面向“卓越工程师教育培养计划”的机械优化设计课程教学研究与实践

袁新梅 冯 进 华 剑长江大学机械工程学院 湖北荆州 434023



面向“卓越工程师教育培养计划”的机械优化设计课程教学研究与实践

袁新梅 冯 进 华 剑
长江大学机械工程学院 湖北荆州 434023

摘 要：以强化工程实践能力、创新能力为核心，结合学校“卓越工程师教育培养计划”机械专业实施要求，在机械优化设计课程改进教学模式、引入工程案例和加强实践环节等方面进行了改革探索与实践，提高了学生的学习兴趣，增强了学生的工程实践能力。

关键词：卓越计划；机械优化设计；案例教学；课程建设

目前社会对高校毕业生的工程实践能力和创新能力提出了更高的要求，2010年以来教育部联合有关部门和行业协会，共同实施“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”），旨在培养一大批创新能力强、适应社会发展需要的创新型高素质工程技术人才。机械优化设计课程是高校机械类研究生和高年级本科生的选修课，也是现代设计理论与方法课程的重要组成部分［1］。为了适应“卓越计划”的实施要求，笔者在机械优化设计课程中改进课堂教学模式、实施案例教学和加强实践环节，以期拓宽机械优化设计课程的教学改革思路，提高学生的工程实践能力。

1　现行机械优化课程存在的主要问题

（1）随着教学改革的不断深入，机械优化设计课时逐渐减少，而对于机械优化设计课程教学要求而言，不仅要培养学生熟练掌握基本理论知识，更要注重培养学生的实践应用能力和创新能力，传统的“满堂灌”以传授理论知识为主，难以适应高素质创新型人才的培养要求。

（2）学生主体作用发挥不充分。长期以来，由于机械优化设计课程理论性强、知识综合、内容抽象等实际问题的存在，一定程度上影响了学生的学习兴趣和教学质量。在教学中引入具有启发性、实践性的工程案例，有利于激发学生学习主动性，但笔者在教学中发现机械优化设计课程教材多侧重于优化方法的阐述，与机械工程实践紧密结合的优化设计案例缺乏或不完善［2］，学生在学习中学以致用的实践训练少，参与度低，致使学生主观能动作用发挥不充分。

（3）机械优化设计是一门实践性很强的课程，主要包括建立数学模型和选择优化方法与程序设计等方面内容，必须通过上机实践操作来加深对基本理论和算法步骤的理解，培养独立编制计算机程序的能力和灵活运用优化方法解决工程设计问题的能力，但是在机械优化设计课程教学中实践环节设置薄弱［2］，不利于学生知识面的拓宽和综合素质的提高。

总之，为了适应“卓越计划”全面提高学生知识、能力和素质的实施要求，强化学生工程实践能力和创新能力，对机械优化设计课程改进教学模式、引入工程案例和加强实践环节等方面进行改革显得尤为重要。

2　突破传统局限　改进课堂教学模式

突破传统教学方法的“教学局限于教书，教书局限于课程，课程局限于课堂，课堂局限于讲授，讲授局限于教材”的5个局限［3］，构建“教、学、做”一体的教学模式。在机械优化设计课堂教学过程中注重采用形象化教学、问题探究型教学、讨论式教学和案例教学等开放式、自主式的教学方法，激发其学习兴趣，充分调动学生在学习过程中的积极性和主动性。比如采用形象化的“盲人探路”和“围墙土堆法”解释一维搜索方法中的进退法与惩罚函数法优化原理［4］；在讲授数学基础、基本概念、基本优化方法及常用函数之后，增加数值计算软件Matlab语言基础知识及其优化工具箱的应用，讲解fminbnd函数、fminunc函数、fmincon函数以及linprog函数，向学生演示用Matlab的优化工具箱求解一维优化问题、无约束多维优化问题、有约束多维优化问题及线性规划问题的求解过程，将抽象的理论借助现代工程计算软件直观地呈现出来［5］；设置与授课学生专业发展相对应的工程应用背景的例题、习题，引入合适的案例，与学生探讨案例的数学模型及特点，并结合案例教学内容安排学生集中上机实践，引导学生在问题研究的教学环境和教学氛围中主动学习、主动思考和主动实践；学生在讨论、理解的基础上选择合适的优化函数，编写目标函数及约束条件，调用Matlab的优化工具箱函数，编制Matlab程序进行求解；引导学生掌握常用的优化方法原理、Matlab基础知识和Matlab优化工具箱常用的优化函数并将其应用到案例探究中去，将课本知识与实践的有机结合，使其更好地领会机械优化设计解决问题的思路；结合其他优化设计软件（如ANSYS优化设计模块等）探讨教师亲身经历的科研课题及科研所涉及的学科前沿问题等，激发学生的学习热情和创造精神，提高学生分析问题、解决问题的能力，从而达到“卓越计划”关于学生积累知识、培养能力和提高素质的教学目标。

3　甄选合适案例　积极实施案例教学

案例教学具有明确的目的性、客观真实性、较强的综合性、深刻的启发性、突出的实践性和学生主体性等特点，授课教师在课堂教学中适当地引入案例教学可以更形象、高效地完成授课目标。案例是为教学服务的，笔者结合我校机械专业实际及教学实践，在机械优化设计课程教学案例甄选中选择了贴近实际并且能激发学生学习兴趣的典型案例。目前主要甄选的教学案例有如下六方面［6］。

