“机械优化设计”课程思政设计与实践

蒋周翔 刘相权

[摘 要] “机械优化设计”是为机械类专业本科生和研究生开设的课程，讲授内容以数学方法为主，同时还包含优化算法在机械设计上的实践应用。为顺应新工科发展趋势，完善该课程中思想政治教学内容，提出了该课程的思想政治教学建设方法，主要以案例方式介绍了思想政治元素的挖掘与引入，并从三个方面改进了考评方式。教学效果调查结论表明，绝大部分学生认同在该课程中引入思想政治元素的方式，在此启发下能更好理解和掌握相关专业知识点，思想政治素养也得到了显著提升。

[关键词] 机械优化设计；课程思政；数值分析方法

[基金项目] 2021年度北京信息科技大学教改立项项目“基于机器人工程（勤信实验班）创新人才培养模式的改革研究与实践”（2021JGZD01）

[作者简介] 蒋周翔（1986—），男，湖北宜昌人，博士，北京信息科技大学机电工程学院副教授（通信作者），硕士生导师，主要从事机器人技术研究；刘相权（1972—），男，河北辛集人，博士，北京信息科技大学机电工程学院副教授，硕士生导师，主要从事机器人技术研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）02-0005-04 [收稿日期] 2021-05-18

引言

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面[1]。新时代背景下的工科领域不仅关注高等教育人才的理论基础和专业技能，也对学生的思想政治素养提出了更高要求，为了能够给国家培养德才兼备的人才，在工科专业课程中引入与国家发展、传统文化、哲学思想、行业素养等相关的思想政治元素，实现专业教育与思想政治教育的有机统一。文章针对机械类专业本科生和研究生的“机械优化设计”课程，探索课程思政的建设策略，通过优化教学内容、教学手段、考核方法，加强学生思想政治素养，以更好达成人才培养目标，为新时代工科类高等教育人才培养提供有益的实践参考。

一、“机械优化设计”课程简介

“机械优化设计”旨在综合运用先修课程所学到的数学、计算机编程和机械等方面知识与理论，以及该课程学到的数值分析方法，来解决机械领域内有关机构、机械零部件、机械结构及机械系统的优化设计问题。通过课程的学习可以培养学生运用现代设计理论与方法来更好地解决机械设计问题的能力。为进一步深入学习现代机械设计的理论与方法及更好地从事机械设计、制造和管理等相关工作打下良好基础。该课程特点是数学基础理论、数值分析方法、计算机编程语言与机械设计专业知识高度结合的综合课程。

课程的学习目标主要包括：掌握机械优化设计方法的数学基础知识，能根据实际设计问题建立数学模型并选择合适的优化方法；梳理数值计算的流程图，编制算法程序，进而运用计算机求解优化结果；利用精度、效率、占用内存资源等指标，对计算机所得优化结果进行正确分析和评价，认识到各类优化方法的局限性；认识到优化方法在更高层面、更广阔维度上与自然界和人类社会之间存在相互影响与制约。课程教学综合采用：讨论式教学方法；案例式教学方法；实践式教学方法。

二、“机械优化设计”课程思政教学现状

在傳统教学中，教师通常偏重于专业知识与专业技能的传授，很少剖析专业知识背后蕴含的丰富哲理思想，忽略了对学生综合能力和价值观进行全面培养和正确引领。目前，“机械优化设计”课程在课程思政教学建设中仍存在一些亟待解决的问题。

（一）课程教学与思想政治教育联系亟须加强

机械类专业的“机械优化设计”课程学时设置为24学时，所包括的课程内容具有很强的理论性，绝大多数内容以数学公式推导的形式呈现。因此，为了能够在24学时内完成授课内容，传统的教学方法通常偏重于数理知识的讲解，而没有合理分配足够的课时给思想政治教育。如此一来，失去了思想政治元素对专业知识学习的良好催化作用，并未使思想政治内容和专业知识之间形成相辅相成的效果。

