袁新梅 馮 進 華 劍長江大學(xué)機械工程學(xué)院 湖北荊州 434023

?

面向“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的機械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)研究與實踐

袁新梅 馮 進 華 劍
長江大學(xué)機械工程學(xué)院 湖北荊州 434023

摘 要：以強化工程實踐能力、創(chuàng)新能力為核心，結(jié)合學(xué)?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計劃”機械專業(yè)實施要求，在機械優(yōu)化設(shè)計課程改進教學(xué)模式、引入工程案例和加強實踐環(huán)節(jié)等方面進行了改革探索與實踐，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：卓越計劃；機械優(yōu)化設(shè)計；案例教學(xué)；課程建設(shè)

目前社會對高校畢業(yè)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求，2010年以來教育部聯(lián)合有關(guān)部門和行業(yè)協(xié)會，共同實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱“卓越計劃”），旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型高素質(zhì)工程技術(shù)人才。機械優(yōu)化設(shè)計課程是高校機械類研究生和高年級本科生的選修課，也是現(xiàn)代設(shè)計理論與方法課程的重要組成部分［1］。為了適應(yīng)“卓越計劃”的實施要求，筆者在機械優(yōu)化設(shè)計課程中改進課堂教學(xué)模式、實施案例教學(xué)和加強實踐環(huán)節(jié)，以期拓寬機械優(yōu)化設(shè)計課程的教學(xué)改革思路，提高學(xué)生的工程實踐能力。

1　現(xiàn)行機械優(yōu)化課程存在的主要問題

（1）隨著教學(xué)改革的不斷深入，機械優(yōu)化設(shè)計課時逐漸減少，而對于機械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)要求而言，不僅要培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握基本理論知識，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，傳統(tǒng)的“滿堂灌”以傳授理論知識為主，難以適應(yīng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。

（2）學(xué)生主體作用發(fā)揮不充分。長期以來，由于機械優(yōu)化設(shè)計課程理論性強、知識綜合、內(nèi)容抽象等實際問題的存在，一定程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。在教學(xué)中引入具有啟發(fā)性、實踐性的工程案例，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，但筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)機械優(yōu)化設(shè)計課程教材多側(cè)重于優(yōu)化方法的闡述，與機械工程實踐緊密結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計案例缺乏或不完善［2］，學(xué)生在學(xué)習(xí)中學(xué)以致用的實踐訓(xùn)練少，參與度低，致使學(xué)生主觀能動作用發(fā)揮不充分。

（3）機械優(yōu)化設(shè)計是一門實踐性很強的課程，主要包括建立數(shù)學(xué)模型和選擇優(yōu)化方法與程序設(shè)計等方面內(nèi)容，必須通過上機實踐操作來加深對基本理論和算法步驟的理解，培養(yǎng)獨立編制計算機程序的能力和靈活運用優(yōu)化方法解決工程設(shè)計問題的能力，但是在機械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)中實踐環(huán)節(jié)設(shè)置薄弱［2］，不利于學(xué)生知識面的拓寬和綜合素質(zhì)的提高。

總之，為了適應(yīng)“卓越計劃”全面提高學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的實施要求，強化學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力，對機械優(yōu)化設(shè)計課程改進教學(xué)模式、引入工程案例和加強實踐環(huán)節(jié)等方面進行改革顯得尤為重要。

