“優化設計”精品課程建設

摘要：“優化設計”課程是許多工科本科專業普遍開設的一門課程。通過該課程的教學，使學生樹立工程優化設計和優化決策的思想，培養學生的工程設計能力，掌握科學的設計方法。“優化設計”課程精品課程建設對提高“優化設計”課程的教學質量和水平具有重要意義。分析了優化設計課程的特點，從精品課程建設角度出發，提出了教學內容、教學手段和教學方法的改革措施，構建了“優化設計”課程網絡教學平臺，對網絡教學進行教學實踐，討論了教材建設與選用、師資隊伍建設以及實驗教學改革，推進了精品課程的建設。

關鍵詞：優化設計；精品課程；教學內容；教學手段；教學方法；網絡教學環境

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）03-0004-03

優化設計是工程設計中重要的科學設計方法。它將最優化原理與計算機技術應用于設計領域的科學設計方法，已經在各個行業得到廣泛的應用[1]。優化設計理論研究和應用實踐的不斷發展，使傳統設計方法發生了根本的變革，從經驗、感性和類比為主的傳統設計方法過渡到科學、理性和立足于計算分析的現代設計方法，工程設計正在逐步向自動化、集成化和智能化方向發展[2]。國內大多數機械類、工程類本科專業中，大都開設了優化設計課程，學習優化設計的理論和方法，培養分析和解決優化設計問題的初步能力，為將來從事工程設計工作打下一定基礎。為了提高“優化設計”課程的教學質量和水平，昆明理工大學把“優化設計”課程列為校級精品課程進行建設。本文從教學內容、教學手段、教學方法、網絡教學環境、教材建設與選用、師資隊伍建設、實驗教學改革等方面作討論。

一、優化設計課程的特點

優化設計課程的特點是將“基本設計方法”與“優化設計思想”緊密結合，著重介紹優化設計的基本概念、基本原理和基本方法，學習優化設計方法的實用程序和應用，使學生在學習“優化設計方法”的同時，也能夠在計算機上得到實際應用的訓練，進而培養他們的創新能力和科學思維方法。通過優化設計課程的學習，使學生掌握優化設計的基本概念和基本知識，掌握常用優化方法的基本原理和計算方法，熟悉常用工程軟件的優化分析和計算的功能，了解優化設計在工程設計方面的應用。所以，學生應達到下列四個基本要求，一是樹立工程優化設計和優化決策的思想；二是掌握優化設計的基本概念、基本知識和常用方法；三是了解常用工程軟件進行優化分析和計算的功能；四是具有解決工程設計中一般優化設計問題的能力。

二、教學內容改革

優化設計課程的教學內容，應根據專業培養方案，從專業特點和實際需要出發，對教學內容進行精選和組織，突出“基”、“精”、“新”。“基”是圍繞本課程的基本知識和基本理論；“精”是突出重點和難點，精講重點內容，講清各知識點間的相互聯系；“新”是緊跟國內外相關研究前沿，適時補充新內容、新趨勢、新方法，了解和掌握最新研究發展動態，與前沿課題交叉、與工程實際交叉，突出應用，聯系工程實際及其發展。圍繞以上原則，把優化設計課程的教學內容劃分為四大部分進行教學。

1.基礎篇。主要教學內容為優化設計的基本概念、數學模型和數學基礎。（1）優化設計的基本概念。了解傳統設計與優化設計的區別；了解設計參數和設計變量的概念；熟悉目標函數的概念和表達形式。（2）優化設計的數學模型。熟悉優化設計數學模型的一般形式；分析優化設計數學模型的建立方法。優化設計的數學模型是優化設計問題的數學表達形式，它反映了優化設計問題中各個主要因素之間的內在聯系。（3）優化設計的數學基礎。優化設計的幾何意義，多維函數的方向導數等。

2.應用篇。通過優化設計的具體應用實例，來幫助學生理解、體驗優化設計的基本知識和各種優化方法應用，主要教學內容可結合專業特點進行選擇，具體應用實例既包括典型的、具有代表性的應用實例，也提供體現專業特點、結合專業的優化設計應用實例。作為典型的、具有代表性的應用實例大多選擇機械優化設計實例。因為，以優化設計理論為基礎，以計算機為工具，將優化設計方法用于機械設計中，形成了機械優化設計，成為優化設計的典型代表和重要內容。機械優化設計是機械現代設計方法中的重要方法之一。在國內大多數機械類本科專業中，大都開設了機械優化設計課程，為將來從事機械設計工作打下一定基礎。甚至有很多機械類碩士研究生培養方案中也開設有機械優化設計課程，進行更深入的理論學習。具有代表性的機械優化設計實例教學內容可選擇連桿機構的優化設計、鏈傳動優化設計、齒輪傳動優化設計、螺栓組聯接的優化設計、彈簧結構參數多目標優化等。體現專業特點、結合專業的優化設計應用實例可提供機械制造工藝中的優化設計，各種專用機械的優化設計，例如，化工機械優化設計、農業機械優化設計等，還有工程設施、工程管理中的優化設計等。

