“纺织最优化设计与分析”研究生示范课程的建设与实践

2018-04-03姚桂芬陈振宏

纺织服装教育 2018年5期

张威，姚桂芬，陈振宏，石宝

(河北科技大学纺织服装学院,河北石家庄 050018)

一、 “纺织最优化设计与分析”课程简介

“纺织最优化设计与分析”是我校(河北科技大学)纺织工程专业硕士研究生的一门学位课及校级研究生示范课程。该课程旨在培养学生利用数学知识结合Matlab等应用软件解决纺织生产实际问题的能力。包括采用试验方法解决纺织新原料应用、新产品开发、新工艺应用等问题，以最少的试验次数获得尽可能多的关于研究对象的信息；在工程参数变化范围内，建立各可控影响因素与所关注指标间高精度回归方程；通过对优化对象各指标间的科学协调与折中，达到指标的总体优化；采用灰色聚类分析方法对纺织品性能进行综合评价，以确定最优的工艺组合。该课程对培养理论知识扎实、创新及实践能力强的纺织工程专业高级技术人才具有重要意义[1-3]。

“纺织最优化设计与分析”是在我校纺织科学与工程学术型研究生同名课程的基础上调整相关内容而设定的。授课之初，我们发现偏重理论的课程内容及单一的授课方式不适合纺织工程专业硕士研究生的培养。针对专业学位研究生要着重培养面向生产实际、具备较强的分析和解决实际问题能力的要求，我们借鉴兄弟院校经验，与学生和企业进行了广泛的沟通和交流，积极探索提高“纺织最优化设计与分析”课程教学效果的有效途径，通过采取优化课程设置、采用多种教学方式、共建校外专业学位研究生工作站以及改革课程考核方式等措施，取得了较好的教学效果。

二、 “纺织最优化设计与分析”课程的建设与实践

1. 优化课程设置，培养学生的理论素养

针对纺织行业对高水平工程技术人才的要求，“纺织最优化设计与分析”课程设置了工程试验设计、工程参数的最优化设计、灰色聚类分析三部分内容[4]，为学生能开展纺织工艺设计与优化等方面的工作打下坚实的理论基础。

(1) 工程试验设计。在工程实践中常需要通过有限次数的试验所反映的局部信息来推断研究对象质量指标或产量指标的整体特征，因此，合理选择试验方案在纺织工艺设计与优化中占有重要地位，是解决问题的基础。工程试验设计就是根据实际需要，合理设计试验方案，实现以尽可能少的试验次数获得尽可能全面、准确反映实际情况的具有随机性、正态分布性、方差一致性等特性的试验数据，以保证以后的统计分析工作的正确性和有效性。课程设置的“试验数据的处理”包括数据的独立性、异常值、正态分布性以及等方差性的检验，为以后的统计分析工作提供合理有效的试验数据；“线性回归和多项式回归”是依托试验数据建立所关注指标与各影响因素间呈线性和多项式关系的数学表达式，并对其显著性进行检验，以得到高精度的回归方程；为提高回归分析的效率，又设置了“正交多项式”的相关内容；为了在研究和生产实践中能科学合理地安排试验，课程设置了“回归正交设计”和“回归旋转设计”等内容。

(2) 工程参数的最优化设计。最优化设计将优化设计的思想与计算机技术有机结合，是将原料选配、加工工艺与设备以及产品性能等复杂设计问题的物理模型转换为数学模型，再采用数值分析的方法，在一定的技术和物质条件下，从众多的方案中找到尽可能完善或最适宜的设计方案。这不仅可以降低材料的消耗和制造成本，而且可以提高产品的加工性能和质量，从而提高设计效率和质量。课程设置的“最优化数学模型的建立”，通过选取设计变量、设计试验方案、建立目标函数和给定约束条件构造最优化设计的数学模型；设置了求解单变量、多变量目标函数极小值及其评价准则和选用方法的“无约束问题和约束问题的最优化方法”；“多目标函数的最优化方法”则是通过统一目标法、主要目标法、协调曲线法等，解决希望同时几项设计指标都达到最优值的问题。

(3) 灰色聚类分析。生产实践中有时限于条件，试验结果有限或不成体系，不能按照最优化设计的要求得到高精度的回归方程和实现多目标的优选，这就需要采用灰色聚类分析的方法寻求使产品综合性能达到最优的工艺组合。灰色聚类分析以部分信息已知、部分信息未知的小样本、贫信息的不确定系统为研究对象，通过对部分已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对产品综合性能的正确认识和有效控制。纺织生产中有很多问题，诸如产品性能的综合评价等都可以看成这种不确定系统，因此，这一理论在纺织领域具有十分广阔的应用前景。课程介绍了灰色聚类分析的原理及适用条件，灰色聚类分析的关联聚类、变权聚类、定权聚类三种类型，以及灰色聚类分析的数学方法等内容。