（1）纯数学问题的多种优化方法求解，通过对比各种优化方法的优劣、适用范围，使用方法等，使学生对刚接触的机械优化设计课程有个初步的认识。

（2）一般工程问题的求解，如生产计划问题、运输问题、下料问题等，这类问题的数学模型比较简单，主要讲述求解方法的选择，以及不同方法所得结果的对比与分析。

（3）机构运动学或动力学参数优化设计问题，如：曲柄摇杆机构、曲柄导杆机构、凸轮机构及行星传动机构的优化设计。

（4）机械零部件优化设计问题，如：滚动轴承摩擦阻力矩最小、气门弹簧质量最轻、压力容器螺栓组最经济、齿轮减速箱齿轮质量最轻及空心传动轴质量最小等优化问题。

（5）机械系统动态性能优化设计，如齿轮动态性能优化设计、机床床身和主轴系统动态优化、汽车车架或悬架系统动态优化和起重机结构系统动态优化等。

（6）专业特色案例，笔者把具有石油机械工程应用背景的实例有机地融入教学［5］。例如，抽油机运动学优化设计及动力学优化设计、抽油机变速箱结构优化设计、泥浆泵曲柄滑块机构优化设计等石油机械工程中的工程实际问题。这些优化问题是学生感兴趣的工程问题，其数学模型都是以学生学过的机械原理、机械设计、力学等课程为基础，既便于理解与掌握，又可以更好地做到学以致用。

另外，在案例教学实施过程中要注重案例的剖析与拓展［2］，教师要适时引导、调控课堂气氛，激发学生的参与热情，积极投入到案例讨论中去；要引导学生分析、理解、研究案例；要鼓励学生提出个人见解，深化问题，就问题做出判断和决策，促进学生完成学、思、知、行这四方面的结合，从实践到理论再到实践，学思联系，知行统一。教师通过回顾分析讨论过程、罗列主要观点、提示思维盲区、发掘问题深度等方法适时地对教学案例进行总结评述可以使学生对案例教学中的知识由感性的、零散的分析上升到理性的、系统的认识；引导学生对一些未能彻底解决的问题继续思考，促使学生对相关问题保持长期的关注。

4　培养动手能力　强化实践教学环节

机械优化设计课程随着教学改革的不断深入教学课时逐渐减少，如何在总学时缩减的情况下，更好地培养学生应用优化设计方法解决实际问题的能力，成为不可回避的问题。我校机械专业经过多年的改革与探索，逐渐确定了在总学时有所缩减的情况下，将本课程的理论学时缩短，注重学生动手能力培养，强化实践教学环节，设置理论学时16个，上机实践学时14个［5］。理论教学内容主要包括：优化设计的基本概念及数学基础、具体的优化设计方法（一维搜索方法、无约束优化方法、线性规划、约束优化方法）、适当介绍多目标及离散变量优化方法和先进优化方法（遗传算法、人工神经网络算法、蚁群优化算法）等。上机实践环节结合机械优化设计教学案例及上机操作，以计算机为工具，以当前通用的优化设计软件为平台，把优化设计基本理论与方法应用于解决机械优化设计工程问题。笔者在实践教学环节精心安排上机实践内容，提前编好相应的实验指导书，并提供部分关键源代码，由简单到复杂，深度及难度循序渐进；帮助学生加深对所学内容的理解，在实践中学生学会将工程问题转化为最优化设计问题，分析机械优化设计的基本方法并合理建立数学模型，能编写调试简单的优化程序，较好地完成实验内容。在程序调试中，笔者也适当地布置相关思考题，要求学生认真观察不同优化算法及不同初始参数（如初始点的选取、搜索步长的选择等）引起计算结果的不同，提醒学生分析优化结果差异性的原因及优化结果的合理性，并将实验结果与体会写到实验报告中，从而培养学生分析问题、解决实际问题的能力。

5　结束语

以强化工程实践能力、创新能力为核心，结合我校机械专业“卓越计划”实施要求，在机械优化设计课程中改进课堂教学模式，积极实施案例教学，强化实践教学环节等方面进行了探索与实践。这些措施的实施，切实提高了学生的学习兴趣和工程实践能力，培养了学生动手能力和创新能力。在此基础上，我们将继续总结所取得的经验，完善教学改革成果，致力于培养适应现代社会发展的机械工程专业卓越工程师。

参考文献

［1］ 孙靖民，梁迎春.机械优化设计［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］ 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.

［3］ 李志义.对大学教学的“三思”［J］.中国高等教育，2009（3）:26-28.

［4］ 李春民.《机械优化设计》的形象化教学方法［DB/OL］.中国科技论文在线.

［5］ 汪建华，袁新梅.《机械优化设计》课程教学改革与探索［J］.长江大学学报:自然科学版，2011（10）:119-121.

［6］ 刘庆柏.机械优化设计在工程教育中的方法研究［M］.合肥:合肥工业大学，2012.

Teaching Research and Practice of Mechanical Optimization Design for PETOE

Yuan Xinmei， Feng Jin， Hua Jian School of mechanical engineering， Yangtze University， Jingzhou， 434023， China

Abstract:To strengthen engineering practice ability and innovation ability as the core， combined with the requirements of "The Plane for Enducating and Training Outstanding Engineers （PETOE）"， the following reform measures have been explored in the teaching of mechanical optimization design course， such as improvingteaching mode， introduction of engineering cases and strengthen the practice teaching. The implementation of these reform measures is benefcial to improve students' learning interest and strengthen students' engineering practice ability.

Key words:excellence initiative； mechanical optimization design； case teaching； course construction

收稿日期：2015-10-28

作者简介：袁新梅，硕士，副教授。

基金项目：教育部“质量工程”建设项目（编号：TS12287），湖北省教研项目（编号：2013252），长江大学教研项目（编号：JY2012035）。