基于學科競賽的機械優化設計課程教學改革研究

張光 陳德勝 林哲

摘? 要：機械優化設計是把機械設計與優化設計理論及方法相結合，借助電子計算機，自動尋找實現預期目標的最優設計方案和最佳設計參數的一種有效的設計方法。應用機械優化設計方法，不僅能使設計周期大大縮短，計算精度顯著提高，而且可以解決傳統設計方法所不能解決的比較復雜的最優化設計問題。機械類本科生學科競賽旨在培養大學生的創新思維、創新能力及科研實踐能力，將機械優化設計課程教學與機械類學科競賽相結合，為機械類學生參加機械設計學科競賽提供理論支撐，對學生高質量完成學科競賽課題具有重要的指導意義。

關鍵詞：機械優化設計；學科競賽；教學改革；電子計算機；機械類學生

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）03-0138-04

Abstract： Optimization of Mechanical Design is the course that combines mechanical design with theories and methods of optimization design. By the aid of electronic computer， it is also an effective design method being able to automatically seek and realize optimized targets with effective design schemes and suitable design parameters. By the application of optimization method of mechanical design， the design period is greatly shortened and the calculation accuracy is significantly raised as well. Moreover， it can solve complex optimization design problems that traditional design methods cannot solve. Academic competition aims to cultivate creative thinking， innovative ability and practical ability for undergraduate students from mechanical major. By combining the teaching reform on the course of Optimization of Mechanical Design with academic competitions of mechanical design， theoretical support can be provided for attending academic competitions of mechanical design for students in mechanical major， which is meaningful for guiding students to finish the work of academic competitions in high quality.

Keywords： Optimization of Mechanical Design; academic competition; teaching reform; electronic computer; students of mechanical major

機械優化設計是一門面向本科機械類學生的專業課，主要是運用優化設計理論及方法相關知識來解決機械設計中的難題，學生掌握該門課程后，可以通過采用合適的優化方法，自動尋找實現預期機械設計目標的最優設計方案和最佳設計參數，應用機械優化設計方法，不僅能使設計周期大大縮短，計算精度顯著提高，而且可以解決傳統設計方法所不能解決的比較復雜的最優化設計問題。近年來，結合最優化原理與計算機技術的機械優化設計方法已成為“智能制造”領域重要的設計手段，為工程問題提供最佳設計方案并大幅提高設計效率和產品質量，具有廣闊的工程應用前景[1]。有學者針對機械優化設計課程教學存在學生學習興趣不高、學習效果差、培養目標難等問題開展課程改革，基于學生知識儲備，教案設計、教學方法設計等方面，以問題促進學習為導向，開展該門課程教學改革[2-4]。有學者以提高學生理論實踐能力為培養目標，對機械設計類課程開展課程教學改革，通過理論學習聯系課后實踐，提高學生自主學習能力[5-7]。

機械設計類學科競賽旨在培養大學生的創新思維和創新能力，引導高等院校在教學中注重培養大學生的創新設計能力和協作精神，加強大學生動手能力的培養和工程實踐的訓練。浙江理工大學機械與自動控制學院機械類本科生參加競賽主要包括全國大學生機械創新設計競賽，全國大學生化工設計競賽、全國大學生力學競賽等，其主要設計內容都涉及機械裝置、設備及機構等優化設計。有學者通過以項目和專業課程為理論支撐，結合相關專業學科競賽，對專業課教學改革開展研究，通過實踐教學，提高了學生專業課學習興趣[8-10]。

