《机械优化设计》课程教学改革与探索

（长江大学机械工程学院，湖北 荆州434023）

在应用型本科院校中，《机械优化设计》是机械类高年级本科生一门重要的选修课，但目前 《机械优化设计》课程的教学效果却不理想，主要是如下2个重要原因所致：① 《机械优化设计》课程在教学中常常需要运用大量的数学推导，涉及到较多的数学基础、优化算法及程序设计等综合知识，内容抽象、理论性强，不易理解，学生畏难情绪大，学习热情不高；②由于随着教学改革的不断深入，《机械优化设计》课程教学课时逐渐减少。针对 《机械优化设计》课程教学存在的问题，围绕专业建设和应用型工程技术人才的培养目标，如何对 《机械优化设计》课程进行教学改革，以提高学生的学习兴趣和增强学生的工程实践能力显得尤为重要。为此，笔者结合长江大学机械专业特色及教学实践，就 《机械优化设计》课程的教学内容、教学方法和考核方式等改革进行了探索与实践。

1 教学目标强调 “学以致用”

1.1 《机械优化设计》课程特点

机械优化设计就是把机械设计与优化设计理论及方法相结合，借助电子计算机，自动寻找实现预期目标的最优设计方案和最佳设计参数的一种有效的设计方法[1]，应用机械优化设计方法，不仅能使设计周期大大缩短，计算精度显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优化设计问题。

《机械优化设计》是一门实践性很强的课程，主要包括建立设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与程序设计2方面内容，该课程理论性较强，公式推导多，涉及到较多的高等数学、线性代数、高等矩阵、程序设计语言编程等课程的知识。

1.2 瞄准专业定位，突出学生应用能力培养

不同的学校其办学层次、人才培养目标和人才定位不同[2]，《机械优化设计》课程教学内容的侧重点也相应不同。长江大学是一所综合性省属普通本科院校，机械设计制造及其自动化专业的前身是石油矿场机械专业，专业在人才培养、教学科研活动中与石油工业紧密结合，石油特色鲜明，为石油工业培养工程技术应用型本科人才是本专业的基本定位。应用型本科的特点是培养应用型人才，重视知识应用能力和实际操作能力的培养，以适应社会需要为目标，着重 “应用”二字，以 “应用”为主旨和特征构建教学内容，重视学生的技术应用能力的培养。

长江大学机械设计制造及其自动化专业教学计划安排 《机械优化设计》为大三学生的一门专业选修课，针对 《机械优化设计》教学中理论性强、学生畏难情绪大、学习热情不高、课时逐渐减少等问题，应瞄准应用型专业人才定位的要求，坚持 “理论联系实际、重视工程应用”的思想，突出学生应用能力的培养，引入Matlab优化工具箱，减少学生编程与调试的工作量，将课程教学重点放在数学模型的建立，优化方法的选择，以及Matlab优化工具箱中优化函数的使用上，使学生既学到优化的思想与理论方法，又能够把实际决策问题用数学建模的方法转化为优化模型，进而选择、利用优化方法和工具进行模型求解，提高学生学习兴趣，提高学生解决实际问题的能力。

2 教学内容侧重理论与实践结合

2.1 强化实践环节，增加上机实践比重

《机械优化设计》原课程总学时为40学时，现课程总学时为30学时。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 《机械优化设计》课程的理论教学学时缩短，强化学生上机实践环节，为学生上机学习Matlab优化工具箱分出一些学时，确定为理论学时16个，上机实践学时14个。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）；上机实践环节主要结合机械优化设计实例及上机操作学习如何以计算机为工具，以当前比较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问题的过程。学生可以通过实践加深对机械最优化设计的基本理论与方法的理解，学会如何将机械设计问题转化为最优化设计问题，并合理建立机械优化设计数学模型，选用恰当的优化方法求解机械优化设计问题，对结果进行分析，了解特殊数学模型如线性规划、二次规划、几何规划、动态规划求解的基本理论与方法，最终达到独立解决工程实际中机械优化设计问题的目的。

2.2 优化教学内容，理论与应用知识并举

《机械优化设计》包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法及程序3方面的内容[3]。在授课过程中以 “应用是优化设计的精髓，优化设计方法选择是教学的主题，优化设计方法的应用技巧是教学的重点”为原则，注重学以致用，对教学内容进行优化，即从重视应用的角度出发，对章节内容进行合理地调整，将繁琐的公式推导、分析和计算等内容压缩，并增加Matlab语言基础知识和其优化工具箱的应用。如对优化的数学基础(方向导数、梯度、极值存在条件等）只要求学生掌握最基本的概念，简化优化方法(一维搜索、无约束优化方法、有约束优化方法）计算公式的推导过程及算法的程序框图；在理论教学中增加Matlab语言基础知识和其优化工具箱的内容，使学生掌握Matlab基础知识、Matlab优化工具箱常用的优化函数，并初步具有选择合适的优化函数、编制Matlab程序等将优化函数应用于解决机械设计优化问题的方法，这样有助于学生将学习重点放在数学模型的建立、优化方法的选择以及Matlab优化工具箱中优化函数的使用上，从而培养学生能灵活应用优化设计方法解决实际工程问题的能力。

