張珂

摘要：培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才創(chuàng)新能力的基本思想，針對《優(yōu)化設(shè)計》課程教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化重組、教學(xué)方法的改革和考核形式等改革進(jìn)行了探索與實踐，使學(xué)生在學(xué)習(xí)優(yōu)化思想與理論方法的基礎(chǔ)上，著重把握實際問題用優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而選擇合理優(yōu)化方法和工具進(jìn)行模型求解，較好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與解決工程實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：《優(yōu)化設(shè)計》課程 教學(xué)改革 實踐

一、優(yōu)化設(shè)計課程的特點

優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計方法的重要分支，優(yōu)化設(shè)計課程主要是將最優(yōu)化理論作為重要的基礎(chǔ)，將計算機(jī)作為主要的工具，把優(yōu)化設(shè)計的方法在機(jī)械設(shè)計中加以應(yīng)用。其構(gòu)成主要分為理論和實踐兩個重要環(huán)節(jié)，理論性相對較強(qiáng)，對高等數(shù)學(xué)的一些知識涉及較多。

二、課程教學(xué)存在的問題

（1）在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，目前優(yōu)化設(shè)計教材內(nèi)容中比較重視理論分析，在實踐應(yīng)用方面沒有充分重視，所提供的工程案例比較缺乏，即使有工程案例，其結(jié)果也缺乏完整和具體性。

（2）基本優(yōu)化方法具有較強(qiáng)的理論性和抽象性，一直是優(yōu)化設(shè)計課程的重點和難點。多數(shù)學(xué)生由于無法看到或想象算法的執(zhí)行過程與數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，感到復(fù)雜和困惑。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教師只能使用黑板及演示文稿，借助大量表格、框圖、以及描述算法的程序清單來表現(xiàn)算法的實現(xiàn)過程，以表現(xiàn)算法執(zhí)行的動態(tài)過程，這不但繁瑣，也不利于學(xué)生的直觀理解。

（3）優(yōu)化設(shè)計課程的工程實踐環(huán)節(jié)相對薄弱，由于課時較少的原因，一般的上機(jī)實驗的主要內(nèi)容是要求學(xué)生通過計算機(jī)程序語言，對一維優(yōu)化方法、多維無約束優(yōu)化方法和約束優(yōu)化方法等編程運行完成。這個過程雖然可以熟悉優(yōu)化方法的執(zhí)行過程，但由于缺乏工程應(yīng)用對象，對應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)有較大的限制。

（4）課程教學(xué)中還主要采用教師講授式的教學(xué)方法，對理論知識的講解以及推導(dǎo)公式的分析等學(xué)生都是被動的接受知識，機(jī)械的模仿，這就對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的發(fā)揮有著制約，很難培養(yǎng)出高素質(zhì)的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

三、教學(xué)改革方法與措施

1.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

（1）數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（如方向?qū)?shù)、梯度、極值條件、凸函數(shù)、泰勒級數(shù)展開、等高線、矩陣、二次型、正定、負(fù)定、共軛）；（2）優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件的建立；（3）優(yōu)化方法法（一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、約束優(yōu)化方法等）；（4）先進(jìn)優(yōu)化方法（遺傳算法、蟻群算法等）；（5）優(yōu)化設(shè)計工程實例。其中優(yōu)化方法是重點，對多目標(biāo)優(yōu)化理論和先進(jìn)優(yōu)化方法內(nèi)容，只做概述性的講解，以拓寬學(xué)生的知識面。教學(xué)內(nèi)容經(jīng)精選優(yōu)化，充分地體現(xiàn)了基礎(chǔ)性、先進(jìn)性和前沿性。

2.可視化教學(xué)軟件的開發(fā)

為了提高優(yōu)化過程的學(xué)習(xí)效果，針對常用優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)可視化教學(xué)軟件。該軟件以課程中的常用優(yōu)化設(shè)計算法為對象，開發(fā)基于Matlab的算法程序庫，采用Matlab算法可視化技術(shù)，將算法的執(zhí)行過程實時地用圖形和動畫方式演示出來，使枯燥乏味的算法流程以形象、生動、直觀的方式展現(xiàn)出來，以幫助學(xué)生深入理解并掌握優(yōu)化算法，可明顯改善課程的教學(xué)效果。

3.研討課堂的開設(shè)

創(chuàng)新設(shè)計能力包含應(yīng)具有良好的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新理念、敏銳的創(chuàng)新思維、基本的創(chuàng)新技能和優(yōu)秀的創(chuàng)新人格。研討課有效地探索了研究型、合作式、自助性的課堂教學(xué)模式，體現(xiàn)了“學(xué)思結(jié)合、因材施教、分類培養(yǎng)”的教育思想。目前在優(yōu)化設(shè)計課程中開設(shè)4節(jié)研討課，教學(xué)效果顯著。

