“机械优化设计”课程实验与考核方式的研究与探索

马秀腾

摘 要：机械优化设计作为机械类专业的一门重要课程，最终的目标是要学生能使用优化的数学知识解决工程问题，具有机械优化设计的能力。该文主要分析了课程现状和存在的问题，从解决问题的角度，在课程实验、课程考核的方式和内容等方面，提出了一些改进措施，并进行了实践。

关键词：机械优化设计 实验 考核 Matlab

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0179-02

“机械优化设计”是机械类专业的一门专业发展的重要课程，主要内容包括优化设计的基本概念、优化设计方法和机械优化设计实例等内容。机械优化设计是将最优化原理和计算技术应用于机械设计领域，为机械设计提供一种重要的科学设计方法。采用机械优化设计方法，人们可以从众多的设计方案中找出最佳设计方案，提高设计效率和质量。

该文简要介绍了“机械优化设计”课程的作用，针对课程教学中存在的问题，从课程实验、课程考核的方式和内容等方面，提出了一系列的改革方法与措施，注重与科学计算软件Matlab的结合，从实验和考核方式的改变引导教学的改变，提高了教学效果与教学质量，取得了较好地实践效果。

1 课程作用简介

“机械优化设计”课程的目标是使学生树立优化设计的思想，掌握优化设计的概念和方法，将最优化和计算技术应用于设计领域，获得解决机械优化设计问题的能力[1]。“机械优化设计”课程是中国机械工程教育专业认证通用标准毕业要求“能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题”和“能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论”的具体体现。“优化设计”是现代设计理论和方法的重要领域，所以“优化设计”也是“现代设计方法”课程的重要组成部分。

2 课程现状

在笔者所在学院机械类专业的培养体系中，机械优化设计课程是一门实践性很强的技术基础课，重在培养学生的建模能力、编制优化程序的能力和灵活运用优化设计方法解决工程实际问题的能力。课程教学包括课堂和上机实验，通过实验，使学生进一步巩固和加深对基本知识的理解，能够独立编制计算机程序，掌握常用优化方法程序的使用方法，最终达到灵活运用优化设计方法解决工程实际问题[1]。

在近几次的大纲修订中，为了加强对学生应用能力的培养，在总学时不变的情况下，机械优化设计课程的实验学时有所增加，但实验的内容并没有本质的提升。在机械优化设计原来的教学大纲中，课程的考核以实验成绩为主，这种考核方式很难全面反映出学生对知识的掌握程度。

机械优化设计课程所采用的经典教材中常用优化方法的程序是基于FORTRAN语言完成，现在本科生基本没有学习FORTRAN语言。世界上最优秀的科学计算软件Matlab及其优化工具箱不论是在编写优化程序，还是在直接使用Matlab软件内置优化函数方面，都有较大的优势，很多学生都选修了Matlab相关课程，但优化设计与Matlab软件的结合不论是在Matlab选修课，还是在机械优化设计课程中，都没有得到很好的体现，这不利于学生知识面的拓宽和综合素质的提高[2-4]。

3 实验教学改进

机械优化设计实验是实现机械优化设计教学目标，培养学生创新意识和实践能力的重要教学环节。针对教学中存在的问题，主要从以下几方面进行教学改革的实践。

（1）在一维搜索方法和无约束优化方法课程实验中，主要内容包括基于Matlab语言的一维搜索和无约束优化方法程序的编写、调试和考核，程序能够求解相应的程序考题。同时要求会使用Matlab软件的优化函数：求一元函数极小值的函数fminbnd，求无约束极小值的函数fminunc，fminsearch。求解相同的程序考题，与Matlab语言编制程序的求解结果进行比较，验证编制程序的正确性和有效性。

（2）阅读并理解已有的基于Matlab语言的约束优化算法程序，了解程序的结构特点，会用程序求解约束优化方法的程序考题。同时要求会使用Matlab软件的优化函数——求约束极小值函数fmincon，求解相同的程序考题，与Matlab语言编写程序的求解结果进行比较，验证编写程序的正确性和有效性。

（3）在调用Matlab软件中的优化函数fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon时，既会使用程序调用，还要会使用Matlab软件的优化工具箱GUI直接调用，有精力的学生可以继续通过Matlab软件的幫助功能了解fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon函数的数学原理，了解这4个函数所使用的优化算法。

（4）对机械设计问题，如机床主轴结构优化设计、圆柱齿轮减速器优化设计、平面连杆机构优化设计、汽车悬架系统的优化设计、热压机机架结构的优化设计、月生产计划的最优安排等，参考教材中建立适当的优化设计数学模型，基于已有的程序和Matlab内置优化函数，进行优化设计计算。通过与机械专业相关的实例，激发学生的学习兴趣，增强学生分析和解决工程实际问题的能力。

4 考核方式的改进

针对以实验成绩为主的成绩考核方式很难全面的反映出学生对知识的掌握程度的问题，合理分配课程总成绩的构成，改为平时成绩20%，实验成绩40%，考试成绩40%，兼顾平时、实验和考试各个方面。平时成绩主要包括课堂表现，如学生主动参与课堂练习、讨论，创造性地提出问题的能力等，以及作业完成情况、课堂考勤等。考试环节，以课堂讲解的内容为主，主要考察学生对机械优化设计基本概念的掌握情况，优化设计方法理论的理解与运用情况。实验成绩主要包括完成自编优化方法程序的情况，考核题计算结果及分析，以及实验报告的撰写情况等。

对于有精力的学生可以布置相应的机械优化设计研究小课题，要求学生提交研究报告，根据学生收集资料能力，研究设计能力，解决实际问题能力和合作研究能力等评定成绩，作为实验成绩评定的加分项，加到实验成绩100分止。还可以向学生介绍现在工程优化的前沿——拓扑优化，建议学生去拓扑优化的权威OLE SIGMUND教授的个人主页http：//www.topopt.dtu.dk/下载拓扑优化相关Matlab程序运行，培养学生兴趣和科研能力。

5 结语

通过机械优化设计课程的实验和考核方式改进，使得学生不但掌握了优化设计的基础知识，而且还掌握了使用科学计算软件Matlab解决机械优化实例的初步能力。学生可以掌握基于Matlab语言编写机械优化设计程序，还能掌握Matlab软件的优化设计工具箱的使用， 为今后各门功课的学习和工作打下基础。课程教改内容在大纲修订中得到体现，取得了较好地实践效果，更好地发挥了机械优化设计在从“基础课”和“专业基础”课通向“专业应用”的桥梁作用，加深对学生综合素质的培养。

参考文献

[1] 梁迎春，孙靖民.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社， 2014.

[2] 温建明，马继杰，程光明.基于MATLAB的机械优化设计课程数字化教学改革[J].吉林教育学院学报，2011，27（5）：81-82.

[3] 李旻，黄平.机械优化设计课程案例教学的研究与实践[J].机械工程师，2010（8）：18-20.

[4] 席平原.应用MATLAB工具箱实现机械优化设计[J].机械设计与研究，2013，19（3）：40-42.