“機械優化設計”課程思政設計與實踐

蔣周翔 劉相權

[摘 要] “機械優化設計”是為機械類專業本科生和研究生開設的課程，講授內容以數學方法為主，同時還包含優化算法在機械設計上的實踐應用。為順應新工科發展趨勢，完善該課程中思想政治教學內容，提出了該課程的思想政治教學建設方法，主要以案例方式介紹了思想政治元素的挖掘與引入，并從三個方面改進了考評方式。教學效果調查結論表明，絕大部分學生認同在該課程中引入思想政治元素的方式，在此啟發下能更好理解和掌握相關專業知識點，思想政治素養也得到了顯著提升。

[關鍵詞] 機械優化設計；課程思政；數值分析方法

[基金項目] 2021年度北京信息科技大學教改立項項目“基于機器人工程（勤信實驗班）創新人才培養模式的改革研究與實踐”（2021JGZD01）

[作者簡介] 蔣周翔（1986—），男，湖北宜昌人，博士，北京信息科技大學機電工程學院副教授（通信作者），碩士生導師，主要從事機器人技術研究；劉相權（1972—），男，河北辛集人，博士，北京信息科技大學機電工程學院副教授，碩士生導師，主要從事機器人技術研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0005-04 [收稿日期] 2021-05-18

引言

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[1]。新時代背景下的工科領域不僅關注高等教育人才的理論基礎和專業技能，也對學生的思想政治素養提出了更高要求，為了能夠給國家培養德才兼備的人才，在工科專業課程中引入與國家發展、傳統文化、哲學思想、行業素養等相關的思想政治元素，實現專業教育與思想政治教育的有機統一。文章針對機械類專業本科生和研究生的“機械優化設計”課程，探索課程思政的建設策略，通過優化教學內容、教學手段、考核方法，加強學生思想政治素養，以更好達成人才培養目標，為新時代工科類高等教育人才培養提供有益的實踐參考。

一、“機械優化設計”課程簡介

“機械優化設計”旨在綜合運用先修課程所學到的數學、計算機編程和機械等方面知識與理論，以及該課程學到的數值分析方法，來解決機械領域內有關機構、機械零部件、機械結構及機械系統的優化設計問題。通過課程的學習可以培養學生運用現代設計理論與方法來更好地解決機械設計問題的能力。為進一步深入學習現代機械設計的理論與方法及更好地從事機械設計、制造和管理等相關工作打下良好基礎。該課程特點是數學基礎理論、數值分析方法、計算機編程語言與機械設計專業知識高度結合的綜合課程。

課程的學習目標主要包括：掌握機械優化設計方法的數學基礎知識，能根據實際設計問題建立數學模型并選擇合適的優化方法；梳理數值計算的流程圖，編制算法程序，進而運用計算機求解優化結果；利用精度、效率、占用內存資源等指標，對計算機所得優化結果進行正確分析和評價，認識到各類優化方法的局限性；認識到優化方法在更高層面、更廣闊維度上與自然界和人類社會之間存在相互影響與制約。課程教學綜合采用：討論式教學方法；案例式教學方法；實踐式教學方法。

二、“機械優化設計”課程思政教學現狀

在傳統教學中，教師通常偏重于專業知識與專業技能的傳授，很少剖析專業知識背后蘊含的豐富哲理思想，忽略了對學生綜合能力和價值觀進行全面培養和正確引領。目前，“機械優化設計”課程在課程思政教學建設中仍存在一些亟待解決的問題。

（一）課程教學與思想政治教育聯系亟須加強

機械類專業的“機械優化設計”課程學時設置為24學時，所包括的課程內容具有很強的理論性，絕大多數內容以數學公式推導的形式呈現。因此，為了能夠在24學時內完成授課內容，傳統的教學方法通常偏重于數理知識的講解，而沒有合理分配足夠的課時給思想政治教育。如此一來，失去了思想政治元素對專業知識學習的良好催化作用，并未使思想政治內容和專業知識之間形成相輔相成的效果。

