《优化设计》课程教学改革的探索与实践

张珂

摘要：培养应用型本科人才创新能力的基本思想，针对《优化设计》课程教学中存在的问题，从教学内容的优化重组、教学方法的改革和考核形式等改革进行了探索与实践，使学生在学习优化思想与理论方法的基础上，着重把握实际问题用优化数学模型的转化，进而选择合理优化方法和工具进行模型求解，较好地提高学生学习兴趣与解决工程实际问题的能力。

关键词：《优化设计》课程 教学改革 实践

一、优化设计课程的特点

优化设计是现代设计方法的重要分支，优化设计课程主要是将最优化理论作为重要的基础，将计算机作为主要的工具，把优化设计的方法在机械设计中加以应用。其构成主要分为理论和实践两个重要环节，理论性相对较强，对高等数学的一些知识涉及较多。

二、课程教学存在的问题

（1）在教学实践中发现，目前优化设计教材内容中比较重视理论分析，在实践应用方面没有充分重视，所提供的工程案例比较缺乏，即使有工程案例，其结果也缺乏完整和具体性。

（2）基本优化方法具有较强的理论性和抽象性，一直是优化设计课程的重点和难点。多数学生由于无法看到或想象算法的执行过程与数据的动态变化，感到复杂和困惑。在传统的教学模式下，教师只能使用黑板及演示文稿，借助大量表格、框图、以及描述算法的程序清单来表现算法的实现过程，以表现算法执行的动态过程，这不但繁琐，也不利于学生的直观理解。

（3）优化设计课程的工程实践环节相对薄弱，由于课时较少的原因，一般的上机实验的主要内容是要求学生通过计算机程序语言，对一维优化方法、多维无约束优化方法和约束优化方法等编程运行完成。这个过程虽然可以熟悉优化方法的执行过程，但由于缺乏工程应用对象，对应用型创新人才的培养有较大的限制。

（4）课程教学中还主要采用教师讲授式的教学方法，对理论知识的讲解以及推导公式的分析等学生都是被动的接受知识，机械的模仿，这就对学生自主学习的发挥有着制约，很难培养出高素质的应用型创新人才。

三、教学改革方法与措施

1.优化教学内容

（1）数学基础（如方向导数、梯度、极值条件、凸函数、泰勒级数展开、等高线、矩阵、二次型、正定、负定、共轭）；（2）优化目标函数及约束条件的建立；（3）优化方法法（一维搜索方法、无约束优化方法、约束优化方法等）；（4）先进优化方法（遗传算法、蚁群算法等）；（5）优化设计工程实例。其中优化方法是重点，对多目标优化理论和先进优化方法内容，只做概述性的讲解，以拓宽学生的知识面。教学内容经精选优化，充分地体现了基础性、先进性和前沿性。

2.可视化教学软件的开发

为了提高优化过程的学习效果，针对常用优化设计，开发可视化教学软件。该软件以课程中的常用优化设计算法为对象，开发基于Matlab的算法程序库，采用Matlab算法可视化技术，将算法的执行过程实时地用图形和动画方式演示出来，使枯燥乏味的算法流程以形象、生动、直观的方式展现出来，以帮助学生深入理解并掌握优化算法，可明显改善课程的教学效果。

3.研讨课堂的开设

创新设计能力包含应具有良好的学习能力和创新理念、敏锐的创新思维、基本的创新技能和优秀的创新人格。研讨课有效地探索了研究型、合作式、自助性的课堂教学模式，体现了“学思结合、因材施教、分类培养”的教育思想。目前在优化设计课程中开设4节研讨课，教学效果显著。

4.问题驱动启动式教学方法

针对机械设计和优化设计实践性均较强的特点，注重问题启发教学内容的精选和问题的设计，着重讲清工程设计案例问题是什么、工程优化设计案例问题的背景是什么 、工程优化设计案例问题的性质是什么、工程优化设计案例问题的解决方法是什么等内容。使所学的知识更加具体，并给学生留有一定的思维空间，活跃学生的创新思想。

5.案例式教学方法

案例的呈现放在理论知识介绍之前，以激发学生学习兴趣，让他们带着问题去主动学习各种优化方法。引导学生分析、理解案例包含的优化设计知识点。鼓励学生自己编程求得优化结果进行对比。

6.加强实验教学

（1）优化设计课程的实验环节主要是上机实验。通过上机实验可使学生巩固和加深对所学内容的理解，能够分析并掌握优化设计的一些基本方法，能够编写并调试简单的优化程序，或选用适当的优化方法解决简单的工程问题，从而培养学生解决实际问题的能力。实验教学环节是培养应用能力的核心环节，该环节学时的安排应适当加大（8～10学时左右为宜）。

（2）精心组织实验内容，知识深度循序渐进，由简单的一维优化方法编程开始，逐步扩展到复杂的惩罚函数法。

（3）Matlab是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技計算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，语法简单，功能强大。要求学生运用Matlab编程来实现相关优化算法，不但可以提高学习兴趣，又有利于学生掌握实用的编程技术。

（4）由于机械专业的学生在编程方面的能力普遍不高，所以教师可适当讲解编程和调试的方法，以帮助学生更好地完成实验内容；要求学生认真调试编制好的程序，观察不同的初始参数对计算结果有何影响（如初始点的选取、搜索步长的选择等）。

7.改革考核方式

（1）扩大平时成绩占比为40%（一般为30%），上机实验成绩占考核成绩20%，研讨课成绩占考核成绩 10%，平时成绩占考核成绩 10%（出勤，平时表现和作业）。这样可促使学生养成学而时习之的良好学习习惯。

（2）研讨课与课堂表现成绩主要加给在学习中能积极回答问题，思考问题的学生。实验成绩根据实验室编程情况和实验报告内容综合评定，这样能培养学生良好的实验态度。卷面考试由概念题、建模题、计算题和程序题构成，其中程序题的比重一般大于30%。

（3）在考核方式上，由以前的闭卷考试改为半开卷的考试方式。在考前给学生发一张A4草稿纸，允许学生把自己认为对考试比较重要的公式、例题等内容写上，可以带到考场。这样，学生就不会认为考试就是考公式、考计算，学习的重点就自然转移到应用能力上。

四、结语

教学实践表明，通过上述的教学改革，对增强教学效果，提高教育质量，促进教学改革等方面产生了良好的作用，使学生对优化设计有了比较深刻理解，并能熟练掌握优化数值迭代法的基本原理，优化设计思想理解、优化建模和编程能力等得到明显提高。在今后的教学过程中，我们仍将继续在教学实践中进行教学研究、改革和实践，不断积累，不断创新，不断完善教学过程，提高教学效果和质量。

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