施國英， 李天華， 張開興， 宋月鵬

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271000）

0 引言

工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課程是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生的專業(yè)核心課程，它以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為手段，根據(jù)設(shè)計(jì)所追求的性能目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，使設(shè)計(jì)的技術(shù)或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最佳，是一門理論性比較強(qiáng)的課程[1]。工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課程案例庫的建設(shè)，是針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)要求，選取與專業(yè)密切相關(guān)的科研項(xiàng)目為案例，將單純、枯燥的理論知識(shí)變成豐富、有內(nèi)涵的工程案例，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高課程教學(xué)的實(shí)效性，以達(dá)到強(qiáng)化研究生實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的[2]。

1 案例庫建設(shè)意義

為落實(shí)山東省專業(yè)學(xué)位研究生教育質(zhì)量提升計(jì)劃，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)碩士提出了“機(jī)械與電子、技術(shù)與管理、農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝”相結(jié)合的人才培養(yǎng)目標(biāo)。隨著我國農(nóng)業(yè)制造業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，對(duì)本專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，不僅要做到掌握必要的基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)，還要具備處理實(shí)際問題的能力[3-5]。

工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課程案例式教學(xué)方法的探索與實(shí)踐，是面向具有創(chuàng)新意識(shí)和能獨(dú)立承擔(dān)專業(yè)領(lǐng)域人才發(fā)展的需求，從培養(yǎng)農(nóng)業(yè)機(jī)械工程應(yīng)用型、復(fù)合型高層次工程技術(shù)和工程管理人才的角度出發(fā)，把基礎(chǔ)理論、先進(jìn)技術(shù)方法手段及相關(guān)知識(shí)應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)和工程研究案例中。課程案例教學(xué)改變了“滿堂灌”的教育模式，提倡“啟發(fā)式”和“引導(dǎo)式”的教學(xué)模式，讓學(xué)生多思考、多練習(xí)，開展課堂討論。教學(xué)方法上堅(jiān)持講清思路、引導(dǎo)啟發(fā)、精講多練和培養(yǎng)能力的原則，以提高學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析問題、解決問題的能力。案例庫的建設(shè)能夠起到教學(xué)中長期使用、資源共享的作用，同時(shí)案例庫教學(xué)不僅能夠應(yīng)用于機(jī)械工程專業(yè)的教學(xué)工作，而且能夠?yàn)槠渌麑I(yè)案例教學(xué)提供一定的借鑒和參考價(jià)值[6-10]。

2 案例庫建設(shè)

2.1 基本原則

教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》（教研〔2015〕1 號(hào)）中指出，案例教學(xué)是以學(xué)生為中心，以案例為基礎(chǔ)，通過呈現(xiàn)案例情境，將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點(diǎn)、提高能力的一種教學(xué)方式[11]。因此，建設(shè)案例庫應(yīng)滿足以下4 個(gè)原則。

（1）真實(shí)性。選取的教學(xué)案例應(yīng)取材于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的實(shí)際，不是憑個(gè)人的想象力和創(chuàng)造力杜撰而來。

（2）完整性。案例應(yīng)包括問題的決策及發(fā)展全過程，有明確的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)好討論方式和步驟，做好教師點(diǎn)評(píng)和學(xué)生互評(píng)。

（3）典型性。案例由課程相關(guān)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)歸納總結(jié)成專題，具有概括和輻射作用，使學(xué)生不僅能夠掌握有關(guān)原理和方法，并能將這些理論與方法運(yùn)用到實(shí)踐中。

（4）啟發(fā)性。每個(gè)案例都能夠幫助理解教學(xué)內(nèi)容、啟迪思路、引人深思，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

2.2 教學(xué)案例來源

（1）教師團(tuán)隊(duì)成員科研課題。任課教師通過對(duì)授課教材知識(shí)點(diǎn)的歸納總結(jié)，結(jié)合團(tuán)隊(duì)成員科研項(xiàng)目研究背景和科研經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)難易程度不同、側(cè)重點(diǎn)不同，挖掘相關(guān)素材設(shè)計(jì)成教學(xué)案例。案例教學(xué)內(nèi)容均是最前沿、最先進(jìn)、最真實(shí)和可實(shí)現(xiàn)的具體案例，教師講授過程中有最真實(shí)的體會(huì)，熟知每個(gè)案例在實(shí)現(xiàn)過程中碰到的具體問題、如何分析、如何解決。

