基于创新思维培养的机械优化设计教学研究*

◆刘菊蓉 王旭飞

作者：刘菊蓉，陕西理工学院讲师，研究方向机电一体化技术；王旭飞，陕西理工学院（723000）。

1 前言

在当前我国要发展成为创新型国家的背景下，激发国人的创新潜力势在必行，而大力培养我国大学生的创新意识、创新精神和创新能力更是顺应时代发展潮流的一项措施。对于大学生创新能力的培养应该表现在整个教育教学的方方面面，贯穿于大学生的整个学习过程之中。最有效的方法就是把学生所学习的课程与创新思维、创新能力培养结合起来，在课程的教学过程中给学生渗透创新的思想，把创新思维和创新能力培养融入学生的学习和生活当中。

对于机械类专业的专业基础课机械优化设计来说，它主要是将机械设计、优化理论与计算机技术等相关内容结合起来，并用以解决工程设计领域中的复杂问题的一门课程[1]。现阶段，机械优化设计课程的教学一般表现为讲授建立所求解问题的数学模型、选择适当的优化方法与上机编制相应程序[2-3]。由于机械优化设计课程的特点，在本门课程的讲授过程中，会涉及很多理论性较强的数学知识，以及程序设计相关的知识。这对于没有具备将工程问题转化成数学模型能力的学生来说，只是学习数学知识的理论推导，就会觉得该门课程枯燥、抽象、乏味[4]。而进行程序编制或只是使用软件进行验证，会导致学生不知道自己算的结果有什么用，甚至结果是对是错都不清楚。有很多学生在学习机械优化设计过程中，都会认为这门课程很难，学不会，学了好像也没有什么用处。

那么在机械优化设计这门课程的教学中想要打破学生的这种思维定式，达到培养学生创新能力的教学目的，一定要在整个教学工程中给学生灌输创新思维模式，转变教学的方式方法，让学生能体会到本课程的作用。要知道，对于应用型的工科大学生来说，创新意识与创新能力的培养有时候要比某项技能培养更为重要，技能只是当前的谋生手段，而创新意识、创新能力则是今后工科大学生谋求职业发展的动力源泉。通过机械优化设计课程教学研究，希望能达到培养学生根据现有条件发现并解决问题的能力，以及应用新理论完成从设计思想到产品实现的创新能力。

2 机械优化设计教学中创新思维的培养

将机械优化设计课程与创新思想结合在一起，是为适应我国创新型国家建设的需求，对培养应用型工科大学生的创新能力做的尝试，具体的措施包括以下方面。

首先，对于机械优化设计中最重要的一项内容——建立数学模型，通过对同一个优化问题列举不同的数学模型并进行对比，让学生不要只是关注问题中所表现出的表面现象，不要拘泥于使用已有的公式进行数学模型的建立；鼓励学生拓宽思维模式，尽量使用最简单的公式表达要满足的目标，必要时要对原有的问题进行适当的简化和变形，尽量做到复杂问题简单化。这不仅是思考优化模型如何建立，更是要把创新的思维模式添加进来，让学生从不同角度考虑问题。如何将工程问题或者文字描述的事物表达成数学形式，这不仅是对于数学知识以及相关专业知识的掌握，更重要的是一种思维方式，是一种想法、一种能力。所以说机械优化设计是想办法建立一个既能真实反映问题本质特征，又简单、理想的数学模型。数学模型的建立过程是一个解决矛盾的过程，也是一个提高学生创新思维和创新能力的过程。数学模型的建立是机械优化设计中关键的一步，也是最困难的一步[5]。

其次，在实验教学中一般都是用某种语言进行编程，采用这种实验方式，如果程序没有调试成功，就看不到任何运算结果，学生不知道所学优化方法是否有效；甚至有的时候即使看到了运算结果，大部分学生也不知道结果有什么含义，运算结果到底对还是不对，运算结果错误或者没有结果到底是程序有问题还是初始点选择有问题，等等。这些情况的出现，会使学生对于课堂上教师所讲的优化方法到底能不能解决实际问题产生质疑。