3.高級應用篇。近年快速發展起來的計算機輔助設計和計算機輔助分析中，引入優化設計方法，形成優化設計方法與計算機輔助設計相結合的先進設計方法，是現代設計方法的一個重要發展趨勢，對提高產品設計水平，縮短設計周期，使設計過程自動化和智能化具有重要意義。這部分內容的教學目的是拓展學生視野、引導和啟發學生，為工程設計高級應用奠定基礎，其內容可選擇介紹MATLAB軟件的優化函數及應用實例，三維設計軟件PRO/E的建模和優化分析實例，ADAMS軟件中的機構優化應用實例，計算機輔助分析軟件ANSYS中的優化應用實例等。

三、教學手段改革

由于優化設計課程的特點，造成教師教學和學生學習會存在一定困難，優化設計課程大部分講授內容在于各種基本優化算法，理論性強，涉及數學知識多，又比較抽象；學生難免會感覺枯燥乏味、不直觀、難理解。教師講解也十分費力，教師難以把握學生對不同優化算法執行的想象情況，不知道學生是否對各種優化方法真正理解透徹。另一方面，學生缺乏實際工程設計經驗，甚至對傳統設計流程都不熟悉，設計體驗不多，學生不能直觀地、實時地看到不同設計變量條件下，產品的設計指標的變化情況，甚至連簡單的外觀形狀尺寸的變化都難以直觀看到，更不要說深一步的力學性能、運動學性能、動力學性能以及功能等的變化了，所以，很難體驗到優化設計的優越性。因此，優化設計課程的教學手段值得關注和改進，對于優化方法教學手段的改進，采用基于Matlab軟件開發的優化設計輔助教學軟件，通過教學軟件，學生可以根據建立好的數學模型選擇合適的優化算法，可以保存程序文件中的所有變量計算結果，以便作數據對比或觀察優化過程中迭代變化規律。可以進行優化計算的數值迭代，并且可以得到優化結果。在優化計算完成之后，可以對優化計算的迭代程序流程圖、程序代碼和計算過程中迭代數據的變化規律進行觀測，這樣有助于學生領會各種優化算法的優化原理，以及從迭代計算中數據的變化觀察優化算法的特點和計算規律。對于學生缺乏實際工程設計經驗，很難體驗到優化設計的優越性，可通過使用優化設計方法與計算機輔助設計相結合的先進設計分析軟件來做一些典型優化設計的實例，例如，使用PRO/E進行三維建模，使用ADAMS進行運動學、動力學分析，使用ANSYS進行力學、動態性能的優化分析，這些軟件都具有可視化、直觀形象的特點，并有強大的分析功能。通過軟件的優化模塊，可方便地分析已有模型經過優化后的特性參數曲線的變化、迭代次數以及實物模型尺寸等參數的變化過程。

四、教學方法

優化設計課程教學方法的改革，要充分發揮教師的教學主導作用，充分調動學生的主體作用，注重培養學生的創新思維、創新意識、創新能力與實際應用能力。靈活運用多種先進的教學方法，采用教師為主導、學生為主體的多種形式相結合的教學方法，注意教學互動與交流，突出學生的學習主體地位，激發學生的強烈的求知欲望和創造欲望。首先，課程內容都制作了多媒體演示課件，將原來抽象、復雜的理論性內容用生動的形式表現出來，使學生可以更直觀地理解教學內容，激發學生的學習興趣。教師們將課件提供給學生，學生可以免記筆記，集中精力聽課，同時還方便了學生復習，充分利用了現代化教學方法，取得了顯著的教學效果。其次，為改進優化設計課程的教學方法，更緊密地結合學生專業知識，開展了優化設計的案例教學方法研究。教學過程的互動性有利于培養學生的創新人格；教學方式的啟發性有利于提升學生的學習素質[3]。優化設計案例教學法，案例的呈現放在理論知識介紹之前，讓學生帶著問題去主動學習各種優化方法。

