关于《机械优化设计》教学的实施与思考

王静　孟广耀

摘要：《机械优化设计》是机械设计制造类本科专业的专业基础课，是数学规划与计算机技术高度结合的学科。本文论述了将机械设计类课程相结合的必要性和在实际教学中课程设计的实施与效果，并讨论了《机械优化设计》课程的重要性。

关键词：《机械优化设计》；课程设计；《机械设计》课程体系

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）08-0212-02

一、国内教学现状

《机械优化设计》是机械设计制造类本科专业的专业基础课，是数学规划与计算机技术高度结合的学科。本课程通常以理论教学为主，涉及的数学知识与优化算法较多，其内容理论性强，又很抽象，不易理解，导致学生学习该课程的热情普遍不高。江苏大学是国内较早开始《机械优化设计》课程的学校之一。马履中等[1]在教学改革中，将教材内容不断更新、注意优化软件建设，不断更新和自编新的优化软件，注意教学手段的改革，积极推行多媒体教学及双语教学；注意收集学生的优秀作业、应用实例、优化软件。长江大学汪建华等[2]重视对学生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，重视对学生的技术应用能力的培养。教学中引入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上，优化方法的选择，以及Matlab优化工具箱中优化函数的使用上，使学生既学到了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。河南工业大学武照云等[3]加大实验环节的学时安排（10学时左右为宜），开发基于Matlab的算法程序库，运用面向对象的程序语言Visual Basic进行软件开发，采用算法可视化技术。何亚银[4]开展课堂板书、多媒体教学和网络教学相结合的授课方式，将《机械优化设计》与C语言相结合，通过C语言编程来实现相关算法。目前国内外的机械工程教育向着复合型人才和工程应用能力培养的趋势发展，学生不仅需要有坚实的数理科学知识，同时需要工程实践方面的训练，强调理解知识、掌握学习的方法、培养独立分析与解决工程实践问题的能力。机械设计类现行的且已延续了几十年的教学方式中，《机械原理》、《机械设计》的课程及课程设计四个教学环节孤立地完成，教学内容不连贯，学生接受《机械设计》的有关知识和技能缺乏系统性。传统的机械产品开发方法中，其设计、制造及检测环节相互獨立，严重脱节，须反复进行产品样机的试制—检测—修改设计。即使这样，一些严重的结构缺陷及设计原理、基本参数的错误在设计阶段也往往不能及时被发现，有的到了产品开发的后期或正式生产时甚至在投入使用一段时间后才发现，有时产品还不得不返回到设计构造阶段以便进行必要的设计变更。这样的产品开发程序效率低，浪费了大量时间、人力和资金。目前，《机械优化设计》的教学方法仍然有很多值得探索的地方。如何提高学生的学习积极性，摆脱传统的以讲授数学原理为主的教学方法，对本课程的教学内容、教学模式、教学手段进行改革，已经势在必行。

二、我校开展《机械优化设计》的实践与总结

本课程所依托的《机械设计》课程为山东省精品课程，所在教学团队为省级团队。长期以来，青岛理工大学机械工程学院《机械设计》教研室在林晨老师和杨志强老师的领导和带动下，具有良好的教学研究基础和传统。《机械优化设计》课程教学的顺利执行，必需与《机械原理》和《机械设计》课程相结合。为了推进该课程的教学，我们在《机械原理》课程的教学中即引进优化设计的理论，即在平面连杆机构设计这部分教学时，初步讲授优化设计理论。2012年我们选用了清华大学出版社出版、李万祥老师主编的《工程优化设计与MATLAB实现》[5]这本书，笔者和同学普遍感觉挺好。该书的优点在于对应每一个算法，都附有相应的MATLAB程序。学生可以在掌握算法的基本知识点以后，利用这些程序上机操作。MATLAB语言简洁，代码灵活，具有极其丰富的库函数资源，并且对代码的书写形式没有很严格的限制，同时利用丰富的库函数简化了子程序的编写任务；具有功能强大的图形功能，可以将计算结果生成图形或进行运动仿真。传统教材仅介绍算法。程序需要学生自己编写。这对于我们仅有32学时的选修课来说，要求学生编写简单的程序是可能的，但是要书写较长的、本身就比较复杂的算法是不容易的。笔者长期从事数值模拟工作，在实践中发现，教给学生掌握编程技术最简单高效的方法，就是给学生现成的程序，然后在其基础上进行修改。在上课过程中，采用多媒体教学方法，并安排4～6学时的上机学时。在教学过程中，为了让同学对优化设计方法的应用有更深的认识，要求学生对机械产品的优化设计情况、先进的优化设计方法等方面进行调研，并通过图书馆“维普数据库”查阅文献资料，书写读书报告。课程进行过程中，结合平行进行的《机械设计》课程的内容，让同学们进行轴和带传动的优化设计等计算。在课程结束时，结合平行进行的减速器的课程设计，要求同学使用优化理论对减速器进行设计。同学们最开始都觉得比较难，经任课教师答疑，他们最终调试好程序，计算出优化后的结果，同学们普遍有豁然开朗之感。根据以上的教学思想，这样就可以简单方便地把《机械原理》、《机械设计》和《机械优化设计》这三门课程有序地结合起来。

三、思考

数学语言描述了机械工程中的各类现象，所以《机械优化设计》这门课给出了各种数值计算方法及相关数学模型。但学生在学习课本前面的数值方法时往往容易糊涂。所以我们在讲授这门课时，必须先提出工程实际问题，然后再根据实际问题提炼出数学模型，再进行求解。这门课的理念，应该不只局限于机械产品的优化设计本身。优化设计的教学目的并非只是教给学生如何建立数学模型，甚至是如何编程并上机，最终的目的应是为了解决实际工程问题，并在生活和工作中贯彻优化设计的理念，给生活和工作提供方便。优化设计的理念在《机械设计》中可以应用到各个方面，并且和其他先进设计方法如摩擦学设计、可靠性设计、系统设计相结合。比如，能源短缺问题已成为世界各国密切关注的重要问题。我国的能源形势十分紧张，能源供需矛盾突出。受技术水平制约，我国许多能耗设备效率较低，在能源紧张的同时还存在着比较严重的浪费现象。因此，节能是我国国民经济发展中的长期战略任务。那么如何能够设计出节能的机械，哪怕只节省1%，那么节省的能源数量也是惊人的。教学的目的是为了工程实际应用，而不是与工程实际脱节。所以在接下来的教学过程中，笔者设想，应该增加与工厂生产实际相关联的设计题目。而且作为教研室的教学储备，打算以本科生毕业设计的形式做一些优化设计的工程题目。这个难度要求虽然更高，但比较有意义。

参考文献：

[1]马履中，杨启志，尹小琴，等.“机械优化设计”课程教学改革[J].江苏大学学报，2003，25（4）：95-97.

[2]汪建华.袁新梅.《机械优化设计》课程教学改革与探索[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（10）：119-121.

[3]武照云，刘晓霞，刘楠皤，李丽.《机械优化设计》课程教学研究与改革[J].机械管理开发，2011，（1）：190-191.

[4]何亚银.《机械优化设计》课程教学研究与实践[J].机械管理开发，2009，24（2）：148-149.

[5]李万祥.工程优化设计与MATLAB实现[M].北京：清华大学出版社，2011.