機械優化設計課程是浙江理工大學面向高年級機械類本科生開設的專業選修課，也是現代設計理論與方法課程的重要組成部分。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，能夠針對工程項目中的優化設計問題合理地建立數學模型，選用恰當的優化方法，編寫計算機程序求解優化設計問題，并對結果進行分析，最終達到獨立解決工程實際中的機械優化設計問題的目的。為了加強機械類本科生科研實踐能力的鍛煉，教育部及相關組織協會針對大學生開設了一大批學科競賽，如全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生機械產品數字化設計大賽、全國大學生工程實踐與創新能力競賽、全國大學生數學建模競賽和全國大學生化工設計競賽等創新設計競賽（表1）。上述機械類學科競賽都會涉及機械結構設計及模型優化，對機械優化設計理論相關知識要求較高，熟練掌握機械優化設計方法是本科生參加上述競賽必須掌握的理論工具。

目前，大多數機械類本科生參加學科競賽時，由于對機械優化設計理論方法掌握不夠，導致在設計參賽作品時舉步維艱，不知道如何以正確的機械優化設計理論方法對參賽作品進行設計與優化，導致參賽作品質量不高，無法獲得較好成績。在機械優化設計理論授課時，強調機械優化設計理論方法在機械類學科競賽中的應用，將機械優化設計課程教學與機械設計學科競賽相結合，為機械類學生參加機械設計學科競賽提供了理論支撐，對學生完成高質量的競賽課題具有重要的指導意義。

一? 教學中存在的問題

通過兩學期開展的機械優化設計理論課程教學，發現在該課程教學過程中存在以下幾個問題：①由于課程教學主要以理論上課為主，大部分學生對課程所涉及的機械、機構優化設計沒有直觀的認識，無法理解機械優化設計理論方法在機械類學科競賽中的應用。②機械設計優化方法太多，針對機械設計約束和目標，學生如何才能準確地采用最佳優化方法來解決機械設計及學科競賽作品設計中所涉及的問題。③課程教學案例選擇缺乏針對性，在闡述優化設計方法時，機械優化設計課程教材內大部分優化案例與經濟、物流等相關，缺少對機械類專業相關和機械類學科競賽作品的教學案例。④課程教學沒有與機械類學科競賽課題相結合，參賽學生缺少機械優化設計理論知識，限制了學生在參加機械類學科競賽的創新和優化思維，導致參賽作品質量不高。針對上述在機械優化設計理論授課過程中存在的問題，需要對其產生的原因進行深入剖析，從而制定相應的教學改革方案。

通過教學總結和學生教學質量反饋，上述問題產生主要原因是在機械優化設計課程設計環節中缺少理論與實踐認知相結合。該課程理論性及實踐性都較強，理論教學部分公式、推導及迭代求解較多，涉及高等數學、線性代數、材料力學和機械設計等前期課程知識點，如果不與機械設計學科競賽等專業實踐案例相結合，學生極易感覺枯燥。在理論教學中，穿插講述與機械類專業和機械設計學科競賽相關的內容，可以有效地為學生參加學科競賽提供理論支撐，激發學生學習該課程的動力。因此，為了提高課程教學質量及機械設計學科競賽作品質量，項目擬基于機械類學科競賽實踐，對機械優化設計課程進行教學改革。

基于前期教學中存在的相關問題，總結該課程教學改革中需要解決的關鍵核心問題如下：①機械優化設計理論方法與機械設類學科競賽實踐教學相結合的教案內容設計；②在開展與機械類學科競賽相關的課程設計中，如何確保團隊內每個成員都參與到課程設計中并在小組中發揮各自作用；③如何評價團隊完成機械類學科競賽作品質量及團隊成員的貢獻度。

二? 教學改革措施

針對機械優化設計課程教學中面臨的關鍵核心問題，將機械類學科競賽與機械優化設計理論相結合，通過設計教學教案內容和教學形式開展課程教學改革，提高該課程教學的效果。主要措施如下。

