過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革淺析

王 龍 來(lái)永斌 王 成 伍 廣 李雪斌 周毅鈞

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程主要運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)對(duì)過(guò)程控制相關(guān)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化分析， 降低成本， 提高工作效率。 《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》 課程含有優(yōu)化概念的認(rèn)識(shí)、優(yōu)化計(jì)算公式推導(dǎo)、計(jì)算方法等。 考慮到大四學(xué)生雖已學(xué)習(xí)過(guò)專(zhuān)業(yè)課， 但解決實(shí)際工程問(wèn)題能力尚欠缺， 學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)常常會(huì)感到疑惑。本文通過(guò)列出過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程中常見(jiàn)的若干問(wèn)題，對(duì)《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》教學(xué)改革進(jìn)行分析， 結(jié)合課程積累的若干教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出未來(lái)需要改變的方向。

1 多利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》 教材中均以?xún)?yōu)化后的設(shè)備作為引入點(diǎn)來(lái)說(shuō)明優(yōu)化過(guò)程， 是否能正確理解優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)積極性。 以前的教學(xué)過(guò)程多是授課教師以黑板板書(shū)講解化工設(shè)備的優(yōu)化過(guò)程， 由于此過(guò)程中的優(yōu)化多是枯燥的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)與計(jì)算， 大多數(shù)學(xué)生對(duì)其不感興趣。 隨著智能手機(jī)的普及， 刻板枯燥的教學(xué)方式使學(xué)生對(duì)優(yōu)化過(guò)程缺乏進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解， 學(xué)生的學(xué)習(xí)效率進(jìn)一步降低。

如果在《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》課堂上多應(yīng)用多媒體課件，通過(guò)制作一些優(yōu)化設(shè)計(jì)零部件的Flash 動(dòng)畫(huà)演示把優(yōu)化步驟及過(guò)程形象地展示在課堂， 輔以圖文解釋說(shuō)明流程， 使學(xué)生可以直觀地接觸化工設(shè)備各個(gè)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 通過(guò)改進(jìn)教學(xué)展示內(nèi)容， 可以改善相對(duì)枯燥的教學(xué)過(guò)程， 創(chuàng)造出較為主動(dòng)啟發(fā)式的教學(xué)環(huán)境， 若果可以激發(fā)大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 則可調(diào)動(dòng)其積極性。

其次，《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》 教材中涵蓋的基本概念、 原理及公式推導(dǎo)等， 據(jù)統(tǒng)計(jì)大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)時(shí)間占課堂總時(shí)間比例較多， 這就會(huì)造成在大綱規(guī)定的課時(shí)內(nèi)完成無(wú)法完成相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容， 教學(xué)效率下降。

圖1 過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)手段模型

在《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》教學(xué)中，把繁瑣耗時(shí)的推導(dǎo)公式過(guò)程利用PPT 多媒體技術(shù)展示出來(lái)， 為使學(xué)生較好地把所學(xué)應(yīng)用到工程中， 還可以適當(dāng)加入某些公式的應(yīng)用環(huán)境及所提出的背景需求。 一旦達(dá)到上述教學(xué)過(guò)程， 那么在大綱要求的學(xué)時(shí)內(nèi)必將可圓滿(mǎn)地完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

此外，《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》 教學(xué)中對(duì)多媒體的使用多集中于壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、 換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、化工塔設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)與泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

在實(shí)際課堂教學(xué)中應(yīng)用上述教學(xué)手段， 對(duì)同一學(xué)期采用不同教學(xué)手段模型的班級(jí)的考試成績(jī)分析，發(fā)現(xiàn)一旦過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)課程采用改良后的教學(xué)方法， 其考試結(jié)果的優(yōu)秀率及班級(jí)平均分?jǐn)?shù)均比以前高出約10%左右。

最后， 由于多媒體教學(xué)在單位時(shí)間內(nèi)其包含知識(shí)信息較多[1]，合理分配教學(xué)時(shí)間及學(xué)生理解PPT 涵蓋內(nèi)容對(duì)教師的教學(xué)能力也是一個(gè)挑戰(zhàn)。 一旦整個(gè)教學(xué)過(guò)程利用不停轉(zhuǎn)動(dòng)的PPT 幻燈片來(lái)傳遞復(fù)雜的教學(xué)難點(diǎn)及重點(diǎn)， 與電影畫(huà)面不同， 學(xué)生需要一定時(shí)間來(lái)思考及吸收所學(xué)內(nèi)容，這種‘填鴨’式教學(xué)會(huì)阻礙學(xué)生對(duì)其學(xué)習(xí)內(nèi)容接受與理解，扼殺了學(xué)生創(chuàng)作的機(jī)會(huì)[2]。

2 合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

以《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)大綱作為參考， 同時(shí)借鑒世界發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)課程的改革經(jīng)驗(yàn)。對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與規(guī)劃。以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)為主線，將課本教學(xué)內(nèi)容相互結(jié)合、相互統(tǒng)一，形成有機(jī)的整體，如圖2 所示。

圖2 過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)課程體系

課程主體由三個(gè)部分組成： 第一部分是優(yōu)化設(shè)計(jì)概念及示例， 主要講述優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念與如何利用其技術(shù)完成相關(guān)化工設(shè)備的優(yōu)化結(jié)果。 第二部分是優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)知識(shí)， 使學(xué)生掌握多元函數(shù)的泰勒展開(kāi)及一維搜索的最優(yōu)化方法， 對(duì)多維無(wú)約束最優(yōu)化方法及多維約束最優(yōu)化方法有定性的認(rèn)識(shí)， 考慮到Matlab工具箱的廣泛應(yīng)用， 上述方法均可利用Matlab 進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)， 因此其實(shí)現(xiàn)過(guò)程不是學(xué)生掌握的重點(diǎn)。 第三部分是化工設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)， 該內(nèi)容實(shí)際上是工程應(yīng)用問(wèn)題的解決過(guò)程及結(jié)果。 從該內(nèi)容難度及學(xué)生對(duì)其理解的程度來(lái)看， 完全掌握其方法是可以達(dá)成的， 但學(xué)生能獨(dú)立解決該問(wèn)題則是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。 如果本章內(nèi)容采用動(dòng)態(tài)演示輔以教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程， 視頻播放中可以增加每個(gè)部件在優(yōu)化過(guò)程中的逐步實(shí)現(xiàn)過(guò)程， 使學(xué)生可以了解過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算中每一步迭代所對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程， 達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 利用實(shí)驗(yàn)手段提高學(xué)生認(rèn)知能力

《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)可以作為是學(xué)生理解優(yōu)化過(guò)程的補(bǔ)充手段， 其實(shí)現(xiàn)方式可以是學(xué)生上機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。 所涉及到一維搜索的最優(yōu)化方法，多維約束最優(yōu)化方法等都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值運(yùn)算得到[3]。 通過(guò)選取典型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生自主動(dòng)手采用相關(guān)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)其計(jì)算過(guò)程獲取結(jié)果。 通過(guò)學(xué)生自身展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 了解優(yōu)化過(guò)程。 教師在指導(dǎo)過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中可對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，可增加相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技發(fā)展，《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》 教學(xué)改革也是不斷發(fā)展變化的。 本文以多利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)作為主導(dǎo)， 合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容作為改革主線， 最后通過(guò)利用實(shí)驗(yàn)手段提高學(xué)生認(rèn)知能力。 給出了 《過(guò)程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)》改革的一些做法，其中可能會(huì)存在不足，但這些做法會(huì)對(duì)教學(xué)起到積極作用。