2. 采用多种教学方式，改善授课效果

(1) 案例教学。“纺织最优化设计与分析”课程包括数据分析与处理、正交试验设计、回归分析、灰色聚类分析等数学知识，过多的理论讲授不利于学生对相关内容的学习、掌握，以及利用所学知识解决纺织生产的实际问题。因此，我们引入了问题导向的案例教学，将纺织生产和工艺设计中遇到的实际问题，如“细纱强伸性试验数据分析”“苎麻脱胶工艺的回归分析”“转杯纺纱工艺优化与回归旋转设计”“毛涤混纺工艺优化的回归正交设计”“纬编织物热湿舒适性的多元回归分析”“袜子热湿舒适性的综合评价”“混纺比对聚乳酸/棉混纺纱线强力的影响”等，以案例的形式引入到课堂教学中。教师在提示学生思考的方向和分析的逻辑路径后，引导学生利用所学知识来分析和解决纺织工艺设计与优化问题，提高了学生的学习兴趣和参与热情，改善了授课效果，对培养和提高学生利用理论知识解决实际问题的能力具有重要意义。

(2) 翻转课堂。课程的部分内容采用了翻转课堂的教学形式，教师不占用课堂时间讲授课程的基本内容，而是将与课程相关的资料和习题上传到QQ群，学生利用课余时间自主学习，并对知识的掌握程度进行检验，还能在群里与教师和其他同学进行交流。学生带着问题到课堂与同学进行广泛的探讨并提出自己的见解和解决方案，大家进行评议和讨论；教师则为课堂学习的组织者，主要进行共性问题的辅导和解答，或者对有困难的学生提供帮助，从而使学生获得对知识更深层次的理解。采用翻转课堂教学，在多元回归分析以及灰色聚类分析等内容的教学过程中取得了较好的效果。

(3) 专题研讨。在授课过程中设置了专题研讨环节，围绕教师或者学生提出的诸如“羊毛衫起毛起球”等纺织生产中的实际问题，每名学生根据个人的认识和理解在课堂上讲述自己的观点，从原料、纱线结构、织物组织以及后整理多个方面分析问题产生的原因，利用所学知识提出解决方案，并对方案的可行性和效果进行分析和预测。其他学生及教师可以提出不同意见或者建议，经广泛深入讨论后，任课教师总结归纳出解决问题的最合理或最有效的办法，并组织学生课下分组予以实施和验证。这样可以充分发挥每名学生的积极性和创造性，提高了利用最优化设计思想分析和解决纺织生产中实际问题的能力，为以后开展课题研究和从事实际工作打下良好的基础。

3. 共建企业研究生工作站，提高学生的创新和实践能力

我校纺织服装学院先后与邯郸纺织有限公司、石家庄常山纺织股份有限公司共建了河北科技大学企业研究生工作站。在授课过程中安排学生进入工作站，选择与企业实际生产密切相关、亟待解决的技术难题作为学生平时作业的研究课题。任课教师作为学术指导教师，聘请企业既有实践经验又有理论知识的专业技术人员担任研究生的校外指导教师，共同指导进站研究生的课题研究工作。学生利用所学“纺织最优化设计与分析”课程知识，针对生产中发现的问题，结合企业实际情况，合理设计试验方案，在对试验数据进行统计分析的基础上，利用最优化设计和灰色聚类分析等方法得到合理的工艺方案，并在企业予以实施以检验优化的效果。这样学生在完成课题的同时，也帮助企业解决了实际问题，使自己分析和解决实际问题的能力得到提升。例如，一名学生深入研究生工作站，从聚苯硫醚、不锈钢等原纤维材料的性能分析入手，制订和优化纺纱工艺，选择合理的设备类型和织物组织，在对产品性能测试分析的基础上不断优化织造工艺参数，理论与实践紧密结合，协助企业开发了基于聚苯硫醚纤维的复合功能性机织面料，提升了自己的创新和工程实践能力。

4. 改革课程考核方式，准确评价学生的创新应用能力

“纺织最优化设计与分析”课程具有较强的实践性和应用性。闭卷考试只侧重考查学生对数学公式和理论知识的掌握程度，而忽略了对学生利用所学知识分析和解决纺织生产实际问题能力方面的考核。为准确评价教学效果，我们将考核方式由闭卷考试改为开卷考试，试题均来自纺织生产实际，如试验数据的分析与处理、试验方案设计与纺织品性能的回归分析、产品工艺参数的最优化设计以及多目标优选等内容。学生利用所学知识，借助参考资料以及Matlab等计算机应用软件，制订每个问题的解决方案并予以解释和说明。这种注重实际能力的考核方式使学生加深了对所学理论知识的认识和理解，提高了科技创新和解决实际问题的能力。