋼調質228～255HBS?？偣ぷ鲿r間不少于10年。圖2為二級圓柱齒輪減速器傳動簡圖。

案例二是一個機械工程實際問題，在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過程為：（1）構思，利用先修課程，將二級圓柱齒輪減速器問題轉化為優(yōu)化數(shù)學模型，即轉化為適宜MATLAB求解的標準形式;（2）設計，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運作，調試MATLAB程序并分析優(yōu)化設計的結論。

MATLAB的求解程序和優(yōu)化結果略。

優(yōu)化設計結果分析與處理是很重要的一環(huán)，也是CDIO和項目教學取得成效的關鍵環(huán)節(jié)。

4 結束語

CDIO工程教育的最大特點是項目教學和動手能力的培養(yǎng)。在最近幾屆的機械優(yōu)化設計課程教學中，嘗試引入MATLAB軟件包，貫徹CDIO和項目教學教育理念，讓學生在做中學，通過項目帶動，設計應用的技能得到強化。教學實踐表明，學生的工程實際運用能力有較大的提升。

注釋

① The CDIO Syllabus v2.0.An Updated Statement of Goals for Engineering Education [C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copenhagen，2011.June ：20-23.

② 顧佩華，李昇平，沈民奮，等.以設計為導向的EIP-CDIO創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)模式[J].中國高等教育，2009（3，4）：47-49.

③ 查建中.論“做中學”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-6，9.

④ 王國強，趙凱軍，崔國華.機械優(yōu)化設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

⑤ 龔純，王正林.精通MATLAB最優(yōu)化計算（2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

⑥ 李克勤，劉小鵬.基于MATLAB的二級圓柱斜齒輪減速器優(yōu)化[J].湖北工學院學報，2003（2）：41-42.