五、網絡教學環境

隨著信息技術，特別是網絡技術的迅速發展，網絡教學作為一種新型的教學模式，已成為現代教育技術的重要方面。網絡教學平臺作為網絡教學的載體，得到了快速發展[4]。利用網絡教學平臺，可以極大地豐富教學方法，擴大教學空間，平衡教學資源，成為傳統教學模式的有效補充，網絡教學平臺，為學生提供強大的在線學習環境，通過平臺學生可以查看課程基本信息、教師提供的教學材料，利用教學郵箱、課程論壇等進行師生交流互動，可以方便地提交作業、參與課程調查與在線測試，極大地拓寬了課程教與學的空間。為教師和學生創造一個嶄新的教與學的環境。

1.網絡教學平臺構建。基于昆明理工大學教育在線，所構建的“優化設計”課程網絡教學平臺分為課程基本信息、教學材料、作業與考試、師生交流與互動四大功能模塊，具體內容包括課程介紹、教學大綱、教學日歷、教師信息、教學材料、課程通知、答疑討論、課程問卷、教學郵箱、教學筆記、個人資源、研究型教學、課程作業、在線測試、試題試卷庫、課程管理等。

2.網絡教學平臺應用。利用“優化設計”課程網絡教學平臺，開展網絡教學應用實踐。分別在2009學年、2010學年、2011學年06級、07級、08級學生中應用，推進了“優化設計”課程精品課程建設。應用情況總結如下：（1）網絡教學有助于發揮學生的學習自主性。學生是學習的主體，網絡教學促使學生更主動地進行學習。在“優化設計”課程網絡教學過程中，對學生的學習情況，參與網絡教學情況可進行自動統計，并及時反饋給學生，有助于督促學生加強對課程的自主學習。（2）網絡教學具有更好的交互性、互動性。在網絡教學模式中，教師、學生、教學資料之間的關系是網狀的，在討論、作業、測試等模式中都可以展開“雙向”互動，而且不受時間、空間的限制，有助于激發學生的創造力。在“優化設計”課程網絡教學過程中，對各章各節和各個知識點，都能通過討論、作業、在線測試，及時了解學生對知識的掌握情況，也非常方便地解答學生學習中的各種問題。（3）網絡教學具有開放性，學生可以根據自己的學習能力、學習條件，來確定自己的學習時間和學習內容，較好地實現因材施教的原則。在“優化設計”課程開課學期，學生根據自己的學習能力、學習條件和學習時間，來完成網絡教學的各項任務，把學習個體的多樣性、創造性充分發揮出來。（4）網絡教學有助于學生共享教學資源，平衡差異。“優化設計”課程網絡教學平臺提供了豐富的教學資源，通過網絡教學，學生能較方便地獲得豐富的教學資源，網絡教學由于具有資源集中、遠程傳輸、近實時性的特點。通過網絡即可實現教學資源的共享，讓教學資源服務不同層次的學生，滿足個性化學生的不同需求。

六、教材選用與建設

在教材的使用中，選用了哈爾濱工業大學出版社出版，由孫全穎高、賴一楠、白清順主編的《機械優化設計》作為教材，這本教材是高等學校“十一五”規劃教材。同時，結合電子工業出版社出版的由郭仁生、蘇君、盧洪勝編著的《優化設計應用》進行授課。教學參考書推薦由機械工業出版社出版，孫靖民主編的《機械優化設計》；國防工業出版社出版，王科社編著的《機械優化設計》等。此外，自編部分教學講義，根據專業特色的具體情況，編寫了與專業密切相關的教學參考資料，例如，優化設計在農業機械設計中的應用。

