优化设计方法的说课设计

秦建华 张烈平 李海侠 易怀安

摘 要：说课是提高教师教学水平的有效方式。本文从说目标、说内容、说对象以及教学设计等方面对《先进制造技术》课程中的“优化设计方法”进行说课设计，这为机械专业课程的说课设计和课堂实施提供了参考。

关键词：说课设计;先进制造技术;优化设计方法

中图分类号：G642 文献标识码：A

说课是提高教师教学水平的有效方式。说课就是要讲清楚“教什么、怎么教、为什么这么教”。[1-2]通过说课可以有效的提高教师的备课质量和课堂教学能力。

《先进制造技术》[3]通常是机械工程专业高年级本科生或研究生开设的一门综合专业选修课，通过该课程的学习，学生能够对一些典型先进制造技术的基本概念、基本原理和关键技术有一个全面的了解和掌握。为此，本文节选了《先进制造技术》中“现代设计方法—优化设计方法”作为说课[4]课例，从说目标、说内容、说对象以及教学环节过程等方面进行了说课设计。

一、说目标

说目标主要围绕课程教学大纲，课程特点，学生实际来确定知识与技能、能力培养、素质养成等教学目标，具体如下：

教学大纲：根据机械专业人才培养目标，本课程的内容力求能够反应今年国内外先进制造技术的最新发展，旨在使学生对一些典型先进制造技术的基本概念、基本原理和关键技术有一个全面的了解和掌握，并配合工程实际案例，强化学生的先进制造技术应用能力和解决问题的能力。

课程特点：根据机械专业人才培养目标，本课程偏重内容的前沿性、交叉性和综合性;注重工程实际应用;力求知识体系的系统性和完整性。

学生实际：本课程的教学对象主要为机械工程专业高年级本科生或研究生。通过前期的专业基础学习，具备了一定的机械制造设计、机械自动化、计算机等相关知识基础，对典型机械和零部件的构造、尺寸、大小等具备一定的计算和分析能力。但部分学生因机械专业知识相对枯燥而导致积极性不足，同时其工程设计的实践经验有待进一步提升。

根据以上分析，本说课的教学目标可设定为：在知识与技能方面，使学生掌握优化设计数学模型的建模方法和规格化处理方法，掌握产品优化设计步骤及工程应用;在能力培养方面：培养学生的逻辑推理和分析能力、技术应用能力和创新能力;在素质养成方面，注重发展学生个性、团结协作精神和相互学习意识。

二、说内容

说内容主要从课例的选择、教学内容的处理、重点和难点等方面进行相关设计，具体如下：

（一）课例的选择

先进制造技术课程的知识结构主要为传统制造技术+电子、信息、材料、能源、管理等技术，其课程知识体系按章节脉络划分，依次分为：现代设计技术、先进制造工艺技术、加工自动化技术、现代生产管理技术、先进制造生产模式。其中现代设计技术是后续章节的基础，也是本课程的重点和难点，因此，本文将现代设计技术中的优化设计方法作为课例来进行说课设计。

通过优化设计方法课例的说课设计与实施，能够在学生初步了解机械产品设计过程的基础上，进一步学习机械产品设计的关键技术——优化设计方法，进而引导学生掌握优化设计数学模型的建模步骤和技术特点，使学生了解现代设计技术对产品设计的指导作用。

（二）教学内容的处理

首先，设计问题的导入。在教学内容上，增加将优化设计应用到工程设计中的成功应用案例，激发学生的学习积极性。

其次，优化设计的数学模型。在教学内容上，引入一个典型而简单的优化设计例子，穿插在内容讲解过程中，使学生对指导学生将抽象的问题具体化;加入系列提问，引入新问题、新悬念，由浅到深地、循序推进、培养学生的空间想象能力。

再次，优化方法的分类。在教学内容上，对部分内容进行迁移，将基于数学模型三要素的优化方法分类的内容穿插到上部分内容讲解中，使学生将抽象的分类具体化;对基于求解方法的优化方法分类的部分内容，利用直观的图表进行直观教学。

最后，优化设计的基本步骤。在教学内容上，引入典型机械产品优化问题的具体设计过程例子，结合优化设计的流程图，通过实际应用进行讲解说明。

（三）重点和难点

本说课的重点包括：数学模型三要素及确立，优化计算方法的选择和优化设计的基本步骤。其主要依据为：数学模型建立的关键是数学模型三要素的确立;优化计算方法的选择能够锻炼学生的逻辑推理和分析能力;优化设计的基本步骤能够培育学生的技术应用能力和创新能力。

本说课的难点包括：设计变量的选择;目标函数的确定;约束方程的建立。其主要依据为：所述難点内容涉及理论力学、材料力学、机械原理等相关基础知识，变化较为复杂、综合性较强，对学生的理论基础要求较高。