（一）? 理論與實踐相結合的教學方案設計

機械優化設計課程是以理論教學為主，在設計教案時，較多采用與機械類專業和機械類學科競賽內容相關的案例，開展針對性教學。結合往年機械設計學科競賽內容，基于本課程機械優化設計方法，舉例講述學科競賽內容，如第五屆全國大學生機械創新設計大賽主題——休閑娛樂機械和家庭用機械的設計和制作、第十屆全國大學生機械創新設計大賽主題——仿生機械和生態修復機械、2021年全國大學生數學建模競賽主題——連鑄切割的在線優化和1997年全國大學生數學建模競賽主題——零件的參數設計等涉及機械優化設計理論方法應用的學科競賽內容。

（二）? 基于學生團隊合作的課程設計模式建立

由于機械類學科競賽都是以團隊的形式參加，為了提前讓學生熟悉機械類學科競賽參賽模式與內容，增強學生的團隊協作意識，在機械優化設計課程教學中開展團隊課題設計。在完成機械優化設計理論教學后，將學生進行分組，并布置與機械類學科競賽內容相關的課題，如曲柄搖桿機構優化設計、機床主軸優化設計、圓柱齒輪減速器優化設計、熱壓機機架結構優化設計，全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生數學建模競賽等學科競賽主題內容設計。團隊自主選題，并進行組內分工，要求學生基于課程所學優化設計方法，完成課程設計內容。

（三）? 課程考核標準建立

考核標準是評價學生掌握教學內容的主要指標，傳統的標準都是對學生完成理論試卷考試進行評價。然而由于課程與機械設計學科競賽相結合，既有的評價標準已無法滿足要求，因此，擬將學生分組并布置與機械設計學科競賽相關的考試內容，將小組評價與個人評價進行結合，建立規范全面的考核標準。小組評價主要考慮團隊基于機械優化設計理論方法完成機械設計學科競賽作品整體質量，個人考核主要考查學生在完成學科競賽作品時涉及個人完成部分的質量，主要是考查學生個人對機械優化設計理論知識的掌握和實踐運用效果。

三? 教學改革內容設計

通過查閱文獻以及借鑒國內外高等教育教學改革的經驗，為了提高學生機械優化設計理論水平及實踐能力，將機械設計類學科競賽與機械優化設計課程教學相結合，開展該課程教學改革。具體課程教案設計思路如圖1所示。

（一）? 機械優化設計課程理論學習

機械優化設計授課過程中基于理論與實踐并重的原則，采用課堂講授、實例分析、程序設計分析及案例與操作演示相結合的教學方法，增強學生對優化設計方法的理解。理論學習由淺到深、詳略得當，在學生理解原理的基礎上，讓學生重在掌握每種方法的優缺點及適用的工程優化問題，引導學生關注K-T條件、一維搜索、無約束優化及有約束優化等知識點的內在聯系，啟發學生對更加復雜的優化問題求解方法展開獨立思考并構思程序框架。匹配對應的機械設計和機械類學科競賽作品案例，如曲柄搖桿機構優化設計、機床主軸優化設計、圓柱齒輪減速器優化設計、熱壓機機架結構優化設計、全國大學生機械創新設計大賽助老機械設計、水果采摘機械設計、全國大學生數學建模競賽運輸線路優化和碼頭貨物存放優化等主題，將機械優化設計理論方法與機械結構設計及機械類學科競賽相結合，激發學生學習動力。以往年機械設計學科競賽作品為案例，開展機械優化設計實踐教學，通過解析學科競賽內容，結合機械優化設計理論方法，完成對學科競賽設計內容的優化，讓學生提前熟悉機械設計學科競賽模式，為學生參賽提供理論支撐。機械優化問題的案例分析部分，采用小組討論、生生互評的方式對典型機構的可優化參數、優化模型與求解方法進行探討，加深學生對“問題建模-最優設計求解”的設計概念的理解。

在機械優化設計理論授課的基礎上，提出了機械優化設計理論授課與機械類學科競賽實踐相結合的教學改革思路。在機械優化設計課程教案內容設計中，以機械類學科競賽主題內容為教學案例，來闡述機械優化設計理論方法在完成機械類學科競賽主題內容中的應用，達到提高學生機械優化設計理論水平的目的，為學生高質量高效率完成競賽作品提供理論支撐。