（二）思想政治教学效果在考核评价中的权重亟须增加

“机械优化设计”课程的总评成绩包括平时成绩和期末考试成绩。其中平时成绩主要考查学生的出勤率、作业完成情况和课堂表现，而期末考试题目通常只包含了课程内容中的专业知识要点。不论是从平时还是期末考核内容来看，均未明确地涉及思想政治教育部分，因此该门课程目前的考核方式不能充分评价学生思想政治素养的培育效果。

三、“机械优化设计”课程思政的教学措施

目前一部分学者围绕新工科背景下的专业课程思政建设提出了一些具有宝贵借鉴意义的思路。例如，郭琼等针对“高等数学”教学过程中存在的问题提出了融合思想政治育人元素的案例教学法[2]。于力等围绕《数字图像处理》从思想政治案例设计、组织实施和效果反馈三个方面进行了阐述[3]。也有一些学者从宏观上探讨了在工科类课程中引入思想政治元素的方法及其实现途径[4-6]。周继磊、高佳丽、金晓怡等则分别以机械类专业中的“材料力学”[7]“机械工程材料基础”[8]以及“机械设计”[9]为对象，设计了大量思想政治教学案例，为机械类专业研究课程思想政治积累了一定经验。受这些成果启发，“机械优化设计”课程思想政治的教学建设主要围绕思想政治元素挖掘和考核方法优化这两个方面来开展。

（一）挖掘专业知识点中的思想政治元素

“机械优化设计”本质上是一门数学方法类课程，大部分课程内容属于基础学科范畴。它与物理、化学、生物等学科一样，能够通过抽象的理论知识反映出人和事物蕴含的基本规律。为了使学生更好地理解该课程专业知识点，需从传统授课内容中提炼哲学思想，协助学生发现专业知识与客观规律之间的关联。这种联系是自然存在且紧密的，并非刻意构造，因此只要教师能够找准专业知识点与课程思政内容的关联点，并深入挖掘可融入的思想政治元素，在此基础上精心设计课程教学环节，则专业课教学中的思想政治教育就会非常自然顺畅，学生也会产生良好共鸣，实现专业知识与思想政治内容的有机结合。下面举出一些在教学中已采用的案例。

1.标准迭代公式中的思想政治元素。优化设计方法本质上是一种数值迭代方法，与解析法具有截然不同的求解思想，即无法仅通过一次计算（如解一阶导方程f’（x）=0）得到目标函数f（x）的真实最优解x#，而是需要利用迭代式xk+1=xk+αkdk反复计算，最终得到逼近（或等于）真实最优解的结果x*。迭代计算是一个重复多次的过程，其中每一步均需要把握好前进方向dk和步长αk，方能最终得到x*。这部分内容位于课程开篇的绪论部分，是在学生脑海中构建课程全貌并借此树立正确价值观的良好时机。讲述时，教师将这种迭代求解思想与我国著名爱国诗人屈原在《离骚》中的千古名句“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”相结合。经过千百年历史演变，该诗句的表达思想已内涵丰富。教师选择其中与爱国、坚持不懈、追求真理三方面向学生阐述。首先，屈原是一名爱国诗人，他对前路漫漫的担忧来源于深厚执着的爱国热情，这说明我们需要有一个正确的、明确的努力目标（对应优化设计问题中的最优解x*）。其次，该诗句还表达出一个朴实的人生哲理，即目标的达成并非一蹴而就，而是需要坚持不懈的长期努力才能实现（对应优化设计问题中的重复迭代过程xk+1=xk+αkdk）。再次，追求真理的过程要求有正确的人生方向（对应迭代式中的最佳前进方向dk），并在正确方向上尽最大努力前行（对应迭代式中的最佳步长αk）。通过引入上述思想政治元素，告诫学生人生需要有正确的奋斗目标和指导思想，需要坚持不懈努力和付出，成功不存在捷径，培养学生不怕困难、敢于追求真理和坚忍不拔的工匠精神。