（2）學(xué)生競(jìng)賽獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。從近年來學(xué)生參加的各種農(nóng)業(yè)工程類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽項(xiàng)目中選擇創(chuàng)意比較好、與生產(chǎn)生活息息相關(guān)的項(xiàng)目，對(duì)參賽過程中遇到與本課程相關(guān)的各種問題進(jìn)行研究和討論，將一些典型的問題進(jìn)行整合、梳理，形成報(bào)告，建成項(xiàng)目案例庫。

（3）校企合作項(xiàng)目。學(xué)校持續(xù)推進(jìn)校企合作，將企業(yè)生產(chǎn)一線中碰到的卡脖子問題開發(fā)為符合教學(xué)要求的案例資源，幫助學(xué)生開闊視野，豐富教學(xué)資源，使學(xué)生盡早了解企業(yè)需求，為今后科研和工作奠定基礎(chǔ)。

3 案例庫教學(xué)實(shí)施方法

3.1 工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課程特點(diǎn)

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課程是針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生的一門專業(yè)核心課，是將數(shù)學(xué)最優(yōu)化理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域，為工程問題提供一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，這是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程。采用案例庫教學(xué)方法時(shí)，在講授知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候盡量淡化復(fù)雜的運(yùn)算和推導(dǎo)，避免變成枯燥的數(shù)學(xué)課。

3.2 工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課程案例庫教學(xué)實(shí)施

工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課程的基本思想是從研究對(duì)象的整體來考察和解決問題，再從整體各個(gè)部分的相互聯(lián)系、相互影響和相互制約中尋求最優(yōu)方案。每個(gè)案例包括講義、多媒體課件和案例說明3 部分，其中案例說明包括教學(xué)目標(biāo)、案例涉及的知識(shí)點(diǎn)、案例分析思路、背景信息、課堂計(jì)劃和思考題答案要點(diǎn)等教學(xué)輔助信息。以日光溫室薄膜高效清洗及除雪關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究為例介紹案例教學(xué)實(shí)施方法。

3.2.1 案例背景引入

日光溫室薄膜上的灰塵及污漬嚴(yán)重影響薄膜透光率，進(jìn)而影響室內(nèi)溫度及作物的光合作用。北方冬季的霧霾天氣使薄膜污染加快，對(duì)作物的影響進(jìn)一步加大。同時(shí)溫室屋頂積雪一方面對(duì)保溫性能造成很大的影響，另一方面影響溫室的總體強(qiáng)度和剛度，甚至?xí)嚎鍦厥?，進(jìn)行及時(shí)清理十分必要。針對(duì)這種現(xiàn)狀，研制一種方便高效、成本低廉、安全可靠的智能化薄膜專用清洗裝備，解決日光溫室薄膜當(dāng)前主要以人工清理為主，工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、清洗難、清洗慢及清洗不徹底的問題。清洗裝置作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 薄膜清洗裝置作業(yè)Fig.1 Film cleaning device operation

3.2.2 案例問題的提出和討論

通過對(duì)上面研究背景的分析，研制智能清洗裝備需要考慮以下問題[12]。

（1）對(duì)薄膜的物理性能和機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試，得到不同材料薄膜的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)，為確定毛刷與薄膜之間的最佳作用力提供理論支持，減小對(duì)薄膜壽命的影響。

（2）構(gòu)建棚面仿形清洗機(jī)最優(yōu)模型。

（3）解決清洗機(jī)上下軌道同步問題、支撐橫梁形變問題及清洗除雪驅(qū)動(dòng)問題。清洗裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 清洗除雪裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the snow removal device