2　突破傳統(tǒng)局限　改進課堂教學(xué)模式

突破傳統(tǒng)教學(xué)方法的“教學(xué)局限于教書，教書局限于課程，課程局限于課堂，課堂局限于講授，講授局限于教材”的5個局限［3］，構(gòu)建“教、學(xué)、做”一體的教學(xué)模式。在機械優(yōu)化設(shè)計課堂教學(xué)過程中注重采用形象化教學(xué)、問題探究型教學(xué)、討論式教學(xué)和案例教學(xué)等開放式、自主式的教學(xué)方法，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的積極性和主動性。比如采用形象化的“盲人探路”和“圍墻土堆法”解釋一維搜索方法中的進退法與懲罰函數(shù)法優(yōu)化原理［4］；在講授數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、基本概念、基本優(yōu)化方法及常用函數(shù)之后，增加數(shù)值計算軟件Matlab語言基礎(chǔ)知識及其優(yōu)化工具箱的應(yīng)用，講解fminbnd函數(shù)、fminunc函數(shù)、fmincon函數(shù)以及l(fā)inprog函數(shù)，向?qū)W生演示用Matlab的優(yōu)化工具箱求解一維優(yōu)化問題、無約束多維優(yōu)化問題、有約束多維優(yōu)化問題及線性規(guī)劃問題的求解過程，將抽象的理論借助現(xiàn)代工程計算軟件直觀地呈現(xiàn)出來［5］；設(shè)置與授課學(xué)生專業(yè)發(fā)展相對應(yīng)的工程應(yīng)用背景的例題、習(xí)題，引入合適的案例，與學(xué)生探討案例的數(shù)學(xué)模型及特點，并結(jié)合案例教學(xué)內(nèi)容安排學(xué)生集中上機實踐，引導(dǎo)學(xué)生在問題研究的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)氛圍中主動學(xué)習(xí)、主動思考和主動實踐；學(xué)生在討論、理解的基礎(chǔ)上選擇合適的優(yōu)化函數(shù)，編寫目標(biāo)函數(shù)及約束條件，調(diào)用Matlab的優(yōu)化工具箱函數(shù)，編制Matlab程序進行求解；引導(dǎo)學(xué)生掌握常用的優(yōu)化方法原理、Matlab基礎(chǔ)知識和Matlab優(yōu)化工具箱常用的優(yōu)化函數(shù)并將其應(yīng)用到案例探究中去，將課本知識與實踐的有機結(jié)合，使其更好地領(lǐng)會機械優(yōu)化設(shè)計解決問題的思路；結(jié)合其他優(yōu)化設(shè)計軟件（如ANSYS優(yōu)化設(shè)計模塊等）探討教師親身經(jīng)歷的科研課題及科研所涉及的學(xué)科前沿問題等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造精神，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，從而達到“卓越計劃”關(guān)于學(xué)生積累知識、培養(yǎng)能力和提高素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)。

3　甄選合適案例　積極實施案例教學(xué)

案例教學(xué)具有明確的目的性、客觀真實性、較強的綜合性、深刻的啟發(fā)性、突出的實踐性和學(xué)生主體性等特點，授課教師在課堂教學(xué)中適當(dāng)?shù)匾氚咐虒W(xué)可以更形象、高效地完成授課目標(biāo)。案例是為教學(xué)服務(wù)的，筆者結(jié)合我校機械專業(yè)實際及教學(xué)實踐，在機械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)案例甄選中選擇了貼近實際并且能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的典型案例。目前主要甄選的教學(xué)案例有如下六方面［6］。

（1）純數(shù)學(xué)問題的多種優(yōu)化方法求解，通過對比各種優(yōu)化方法的優(yōu)劣、適用范圍，使用方法等，使學(xué)生對剛接觸的機械優(yōu)化設(shè)計課程有個初步的認識。

（2）一般工程問題的求解，如生產(chǎn)計劃問題、運輸問題、下料問題等，這類問題的數(shù)學(xué)模型比較簡單，主要講述求解方法的選擇，以及不同方法所得結(jié)果的對比與分析。

（3）機構(gòu)運動學(xué)或動力學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計問題，如：曲柄搖桿機構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)及行星傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

（4）機械零部件優(yōu)化設(shè)計問題，如：滾動軸承摩擦阻力矩最小、氣門彈簧質(zhì)量最輕、壓力容器螺栓組最經(jīng)濟、齒輪減速箱齒輪質(zhì)量最輕及空心傳動軸質(zhì)量最小等優(yōu)化問題。

（5）機械系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計，如齒輪動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計、機床床身和主軸系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化、汽車車架或懸架系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化和起重機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化等。

（6）專業(yè)特色案例，筆者把具有石油機械工程應(yīng)用背景的實例有機地融入教學(xué)［5］。例如，抽油機運動學(xué)優(yōu)化設(shè)計及動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計、抽油機變速箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、泥漿泵曲柄滑塊機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等石油機械工程中的工程實際問題。這些優(yōu)化問題是學(xué)生感興趣的工程問題，其數(shù)學(xué)模型都是以學(xué)生學(xué)過的機械原理、機械設(shè)計、力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，既便于理解與掌握，又可以更好地做到學(xué)以致用。

另外，在案例教學(xué)實施過程中要注重案例的剖析與拓展［2］，教師要適時引導(dǎo)、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去；要引導(dǎo)學(xué)生分析、理解、研究案例；要鼓勵學(xué)生提出個人見解，深化問題，就問題做出判斷和決策，促進學(xué)生完成學(xué)、思、知、行這四方面的結(jié)合，從實踐到理論再到實踐，學(xué)思聯(lián)系，知行統(tǒng)一。教師通過回顧分析討論過程、羅列主要觀點、提示思維盲區(qū)、發(fā)掘問題深度等方法適時地對教學(xué)案例進行總結(jié)評述可以使學(xué)生對案例教學(xué)中的知識由感性的、零散的分析上升到理性的、系統(tǒng)的認識；引導(dǎo)學(xué)生對一些未能徹底解決的問題繼續(xù)思考，促使學(xué)生對相關(guān)問題保持長期的關(guān)注。

