“紡織最優化設計與分析”研究生示范課程的建設與實踐

張 威，姚桂芬，陳振宏，石 寶

(河北科技大學 紡織服裝學院,河北 石家莊 050018)

一、 “紡織最優化設計與分析”課程簡介

“紡織最優化設計與分析”是我校(河北科技大學)紡織工程專業碩士研究生的一門學位課及校級研究生示范課程。該課程旨在培養學生利用數學知識結合Matlab等應用軟件解決紡織生產實際問題的能力。包括采用試驗方法解決紡織新原料應用、新產品開發、新工藝應用等問題，以最少的試驗次數獲得盡可能多的關于研究對象的信息；在工程參數變化范圍內，建立各可控影響因素與所關注指標間高精度回歸方程；通過對優化對象各指標間的科學協調與折中，達到指標的總體優化；采用灰色聚類分析方法對紡織品性能進行綜合評價，以確定最優的工藝組合。該課程對培養理論知識扎實、創新及實踐能力強的紡織工程專業高級技術人才具有重要意義[1-3]。

“紡織最優化設計與分析”是在我校紡織科學與工程學術型研究生同名課程的基礎上調整相關內容而設定的。授課之初，我們發現偏重理論的課程內容及單一的授課方式不適合紡織工程專業碩士研究生的培養。針對專業學位研究生要著重培養面向生產實際、具備較強的分析和解決實際問題能力的要求，我們借鑒兄弟院校經驗，與學生和企業進行了廣泛的溝通和交流，積極探索提高“紡織最優化設計與分析”課程教學效果的有效途徑，通過采取優化課程設置、采用多種教學方式、共建校外專業學位研究生工作站以及改革課程考核方式等措施，取得了較好的教學效果。

二、 “紡織最優化設計與分析”課程的建設與實踐

1. 優化課程設置，培養學生的理論素養

針對紡織行業對高水平工程技術人才的要求，“紡織最優化設計與分析”課程設置了工程試驗設計、工程參數的最優化設計、灰色聚類分析三部分內容[4]，為學生能開展紡織工藝設計與優化等方面的工作打下堅實的理論基礎。

(1) 工程試驗設計。在工程實踐中常需要通過有限次數的試驗所反映的局部信息來推斷研究對象質量指標或產量指標的整體特征，因此，合理選擇試驗方案在紡織工藝設計與優化中占有重要地位，是解決問題的基礎。工程試驗設計就是根據實際需要，合理設計試驗方案，實現以盡可能少的試驗次數獲得盡可能全面、準確反映實際情況的具有隨機性、正態分布性、方差一致性等特性的試驗數據，以保證以后的統計分析工作的正確性和有效性。課程設置的“試驗數據的處理”包括數據的獨立性、異常值、正態分布性以及等方差性的檢驗，為以后的統計分析工作提供合理有效的試驗數據；“線性回歸和多項式回歸”是依托試驗數據建立所關注指標與各影響因素間呈線性和多項式關系的數學表達式，并對其顯著性進行檢驗，以得到高精度的回歸方程；為提高回歸分析的效率，又設置了“正交多項式”的相關內容；為了在研究和生產實踐中能科學合理地安排試驗，課程設置了“回歸正交設計”和“回歸旋轉設計”等內容。

(2) 工程參數的最優化設計。最優化設計將優化設計的思想與計算機技術有機結合，是將原料選配、加工工藝與設備以及產品性能等復雜設計問題的物理模型轉換為數學模型，再采用數值分析的方法，在一定的技術和物質條件下，從眾多的方案中找到盡可能完善或最適宜的設計方案。這不僅可以降低材料的消耗和制造成本，而且可以提高產品的加工性能和質量，從而提高設計效率和質量。課程設置的“最優化數學模型的建立”，通過選取設計變量、設計試驗方案、建立目標函數和給定約束條件構造最優化設計的數學模型；設置了求解單變量、多變量目標函數極小值及其評價準則和選用方法的“無約束問題和約束問題的最優化方法”；“多目標函數的最優化方法”則是通過統一目標法、主要目標法、協調曲線法等，解決希望同時幾項設計指標都達到最優值的問題。

(3) 灰色聚類分析。生產實踐中有時限于條件，試驗結果有限或不成體系，不能按照最優化設計的要求得到高精度的回歸方程和實現多目標的優選，這就需要采用灰色聚類分析的方法尋求使產品綜合性能達到最優的工藝組合。灰色聚類分析以部分信息已知、部分信息未知的小樣本、貧信息的不確定系統為研究對象，通過對部分已知信息的生成、開發，提取有價值的信息，實現對產品綜合性能的正確認識和有效控制。紡織生產中有很多問題，諸如產品性能的綜合評價等都可以看成這種不確定系統，因此，這一理論在紡織領域具有十分廣闊的應用前景。課程介紹了灰色聚類分析的原理及適用條件，灰色聚類分析的關聯聚類、變權聚類、定權聚類三種類型，以及灰色聚類分析的數學方法等內容。