（二）? 機械優化設計課程考核

在完成機械優化設計課程理論學習的基礎上，將學生進行團隊分組。考慮到團隊運行效率等方面的因素，團隊人數控制在3～4人。團隊小組建立后，每個團隊需選擇由任課老師制定的機械優化設計、機械類學科競賽主題或者自選相關課題。選題應具有針對性和實用性，針對性是指需要運用課程所學優化設計方法來解決課程設計的內容，這樣才能鞏固學生優化設計理論知識，讓學生指導如何針對性地使用各類優化設計方法；實用性指課程設計內容應盡可能選用機械類學科競賽內容，這能使學生切實體會學以致用，有助于激發學生的學習興趣和培養學生的創新設計思維，為參加機械類學科競賽打下夯實的基礎。

為了比較客觀地評價完成課題團隊中每個學生的表現，需要實現“一人一題”的任務分配。團隊選好課程設計內容后，團隊中每個成員必須進行任務分配，確保團隊內每位成員都有自己明確的工作任務，同時也保證了小組成員的內容不重復，減少“搭便車”行為。在開始課程設計前，授課教師需要幫助每個團隊確認成員分工，避免任務分工不均，學生實踐能力不能得到有效鍛煉。授課教師將依據課題完成質量及團隊每個成員完成任務質量來對每個學生進行綜合評價，保證考核公正、公平。

（三）? 機械設計學科競賽實踐

經過機械優化設計課程學習和考核后，學生具備了采用機械優化設計理論方法對機械結構進行優化設計的能力，掌握了針對不同機械或機構設計問題如何選用高效的機械優化設計理論方法的能力。為了促進學以致用，鼓勵學生報名參加全國大學生機械創新設計大賽，全國大學生數學建模競賽、全國大學生化工設計競賽、全國大學生力學競賽等學科競賽，授課教師鼓勵學生組隊參賽，授課教師需要全程輔導參賽學生，協助學生解決參賽過程遇到的機械優化設計難點問題，保證學生高質量完成競賽作品。在指導學生完成競賽課題過程中，授課教師應充分發揮學生的主觀能動性，引導學生分析問題，解決問題，優化成果，通過全程自主完成競賽課題，學生掌握機械優化設計理論知識水平得到充分檢驗，學生基于機械優化設計理論方法進行創新設計實踐的能力也得到充分考查。通過一學期的教學實踐，授課教師指導學生采用掌握的機械優化設計理論方法，參加了全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生化工設計競賽、全國大學生力學競賽和全國大學生機器人大賽等學科競賽，取得了顯著成績。

通過對機械優化設計課程理論學習、機械優化設計課程考核及機械設計學科競賽實踐進行理論與實踐教學設計，在機械優化設計理論授課過程中穿插機械類學科競賽主題案例講解，并設計與機械類學科競賽相關的課程設計，以賽促教、以賽促學、以賽促研，激發學生學習課程的動力和興趣，強化學生掌握機械優化設計理論方法的水平，提高學生參加機械類學科競賽完成作品的質量，實現理論教學與科技實踐緊密結合。

四? 結束語

針對現有機械優化設計課程教學存在的關鍵核心問題，結合機械優化設計理論方法與機械類學科競賽，對該課程教學方案進行改革和制定，并開展改革實踐教學，以機械類學科競賽主題問題促進機械優化設計理論課程學習。通過采用課程設計和學生實踐，來檢驗學生掌握機械優化設計理論知識水平及課程改革效果，同時鼓勵學生參加機械類學科競賽，真正做到學以致用。分析課程改革效果，總結改革方案利弊，對改革方案進行優化，并運用于實際教學中，最后形成基于機械類學科競賽的機械優化設計課程教學方案，指導學生參加機械類學科競賽，學科競賽作品水平大幅度提高。

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