基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的機械優(yōu)化設計教學研究*

◆劉菊蓉 王旭飛

作者：劉菊蓉，陜西理工學院講師，研究方向機電一體化技術(shù)；王旭飛，陜西理工學院（723000）。

1 前言

在當前我國要發(fā)展成為創(chuàng)新型國家的背景下，激發(fā)國人的創(chuàng)新潛力勢在必行，而大力培養(yǎng)我國大學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力更是順應時代發(fā)展潮流的一項措施。對于大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)應該表現(xiàn)在整個教育教學的方方面面，貫穿于大學生的整個學習過程之中。最有效的方法就是把學生所學習的課程與創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力培養(yǎng)結(jié)合起來，在課程的教學過程中給學生滲透創(chuàng)新的思想，把創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入學生的學習和生活當中。

對于機械類專業(yè)的專業(yè)基礎課機械優(yōu)化設計來說，它主要是將機械設計、優(yōu)化理論與計算機技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容結(jié)合起來，并用以解決工程設計領域中的復雜問題的一門課程[1]。現(xiàn)階段，機械優(yōu)化設計課程的教學一般表現(xiàn)為講授建立所求解問題的數(shù)學模型、選擇適當?shù)膬?yōu)化方法與上機編制相應程序[2-3]。由于機械優(yōu)化設計課程的特點，在本門課程的講授過程中，會涉及很多理論性較強的數(shù)學知識，以及程序設計相關(guān)的知識。這對于沒有具備將工程問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學模型能力的學生來說，只是學習數(shù)學知識的理論推導，就會覺得該門課程枯燥、抽象、乏味[4]。而進行程序編制或只是使用軟件進行驗證，會導致學生不知道自己算的結(jié)果有什么用，甚至結(jié)果是對是錯都不清楚。有很多學生在學習機械優(yōu)化設計過程中，都會認為這門課程很難，學不會，學了好像也沒有什么用處。

那么在機械優(yōu)化設計這門課程的教學中想要打破學生的這種思維定式，達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教學目的，一定要在整個教學工程中給學生灌輸創(chuàng)新思維模式，轉(zhuǎn)變教學的方式方法，讓學生能體會到本課程的作用。要知道，對于應用型的工科大學生來說，創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有時候要比某項技能培養(yǎng)更為重要，技能只是當前的謀生手段，而創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力則是今后工科大學生謀求職業(yè)發(fā)展的動力源泉。通過機械優(yōu)化設計課程教學研究，希望能達到培養(yǎng)學生根據(jù)現(xiàn)有條件發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，以及應用新理論完成從設計思想到產(chǎn)品實現(xiàn)的創(chuàng)新能力。

2 機械優(yōu)化設計教學中創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

將機械優(yōu)化設計課程與創(chuàng)新思想結(jié)合在一起，是為適應我國創(chuàng)新型國家建設的需求，對培養(yǎng)應用型工科大學生的創(chuàng)新能力做的嘗試，具體的措施包括以下方面。

首先，對于機械優(yōu)化設計中最重要的一項內(nèi)容——建立數(shù)學模型，通過對同一個優(yōu)化問題列舉不同的數(shù)學模型并進行對比，讓學生不要只是關(guān)注問題中所表現(xiàn)出的表面現(xiàn)象，不要拘泥于使用已有的公式進行數(shù)學模型的建立；鼓勵學生拓寬思維模式，盡量使用最簡單的公式表達要滿足的目標，必要時要對原有的問題進行適當?shù)暮喕妥冃危M量做到復雜問題簡單化。這不僅是思考優(yōu)化模型如何建立，更是要把創(chuàng)新的思維模式添加進來，讓學生從不同角度考慮問題。如何將工程問題或者文字描述的事物表達成數(shù)學形式，這不僅是對于數(shù)學知識以及相關(guān)專業(yè)知識的掌握，更重要的是一種思維方式，是一種想法、一種能力。所以說機械優(yōu)化設計是想辦法建立一個既能真實反映問題本質(zhì)特征，又簡單、理想的數(shù)學模型。數(shù)學模型的建立過程是一個解決矛盾的過程，也是一個提高學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的過程。數(shù)學模型的建立是機械優(yōu)化設計中關(guān)鍵的一步，也是最困難的一步[5]。

其次，在實驗教學中一般都是用某種語言進行編程，采用這種實驗方式，如果程序沒有調(diào)試成功，就看不到任何運算結(jié)果，學生不知道所學優(yōu)化方法是否有效；甚至有的時候即使看到了運算結(jié)果，大部分學生也不知道結(jié)果有什么含義，運算結(jié)果到底對還是不對，運算結(jié)果錯誤或者沒有結(jié)果到底是程序有問題還是初始點選擇有問題，等等。這些情況的出現(xiàn)，會使學生對于課堂上教師所講的優(yōu)化方法到底能不能解決實際問題產(chǎn)生質(zhì)疑。