（4）進(jìn)行清洗機(jī)路徑規(guī)劃與防碰撞研究。

（5）進(jìn)行清洗裝備作業(yè)時(shí)的邊界自動(dòng)檢測(cè)工作。

（6）確定不同季節(jié)、天氣的薄膜最佳清洗頻率。

（7）進(jìn)行清洗軸轉(zhuǎn)速大小與清洗效果相關(guān)性研究。

教師在課堂上引導(dǎo)學(xué)生從案例的背景中分析項(xiàng)目研究的目的是什么，需要解決什么問題，研究的難點(diǎn)又是什么，解決問題的方法有哪些，做出決策的標(biāo)準(zhǔn)是什么，什么樣的決策是最優(yōu)方案，方案制定好后具體怎么樣實(shí)施。學(xué)生就現(xiàn)有掌握的知識(shí)對(duì)以上問題開展討論，提出自己看法和做法，教師再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這些方案進(jìn)行分析研究，確定最佳方案。課后要求學(xué)生上網(wǎng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，改進(jìn)優(yōu)化自己的方案，最后決定如何實(shí)施這個(gè)方案，形成報(bào)告提交。

3.2.3 總結(jié)案例

根據(jù)學(xué)生提交的報(bào)告，總結(jié)方案中的優(yōu)點(diǎn)和不足，講解其中涉及的相關(guān)理論知識(shí)，讓學(xué)生了解相關(guān)知識(shí)在工程中的應(yīng)用，避免脫離實(shí)際空講理論。

引導(dǎo)學(xué)生將這些知識(shí)性的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為自己的能力，在做一項(xiàng)具體的工作前考慮問題更全面一些，少走一些彎路，少做一些重復(fù)、無用的工作，使學(xué)生將來面對(duì)各種工程問題時(shí)，能夠有正確的思想方法和解決問題的途徑。

4 案例教學(xué)實(shí)踐效果

4.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果

在案例教學(xué)中，學(xué)生扮演一個(gè)積極的參與者角色。仔細(xì)研究教師提供的案例材料，進(jìn)行認(rèn)真分析和思考，據(jù)此做出自己對(duì)該問題的判斷和對(duì)策，并驗(yàn)證自己的方案可靠有效。在課堂上，積極發(fā)言，講出自己的思考和方案，并與他人展開討論。學(xué)生變成教學(xué)的主角，既可以從自己和他人的探討中學(xué)習(xí)，也可以從所犯的錯(cuò)誤中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在案例的解決過程中得到訓(xùn)練，提高解決問題的能力。

4.2 促進(jìn)校企深度合作

根據(jù)校企合作、工學(xué)結(jié)合的思想，通過引入企業(yè)工作案例，建立多維度校企合作的人才培養(yǎng)模式，激勵(lì)教師主動(dòng)對(duì)接制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，更快更好地解決企業(yè)的急、難、愁、盼問題。通過在教學(xué)中認(rèn)真梳理發(fā)現(xiàn)的困難問題，集思廣益達(dá)到舉一反三的目的，推動(dòng)由解決一個(gè)問題向解決一類問題轉(zhuǎn)變，為校企合作發(fā)展創(chuàng)造良好的環(huán)境。

4.3 提高教師教學(xué)水平

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師是教學(xué)的主體，只需將書本知識(shí)傳授給學(xué)生。在案例教學(xué)法中，教師是指導(dǎo)者和推動(dòng)者，其角色定位是要引導(dǎo)案例教學(xué)的全過程。不僅要引導(dǎo)學(xué)生去思考、去討論、去做出決策和選擇，還要去解決案例中的特定問題，進(jìn)而從案例中獲得經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生去探尋特定案例情景下復(fù)雜性的過程及其背后隱含的各種因素和發(fā)展變化的多種可能性。

案例庫教學(xué)法不僅創(chuàng)新了教學(xué)模式，而且督促缺乏企業(yè)經(jīng)歷與背景的專業(yè)教師深入生產(chǎn)一線，了解和掌握企業(yè)生產(chǎn)過程，提高教師的實(shí)踐能力和專業(yè)教學(xué)能力，將課本上枯燥的理論變成有靈魂的知識(shí)。

5 結(jié)束語

對(duì)專業(yè)學(xué)位研究生課程開展案例庫建設(shè)，學(xué)生能夠基于案例內(nèi)容和相關(guān)問題展開平等對(duì)話與交流互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生盡快將知識(shí)性的理論轉(zhuǎn)化為自己的能力，使其對(duì)工程實(shí)踐的復(fù)雜性、多樣性有更為深刻的理解和體會(huì)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生將來面對(duì)各種復(fù)雜工程問題時(shí)，能夠有正確的思想方法和解決問題的途徑，實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神也在此過程中得到同步提升。