工程优化设计方法课程案例库建设探索与实践

施国英， 李天华， 张开兴， 宋月鹏

（山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安 271000）

0 引言

工程优化设计方法课程是机械工程专业学位研究生的专业核心课程，它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案，使设计的技术或经济指标达到最佳，是一门理论性比较强的课程[1]。工程优化设计方法课程案例库的建设，是针对机械工程专业学位研究生的培养要求，选取与专业密切相关的科研项目为案例，将单纯、枯燥的理论知识变成丰富、有内涵的工程案例，调动学生的积极性，提高课程教学的实效性，以达到强化研究生实践应用能力和创新能力培养的目的[2]。

1 案例库建设意义

为落实山东省专业学位研究生教育质量提升计划，山东农业大学机械与电子工程学院针对机械工程专业硕士提出了“机械与电子、技术与管理、农机与农艺”相结合的人才培养目标。随着我国农业制造业的快速发展和农业机械化水平的不断提高，对本专业人才培养提出了更高的要求，不仅要做到掌握必要的基础学科知识，还要具备处理实际问题的能力[3-5]。

工程优化设计方法课程案例式教学方法的探索与实践，是面向具有创新意识和能独立承担专业领域人才发展的需求，从培养农业机械工程应用型、复合型高层次工程技术和工程管理人才的角度出发，把基础理论、先进技术方法手段及相关知识应用到工程设计和工程研究案例中。课程案例教学改变了“满堂灌”的教育模式，提倡“启发式”和“引导式”的教学模式，让学生多思考、多练习，开展课堂讨论。教学方法上坚持讲清思路、引导启发、精讲多练和培养能力的原则，以提高学生灵活运用所学知识，分析问题、解决问题的能力。案例库的建设能够起到教学中长期使用、资源共享的作用，同时案例库教学不仅能够应用于机械工程专业的教学工作，而且能够为其他专业案例教学提供一定的借鉴和参考价值[6-10]。

2 案例库建设

2.1 基本原则

教育部发布的《关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》（教研〔2015〕1 号）中指出，案例教学是以学生为中心，以案例为基础，通过呈现案例情境，将理论与实践紧密结合，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，从而掌握理论、形成观点、提高能力的一种教学方式[11]。因此，建设案例库应满足以下4 个原则。

（1）真实性。选取的教学案例应取材于经济社会发展的实际，不是凭个人的想象力和创造力杜撰而来。

（2）完整性。案例应包括问题的决策及发展全过程，有明确的教学目标，设计好讨论方式和步骤，做好教师点评和学生互评。

（3）典型性。案例由课程相关章节知识点归纳总结成专题，具有概括和辐射作用，使学生不仅能够掌握有关原理和方法，并能将这些理论与方法运用到实践中。

（4）启发性。每个案例都能够帮助理解教学内容、启迪思路、引人深思，培养学生解决问题的能力。

2.2 教学案例来源

（1）教师团队成员科研课题。任课教师通过对授课教材知识点的归纳总结，结合团队成员科研项目研究背景和科研经验，根据难易程度不同、侧重点不同，挖掘相关素材设计成教学案例。案例教学内容均是最前沿、最先进、最真实和可实现的具体案例，教师讲授过程中有最真实的体会，熟知每个案例在实现过程中碰到的具体问题、如何分析、如何解决。

（2）学生竞赛获奖项目。从近年来学生参加的各种农业工程类创新创业比赛项目中选择创意比较好、与生产生活息息相关的项目，对参赛过程中遇到与本课程相关的各种问题进行研究和讨论，将一些典型的问题进行整合、梳理，形成报告，建成项目案例库。

（3）校企合作项目。学校持续推进校企合作，将企业生产一线中碰到的卡脖子问题开发为符合教学要求的案例资源，帮助学生开阔视野，丰富教学资源，使学生尽早了解企业需求，为今后科研和工作奠定基础。

3 案例库教学实施方法

3.1 工程优化设计方法课程特点

山东农业大学的工程优化设计方法课程是针对机械工程专业学位研究生的一门专业核心课，是将数学最优化理论与计算机技术相结合，应用于机械工程领域，为工程问题提供一种先进的设计方法，这是一门理论性和实践性都较强的课程。采用案例库教学方法时，在讲授知识点的时候尽量淡化复杂的运算和推导，避免变成枯燥的数学课。

3.2 工程优化设计方法课程案例库教学实施

工程优化设计方法课程的基本思想是从研究对象的整体来考察和解决问题，再从整体各个部分的相互联系、相互影响和相互制约中寻求最优方案。每个案例包括讲义、多媒体课件和案例说明3 部分，其中案例说明包括教学目标、案例涉及的知识点、案例分析思路、背景信息、课堂计划和思考题答案要点等教学辅助信息。以日光温室薄膜高效清洗及除雪关键技术与装备研究为例介绍案例教学实施方法。

