面向應用能力培養的《機械優化設計》教學探討

周楓林，廖海洋，余江鴻，孫 曉

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

機械設計是機械工程的重要組成部分，是決定機械性能最主要的因素。現代設計都是面向市場、實現功能及產品優勢的設計。創新設計、綠色設計、優化設計、可靠性設計等現代設計方法備受國內外機械設計領域的關注。而機械的優化設計與機構設計、機械傳動設計和機械強度評價共同組成了機械設計的內涵。

優化設計是以數學中的最優化理論為基礎，從多種方案中選擇最佳方案的設計方法[1]。機械優化設計是最優化技術在機械設計領域的移植和應用，其基本思想是根據機械設計的理論、方法和標準規范等建立反映工程設計問題和符合數學規劃要求的數學模型，然后采用數學規劃方法和計算機計算技術自動找出設計問題的最優方案[2]。

1 《機械優化設計》課程的特點及教學現狀

《機械優化設計》課程是現代設計理論與方法課程的重要組成部分，是機械類本科高年級及研究生的一門重要課程。教學目標是使學生掌握機械優化設計的基本理論和方法，學會合理地建立數學模型，選用恰當的優化方法求解優化設計問題，達到獨立解決工程實際中的機械優化設計問題的目的[3，4]。

課程通常由理論學習與上機實踐兩個環節構成。內容的理論性較強，涉及數學知識較多，優化算法難度較大。要求學生能對所學的算法進行編程實現，因此，大多數學生在學習本課程時普遍感覺難度較大，畏難心理較強。在課程結束后，學生的工程應用意識和能力依然沒有得到提高。因此，為達到培養學生解決機械優化設計問題初步能力的教學目標，有必要對課程教學方法進行適當改革。

2 《機械優化設計》課程教學改革探討

2.1 教學內容與體系

《機械優化設計》課程的教學內容與體系，應配合專業培養方案的改革，結合教學大綱要求，針對本校的專業特點和實際需要，從合理利用學時的角度出發，對課程內容進行精選優化。大綱要求主要教學內容包括：優化設計概述、優化設計的數學基礎、一維搜索方法、無約束優化方法和約束優化方法與優化問題綜合實例。課程理論教學共32學時，教學大綱對各知識授課學時有明確的規定，其中優化方法教學內容是重點，很多知識點都要求學生掌握。根據當前技術發展現狀及學生反饋，在教學過程中對課時安排及教學內容作了少量調整：①考慮數學基礎對課程學習的重要性，以及數學知識的抽象性，增加了數學基礎的講授課時，以使學生對優化設計有更深刻的理解；②結合自身科研工作及技術發展情況，向學生介紹優化設計的前沿研究和發展前景，提高學生的學習興趣；③加強案例教學頻次和分析深度，并將實踐教學環節與學科競賽相結合，培養學生的應用能力。

2.2 實踐教學

實踐教學是理論聯系實際的重要環節。通過上機實驗可使學生鞏固和加深對所學內容的理解，能夠分析并掌握機械優化設計的一些基本方法，能夠編寫并調試簡單的優化程序，或選用適當的優化方法解決簡單的工程問題，從而培養學生解決實際問題的能力。然而《機械優化設計》課程的實踐教學僅4個學時，主要圍繞Matlab軟件開展，在學習過程中，學生的大部分精力花在了熟悉軟件操作方面。為改善實踐教學效果，將學科競賽與實踐教學相結合，如全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽等，通過課程與競賽的融合，充分利用學生課余時間，彌補實踐環節學時的不足，提升實戰能力。

圖1 學生利用Matlab對S賽道無碳小車進行運動軌跡模擬及優化設計Fig.1 Simulation and optimization of motion trajectory of carbon free vehicle by applying Matlab software

2.3 案例教學

案例分析在 《機械優化設計》教學中起著重要的作用。案例的呈現時機、主題選擇和討論分析的教學方法，可結合學生情況和教學進程確定。

在介紹理論知識前提出案例，可激發學生學習興趣，讓他們帶著問題去主動學習各種優化方法；而在理論知識學習后進行案例分析，可進一步固定所學知識點。

在案例主題的選擇方面，可以跳出教材，選擇學生前期課程相關的案例，發揮學生學習的主體性，啟發學生自主地開展學習，如《機械原理》課程中的平面鉸鏈四桿機構再現運動規律的優化設計案例，在學習優化設計方法的同時，既復習了《機械原理》的知識點，同時又使不同課程更好的銜接，使課程體系更立體化。選擇跟學科競賽相關的案例分析，既達到課程教學目的，又起到指導競賽的效果，為學生提供了學以致用的訓練機會。

在案例分析環節，應積極引導學生分析、理解案例包含的優化設計知識點，要在課堂上開展討論，鼓勵學生提出個人見解；調控課堂氣氛，激發學生的參與熱情，積極投入到案例討論中。

2.4 考核方式

《機械優化設計》課程的常規考核方式是筆試，期末考試成績占總評成績70%，平時成績、作業和實驗課占30%，偏重于考察學生對公式記憶和計算能力，導致學生大多以套公式計算為學習目標，忽略了實際應用能力的培養。在實際教學過程中，考慮將期末考試成績占比減少，提高案例分析及實踐教學所占比重，摒棄套公式計算的考核目標，加大對學生理解與應用能力的考核力度，注重培養學生的綜合素質。

3 結束語

為培養學對優化設計方法的應用能力，提高《機械優化設計》課程的教學質量，對課程教學方法進行改革。在教學內容和課時分配上進行了微調，注重數學基礎知識、優化設計前沿研究的介紹；將實踐教學與學科競賽相結合，講授知識的同時，為學生提供學以致用的平臺；在案例教學中，對案例的提出時機、主題選擇和分析過程進行了思考；改革考核方式，加大應用能力的考核力度。通過教學實踐發現，總體上學生的學習興趣得到了提高，分析問題、解決問題的工程實踐能力得到增強。