《機械優化設計》課程教學方法探討

摘要：簡要介紹了《機械優化設計》這門課程，并闡述了在《機械優化設計》課程教學中采用的一些方法。在教學中采用這些方法將能提高學生的學習興趣，開拓學生的創新思維，增強學生的工程實踐能力。

關鍵詞：《機械優化設計》；形象化；實踐；教學方法

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）39-0098-02

優化設計是20世紀60年代初發展起來的一門新學科，它是將最優化原理和計算技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。利用這種新的設計方法，人們可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計的效率和質量。最優化設計成功運用于機械設計還是在20世紀60年代后期，雖然發展時間不長，但是發展迅速。在機構綜合、機械零部件設計、專用機械設計和工藝設計方面都得到了應用并取得了一定的成果[1-3]。目前國內許多高校機械專業都開設了《機械優化設計》這門課程。通過《機械優化設計》這門課程的學習，首先應當使學生具有優化的思想，了解一些優化方法的原理，掌握一些優化的方法，為以后更好的工作打下扎實的基礎。但是本課程中一些枯燥的數學推導及公式難以引起學生的學習激情。如何提高學生的學習熱情，并使學生較快掌握一些優化方法，一直是筆者在從事《機械優化設計》課程教學中思考的問題。下面介紹筆者在從事《機械優化設計》課程中采用的一些方法和經驗。

一、培養學生學習本課程的熱情

學習《機械優化設計》這門課程的學生早已先修了機械原理、機械設計等課程，筆者在教學之初常常告誡同學，對于一名工程師設計人員來說，僅僅具有機械原理機械設計方面的知識是遠遠不夠的，只能進行一些傳統的設計。而傳統的設計只是重復分析產品的性能，而不是主動地去設計優化產品的參數。從某種意義上講它沒有真正體現“設計”的含義。因此，對一個工程設計人員來講，應當在產品設計的過程中始終要有優化的思想。當然光有優化的思想仍然是不夠的，還要有優化的能力，掌握一些優化方法。筆者在開課之初，通常會給學生這樣一個假設。如果甲、乙兩位同學供職在同一個企業，企業老板讓兩人分別提出他們的方案來解決公司中某一產品的問題。甲很快將自已的解決方案提交給公司老板。乙經過分析考慮，在甲之后也提交了方案，乙的方案不僅解決了產品問題，而且優化了產品的參數，降低了成本。筆者問學生甲、乙兩位同學誰將會被重用，誰將獲得更多的職位升遷的機會。這個答案是不言而喻的。通過上述的假設，使學生懂得具有優化的思想和優化設計的方法還與他們個人在工作崗位的升遷機會有關。這極大地提高了學生學習這門課的熱情，也讓優化思想概念植根于學生思想之中。

二、采用形象化的教學方法

《機械優化設計》中許多枯燥的公式和推導，學生一時會難以掌握，有時會導致學生喪失學習的興趣。在教學中筆者注重采用形象化的教學方法，例如一維搜索方法中的確定搜索區間的外推法可以用盲人探路的方法來加以引導[4]。具體可以表述為：一個盲人想去一個山谷谷底，他向前探出一步，如果發現在上坡，說明前進方向錯誤，谷底應在身體后方，應該轉身再前行。如果探出一步，發現是下坡，表明谷底在前方，可以繼續前行，直至走出一步出現上坡的感覺，據此可以判斷谷底就在最后兩步之間。

三、課堂教學與生產實踐相聯系

課堂教學與生產實踐相聯系，提高學生學習興趣，提高學生走上崗位解決問題的能力。例如坐標輪換法，坐標輪換法是每次搜索只允許一個變量變化，其余保持不變，即沿坐標方向輪流進行搜索的尋優方法。在介紹坐標輪換法思想時，筆者以注塑產品為例加以介紹，注塑產品的質量與溫度、噴嘴壓力、保壓時間、注塑速度等工藝參數有關。在試模過程中為了獲得較好的產品質量，需要調試出這些工藝參數值。有經驗的注塑人員往往采用坐標輪換法思想以節約試模時間。首先逐漸改變某一個工藝參數值，而其余工藝參數保持不變，觀察注塑產品質量。在注塑產品質量不再提高時甚至開始降低時，再調整另一個參數值，直至注塑產品質量達到要求為止。如果同時對這些工藝參數進行調整，很難確定調整這些工藝參數的方向，會花費較長時間才能調試出合格的注塑產品。

四、加強與學生的互動

現代教學論指出：教學是教師的教與學生的學的統一，這種統一的實質就是師生之間的互動。《機械優化設計》課程師生之間的互動可充分發揮學生的主體作用和主動精神，提高學生的學習激情，進一步提高學生的優化設計能力、創新思維。在課堂上筆者注重與學生之間的互動。經常提出一個問題，讓學生思考如何采用優化的方法去解決這一問題，以提高學生采用優化方法解決問題的能力。筆者常常讓學生走上講臺，介紹他們采用的優化方法，并讓學生們充分討論思考有沒有更好的優化方法，充分調動學生的積極性。在課堂教學最后，筆者完全將講臺交給學生，讓學生們介紹學習《機械優化設計》這門課的心得和體會。通過課堂的互動，調動了課堂學習的氣氛，學生在互動中學到了一些優化方法，牢固了優化設計的思想，提高了優化設計的能力。

雖然《機械優化設計》的基本尋優思想和方法在20世紀60年代已近完備，但是仍有需要改進之處，特別是該課程的教學方法。教學方法的優劣將會影響學生的接受程度。采用各種生動的方法將會提高學生的學習興趣，牢固掌握一些優化的方法，讓優化的概念植根于學生思想之中，為他們走上工作崗位更好地工作打下扎實的基礎。筆者通過采用上述的教學方法發現，學生學習《機械優化設計》課程的興趣提高了，分析問題解決問題的工程實踐能力也得到了增強。有些畢業了的學生在與筆者聯系時，提到他們工作時常常想到并主動去優化。優化創新思維已成為他們固有的一種思維模式。

參考文獻：

[1]葉元烈.機械優化理論與設計[M].北京：中國計量出版社，2001.

[2]方世杰，綦耀光主編.機械優化設計[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]孫靖民.機械優化設計（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]李春民.《機械優化設計》的形象化教學方法[DB/OL].中國科技論文在線.

作者簡介：馬如宇（1971-），男，講師，博士，主要從事機械優化設計、人工關節、計算機輔助手術導航、生物力學及醫療器械的研究。