（二）思想政治教學效果在考核評價中的權重亟須增加

“機械優化設計”課程的總評成績包括平時成績和期末考試成績。其中平時成績主要考查學生的出勤率、作業完成情況和課堂表現，而期末考試題目通常只包含了課程內容中的專業知識要點。不論是從平時還是期末考核內容來看，均未明確地涉及思想政治教育部分，因此該門課程目前的考核方式不能充分評價學生思想政治素養的培育效果。

三、“機械優化設計”課程思政的教學措施

目前一部分學者圍繞新工科背景下的專業課程思政建設提出了一些具有寶貴借鑒意義的思路。例如，郭瓊等針對“高等數學”教學過程中存在的問題提出了融合思想政治育人元素的案例教學法[2]。于力等圍繞《數字圖像處理》從思想政治案例設計、組織實施和效果反饋三個方面進行了闡述[3]。也有一些學者從宏觀上探討了在工科類課程中引入思想政治元素的方法及其實現途徑[4-6]。周繼磊、高佳麗、金曉怡等則分別以機械類專業中的“材料力學”[7]“機械工程材料基礎”[8]以及“機械設計”[9]為對象，設計了大量思想政治教學案例，為機械類專業研究課程思想政治積累了一定經驗。受這些成果啟發，“機械優化設計”課程思想政治的教學建設主要圍繞思想政治元素挖掘和考核方法優化這兩個方面來開展。

（一）挖掘專業知識點中的思想政治元素

“機械優化設計”本質上是一門數學方法類課程，大部分課程內容屬于基礎學科范疇。它與物理、化學、生物等學科一樣，能夠通過抽象的理論知識反映出人和事物蘊含的基本規律。為了使學生更好地理解該課程專業知識點，需從傳統授課內容中提煉哲學思想，協助學生發現專業知識與客觀規律之間的關聯。這種聯系是自然存在且緊密的，并非刻意構造，因此只要教師能夠找準專業知識點與課程思政內容的關聯點，并深入挖掘可融入的思想政治元素，在此基礎上精心設計課程教學環節，則專業課教學中的思想政治教育就會非常自然順暢，學生也會產生良好共鳴，實現專業知識與思想政治內容的有機結合。下面舉出一些在教學中已采用的案例。

1.標準迭代公式中的思想政治元素。優化設計方法本質上是一種數值迭代方法，與解析法具有截然不同的求解思想，即無法僅通過一次計算（如解一階導方程f’（x）=0）得到目標函數f（x）的真實最優解x#，而是需要利用迭代式xk+1=xk+αkdk反復計算，最終得到逼近（或等于）真實最優解的結果x*。迭代計算是一個重復多次的過程，其中每一步均需要把握好前進方向dk和步長αk，方能最終得到x*。這部分內容位于課程開篇的緒論部分，是在學生腦海中構建課程全貌并借此樹立正確價值觀的良好時機。講述時，教師將這種迭代求解思想與我國著名愛國詩人屈原在《離騷》中的千古名句“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”相結合。經過千百年歷史演變，該詩句的表達思想已內涵豐富。教師選擇其中與愛國、堅持不懈、追求真理三方面向學生闡述。首先，屈原是一名愛國詩人，他對前路漫漫的擔憂來源于深厚執著的愛國熱情，這說明我們需要有一個正確的、明確的努力目標（對應優化設計問題中的最優解x*）。其次，該詩句還表達出一個樸實的人生哲理，即目標的達成并非一蹴而就，而是需要堅持不懈的長期努力才能實現（對應優化設計問題中的重復迭代過程xk+1=xk+αkdk）。再次，追求真理的過程要求有正確的人生方向（對應迭代式中的最佳前進方向dk），并在正確方向上盡最大努力前行（對應迭代式中的最佳步長αk）。通過引入上述思想政治元素，告誡學生人生需要有正確的奮斗目標和指導思想，需要堅持不懈努力和付出，成功不存在捷徑，培養學生不怕困難、敢于追求真理和堅忍不拔的工匠精神。

