優(yōu)化設計方法的說課設計

秦建華 張烈平 李海俠 易懷安

摘?要：說課是提高教師教學水平的有效方式。本文從說目標、說內(nèi)容、說對象以及教學設計等方面對《先進制造技術》課程中的“優(yōu)化設計方法”進行說課設計，這為機械專業(yè)課程的說課設計和課堂實施提供了參考。

關鍵詞：說課設計;先進制造技術;優(yōu)化設計方法

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

說課是提高教師教學水平的有效方式。說課就是要講清楚“教什么、怎么教、為什么這么教”。[1-2]通過說課可以有效的提高教師的備課質量和課堂教學能力。

《先進制造技術》[3]通常是機械工程專業(yè)高年級本科生或研究生開設的一門綜合專業(yè)選修課，通過該課程的學習，學生能夠對一些典型先進制造技術的基本概念、基本原理和關鍵技術有一個全面的了解和掌握。為此，本文節(jié)選了《先進制造技術》中“現(xiàn)代設計方法—優(yōu)化設計方法”作為說課[4]課例，從說目標、說內(nèi)容、說對象以及教學環(huán)節(jié)過程等方面進行了說課設計。

一、說目標

說目標主要圍繞課程教學大綱，課程特點，學生實際來確定知識與技能、能力培養(yǎng)、素質養(yǎng)成等教學目標，具體如下：

教學大綱：根據(jù)機械專業(yè)人才培養(yǎng)目標，本課程的內(nèi)容力求能夠反應今年國內(nèi)外先進制造技術的最新發(fā)展，旨在使學生對一些典型先進制造技術的基本概念、基本原理和關鍵技術有一個全面的了解和掌握，并配合工程實際案例，強化學生的先進制造技術應用能力和解決問題的能力。

課程特點：根據(jù)機械專業(yè)人才培養(yǎng)目標，本課程偏重內(nèi)容的前沿性、交叉性和綜合性;注重工程實際應用;力求知識體系的系統(tǒng)性和完整性。

學生實際：本課程的教學對象主要為機械工程專業(yè)高年級本科生或研究生。通過前期的專業(yè)基礎學習，具備了一定的機械制造設計、機械自動化、計算機等相關知識基礎，對典型機械和零部件的構造、尺寸、大小等具備一定的計算和分析能力。但部分學生因機械專業(yè)知識相對枯燥而導致積極性不足，同時其工程設計的實踐經(jīng)驗有待進一步提升。

根據(jù)以上分析，本說課的教學目標可設定為：在知識與技能方面，使學生掌握優(yōu)化設計數(shù)學模型的建模方法和規(guī)格化處理方法，掌握產(chǎn)品優(yōu)化設計步驟及工程應用;在能力培養(yǎng)方面：培養(yǎng)學生的邏輯推理和分析能力、技術應用能力和創(chuàng)新能力;在素質養(yǎng)成方面，注重發(fā)展學生個性、團結協(xié)作精神和相互學習意識。

二、說內(nèi)容

說內(nèi)容主要從課例的選擇、教學內(nèi)容的處理、重點和難點等方面進行相關設計，具體如下：

（一）課例的選擇

先進制造技術課程的知識結構主要為傳統(tǒng)制造技術+電子、信息、材料、能源、管理等技術，其課程知識體系按章節(jié)脈絡劃分，依次分為：現(xiàn)代設計技術、先進制造工藝技術、加工自動化技術、現(xiàn)代生產(chǎn)管理技術、先進制造生產(chǎn)模式。其中現(xiàn)代設計技術是后續(xù)章節(jié)的基礎，也是本課程的重點和難點，因此，本文將現(xiàn)代設計技術中的優(yōu)化設計方法作為課例來進行說課設計。

通過優(yōu)化設計方法課例的說課設計與實施，能夠在學生初步了解機械產(chǎn)品設計過程的基礎上，進一步學習機械產(chǎn)品設計的關鍵技術——優(yōu)化設計方法，進而引導學生掌握優(yōu)化設計數(shù)學模型的建模步驟和技術特點，使學生了解現(xiàn)代設計技術對產(chǎn)品設計的指導作用。

（二）教學內(nèi)容的處理

首先，設計問題的導入。在教學內(nèi)容上，增加將優(yōu)化設計應用到工程設計中的成功應用案例，激發(fā)學生的學習積極性。

其次，優(yōu)化設計的數(shù)學模型。在教學內(nèi)容上，引入一個典型而簡單的優(yōu)化設計例子，穿插在內(nèi)容講解過程中，使學生對指導學生將抽象的問題具體化;加入系列提問，引入新問題、新懸念，由淺到深地、循序推進、培養(yǎng)學生的空間想象能力。

再次，優(yōu)化方法的分類。在教學內(nèi)容上，對部分內(nèi)容進行遷移，將基于數(shù)學模型三要素的優(yōu)化方法分類的內(nèi)容穿插到上部分內(nèi)容講解中，使學生將抽象的分類具體化;對基于求解方法的優(yōu)化方法分類的部分內(nèi)容，利用直觀的圖表進行直觀教學。

最后，優(yōu)化設計的基本步驟。在教學內(nèi)容上，引入典型機械產(chǎn)品優(yōu)化問題的具體設計過程例子，結合優(yōu)化設計的流程圖，通過實際應用進行講解說明。

（三）重點和難點

本說課的重點包括：數(shù)學模型三要素及確立，優(yōu)化計算方法的選擇和優(yōu)化設計的基本步驟。其主要依據(jù)為：數(shù)學模型建立的關鍵是數(shù)學模型三要素的確立;優(yōu)化計算方法的選擇能夠鍛煉學生的邏輯推理和分析能力;優(yōu)化設計的基本步驟能夠培育學生的技術應用能力和創(chuàng)新能力。