為此，在機械優(yōu)化設計課程的講授過程中，為了讓學生更形象地了解數(shù)值迭代法中迭代的含義，初始點選取對結(jié)果的影響，以及針對同一問題不同的優(yōu)化算法是否收斂，不同的優(yōu)化算法的應用領域等，可以使用Excel 進行編程，在機械優(yōu)化設計課程中為學生演示不同算法的優(yōu)化過程。Excel 不僅可以簡單方便地進行數(shù)學規(guī)劃問題的求解，而且可以將整個迭代過程顯示出來，當改變某一位置處的數(shù)值，就會引起相關(guān)其他位置結(jié)果的變動，不僅直觀，也便于學生對運算結(jié)果的理解[6]。另外，使用Excel 進行編程演示一般不會受到多媒體設備上軟件安裝不全的影響。使用Excel 進行編程演示，也從另一個方面開拓了學生的思維方式，讓學生體會到除了使用到某種具體的語言編程，還有其他的解決方案。這對于學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)有著重要的作用，利于學生發(fā)散思維模式的培養(yǎng)。

再次，要讓學生深刻體會到，機械優(yōu)化設計所講的方法，不只是用于機械工程問題的求解，還可以具有更廣闊的應用領域。只要有優(yōu)化需求的地方，不論是生活中、學習中，還是其他領域，都可以使用優(yōu)化設計方法，優(yōu)化的過程實際是一個取舍的過程。可以讓學生試著應用優(yōu)化的方法，安排考研過程中各門課程的復習時間，或挑選參加課外科技活動中的團隊成員，等等。通過與自己切身相關(guān)的例子，學生更容易理解優(yōu)化的理念，更容易在腦海中形成創(chuàng)新思維模式。這樣做不僅是讓學生學習一門課程，而且是讓學生樹立優(yōu)化思維，認真觀察周圍環(huán)境，發(fā)現(xiàn)問題并想辦法利用現(xiàn)有的資源解決問題。

最后，講課過程中不要只講課本上的優(yōu)化方法，要在課堂上引入一些先進的優(yōu)化設計方法，讓學生對這些先進方法有一個感性上的了解。很多先進的優(yōu)化方法都是交叉學科的產(chǎn)物，讓學生通過了解這些先進的優(yōu)化方法，體會一下學科交叉所產(chǎn)生創(chuàng)新思維形式。

3 小結(jié)

總之，在機械優(yōu)化設計課程中不能只強調(diào)本課程的知識，應該鼓勵學生將本課程與創(chuàng)新思維相結(jié)合。比如在機械優(yōu)化設計課程中將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成無約束優(yōu)化問題進行求解，就體現(xiàn)出創(chuàng)新思想中將復雜問題簡單化的思維方式；同一個無約束優(yōu)化問題中搜索方向的不同得到不同的優(yōu)化方法，就體現(xiàn)出創(chuàng)新思想中發(fā)散的思維方式；等等。另外，鼓勵學生多觀察周圍事物，發(fā)現(xiàn)有需要改進的地方，應用優(yōu)化和創(chuàng)新的思維方式去思考和改進；鼓勵學生在課外實踐活動中用優(yōu)化和創(chuàng)新的理念解決實踐中所遇到的問題；鼓勵有獨特想法的學生對相關(guān)的設計申請專利保護。如此種種，將會在學生的潛意識中留下優(yōu)化和創(chuàng)新的痕跡，在走上工作崗位后有利于其對老產(chǎn)品的改進和對新產(chǎn)品的研發(fā)。

當然創(chuàng)新不是一句話的問題，優(yōu)化也不是一蹴而就的，通過這門課程的學習，只能起到激起學生創(chuàng)新的潛在意識，給學生提供了創(chuàng)新的思維方式，而不是說學了一門課就有了創(chuàng)新能力，還要學生在實際中不斷地應用創(chuàng)新和優(yōu)化的方法，才能逐步加強自身的創(chuàng)新能力。

[1]蔣占四,王衍學,鄭偉光.面向工程能力培養(yǎng)的《機械優(yōu)化設計》課程理論及實驗教學研究[J].輕工科技,2015(2):154-155.

[2]林桂娟.《機械優(yōu)化設計》課程的項目驅(qū)動式教學方法探討[J].赤峰學院學報:自然科學版,2014(20):256-257.

[3]馬良.基于CDIO 理念的“教學—實踐”模塊構(gòu)造探析:以新疆工程學院機械優(yōu)化設計課程教學為例[J].化工高等教育,2014(5):71-74.

[4]王靜,孟廣耀.關(guān)于《機械優(yōu)化設計》教學的實施與思考[J].教育教學論壇,2013(8):212-213.

[5]馬如宇.《機械優(yōu)化設計》課程教學方法探討[J].教育教學論壇,2013(39):98-99.

[6]王全福,張?zhí)炀?Microsoft Excel 在機械優(yōu)化設計中的應用[J].山西機械,2002(2):47-48.