2.約束條件中的思想政治元素。目標函數（fx）和約束條件g（x）≤0或h（x）=0是優化設計數學模型的兩大基本要素。其中，約束條件g（x）≤0或h（x）0是根據實際工程問題建立的，它們共同在設計空間中圍出一片區域，稱之為可行域。優化設計算法的搜索范圍必須在可行域內，否則求得的“最優解”是不符合實際工程情況的無效解。教師在授課時借助約束條件的概念和意義引申出馬克思主義的重要品質“理論聯系實際”。從解決實際工程問題角度，作為一名工程師，必須具備依據實際情況建立數學模型的能力，而不是脫離實際開展研究。比如某汽車生產商通過減輕車身重量來降低油耗，替換了關鍵部位的材料并縮小了部分結構尺寸，導致碰撞測試的結果非常不理想，因此這種優化設計并未合理設定約束條件，屬于理論與實際脫節的典型案例。從提高個人思想認識角度，教師引導學生從“理論聯系實際”聯想到我國的治國理念與方針，是深刻認識當下我國所處的環境、所站的方位以及面臨的挑戰等一系列重大問題的基礎上制定的，是理論與實際相結合的成果，以此培養學生的中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信和文化自信。

3.優化方法發展歷程中的思想政治元素。教材第四章介紹了多種典型的優化方法，其中最速下降法、牛頓法、阻尼牛頓法、鮑威爾法是由不同數學家在不同的歷史階段提出的，每一種方法都是在當時已有方法基礎上改進得到的。這條隱含的發展線通常只在教材中輕描淡寫略過，教師需在講授每種方法原理的基礎上，為學生梳理出每種優化方法之間的關系，使這條發展脈絡在學生頭腦中逐漸清晰，借此從以下幾個方面對學生進行熏陶和教育。首先，告誡學生要用發展的眼光看待問題，要認識到每一門學科都是不斷向前發展的，教材中的方法并非一成不變，若干年后會有性能更佳的優化方法登上歷史舞臺，并在此基礎上將發展的思想引申至所有學科；其次，向學生傳遞一個觀念，即學科發展離不開一代代從業者孜孜不倦的工匠精神和追求真理的科學精神，任何成果都并非一蹴而就，而是需要一代代人不斷積累而成；再次，教師在介紹每種優化方法后，先不急于總結該方法優缺點以及下一種方法在此基礎上做出的改進，而是鼓勵學生先自主思考并討論該方法存在問題和解決方法，培養學生敢于質疑、勇于創新的精神。習近平總書記近幾年在不同場合講話中提及的高頻熱詞之一即是“創新思維”，而“問題是創新的起點，也是創新的動力源”，因此學生不能拘泥于教材，要在學習中善于發現問題，提出問題，然后在解決問題的過程中培養出“創新思維”。

（二）探索考核評價標準中的思想政治內容

將思想政治內容融入專業課考核評價體系時，可分別從課堂討論與提問、課后作業以及考試題目三個方面入手，全方位考核思想政治內容的學習效果。

1.課堂討論與提問。首先通過教師講授的方式介紹各種優化方法的基本思想，然后請學生在理解了該方法的數學思想后，進一步探索其與現實生活之間的聯系，思考對為人處世的啟發并描述自己的觀點。在此基礎上，展開小組討論，請學生大膽展開逆向思考，設想如何根據現實生活經驗對該優化方法進行改進，以此鍛煉學生的質疑精神和創新思維。

2.作業思考題。任課教師在傳統題目中增設關于思想政治內容的開放性問答題，以此鼓勵學生在完成專業知識點的相關作業后，進一步對該優化方法的思想內涵進行深入挖掘。在此過程中，學生首先需要從專業角度深刻理解該數學方法本質思想，然后才能在此基礎上將其提煉升華至專業素養及人生哲理。因此這種類型的作業能夠從專業知識和思想政治內容兩方面同時提高學生的理解思考能力。例如在“最速下降法”相關作業題中增設開放性子問題“請從迭代效率和運算效率的角度分析該方法存在的優缺點，并提出你的改進設想，用計算流程圖進行闡述”。按教學大綱要求，下節課將會介紹在此基礎上改進所得的牛頓法，學生將自己的設想與科學巨匠的方法進行對比，能從中獲得極大的成就感和啟發。