为此，在机械优化设计课程的讲授过程中，为了让学生更形象地了解数值迭代法中迭代的含义，初始点选取对结果的影响，以及针对同一问题不同的优化算法是否收敛，不同的优化算法的应用领域等，可以使用Excel 进行编程，在机械优化设计课程中为学生演示不同算法的优化过程。Excel 不仅可以简单方便地进行数学规划问题的求解，而且可以将整个迭代过程显示出来，当改变某一位置处的数值，就会引起相关其他位置结果的变动，不仅直观，也便于学生对运算结果的理解[6]。另外，使用Excel 进行编程演示一般不会受到多媒体设备上软件安装不全的影响。使用Excel 进行编程演示，也从另一个方面开拓了学生的思维方式，让学生体会到除了使用到某种具体的语言编程，还有其他的解决方案。这对于学生创新思维的培养有着重要的作用，利于学生发散思维模式的培养。

再次，要让学生深刻体会到，机械优化设计所讲的方法，不只是用于机械工程问题的求解，还可以具有更广阔的应用领域。只要有优化需求的地方，不论是生活中、学习中，还是其他领域，都可以使用优化设计方法，优化的过程实际是一个取舍的过程。可以让学生试着应用优化的方法，安排考研过程中各门课程的复习时间，或挑选参加课外科技活动中的团队成员，等等。通过与自己切身相关的例子，学生更容易理解优化的理念，更容易在脑海中形成创新思维模式。这样做不仅是让学生学习一门课程，而且是让学生树立优化思维，认真观察周围环境，发现问题并想办法利用现有的资源解决问题。

最后，讲课过程中不要只讲课本上的优化方法，要在课堂上引入一些先进的优化设计方法，让学生对这些先进方法有一个感性上的了解。很多先进的优化方法都是交叉学科的产物，让学生通过了解这些先进的优化方法，体会一下学科交叉所产生创新思维形式。

3 小结

总之，在机械优化设计课程中不能只强调本课程的知识，应该鼓励学生将本课程与创新思维相结合。比如在机械优化设计课程中将约束优化问题转化成无约束优化问题进行求解，就体现出创新思想中将复杂问题简单化的思维方式；同一个无约束优化问题中搜索方向的不同得到不同的优化方法，就体现出创新思想中发散的思维方式；等等。另外，鼓励学生多观察周围事物，发现有需要改进的地方，应用优化和创新的思维方式去思考和改进；鼓励学生在课外实践活动中用优化和创新的理念解决实践中所遇到的问题；鼓励有独特想法的学生对相关的设计申请专利保护。如此种种，将会在学生的潜意识中留下优化和创新的痕迹，在走上工作岗位后有利于其对老产品的改进和对新产品的研发。

当然创新不是一句话的问题，优化也不是一蹴而就的，通过这门课程的学习，只能起到激起学生创新的潜在意识，给学生提供了创新的思维方式，而不是说学了一门课就有了创新能力，还要学生在实际中不断地应用创新和优化的方法，才能逐步加强自身的创新能力。

[1]蒋占四,王衍学,郑伟光.面向工程能力培养的《机械优化设计》课程理论及实验教学研究[J].轻工科技,2015(2):154-155.

[2]林桂娟.《机械优化设计》课程的项目驱动式教学方法探讨[J].赤峰学院学报:自然科学版,2014(20):256-257.

[3]马良.基于CDIO 理念的“教学—实践”模块构造探析:以新疆工程学院机械优化设计课程教学为例[J].化工高等教育,2014(5):71-74.

[4]王静,孟广耀.关于《机械优化设计》教学的实施与思考[J].教育教学论坛,2013(8):212-213.

[5]马如宇.《机械优化设计》课程教学方法探讨[J].教育教学论坛,2013(39):98-99.

[6]王全福,张天菊.Microsoft Excel 在机械优化设计中的应用[J].山西机械,2002(2):47-48.