面向应用能力培养的《机械优化设计》教学探讨

周枫林，廖海洋，余江鸿，孙 晓

（湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412007）

0 引言

机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能最主要的因素。现代设计都是面向市场、实现功能及产品优势的设计。创新设计、绿色设计、优化设计、可靠性设计等现代设计方法备受国内外机械设计领域的关注。而机械的优化设计与机构设计、机械传动设计和机械强度评价共同组成了机械设计的内涵。

优化设计是以数学中的最优化理论为基础，从多种方案中选择最佳方案的设计方法[1]。机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论、方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案[2]。

1 《机械优化设计》课程的特点及教学现状

《机械优化设计》课程是现代设计理论与方法课程的重要组成部分，是机械类本科高年级及研究生的一门重要课程。教学目标是使学生掌握机械优化设计的基本理论和方法，学会合理地建立数学模型，选用恰当的优化方法求解优化设计问题，达到独立解决工程实际中的机械优化设计问题的目的[3，4]。

课程通常由理论学习与上机实践两个环节构成。内容的理论性较强，涉及数学知识较多，优化算法难度较大。要求学生能对所学的算法进行编程实现，因此，大多数学生在学习本课程时普遍感觉难度较大，畏难心理较强。在课程结束后，学生的工程应用意识和能力依然没有得到提高。因此，为达到培养学生解决机械优化设计问题初步能力的教学目标，有必要对课程教学方法进行适当改革。

2 《机械优化设计》课程教学改革探讨

2.1 教学内容与体系

《机械优化设计》课程的教学内容与体系，应配合专业培养方案的改革，结合教学大纲要求，针对本校的专业特点和实际需要，从合理利用学时的角度出发，对课程内容进行精选优化。大纲要求主要教学内容包括：优化设计概述、优化设计的数学基础、一维搜索方法、无约束优化方法和约束优化方法与优化问题综合实例。课程理论教学共32学时，教学大纲对各知识授课学时有明确的规定，其中优化方法教学内容是重点，很多知识点都要求学生掌握。根据当前技术发展现状及学生反馈，在教学过程中对课时安排及教学内容作了少量调整：①考虑数学基础对课程学习的重要性，以及数学知识的抽象性，增加了数学基础的讲授课时，以使学生对优化设计有更深刻的理解；②结合自身科研工作及技术发展情况，向学生介绍优化设计的前沿研究和发展前景，提高学生的学习兴趣；③加强案例教学频次和分析深度，并将实践教学环节与学科竞赛相结合，培养学生的应用能力。

2.2 实践教学

实践教学是理论联系实际的重要环节。通过上机实验可使学生巩固和加深对所学内容的理解，能够分析并掌握机械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。然而《机械优化设计》课程的实践教学仅4个学时，主要围绕Matlab软件开展，在学习过程中，学生的大部分精力花在了熟悉软件操作方面。为改善实践教学效果，将学科竞赛与实践教学相结合，如全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛等，通过课程与竞赛的融合，充分利用学生课余时间，弥补实践环节学时的不足，提升实战能力。

图1 学生利用Matlab对S赛道无碳小车进行运动轨迹模拟及优化设计Fig.1 Simulation and optimization of motion trajectory of carbon free vehicle by applying Matlab software

2.3 案例教学

案例分析在 《机械优化设计》教学中起着重要的作用。案例的呈现时机、主题选择和讨论分析的教学方法，可结合学生情况和教学进程确定。

在介绍理论知识前提出案例，可激发学生学习兴趣，让他们带着问题去主动学习各种优化方法；而在理论知识学习后进行案例分析，可进一步固定所学知识点。

在案例主题的选择方面，可以跳出教材，选择学生前期课程相关的案例，发挥学生学习的主体性，启发学生自主地开展学习，如《机械原理》课程中的平面铰链四杆机构再现运动规律的优化设计案例，在学习优化设计方法的同时，既复习了《机械原理》的知识点，同时又使不同课程更好的衔接，使课程体系更立体化。选择跟学科竞赛相关的案例分析，既达到课程教学目的，又起到指导竞赛的效果，为学生提供了学以致用的训练机会。

在案例分析环节，应积极引导学生分析、理解案例包含的优化设计知识点，要在课堂上开展讨论，鼓励学生提出个人见解；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。

2.4 考核方式

《机械优化设计》课程的常规考核方式是笔试，期末考试成绩占总评成绩70%，平时成绩、作业和实验课占30%，偏重于考察学生对公式记忆和计算能力，导致学生大多以套公式计算为学习目标，忽略了实际应用能力的培养。在实际教学过程中，考虑将期末考试成绩占比减少，提高案例分析及实践教学所占比重，摒弃套公式计算的考核目标，加大对学生理解与应用能力的考核力度，注重培养学生的综合素质。

3 结束语

为培养学对优化设计方法的应用能力，提高《机械优化设计》课程的教学质量，对课程教学方法进行改革。在教学内容和课时分配上进行了微调，注重数学基础知识、优化设计前沿研究的介绍；将实践教学与学科竞赛相结合，讲授知识的同时，为学生提供学以致用的平台；在案例教学中，对案例的提出时机、主题选择和分析过程进行了思考；改革考核方式，加大应用能力的考核力度。通过教学实践发现，总体上学生的学习兴趣得到了提高，分析问题、解决问题的工程实践能力得到增强。