2. 采用多種教學方式，改善授課效果

(1) 案例教學。“紡織最優化設計與分析”課程包括數據分析與處理、正交試驗設計、回歸分析、灰色聚類分析等數學知識，過多的理論講授不利于學生對相關內容的學習、掌握，以及利用所學知識解決紡織生產的實際問題。因此，我們引入了問題導向的案例教學，將紡織生產和工藝設計中遇到的實際問題，如“細紗強伸性試驗數據分析”“苧麻脫膠工藝的回歸分析”“轉杯紡紗工藝優化與回歸旋轉設計”“毛滌混紡工藝優化的回歸正交設計”“緯編織物熱濕舒適性的多元回歸分析”“襪子熱濕舒適性的綜合評價”“混紡比對聚乳酸/棉混紡紗線強力的影響”等，以案例的形式引入到課堂教學中。教師在提示學生思考的方向和分析的邏輯路徑后，引導學生利用所學知識來分析和解決紡織工藝設計與優化問題，提高了學生的學習興趣和參與熱情，改善了授課效果，對培養和提高學生利用理論知識解決實際問題的能力具有重要意義。

(2) 翻轉課堂。課程的部分內容采用了翻轉課堂的教學形式，教師不占用課堂時間講授課程的基本內容，而是將與課程相關的資料和習題上傳到QQ群，學生利用課余時間自主學習，并對知識的掌握程度進行檢驗，還能在群里與教師和其他同學進行交流。學生帶著問題到課堂與同學進行廣泛的探討并提出自己的見解和解決方案，大家進行評議和討論；教師則為課堂學習的組織者，主要進行共性問題的輔導和解答，或者對有困難的學生提供幫助，從而使學生獲得對知識更深層次的理解。采用翻轉課堂教學，在多元回歸分析以及灰色聚類分析等內容的教學過程中取得了較好的效果。

(3) 專題研討。在授課過程中設置了專題研討環節，圍繞教師或者學生提出的諸如“羊毛衫起毛起球”等紡織生產中的實際問題，每名學生根據個人的認識和理解在課堂上講述自己的觀點，從原料、紗線結構、織物組織以及后整理多個方面分析問題產生的原因，利用所學知識提出解決方案，并對方案的可行性和效果進行分析和預測。其他學生及教師可以提出不同意見或者建議，經廣泛深入討論后，任課教師總結歸納出解決問題的最合理或最有效的辦法，并組織學生課下分組予以實施和驗證。這樣可以充分發揮每名學生的積極性和創造性，提高了利用最優化設計思想分析和解決紡織生產中實際問題的能力，為以后開展課題研究和從事實際工作打下良好的基礎。

3. 共建企業研究生工作站，提高學生的創新和實踐能力

我校紡織服裝學院先后與邯鄲紡織有限公司、石家莊常山紡織股份有限公司共建了河北科技大學企業研究生工作站。在授課過程中安排學生進入工作站，選擇與企業實際生產密切相關、亟待解決的技術難題作為學生平時作業的研究課題。任課教師作為學術指導教師，聘請企業既有實踐經驗又有理論知識的專業技術人員擔任研究生的校外指導教師，共同指導進站研究生的課題研究工作。學生利用所學“紡織最優化設計與分析”課程知識，針對生產中發現的問題，結合企業實際情況，合理設計試驗方案，在對試驗數據進行統計分析的基礎上，利用最優化設計和灰色聚類分析等方法得到合理的工藝方案，并在企業予以實施以檢驗優化的效果。這樣學生在完成課題的同時，也幫助企業解決了實際問題，使自己分析和解決實際問題的能力得到提升。例如，一名學生深入研究生工作站，從聚苯硫醚、不銹鋼等原纖維材料的性能分析入手，制訂和優化紡紗工藝，選擇合理的設備類型和織物組織，在對產品性能測試分析的基礎上不斷優化織造工藝參數，理論與實踐緊密結合，協助企業開發了基于聚苯硫醚纖維的復合功能性機織面料，提升了自己的創新和工程實踐能力。

4. 改革課程考核方式，準確評價學生的創新應用能力

“紡織最優化設計與分析”課程具有較強的實踐性和應用性。閉卷考試只側重考查學生對數學公式和理論知識的掌握程度，而忽略了對學生利用所學知識分析和解決紡織生產實際問題能力方面的考核。為準確評價教學效果，我們將考核方式由閉卷考試改為開卷考試，試題均來自紡織生產實際，如試驗數據的分析與處理、試驗方案設計與紡織品性能的回歸分析、產品工藝參數的最優化設計以及多目標優選等內容。學生利用所學知識，借助參考資料以及Matlab等計算機應用軟件，制訂每個問題的解決方案并予以解釋和說明。這種注重實際能力的考核方式使學生加深了對所學理論知識的認識和理解，提高了科技創新和解決實際問題的能力。

三、 結語

通過幾年的建設和實踐，我校“紡織最優化設計與分析”課程的教學內容、教學方式及考核形式得到了學生的廣泛認可。課程在培養學生理論素養的基礎上，提高了學生利用數學知識結合計算機應用軟件解決紡織生產實際問題的能力，對培養既有堅實的理論知識又有創新和工程實踐能力的紡織行業高層次應用型人才具有重要意義。