3.開放性考試題。在傳統命題方式的基礎上，增加與思想政治內容相關的開放性考題，以此考查學生是否通過該課程的學習具備了分析現有方法優缺點并從專業知識中提煉其哲學思想的能力。具體來講，即是否能夠將題目中提及的優化方法與現實生活、工作、學習中的某個真實案例相關聯，并從中獲得啟示。例如在“坐標變換方法”相關試題中增設開放性子問題“請從迭代效率和運算效率的角度分析該方法存在的優缺點，并舉出具體案例描述該方法對解決工程實踐問題有何啟示”。學生舉出的具體案例有些與專業學習中的所見所聞相關，有些與實際參與過的大學生創新設計大賽等項目相關，因此完成相關試題不僅是對學生的一種考核，也是幫助學生總結經驗，使他們獲得新的感悟。

四、課程思政實施效果分析

為了驗證“機械優化設計”融入上述思想政治元素后的教學效果，對某高校機械類專業的27名大三學生開展了調查。隨堂反饋情況表明，其中有25名學生認為思想政治元素對理解專業知識具有積極作用，2名學生持保留意見，滿意度達到93%。絕大部分學生對幾種優化方法的原理和計算流程掌握情況較好，認為該部分專業知識雖然不易理解，但與思想政治內容結合后，有豁然開朗的感覺。課后作業完成情況表明，93%的學生能夠在首次提交作業時即主動完成與思想政治內容相關的開放性問答題，并給出相對滿意的答案，剩余7%的學生在教師反饋修改意見后能完成作答。某年度期末試卷情況表明，學生在思想政治內容相關試題上的平均得分率達到81%，說明學生已經基本掌握了如何從專業知識中發掘蘊含的哲學思想，并將其與工程實踐相結合的方法。總體來看，通過在該課程適當章節融入思想政治元素，有助于加深學生對專業知識的理解，同時也對提高學生的思想政治素養起到了積極作用。

結語

在“機械優化設計”課程教學中融入思想政治內容，不僅能使學生更深刻理解優化方法相關專業知識的內涵，還能培養學生理論聯系實際、提煉客觀規律、獨立思考以及發散思維的能力，符合專業課程教學發展的必然趨勢和新時代工科對高等教育人才的內在要求。

參考文獻

[1]習近平在全國高校思想政治工作會議上強調 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報，2016-12-09（1）.

[2]郭瓊，張雯瑩，王鳳超.新工科背景下高等數學案例教學與課程思政的融合探索[J].科教文匯（上旬刊），2021（4）：51-52.

[3]于力，陳忠道.“新工科”背景下課程思政的案例設計與實施——以“數字圖像處理”課程為例[J].工業和信息化教育，2021（3）：33-36+41.

[4]劉亞輝，仇斌，季學武.兩線一格：課程思政在工科課程中的探索[J].北京教育（德育），2021（2）：42-45.

[5]李仕春，華燈鑫，邵偉.工科專業實施課程思政的路徑探析[J].教育評論，2021（2）：94-98.

[6]周成.工匠精神融入工科院校思政教育的實踐途徑探索[J].教育教學論壇，2021（5）：117-120.

[7]周繼磊，張東煥.高校工科類基礎類課程思政教育的探索與實踐——以材料力學課程為例[J].教育教學論壇，2020（47）：219-220.

[8]高佳麗.工科專業課堂與課程思政德智融合路徑初探——以“機械工程材料基礎”為例[J].教育教學論壇，2020（30）：67-68.

[9]金曉怡，張航，杭魯濱.“新工科”背景下《機械設計》課程思政教學建設[J].教育教學論壇，2019（42）：34-35.

Design and Application of “Curriculum Ideological and Political Education” in the Mechanical Optimization Design Course

JIANG Zhou-xiang， LIU Xiang-quan

（Institute of Electromechanical Engineering， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： Mechanical Optimization Design is a course for undergraduates and postgraduates majoring in mechanical engineering. The content mainly contains the mathematical methods and practical application of optimization algorithm in mechanical design. In order to comply with the development of “emerging engineering education” and improve the content of ideological and political teaching in this course， this paper proposes the construction method of ideological and political teaching of this course. It mainly introduces the excavation and introduction of ideological and political elements in the form of cases， and improves the evaluation method from three aspects. The results show that the vast majority of students agree with the way of introducing ideological and political elements into the course. Inspired by this， they can understand and master the relevant professional knowledge better， and their ideological and political literacy can also be significantly improved.

Key words： Mechanical Optimization Design； “curriculum ideological and political education”； numerical analysis method