基于CDIO理念的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)

摘 要 高等工程教育正經(jīng)歷著巨大的變革，CDIO的教育理念正逐步被人們接受。而機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)選修課程，在教學(xué)中引入CDIO的教育理念，讓學(xué)生主動(dòng)探尋優(yōu)化算法的本質(zhì)、實(shí)踐優(yōu)化算法、與實(shí)際機(jī)械工程問(wèn)題的結(jié)合和運(yùn)用。精選二個(gè)項(xiàng)目加以教學(xué)實(shí)施和實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 項(xiàng)目教學(xué) CDIO 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.11.061

Teaching Practice of Optimal Design of Machinery Course Based on CDIO

LI Keqin

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Higher engineering education is experiencing the huge changes， CDIO education concept is gradually accepted by people. And optimal design of machinery is a professional elective course of mechanical engineering， CDIO education concept， introduced in the teaching， make students take the initiative to explore the essence of optimization algorithm， practical optimization algorithm， combined with the practical problems in mechanical engineering and application. To select two project instruction teaching and achieved good teaching effect.

Key words project instruction; CDIO; optimal design of machinery

1 CDIO概述

CDIO①②③代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程體系架構(gòu)

隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的計(jì)算機(jī)化，自然就要為設(shè)計(jì)過(guò)程能自動(dòng)選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案建立一種迅速而行之有效的方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)④應(yīng)運(yùn)而生。優(yōu)化設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)能進(jìn)行大量的分析計(jì)算，從眾多的設(shè)計(jì)方案中選出一個(gè)既滿足設(shè)計(jì)要求又使設(shè)計(jì)指標(biāo)最好的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程體系大致有四部分：一是優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ);二是無(wú)約束優(yōu)化方法;三是約束優(yōu)化方法與工程應(yīng)用;四是現(xiàn)代的優(yōu)化方法與工程應(yīng)用。當(dāng)然部分教材只有三部分：優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ);基于導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法;非導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法;而現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容極其豐富并在進(jìn)一步發(fā)展完善中。目前的教材以介紹優(yōu)化基本理論占相當(dāng)大的篇幅，而缺乏結(jié)合優(yōu)化商品化軟件包運(yùn)用來(lái)介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)和用的脫節(jié)。

3 CDIO和項(xiàng)目教學(xué)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中的教學(xué)實(shí)踐

MATLAB④⑤是當(dāng)前最優(yōu)秀的科學(xué)計(jì)算軟件之一，也是許多科學(xué)領(lǐng)域中分析、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的基本工具。MATLAB經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種功能全面的軟件，幾乎可以解決科學(xué)計(jì)算中的所有問(wèn)題，使得MATLAB在機(jī)械工程、通信、控制和信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3.1 CDIO項(xiàng)目教學(xué)案例之一

CDIO教育理念中特別強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目教學(xué)和實(shí)踐。案例一的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如式（1）。

（） = "+ " "+ 4

（） = "+ 2 ≥ 2 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

（） = "+ 1≥ 0

（） = ≥ 0

（） = ≥ 0

在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過(guò)程為：（1）構(gòu)思，先將優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式;（2）設(shè)計(jì)，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實(shí)現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運(yùn)作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論。

優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式如式（2）。

（） = "+ 2 ≤ 0 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

（） = "+ 1≤ 0

（） = ≤ 0

（） = ≤ 0

在MATLAB軟件環(huán)境中求解過(guò)程略。

表1給出了求解運(yùn)行的結(jié)果;圖1為優(yōu)化案例中的目標(biāo)函數(shù)值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系變化趨勢(shì)示意圖。

3.2 CDIO項(xiàng)目教學(xué)案例之二

二級(jí)圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)⑥及其MATLAB實(shí)現(xiàn)。

如何讓其設(shè)計(jì)的二級(jí)圓柱齒輪減速器在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)輸出最大、重量最輕或其它目標(biāo)？這些疑問(wèn)，可以在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中得到滿意的解決。

案例二的具體要求：二級(jí)圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。要求在滿足強(qiáng)度的條件下，使其體積最小，以達(dá)到其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量最小的目的。其輸入?yún)?shù)：給定傳遞的功率 = 6.3kW、總傳動(dòng)比 = 31.5、輸入轉(zhuǎn)速（高速軸） = 1450rpm，齒寬系數(shù) = 0.4。大齒輪：45鋼正火187～207HBS;小齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)228～255HBS。總工作時(shí)間不少于10年。圖2為二級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。

案例二是一個(gè)機(jī)械工程實(shí)際問(wèn)題，在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過(guò)程為：（1）構(gòu)思，利用先修課程，將二級(jí)圓柱齒輪減速器問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，即轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式;（2）設(shè)計(jì)，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實(shí)現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運(yùn)作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論。

MATLAB的求解程序和優(yōu)化結(jié)果略。

優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析與處理是很重要的一環(huán)，也是CDIO和項(xiàng)目教學(xué)取得成效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

CDIO工程教育的最大特點(diǎn)是項(xiàng)目教學(xué)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。在最近幾屆的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，嘗試引入MATLAB軟件包，貫徹CDIO和項(xiàng)目教學(xué)教育理念，讓學(xué)生在做中學(xué)，通過(guò)項(xiàng)目帶動(dòng)，設(shè)計(jì)應(yīng)用的技能得到強(qiáng)化。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生的工程實(shí)際運(yùn)用能力有較大的提升。

注釋

① The CDIO Syllabus v2.0.An Updated Statement of Goals for Engineering Education [C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copenhagen，2011.June ：20-23.

② 顧佩華，李昇平，沈民奮，等.以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的EIP-CDIO創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)模式[J].中國(guó)高等教育，2009（3，4）：47-49.

③ 查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-6，9.

④ 王國(guó)強(qiáng)，趙凱軍，崔國(guó)華.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

⑤ 龔純，王正林.精通MATLAB最優(yōu)化計(jì)算（2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

⑥ 李克勤，劉小鵬.基于MATLAB的二級(jí)圓柱斜齒輪減速器優(yōu)化[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（2）：41-42.