本說課的難點包括：設計變量的選擇;目標函數(shù)的確定;約束方程的建立。其主要依據(jù)為：所述難點內(nèi)容涉及理論力學、材料力學、機械原理等相關基礎知識，變化較為復雜、綜合性較強，對學生的理論基礎要求較高。

三、教學對象

說課的教學對象主要機械工程專業(yè)高年級本科生或研究生，其通過對本課程的前期學習，已對現(xiàn)代設計技術的內(nèi)涵和體系具有了一定的認識;對生活、生產(chǎn)中的產(chǎn)品設計流程有較明確的認識。但學生對現(xiàn)代設計技術的實踐過程應用仍不是很熟悉，要引用相關例子較為困難，同時機械專業(yè)知識相對枯燥，導致部分學生的學習積極性不夠，缺乏產(chǎn)品設計實踐經(jīng)驗。

為此，可在說課內(nèi)容中增加一些基礎知識的講解，有重點地加入一些圖表說明，同時采用課堂討論、問題提問等多種教學方法進行說課。

四、教學環(huán)節(jié)

本課程的教學方法主要包括講授法、案例教學法、討論法、總結歸納法等，具體運用（結合教學環(huán)節(jié)過程來說明）如下：

第一階段：組織教學，引入課題（時間：5分鐘）。

設計思路：復習前期課程內(nèi)容：產(chǎn)品設計的流程;結合圖片，介紹優(yōu)化設計的成功應用案例，分析這些產(chǎn)品的設計流程和關鍵問題，引出優(yōu)化設計問題。

運用的方法：案例教學法。

第二階段：新課教學（時間：25分鐘）。設計思路：

（一）優(yōu)化設計的數(shù)學模型

1.優(yōu)化設計變量

案例①柴油機變速箱的優(yōu)化設計例子（機械圖例）

講解：優(yōu)化設計變量的選擇及維度。

問：三個設計變量可以建立多少方程？

解答：三個。

講解：說明變量的維度的影響及在優(yōu)化設計變量基礎上的優(yōu)化方法分類

選擇依據(jù)機械圖例進行。

回歸案例①，提出思考：變量與設計目標怎樣聯(lián)系的呢？引出第（2）個內(nèi)容。

2.目標函數(shù)

問：案例①要進行優(yōu)化，有哪些可以優(yōu)化？

講解：優(yōu)化目標的評價函數(shù)的建立;

問：目標函數(shù)的極大值問題與極小值問題是否可以轉化？

思考：轉化的條件是什么？

講解：比較單目標和多目標優(yōu)化方法的聯(lián)系與特點，并講解在目標函數(shù)基礎上的優(yōu)化方法分類。

3.約束條件

回歸案例①，介紹設計約束的定義，表現(xiàn)形式，引出設計空間的范圍劃分。

4.數(shù)學模型的規(guī)格化

回歸案例①，課堂討論：案例中涉及的量和單位有多少？

講解：規(guī)格化的常用方法及作用。

（二）優(yōu)化方法的分類

給出“常用優(yōu)化計算方法及特點”的圖表。

講解：優(yōu)化計算方法的各自特點及選擇。

提問：案例①選擇什么算法較為合適？

（三）優(yōu)化設計的基本步驟

給出“常用優(yōu)化計算方法及特點”的流程圖。

講解：結合案例①，說明優(yōu)化設計的基本步驟。

運用的方法：講授法、討論法和案例教學法。

第三階段：實踐運用（（時間：10分鐘））。

設計思路：學生掌握新知識后，再設計一個具體的優(yōu)化問題，以小組為單位，制定比賽規(guī)則后，自行將優(yōu)化設計應用的實例中，讓學生體驗團結協(xié)作的力量，以比賽的方式，使同學們的高興點再次掀起高潮，不知不覺中得到了知識的鞏固。

運用的方法：討論法

第四個階段：歸納總結（（時間：5分鐘）

設計思路：在這個環(huán)節(jié)中，可請同學們對這節(jié)課談談自己的收獲，其目的在于讓同學們回顧教學過程，對知識進行系統(tǒng)化的梳理，加深對本課重難點的理解。同時給學生制造學習的期待心理，激發(fā)他們下階段的學習熱情。

運用的方法：總結歸納法。

五、結語

說課是將教案轉化為實踐教學活動的重要演練環(huán)節(jié)。積極開展說課設計能夠有效的提升教師的課堂教學能力，這對進一步推動高校大學生人才培養(yǎng)事業(yè)的發(fā)展具有重要的實踐意義。

參考文獻：

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[7]羅春曉.淺析說課設計—以《管道的轉動焊接》為例[J].科技經(jīng)濟導刊，2019，27（02）：162.

基金項目：2018年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“基于適時教學的機械專業(yè)課程混合式教學模式改革與實踐”（2018JGA183）;2019年廣西學位與研究生教育改革課題“人工智能課程案例庫建設與應用實踐研究”（JGY2019092）;2018年度桂林理工大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理論與實踐專項研究項目“大學生機器人創(chuàng)新實踐能力提升研究”（GUT2018CY04）;2017年度桂林理工大學高等教育本科教學改革工程項目“基于JITT的機電專業(yè)課程教學模式改革研究與實踐”（2017B20）

作者簡介：秦建華（1979-），男，廣西桂林人，博士，副教授，主要從事機械電子工程、信息檢測及處理等方向的教學科研工作。