2.约束条件中的思想政治元素。目标函数（fx）和约束条件g（x）≤0或h（x）=0是优化设计数学模型的两大基本要素。其中，约束条件g（x）≤0或h（x）0是根据实际工程问题建立的，它们共同在设计空间中围出一片区域，称之为可行域。优化设计算法的搜索范围必须在可行域内，否则求得的“最优解”是不符合实际工程情况的无效解。教师在授课时借助约束条件的概念和意义引申出马克思主义的重要品质“理论联系实际”。从解决实际工程问题角度，作为一名工程师，必须具备依据实际情况建立数学模型的能力，而不是脱离实际开展研究。比如某汽车生产商通过减轻车身重量来降低油耗，替换了关键部位的材料并缩小了部分结构尺寸，导致碰撞测试的结果非常不理想，因此这种优化设计并未合理设定约束条件，属于理论与实际脱节的典型案例。从提高个人思想认识角度，教师引导学生从“理论联系实际”联想到我国的治国理念与方针，是深刻认识当下我国所处的环境、所站的方位以及面临的挑战等一系列重大问题的基础上制定的，是理论与实际相结合的成果，以此培养学生的中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信和文化自信。

3.优化方法发展历程中的思想政治元素。教材第四章介绍了多种典型的优化方法，其中最速下降法、牛顿法、阻尼牛顿法、鲍威尔法是由不同数学家在不同的历史阶段提出的，每一种方法都是在当时已有方法基础上改进得到的。这条隐含的发展线通常只在教材中轻描淡写略过，教师需在讲授每种方法原理的基础上，为学生梳理出每种优化方法之间的关系，使这条发展脉络在学生头脑中逐渐清晰，借此从以下几个方面对学生进行熏陶和教育。首先，告诫学生要用发展的眼光看待问题，要认识到每一门学科都是不断向前发展的，教材中的方法并非一成不变，若干年后会有性能更佳的优化方法登上历史舞台，并在此基础上将发展的思想引申至所有学科；其次，向学生传递一个观念，即学科发展离不开一代代从业者孜孜不倦的工匠精神和追求真理的科学精神，任何成果都并非一蹴而就，而是需要一代代人不断积累而成；再次，教师在介绍每种优化方法后，先不急于总结该方法优缺点以及下一种方法在此基础上做出的改进，而是鼓励学生先自主思考并讨论该方法存在问题和解决方法，培养学生敢于质疑、勇于创新的精神。习近平总书记近几年在不同场合讲话中提及的高频热词之一即是“创新思维”，而“问题是创新的起点，也是创新的动力源”，因此学生不能拘泥于教材，要在学习中善于发现问题，提出问题，然后在解决问题的过程中培养出“创新思维”。

（二）探索考核评价标准中的思想政治内容

将思想政治内容融入专业课考核评价体系时，可分别从课堂讨论与提问、课后作业以及考试题目三个方面入手，全方位考核思想政治内容的学习效果。

1.课堂讨论与提问。首先通过教师讲授的方式介绍各种优化方法的基本思想，然后请学生在理解了该方法的数学思想后，进一步探索其与现实生活之间的联系，思考对为人处世的启发并描述自己的观点。在此基础上，展开小组讨论，请学生大胆展开逆向思考，设想如何根据现实生活经验对该优化方法进行改进，以此锻炼学生的质疑精神和创新思维。

2.作业思考题。任课教师在传统题目中增设关于思想政治内容的开放性问答题，以此鼓励学生在完成专业知识点的相关作业后，进一步对该优化方法的思想内涵进行深入挖掘。在此过程中，学生首先需要从专业角度深刻理解该数学方法本质思想，然后才能在此基础上将其提炼升华至专业素养及人生哲理。因此这种类型的作业能够从专业知识和思想政治内容两方面同时提高學生的理解思考能力。例如在“最速下降法”相关作业题中增设开放性子问题“请从迭代效率和运算效率的角度分析该方法存在的优缺点，并提出你的改进设想，用计算流程图进行阐述”。按教学大纲要求，下节课将会介绍在此基础上改进所得的牛顿法，学生将自己的设想与科学巨匠的方法进行对比，能从中获得极大的成就感和启发。