3.2.1 案例背景引入

日光温室薄膜上的灰尘及污渍严重影响薄膜透光率，进而影响室内温度及作物的光合作用。北方冬季的雾霾天气使薄膜污染加快，对作物的影响进一步加大。同时温室屋顶积雪一方面对保温性能造成很大的影响，另一方面影响温室的总体强度和刚度，甚至会压垮温室，进行及时清理十分必要。针对这种现状，研制一种方便高效、成本低廉、安全可靠的智能化薄膜专用清洗装备，解决日光温室薄膜当前主要以人工清理为主，工作量大、劳动强度高、清洗难、清洗慢及清洗不彻底的问题。清洗装置作业现场如图1 所示。

图1 薄膜清洗装置作业Fig.1 Film cleaning device operation

3.2.2 案例问题的提出和讨论

通过对上面研究背景的分析，研制智能清洗装备需要考虑以下问题[12]。

（1）对薄膜的物理性能和机械性能进行测试，得到不同材料薄膜的抗拉强度、屈服强度等参数，为确定毛刷与薄膜之间的最佳作用力提供理论支持，减小对薄膜寿命的影响。

（2）构建棚面仿形清洗机最优模型。

（3）解决清洗机上下轨道同步问题、支撑横梁形变问题及清洗除雪驱动问题。清洗装置结构如图2所示。

图2 清洗除雪装置结构Fig.2 Structure of the snow removal device

（4）进行清洗机路径规划与防碰撞研究。

（5）进行清洗装备作业时的边界自动检测工作。

（6）确定不同季节、天气的薄膜最佳清洗频率。

（7）进行清洗轴转速大小与清洗效果相关性研究。

教师在课堂上引导学生从案例的背景中分析项目研究的目的是什么，需要解决什么问题，研究的难点又是什么，解决问题的方法有哪些，做出决策的标准是什么，什么样的决策是最优方案，方案制定好后具体怎么样实施。学生就现有掌握的知识对以上问题开展讨论，提出自己看法和做法，教师再引导学生对这些方案进行分析研究，确定最佳方案。课后要求学生上网查阅相关文献资料，改进优化自己的方案，最后决定如何实施这个方案，形成报告提交。

3.2.3 总结案例

根据学生提交的报告，总结方案中的优点和不足，讲解其中涉及的相关理论知识，让学生了解相关知识在工程中的应用，避免脱离实际空讲理论。

引导学生将这些知识性的内容转化为自己的能力，在做一项具体的工作前考虑问题更全面一些，少走一些弯路，少做一些重复、无用的工作，使学生将来面对各种工程问题时，能够有正确的思想方法和解决问题的途径。

4 案例教学实践效果

4.1 提高学生学习兴趣，改善教学效果

在案例教学中，学生扮演一个积极的参与者角色。仔细研究教师提供的案例材料，进行认真分析和思考，据此做出自己对该问题的判断和对策，并验证自己的方案可靠有效。在课堂上，积极发言，讲出自己的思考和方案，并与他人展开讨论。学生变成教学的主角，既可以从自己和他人的探讨中学习，也可以从所犯的错误中吸取经验教训，在案例的解决过程中得到训练，提高解决问题的能力。

4.2 促进校企深度合作

根据校企合作、工学结合的思想，通过引入企业工作案例，建立多维度校企合作的人才培养模式，激励教师主动对接制约企业发展的瓶颈问题，更快更好地解决企业的急、难、愁、盼问题。通过在教学中认真梳理发现的困难问题，集思广益达到举一反三的目的，推动由解决一个问题向解决一类问题转变，为校企合作发展创造良好的环境。

4.3 提高教师教学水平

在传统教学中，教师是教学的主体，只需将书本知识传授给学生。在案例教学法中，教师是指导者和推动者，其角色定位是要引导案例教学的全过程。不仅要引导学生去思考、去讨论、去做出决策和选择，还要去解决案例中的特定问题，进而从案例中获得经验，同时要引导学生去探寻特定案例情景下复杂性的过程及其背后隐含的各种因素和发展变化的多种可能性。

案例库教学法不仅创新了教学模式，而且督促缺乏企业经历与背景的专业教师深入生产一线，了解和掌握企业生产过程，提高教师的实践能力和专业教学能力，将课本上枯燥的理论变成有灵魂的知识。

5 结束语

对专业学位研究生课程开展案例库建设，学生能够基于案例内容和相关问题展开平等对话与交流互动，引导学生尽快将知识性的理论转化为自己的能力，使其对工程实践的复杂性、多样性有更为深刻的理解和体会，提高了学生的学习热情，使学生将来面对各种复杂工程问题时，能够有正确的思想方法和解决问题的途径，实践能力和创新精神也在此过程中得到同步提升。