基于培養卓越工程師的機械優化設計課程改革研究

摘要：按照“卓越工程師培養計劃”的基本要求，本科生工程實踐創新能力在教學中的地位日趨重要。本文提出改革教學內容、優化教學手段、調整課堂教學模式、開展實踐性教學活動等研究，詳細闡述了對機械優化設計的教學改革。

關鍵詞：機械優化設計；課程；卓越工程師

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）31-0052-02

“卓越工程師”培養計劃是教育部推出的一項重大教育改革試點項目，該項目以培養學生的創新精神為切入點，重點強調本科生的工程素質及工程實踐能力培養。上海工程技術大學作為入選“卓越工程師教育培養計劃”的試點高校，機械工程及自動化為試點專業之一，目標為培養一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量機械類工程技術人才。機械優化設計是機械類專業的專業基礎課，它將最優化原理和計算技術結合并應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。本課程教學通常理論與實踐教學相結合，內容多以算法推導為主，同時存在不容易將理論知識與實踐相結合的問題。這對于培養“卓越機械工程師”而言是遠遠不夠的，因此機械優化設計教學與實踐體系必須改革。本文首先分析了該課程目前在教學中存在的問題，并提出針對性的改革措施，以滿足培養“卓越工程師”的需要。

一、機械優化設計教學中存在的問題

1.課程知識體系偏數學化，缺乏綜合性。機械優化設計是以工程實際為背景，將最優化原理和計算技術結合并應用于設計領域，將實際問題抽象成數學模型，分析設計變量和目標函數之間的關系，在約束的情況下求解最優解的一門學科。但是現行多數教材以介紹優化算法為主，側重數學公式推導，忽視背景知識介紹及應用。本校設置該課程為32學時，因學時有限，在教學過程中容易注重算法推導，淡化對工程實際問題建模、求解及應用等方面的介紹。對學生來說它和數學課更相似，很難調動學生的學習熱情。

2.學生的工程實踐能力普遍不足。造成這種現象有以下主要原因：首先是受學時限制，理論教學占據較大部分，實驗學時相對較少；其次機械優化設計實驗要求學生編寫典型算法的C語言程序，在此過程中，學生先對每一算法畫出流程圖，編制相應程序，然后上機調試并分析實驗結果，最后寫出實驗報告。這就要求學生不僅對理論知識熟悉，還對編程、調試能力提出了比較高的要求。無疑加大了實驗的難度，因此有部分學生直接復制別人的程序，實驗容易淪為走過場的形式。卓越工程師項目著重強調工程實踐能力的培養，因此，如何在實驗時形成互動式教學，提高學生動手能力，形成良好的師生互動式教學，優化實踐效果，也是迫切需要解決的難題之一。

二、機械優化設計課程教學改革思路

為提高機械優化設計教學效果，加強學生的工程實踐創新能力的培養，從專業基礎、實踐能力、創新意識等方面入手，對本課程的教學內容、教學方法和教學手段提出針對性的改革措施，以滿足“卓越工程師”的培養要求。

1.精心選擇教學內容。面對該課程內容多而學時少的現狀，為了確保學生在有限的時間內了解其理論體系及知識，必須精心選擇教學內容。將其分為精講和粗講內容。精講內容要細講，講透徹，體現出基礎性、先進性和應用性。粗講的內容要將本質性的內容提示到位，引導學生課下自主學習。

2.利用CAI課件提高教學內容的直觀性。對于大部分算法的迭代過程，講解時可利用CAI課件在畫圖和動畫等數形結合方面的優勢來提高教學內容的幾何直觀性，使學生在直觀上加深對知識重難點的理解，從而提高學生學習興趣和學習效率。例如，黃金分割法中的區間消去的問題，學生在沒有圖形的情況下很難理解在每一次迭代中到底哪段區間被舍去，以及為什么要這樣取舍。但通過動畫的方式動態地將相應的迭代過程呈現出來，學生能迅速掌握該知識點。這樣的例子在課程教學中很多，在課件的制作中要有意識地設計這樣的動畫過程，突出迭代的直觀性。

3.注重實驗教學效果，提高學生實踐能力。機械優化設計是一門實踐性較強的課程，理論教學和實踐教學必須并重才能達到較好的教學效果，因此必須保證一定上機實驗學時，本校該課程安排6學時的上機時間。實驗內容遍布教材各個章節；程序語言一般選用C語言或MATLAB等。每次實驗課前，教師布置實驗任務，允許學生自行選擇算法和編程語言。實驗過程中，教師與學生就實驗任務的開展開放式討論，同時允許先期完成的同學與尚未完成實驗的同學互動交流，互相討論調試和編程中的問題。

4.鼓勵學生積極參加大學生數學建模大賽。將數學建模的思想融入機械優化設計實驗課程的教學是培養學生利用所學知識解決實際問題的有效方法。數學建模競賽能提高學生建模和解決實際問題的綜合能力，以及培養他們的創新精神和合作意識。將數學建模的思想融入到實驗課程來，可以強化工程實踐能力的培養，這和卓越工程師的培養目標不謀而合。另一方面，在數學模型求解時，常常需要借助于優化設計的方法。例如，在求解數學模型中，學生需要根據相應的最優化算法編程，借助計算機來求出模型的最優解。因此在平時的教學中，特別是在實驗時，結合一些數學建模實例，對加強學生的學習該課程的學習效果和提高他們今后參加數學建模競賽的成績和興趣，具有十分重要的作用。

5.通過產學研合作模式，進一步強化工程實踐能力。“卓越工程師”的培養要密切聯系企業，以適應教學的需要，形成基礎教育與專業實踐的有機結合。在該課程教學中，條件允許的情況下可開展產學研合作模式，安排學生到相關企業參觀或實踐，將專業基礎知識和企業工程實際優化問題相結合，不能現場解決的問題可帶回學校，在教師的指導下，深入分析并解決這些難題，再回到實踐中檢驗理論結果。學生在舉一反三的過程中，無形中培養了自身工程實踐能力。

教學實踐證明，機械優化設計課程的改革取得了良好的效果，學生也普遍反映對本課程的教學滿意度高。機械優化設計在工程上應用領域廣泛，提升學生在該課程的學習中的實踐能力對“卓越機械工程師”的培養具有很大意義。今后該課程的教學仍應緊跟優化技術發展最新趨勢，優化教學方法，以學生的動手能力和創新能力培養為主，不斷提升教學水平，以期真正實現卓越計劃的培養目標。

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基金項目：上海工程技術大學教改研究項目（項目編號：A-2600-11-01003）

作者簡介：金全意，男，上海工程技術大學機械工程學院，碩士，講師，研究方向：機電一體化。