4.問題驅(qū)動啟動式教學(xué)方法

針對機(jī)械設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計實踐性均較強(qiáng)的特點，注重問題啟發(fā)教學(xué)內(nèi)容的精選和問題的設(shè)計，著重講清工程設(shè)計案例問題是什么、工程優(yōu)化設(shè)計案例問題的背景是什么 、工程優(yōu)化設(shè)計案例問題的性質(zhì)是什么、工程優(yōu)化設(shè)計案例問題的解決方法是什么等內(nèi)容。使所學(xué)的知識更加具體，并給學(xué)生留有一定的思維空間，活躍學(xué)生的創(chuàng)新思想。

5.案例式教學(xué)方法

案例的呈現(xiàn)放在理論知識介紹之前，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓他們帶著問題去主動學(xué)習(xí)各種優(yōu)化方法。引導(dǎo)學(xué)生分析、理解案例包含的優(yōu)化設(shè)計知識點。鼓勵學(xué)生自己編程求得優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比。

6.加強(qiáng)實驗教學(xué)

（1）優(yōu)化設(shè)計課程的實驗環(huán)節(jié)主要是上機(jī)實驗。通過上機(jī)實驗可使學(xué)生鞏固和加深對所學(xué)內(nèi)容的理解，能夠分析并掌握優(yōu)化設(shè)計的一些基本方法，能夠編寫并調(diào)試簡單的優(yōu)化程序，或選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法解決簡單的工程問題，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)應(yīng)用能力的核心環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)學(xué)時的安排應(yīng)適當(dāng)加大（8～10學(xué)時左右為宜）。

（2）精心組織實驗內(nèi)容，知識深度循序漸進(jìn)，由簡單的一維優(yōu)化方法編程開始，逐步擴(kuò)展到復(fù)雜的懲罰函數(shù)法。

（3）Matlab是主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，語法簡單，功能強(qiáng)大。要求學(xué)生運用Matlab編程來實現(xiàn)相關(guān)優(yōu)化算法，不但可以提高學(xué)習(xí)興趣，又有利于學(xué)生掌握實用的編程技術(shù)。

（4）由于機(jī)械專業(yè)的學(xué)生在編程方面的能力普遍不高，所以教師可適當(dāng)講解編程和調(diào)試的方法，以幫助學(xué)生更好地完成實驗內(nèi)容；要求學(xué)生認(rèn)真調(diào)試編制好的程序，觀察不同的初始參數(shù)對計算結(jié)果有何影響（如初始點的選取、搜索步長的選擇等）。

7.改革考核方式

（1）擴(kuò)大平時成績占比為40%（一般為30%），上機(jī)實驗成績占考核成績20%，研討課成績占考核成績 10%，平時成績占考核成績 10%（出勤，平時表現(xiàn)和作業(yè)）。這樣可促使學(xué)生養(yǎng)成學(xué)而時習(xí)之的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（2）研討課與課堂表現(xiàn)成績主要加給在學(xué)習(xí)中能積極回答問題，思考問題的學(xué)生。實驗成績根據(jù)實驗室編程情況和實驗報告內(nèi)容綜合評定，這樣能培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗態(tài)度。卷面考試由概念題、建模題、計算題和程序題構(gòu)成，其中程序題的比重一般大于30%。

（3）在考核方式上，由以前的閉卷考試改為半開卷的考試方式。在考前給學(xué)生發(fā)一張A4草稿紙，允許學(xué)生把自己認(rèn)為對考試比較重要的公式、例題等內(nèi)容寫上，可以帶到考場。這樣，學(xué)生就不會認(rèn)為考試就是考公式、考計算，學(xué)習(xí)的重點就自然轉(zhuǎn)移到應(yīng)用能力上。

四、結(jié)語

教學(xué)實踐表明，通過上述的教學(xué)改革，對增強(qiáng)教學(xué)效果，提高教育質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)改革等方面產(chǎn)生了良好的作用，使學(xué)生對優(yōu)化設(shè)計有了比較深刻理解，并能熟練掌握優(yōu)化數(shù)值迭代法的基本原理，優(yōu)化設(shè)計思想理解、優(yōu)化建模和編程能力等得到明顯提高。在今后的教學(xué)過程中，我們?nèi)詫⒗^續(xù)在教學(xué)實踐中進(jìn)行教學(xué)研究、改革和實踐，不斷積累，不斷創(chuàng)新，不斷完善教學(xué)過程，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪建華，袁新梅.《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程教學(xué)改革與探索.長江大學(xué)學(xué)報，2011，（10）：119-121.

[2]武照云，劉曉霞，劉楠嶓，李麗.《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程教學(xué)研究與改革.機(jī)械管理開發(fā)，2011，（01）：190-191.

[3]禹翼.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)改革探析.高等教育，2015，（07）：105.

[4]李聚波，賈新杰，邱明.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)探索與實踐.科技資訊，2015，（35）：211-213.