“機械優化設計”課程實驗與考核方式的研究與探索

馬秀騰

摘 要：機械優化設計作為機械類專業的一門重要課程，最終的目標是要學生能使用優化的數學知識解決工程問題，具有機械優化設計的能力。該文主要分析了課程現狀和存在的問題，從解決問題的角度，在課程實驗、課程考核的方式和內容等方面，提出了一些改進措施，并進行了實踐。

關鍵詞：機械優化設計 實驗 考核 Matlab

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0179-02

“機械優化設計”是機械類專業的一門專業發展的重要課程，主要內容包括優化設計的基本概念、優化設計方法和機械優化設計實例等內容。機械優化設計是將最優化原理和計算技術應用于機械設計領域，為機械設計提供一種重要的科學設計方法。采用機械優化設計方法，人們可以從眾多的設計方案中找出最佳設計方案，提高設計效率和質量。

該文簡要介紹了“機械優化設計”課程的作用，針對課程教學中存在的問題，從課程實驗、課程考核的方式和內容等方面，提出了一系列的改革方法與措施，注重與科學計算軟件Matlab的結合，從實驗和考核方式的改變引導教學的改變，提高了教學效果與教學質量，取得了較好地實踐效果。

1 課程作用簡介

“機械優化設計”課程的目標是使學生樹立優化設計的思想，掌握優化設計的概念和方法，將最優化和計算技術應用于設計領域，獲得解決機械優化設計問題的能力[1]。“機械優化設計”課程是中國機械工程教育專業認證通用標準畢業要求“能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題”和“能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論”的具體體現。“優化設計”是現代設計理論和方法的重要領域，所以“優化設計”也是“現代設計方法”課程的重要組成部分。

2 課程現狀

在筆者所在學院機械類專業的培養體系中，機械優化設計課程是一門實踐性很強的技術基礎課，重在培養學生的建模能力、編制優化程序的能力和靈活運用優化設計方法解決工程實際問題的能力。課程教學包括課堂和上機實驗，通過實驗，使學生進一步鞏固和加深對基本知識的理解，能夠獨立編制計算機程序，掌握常用優化方法程序的使用方法，最終達到靈活運用優化設計方法解決工程實際問題[1]。

在近幾次的大綱修訂中，為了加強對學生應用能力的培養，在總學時不變的情況下，機械優化設計課程的實驗學時有所增加，但實驗的內容并沒有本質的提升。在機械優化設計原來的教學大綱中，課程的考核以實驗成績為主，這種考核方式很難全面反映出學生對知識的掌握程度。

機械優化設計課程所采用的經典教材中常用優化方法的程序是基于FORTRAN語言完成，現在本科生基本沒有學習FORTRAN語言。世界上最優秀的科學計算軟件Matlab及其優化工具箱不論是在編寫優化程序，還是在直接使用Matlab軟件內置優化函數方面，都有較大的優勢，很多學生都選修了Matlab相關課程，但優化設計與Matlab軟件的結合不論是在Matlab選修課，還是在機械優化設計課程中，都沒有得到很好的體現，這不利于學生知識面的拓寬和綜合素質的提高[2-4]。

3 實驗教學改進

機械優化設計實驗是實現機械優化設計教學目標，培養學生創新意識和實踐能力的重要教學環節。針對教學中存在的問題，主要從以下幾方面進行教學改革的實踐。

（1）在一維搜索方法和無約束優化方法課程實驗中，主要內容包括基于Matlab語言的一維搜索和無約束優化方法程序的編寫、調試和考核，程序能夠求解相應的程序考題。同時要求會使用Matlab軟件的優化函數：求一元函數極小值的函數fminbnd，求無約束極小值的函數fminunc，fminsearch。求解相同的程序考題，與Matlab語言編制程序的求解結果進行比較，驗證編制程序的正確性和有效性。

（2）閱讀并理解已有的基于Matlab語言的約束優化算法程序，了解程序的結構特點，會用程序求解約束優化方法的程序考題。同時要求會使用Matlab軟件的優化函數——求約束極小值函數fmincon，求解相同的程序考題，與Matlab語言編寫程序的求解結果進行比較，驗證編寫程序的正確性和有效性。

（3）在調用Matlab軟件中的優化函數fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon時，既會使用程序調用，還要會使用Matlab軟件的優化工具箱GUI直接調用，有精力的學生可以繼續通過Matlab軟件的幫助功能了解fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon函數的數學原理，了解這4個函數所使用的優化算法。

（4）對機械設計問題，如機床主軸結構優化設計、圓柱齒輪減速器優化設計、平面連桿機構優化設計、汽車懸架系統的優化設計、熱壓機機架結構的優化設計、月生產計劃的最優安排等，參考教材中建立適當的優化設計數學模型，基于已有的程序和Matlab內置優化函數，進行優化設計計算。通過與機械專業相關的實例，激發學生的學習興趣，增強學生分析和解決工程實際問題的能力。

4 考核方式的改進

針對以實驗成績為主的成績考核方式很難全面的反映出學生對知識的掌握程度的問題，合理分配課程總成績的構成，改為平時成績20%，實驗成績40%，考試成績40%，兼顧平時、實驗和考試各個方面。平時成績主要包括課堂表現，如學生主動參與課堂練習、討論，創造性地提出問題的能力等，以及作業完成情況、課堂考勤等。考試環節，以課堂講解的內容為主，主要考察學生對機械優化設計基本概念的掌握情況，優化設計方法理論的理解與運用情況。實驗成績主要包括完成自編優化方法程序的情況，考核題計算結果及分析，以及實驗報告的撰寫情況等。

對于有精力的學生可以布置相應的機械優化設計研究小課題，要求學生提交研究報告，根據學生收集資料能力，研究設計能力，解決實際問題能力和合作研究能力等評定成績，作為實驗成績評定的加分項，加到實驗成績100分止。還可以向學生介紹現在工程優化的前沿——拓撲優化，建議學生去拓撲優化的權威OLE SIGMUND教授的個人主頁http：//www.topopt.dtu.dk/下載拓撲優化相關Matlab程序運行，培養學生興趣和科研能力。

5 結語

通過機械優化設計課程的實驗和考核方式改進，使得學生不但掌握了優化設計的基礎知識，而且還掌握了使用科學計算軟件Matlab解決機械優化實例的初步能力。學生可以掌握基于Matlab語言編寫機械優化設計程序，還能掌握Matlab軟件的優化設計工具箱的使用， 為今后各門功課的學習和工作打下基礎。課程教改內容在大綱修訂中得到體現，取得了較好地實踐效果，更好地發揮了機械優化設計在從“基礎課”和“專業基礎”課通向“專業應用”的橋梁作用，加深對學生綜合素質的培養。

參考文獻

[1] 梁迎春，孫靖民.機械優化設計[M].北京：機械工業出版社， 2014.

[2] 溫建明，馬繼杰，程光明.基于MATLAB的機械優化設計課程數字化教學改革[J].吉林教育學院學報，2011，27（5）：81-82.

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

[4] 席平原.應用MATLAB工具箱實現機械優化設計[J].機械設計與研究，2013，19（3）：40-42.