三、教学对象

说课的教学对象主要机械工程专业高年级本科生或研究生，其通过对本课程的前期学习，已对现代设计技术的内涵和体系具有了一定的认识;对生活、生产中的产品设计流程有较明确的认识。但学生对现代设计技术的实践过程应用仍不是很熟悉，要引用相关例子较为困难，同时机械专业知识相对枯燥，导致部分学生的学习积极性不够，缺乏产品设计实践经验。

为此，可在说课内容中增加一些基础知识的讲解，有重点地加入一些图表说明，同时采用课堂讨论、问题提问等多种教学方法进行说课。

四、教学环节

本课程的教学方法主要包括讲授法、案例教学法、讨论法、总结归纳法等，具体运用（结合教学环节过程来说明）如下：

第一阶段：组织教学，引入课题（时间：5分钟）。

设计思路：复习前期课程内容：产品设计的流程;结合图片，介绍优化设计的成功应用案例，分析这些产品的设计流程和关键问题，引出优化设计问题。

运用的方法：案例教学法。

第二阶段：新课教学（时间：25分钟）。设计思路：

（一）优化设计的数学模型

1.优化设计变量

案例①柴油机变速箱的优化设计例子（机械图例）

讲解：优化设计变量的选择及维度。

问：三个设计变量可以建立多少方程？

解答：三个。

讲解：说明变量的维度的影响及在优化设计变量基础上的优化方法分类

选择依据机械图例进行。

回归案例①，提出思考：变量与设计目标怎样联系的呢？引出第（2）个内容。

2.目标函数

问：案例①要进行优化，有哪些可以优化？

讲解：优化目标的评价函数的建立;

问：目标函数的极大值问题与极小值问题是否可以转化？

思考：转化的条件是什么？

讲解：比较单目标和多目标优化方法的联系与特点，并讲解在目标函数基础上的优化方法分类。

3.约束条件

回归案例①，介绍设计约束的定义，表现形式，引出设计空间的范围划分。

4.数学模型的规格化

回归案例①，课堂讨论：案例中涉及的量和单位有多少？

讲解：规格化的常用方法及作用。

（二）优化方法的分类

给出“常用优化计算方法及特点”的图表。

讲解：优化计算方法的各自特点及选择。

提问：案例①选择什么算法较为合适？

（三）优化设计的基本步骤

给出“常用优化计算方法及特点”的流程图。

讲解：结合案例①，说明优化设计的基本步骤。

运用的方法：讲授法、讨论法和案例教学法。

第三阶段：实践运用（（时间：10分钟））。

设计思路：学生掌握新知识后，再设计一个具体的优化问题，以小组为单位，制定比赛规则后，自行将优化设计应用的实例中，让学生体验团结协作的力量，以比赛的方式，使同学们的高兴点再次掀起高潮，不知不觉中得到了知识的巩固。

运用的方法：讨论法

第四个阶段：归纳总结（（时间：5分钟）

设计思路：在这个环节中，可请同学们对这节课谈谈自己的收获，其目的在于让同学们回顾教学过程，对知识进行系统化的梳理，加深对本课重难点的理解。同时给学生制造学习的期待心理，激发他们下阶段的学习热情。

运用的方法：总结归纳法。

五、结语

说课是将教案转化为实践教学活动的重要演练环节。积极开展说课设计能够有效的提升教师的课堂教学能力，这对进一步推动高校大学生人才培养事业的发展具有重要的实践意义。

參考文献：

[1]陈宏伟，沈群书，高飞.说课及说课方法浅析[J].科技资讯，2016，14（34）：163+165.

[2]亓玉娴，郭建莲，胡家会.说课内容的逻辑性与艺术性[J].基础教育研究，2019（01）：34-35.

[3]王隆太.先进制造技术[M].机械工业出版社，2003.

[4]秦建华，陈静，黄婷婷.机械专业网络课程建设的问题及对策[J].高教学刊，2017（06）：60-61+63.

[5]陈玲萍，王潇，范冬英，等.《工程制图》“组合体读图”说课设计[J].课程教育研究，2017（43）：227.

[6]岳勇，谢建华，马卫彬.“机械设计”课程说课内容设计与实践——以新疆农业大学机械设计制造及其自动化专业为例[J].创新与创业教育，2016，7（03）：119-121.

[7]罗春晓.浅析说课设计—以《管道的转动焊接》为例[J].科技经济导刊，2019，27（02）：162.

基金项目：2018年度广西高等教育本科教学改革工程项目“基于适时教学的机械专业课程混合式教学模式改革与实践”（2018JGA183）;2019年广西学位与研究生教育改革课题“人工智能课程案例库建设与应用实践研究”（JGY2019092）;2018年度桂林理工大学创新创业教育理论与实践专项研究项目“大学生机器人创新实践能力提升研究”（GUT2018CY04）;2017年度桂林理工大学高等教育本科教学改革工程项目“基于JITT的机电专业课程教学模式改革研究与实践”（2017B20）

作者简介：秦建华（1979-），男，广西桂林人，博士，副教授，主要从事机械电子工程、信息检测及处理等方向的教学科研工作。