4　培養(yǎng)動手能力　強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

機械優(yōu)化設(shè)計課程隨著教學(xué)改革的不斷深入教學(xué)課時逐漸減少，如何在總學(xué)時縮減的情況下，更好地培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計方法解決實際問題的能力，成為不可回避的問題。我校機械專業(yè)經(jīng)過多年的改革與探索，逐漸確定了在總學(xué)時有所縮減的情況下，將本課程的理論學(xué)時縮短，注重學(xué)生動手能力培養(yǎng)，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)置理論學(xué)時16個，上機實踐學(xué)時14個［5］。理論教學(xué)內(nèi)容主要包括：優(yōu)化設(shè)計的基本概念及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、具體的優(yōu)化設(shè)計方法（一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、線性規(guī)劃、約束優(yōu)化方法）、適當(dāng)介紹多目標(biāo)及離散變量優(yōu)化方法和先進優(yōu)化方法（遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群優(yōu)化算法）等。上機實踐環(huán)節(jié)結(jié)合機械優(yōu)化設(shè)計教學(xué)案例及上機操作，以計算機為工具，以當(dāng)前通用的優(yōu)化設(shè)計軟件為平臺，把優(yōu)化設(shè)計基本理論與方法應(yīng)用于解決機械優(yōu)化設(shè)計工程問題。筆者在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)精心安排上機實踐內(nèi)容，提前編好相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書，并提供部分關(guān)鍵源代碼，由簡單到復(fù)雜，深度及難度循序漸進；幫助學(xué)生加深對所學(xué)內(nèi)容的理解，在實踐中學(xué)生學(xué)會將工程問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化設(shè)計問題，分析機械優(yōu)化設(shè)計的基本方法并合理建立數(shù)學(xué)模型，能編寫調(diào)試簡單的優(yōu)化程序，較好地完成實驗內(nèi)容。在程序調(diào)試中，筆者也適當(dāng)?shù)夭贾孟嚓P(guān)思考題，要求學(xué)生認真觀察不同優(yōu)化算法及不同初始參數(shù)（如初始點的選取、搜索步長的選擇等）引起計算結(jié)果的不同，提醒學(xué)生分析優(yōu)化結(jié)果差異性的原因及優(yōu)化結(jié)果的合理性，并將實驗結(jié)果與體會寫到實驗報告中，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決實際問題的能力。

5　結(jié)束語

以強化工程實踐能力、創(chuàng)新能力為核心，結(jié)合我校機械專業(yè)“卓越計劃”實施要求，在機械優(yōu)化設(shè)計課程中改進課堂教學(xué)模式，積極實施案例教學(xué)，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進行了探索與實踐。這些措施的實施，切實提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，我們將繼續(xù)總結(jié)所取得的經(jīng)驗，完善教學(xué)改革成果，致力于培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的機械工程專業(yè)卓越工程師。

參考文獻

［1］ 孫靖民，梁迎春.機械優(yōu)化設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 李旻，黃平.機械優(yōu)化設(shè)計課程案例教學(xué)的研究與實踐［J］.機械工程師.2010（8）:18-20.

［3］ 李志義.對大學(xué)教學(xué)的“三思”［J］.中國高等教育，2009（3）:26-28.

［4］ 李春民.《機械優(yōu)化設(shè)計》的形象化教學(xué)方法［DB/OL］.中國科技論文在線.

［5］ 汪建華，袁新梅.《機械優(yōu)化設(shè)計》課程教學(xué)改革與探索［J］.長江大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011（10）:119-121.

［6］ 劉慶柏.機械優(yōu)化設(shè)計在工程教育中的方法研究［M］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

Teaching Research and Practice of Mechanical Optimization Design for PETOE

Yuan Xinmei， Feng Jin， Hua Jian School of mechanical engineering， Yangtze University， Jingzhou， 434023， China

Abstract:To strengthen engineering practice ability and innovation ability as the core， combined with the requirements of "The Plane for Enducating and Training Outstanding Engineers （PETOE）"， the following reform measures have been explored in the teaching of mechanical optimization design course， such as improvingteaching mode， introduction of engineering cases and strengthen the practice teaching. The implementation of these reform measures is benefcial to improve students' learning interest and strengthen students' engineering practice ability.

Key words:excellence initiative； mechanical optimization design； case teaching； course construction

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：袁新梅，碩士，副教授。

基金項目：教育部“質(zhì)量工程”建設(shè)項目（編號：TS12287），湖北省教研項目（編號：2013252），長江大學(xué)教研項目（編號：JY2012035）。