七、師資隊伍建設

師資隊伍是“優化設計”精品課程建設的重要保障，課程負責人長期從事“優化設計”教學，在教學中，治學嚴謹，責任心強，為人師表。在授課時，課堂內容充實，富有理論深度，教學方法善于總結和創新，注重啟發式教學，為學生學習、理解和掌握知識帶來相當大的幫助。其扎實的理論知識、豐富的教學經驗深受廣大學生的認可和好評。同時注重對青年教師教學方法的指導和傳授，為課程教師隊伍培養和建設做出了貢獻。通過建設，不斷提高課程教學隊伍的教學水平和素質，課程教學隊伍師德好，學術造詣高，教學能力強，教學經驗豐富，教學特色鮮明。為人師表，在課堂教學及實踐教學中對學生嚴格要求，培養學生良好的學風；認真備課，努力提高教學質量，培養學生分析問題和解決問題的能力；結合有關教學內容，適當介紹我國的工程科技成就及與世界先進水平的差距，激勵學生熱愛祖國，積極將科研成果轉化為教學資源，開拓學生視野，提高學習興趣；為實現優化設計課程教師隊伍可持續發展，在“優化設計”課程建設過程中，發揮“傳、幫、帶”的積極作用，采取系列措施，幫助青年教師提高教學水平，堅持安排老教師對青年教師實行傳、幫、帶培訓。對新進的青年教師安排隨堂聽課并要求進行輔助教學。通過組織觀摩教學等活動，定期召開本課程的教學方法、教學內容的交流研討，幫助青年教師通過教學關。同時，組織青年教師參加教學改革和教學研討會，組織青年教師參與教改和科研項目，提高青年教師的教學科研水平。培養青年教師的科研業務能力。通過這些措施使承擔本課程的教師科研學術水平和授課質量都有很大提高，在學生評教調查中，承擔本課程的教師都獲得學生的好評。通過各種措施，教師隊伍的年齡、學歷、職稱、學緣等結構得到了優化，為不斷深化課程改革，不斷提高教學質量奠定了堅實的基礎。

八、實驗教學改革

通常，優化設計課程實驗學時偏少，因此，需針對不同專業和不同學時數的教學要求，對實驗教學內容進行適當的取舍和精選，但需保證實驗目標的實現，實驗的基本目標是要求學生結合所學的一維搜索優化方法、多維搜索優化方法和無約束優化方法的基本原理、迭代過程和程序框圖，選擇自己熟練掌握的計算機語言（采用VB、VC語言），完成一維搜索優化方法程序，多維搜索優化方法程序和無約束優化方法程序的編制，并上機調試和運行，學生應根據實驗得出的數據，評價數學模型，比較各種優化方法的計算結果，初步對工程設計問題進行優化設計計算。通過實驗，加深對優化設計方法的基本理論和算法步驟的理解；培養學生獨立編制、調試計算機程序的能力和靈活運用優化設計方法解決工程實際問題的能力。優化設計課程實驗教學改革一方面是對基礎性實驗的實驗教學內容進行精選和組織，使學生深刻掌握和理解優化設計的基本知識、基本理論、基本方法和基本應用；另一方面則是對綜合性、設計性實驗的開設積極進行探索。目前實驗教學中設置的實驗類型，就其教學內容層次而言，可分為基礎性實驗和提高性實驗兩大類。從實驗的教學功能來看，可分為驗證性實驗、演示性實驗、綜合性實驗、設計性實驗和研究探索性實驗[5]。驗證性實驗、演示性實驗屬于傳統的基礎性實驗，實驗內容、實驗步驟和實驗方法一般較固定，通常是驗證某一基本理論、基本方法的基本訓練。這類實驗對學生理解優化設計方法的基本理論和算法步驟，無疑是重要的和必需的，但如果在實驗教學中占的比重過大，不利于學生的個性發展，不利于學生的綜合素質和創新能力的培養。因此，優化設計課程還需要積極研究綜合性實驗、設計性實驗的開設，以達到能力和素質的綜合培養。

“優化設計”課程培養學生樹立工程優化設計和優化決策的思想，培養學生的工程設計能力，使學生掌握科學的設計方法，是許多工科本科專業普遍開設的一門課程。結合“優化設計”課程的特點和精品課程建設要求，從教學內容、教學手段、教學方法、網絡教學環境、教材建設與選用、師資隊伍建設、實驗教學改革等方面進行精品課程建設。推進精品課程的建設，對提高“優化設計”課程的教學質量和水平具有重要意義。

參考文獻：

[1]孫全穎，賴一楠，白清順.機械優化設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.

[2]郭仁生，蘇君，盧洪勝.優化設計應用[M].北京：電子工業出版社，2003.

[3]李旻，黃平.機械優化設計課程案例教學的研究與實踐[J].機械工程師，2011，（8）：18-19.

[4]王巧稚，曹高飛，趙宏賢，等.“互動式”精品課程網絡教學平臺的構建和應用研究[J].中國校外教育，2011，（8）：98.

[5]姜龍生.淺談綜合性、設計性實驗的研發和開設[J].赤峰學院學報，2011，（6）：217-218.

基金項目：昆明理工大學精品課程建設項目；昆明理工大學教育技術研究項目

作者簡介：楊曉京（1971-），男，博士，教授，從事優化設計的教學工作。