2.3 结合石油特色，丰富优化设计实例

在传统教学过程中，授课教师侧重于定理、公式的证明、推导以及计算，结合专业特色的工程实例的情况比较少。如果在 《机械优化设计》课堂教学中注重结合专业特色工程应用实例进行介绍，既能体现优化设计方法的使用价值和意义，又能更好地激发学生的学习欲望和兴趣。笔者注重结合我校机械专业特色，把具有石油机械工程应用背景的实例有机地融入教学过程，丰富机械优化设计实例。比如，抽油机运动学优化设计及动力学优化设计、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实际问题，将Matlab优化工具箱函数应用于石油工程的优化设计中。

为了提高学生理论与实践结合的能力，在讲授理论课的过程中穿插布置相应的上机实践任务。如讲完有约束优化方法及相应Matlab优化函数fmincon后，可布置曲柄摇杆机构的优化设计、齿轮泵的优化设计、抽油机优化设计等工程实际问题，让学生课后建模，应用Matlab优化函数fmincon求解，从而提高了学生的学习兴趣及分析问题、解决问题的能力，从而改善了教学效果。比如，在游梁式抽油机的优化设计[4]的机构尺寸优化部分，可以在抽油机的基本尺寸中选择数个因素作为设计变量，来完成指定尺寸参数的优化，满足不同情况下改造设计的不同需要；平衡重滞后角优化部分，是在机构尺寸优化的结果基础上确定最大曲柄平衡扭矩，同时对平衡重相位角进行优化，以获得最佳的平衡效果；抽油机连杆的优化可以获得最优的抽油机连杆外径和壁厚，以期获得重量最轻、耗材最少的连杆，提高抽油效率和可靠性。

2.4 注重新知识的引入

随着计算机技术的发展，在 《机械优化设计》课程授课中要注重新知识的引入，坚持与时俱进，关注现代优化方法。比如把在机械优化设计中应用日益增多的计算机辅助工程分析(Computer Aided Engineering）知识引入课堂，简要介绍计算机辅助工程分析软件(如ANSYS优化设计模块等）的应用，适当介绍模拟退火算法、遗传算法、人工神经网络算法、蚁群优化算法等现代优化方法的内容，强调这些方法具有解决普通算法难以解决的不连续、多峰、高维、具有凹凸性等优化问题的特点，丰富学生知识结构，扩大学生的视野。

3 教学形式融合课内与课外

“教、学、做”融一体的教学模式特别适合于需要较强逻辑思维，而在传统讲授方法难以让学生接受的课程内容。在 《机械优化设计》课中教师在讲清了数学基础、基本概念、基本优化方法及常用函数之后，就安排学生上机实践，巩固理论知识，提高学生解决问题的能力。课内教学过程中注重问题探究型教学、讨论式教学和案例教学等教学方法的应用，充分调动学生自主学习的积极性，然后学生在课外时间主动学习，扩展自己的知识范围。教学形式上课内课外的有机融合，使学生更好地领会机械优化设计解决问题的思路，分析并完成教师提出的综合性问题或者讨论题，最终找到解决问题的办法，从而进一步提高学生的学习热情和学习效果，形成教学过程的良性循环。

4 考核方式兼顾过程与结果

《机械优化设计》课程考核方式突出对学生综合应用能力的考核，采取 “理论考核＋上机实践”的形式，采用百分制记分法，成绩评定按平时成绩占20%，理论考核成绩占40%，上机实践成绩占40%的比例，在期末进行综合评定。平时成绩包括了到课率、平日的学习状况、作业等多方面进行全面考核；理论考核突破闭卷考试的局限，摒弃了套公式计算的考核目标，实行开卷考试，增强学生学习的自信心和主动性，加大对学生理解与应用能力的考核力度，从而提高教学质量；上机实践内容突破理论考核局限，把机械优化设计的数学基础与现代计算方法相结合，采用分组安排形式，5人一组，每组4个题目，内容包括线性规划、二次规划、无约束优化等问题和非线性规划的综合应用题，上机实践考核过程贯穿于教学全过程，主要突出学生的运用理论知识解决实际问题的能力和综合应用能力。《机械优化设计》课程的考核方式兼顾了过程与结果，使成绩的评定更趋合理，起到了良好的激励作用及教学反馈作用。

[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]林雪燕 .从应用型本科教育看应用型创新人才培养 [J].集美大学学报，2011（1）：83-85.

[3]武照云，刘晓霞，刘楠嶓，等 .《机械优化设计》课程教学研究与改革 [J].机械管理开发，2011，（2）：190-191.

[4]俞庆，李仁兴 .基于Matlab技术的后置型游梁式抽油机优化设计 [J].装备制造技术，2010（2）：69-73.