3.开放性考试题。在传统命题方式的基础上，增加与思想政治内容相关的开放性考题，以此考查学生是否通过该课程的学习具备了分析现有方法优缺点并从专业知识中提炼其哲学思想的能力。具体来讲，即是否能够将题目中提及的优化方法与现实生活、工作、学习中的某个真实案例相关联，并从中获得启示。例如在“坐标变换方法”相关试题中增设开放性子问题“请从迭代效率和运算效率的角度分析该方法存在的优缺点，并举出具体案例描述该方法对解决工程实践问题有何启示”。学生举出的具体案例有些与专业学习中的所见所闻相关，有些与实际参与过的大学生创新设计大赛等项目相关，因此完成相关试题不仅是对学生的一种考核，也是帮助学生总结经验，使他们获得新的感悟。

四、課程思政实施效果分析

为了验证“机械优化设计”融入上述思想政治元素后的教学效果，对某高校机械类专业的27名大三学生开展了调查。随堂反馈情况表明，其中有25名学生认为思想政治元素对理解专业知识具有积极作用，2名学生持保留意见，满意度达到93%。绝大部分学生对几种优化方法的原理和计算流程掌握情况较好，认为该部分专业知识虽然不易理解，但与思想政治内容结合后，有豁然开朗的感觉。课后作业完成情况表明，93%的学生能够在首次提交作业时即主动完成与思想政治内容相关的开放性问答题，并给出相对满意的答案，剩余7%的学生在教师反馈修改意见后能完成作答。某年度期末试卷情况表明，学生在思想政治内容相关试题上的平均得分率达到81%，说明学生已经基本掌握了如何从专业知识中发掘蕴含的哲学思想，并将其与工程实践相结合的方法。总体来看，通过在该课程适当章节融入思想政治元素，有助于加深学生对专业知识的理解，同时也对提高学生的思想政治素养起到了积极作用。

结语

在“机械优化设计”课程教学中融入思想政治内容，不仅能使学生更深刻理解优化方法相关专业知识的内涵，还能培养学生理论联系实际、提炼客观规律、独立思考以及发散思维的能力，符合专业课程教学发展的必然趋势和新时代工科对高等教育人才的内在要求。

参考文献

[1]习近平在全国高校思想政治工作会议上强调 把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报，2016-12-09（1）.

[2]郭琼，张雯莹，王凤超.新工科背景下高等数学案例教学与课程思政的融合探索[J].科教文汇（上旬刊），2021（4）：51-52.

[3]于力，陈忠道.“新工科”背景下课程思政的案例设计与实施——以“数字图像处理”课程为例[J].工业和信息化教育，2021（3）：33-36+41.

[4]刘亚辉，仇斌，季学武.两线一格：课程思政在工科课程中的探索[J].北京教育（德育），2021（2）：42-45.

[5]李仕春，华灯鑫，邵伟.工科专业实施课程思政的路径探析[J].教育评论，2021（2）：94-98.

[6]周成.工匠精神融入工科院校思政教育的实践途径探索[J].教育教学论坛，2021（5）：117-120.

[7]周继磊，张东焕.高校工科类基础类课程思政教育的探索与实践——以材料力学课程为例[J].教育教学论坛，2020（47）：219-220.

[8]高佳丽.工科专业课堂与课程思政德智融合路径初探——以“机械工程材料基础”为例[J].教育教学论坛，2020（30）：67-68.

[9]金晓怡，张航，杭鲁滨.“新工科”背景下《机械设计》课程思政教学建设[J].教育教学论坛，2019（42）：34-35.

Design and Application of “Curriculum Ideological and Political Education” in the Mechanical Optimization Design Course

JIANG Zhou-xiang， LIU Xiang-quan

（Institute of Electromechanical Engineering， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： Mechanical Optimization Design is a course for undergraduates and postgraduates majoring in mechanical engineering. The content mainly contains the mathematical methods and practical application of optimization algorithm in mechanical design. In order to comply with the development of “emerging engineering education” and improve the content of ideological and political teaching in this course， this paper proposes the construction method of ideological and political teaching of this course. It mainly introduces the excavation and introduction of ideological and political elements in the form of cases， and improves the evaluation method from three aspects. The results show that the vast majority of students agree with the way of introducing ideological and political elements into the course. Inspired by this， they can understand and master the relevant professional knowledge better， and their ideological and political literacy can also be significantly improved.

Key words： Mechanical Optimization Design； “curriculum ideological and political education”； numerical analysis method