基于創新思維培養的機械優化設計教學研究*

◆劉菊蓉 王旭飛

作者：劉菊蓉，陜西理工學院講師，研究方向機電一體化技術；王旭飛，陜西理工學院（723000）。

1 前言

在當前我國要發展成為創新型國家的背景下，激發國人的創新潛力勢在必行，而大力培養我國大學生的創新意識、創新精神和創新能力更是順應時代發展潮流的一項措施。對于大學生創新能力的培養應該表現在整個教育教學的方方面面，貫穿于大學生的整個學習過程之中。最有效的方法就是把學生所學習的課程與創新思維、創新能力培養結合起來，在課程的教學過程中給學生滲透創新的思想，把創新思維和創新能力培養融入學生的學習和生活當中。

對于機械類專業的專業基礎課機械優化設計來說，它主要是將機械設計、優化理論與計算機技術等相關內容結合起來，并用以解決工程設計領域中的復雜問題的一門課程[1]。現階段，機械優化設計課程的教學一般表現為講授建立所求解問題的數學模型、選擇適當的優化方法與上機編制相應程序[2-3]。由于機械優化設計課程的特點，在本門課程的講授過程中，會涉及很多理論性較強的數學知識，以及程序設計相關的知識。這對于沒有具備將工程問題轉化成數學模型能力的學生來說，只是學習數學知識的理論推導，就會覺得該門課程枯燥、抽象、乏味[4]。而進行程序編制或只是使用軟件進行驗證，會導致學生不知道自己算的結果有什么用，甚至結果是對是錯都不清楚。有很多學生在學習機械優化設計過程中，都會認為這門課程很難，學不會，學了好像也沒有什么用處。

那么在機械優化設計這門課程的教學中想要打破學生的這種思維定式，達到培養學生創新能力的教學目的，一定要在整個教學工程中給學生灌輸創新思維模式，轉變教學的方式方法，讓學生能體會到本課程的作用。要知道，對于應用型的工科大學生來說，創新意識與創新能力的培養有時候要比某項技能培養更為重要，技能只是當前的謀生手段，而創新意識、創新能力則是今后工科大學生謀求職業發展的動力源泉。通過機械優化設計課程教學研究，希望能達到培養學生根據現有條件發現并解決問題的能力，以及應用新理論完成從設計思想到產品實現的創新能力。

2 機械優化設計教學中創新思維的培養

將機械優化設計課程與創新思想結合在一起，是為適應我國創新型國家建設的需求，對培養應用型工科大學生的創新能力做的嘗試，具體的措施包括以下方面。

首先，對于機械優化設計中最重要的一項內容——建立數學模型，通過對同一個優化問題列舉不同的數學模型并進行對比，讓學生不要只是關注問題中所表現出的表面現象，不要拘泥于使用已有的公式進行數學模型的建立；鼓勵學生拓寬思維模式，盡量使用最簡單的公式表達要滿足的目標，必要時要對原有的問題進行適當的簡化和變形，盡量做到復雜問題簡單化。這不僅是思考優化模型如何建立，更是要把創新的思維模式添加進來，讓學生從不同角度考慮問題。如何將工程問題或者文字描述的事物表達成數學形式，這不僅是對于數學知識以及相關專業知識的掌握，更重要的是一種思維方式，是一種想法、一種能力。所以說機械優化設計是想辦法建立一個既能真實反映問題本質特征，又簡單、理想的數學模型。數學模型的建立過程是一個解決矛盾的過程，也是一個提高學生創新思維和創新能力的過程。數學模型的建立是機械優化設計中關鍵的一步，也是最困難的一步[5]。

其次，在實驗教學中一般都是用某種語言進行編程，采用這種實驗方式，如果程序沒有調試成功，就看不到任何運算結果，學生不知道所學優化方法是否有效；甚至有的時候即使看到了運算結果，大部分學生也不知道結果有什么含義，運算結果到底對還是不對，運算結果錯誤或者沒有結果到底是程序有問題還是初始點選擇有問題，等等。這些情況的出現，會使學生對于課堂上教師所講的優化方法到底能不能解決實際問題產生質疑。

為此，在機械優化設計課程的講授過程中，為了讓學生更形象地了解數值迭代法中迭代的含義，初始點選取對結果的影響，以及針對同一問題不同的優化算法是否收斂，不同的優化算法的應用領域等，可以使用Excel 進行編程，在機械優化設計課程中為學生演示不同算法的優化過程。Excel 不僅可以簡單方便地進行數學規劃問題的求解，而且可以將整個迭代過程顯示出來，當改變某一位置處的數值，就會引起相關其他位置結果的變動，不僅直觀，也便于學生對運算結果的理解[6]。另外，使用Excel 進行編程演示一般不會受到多媒體設備上軟件安裝不全的影響。使用Excel 進行編程演示，也從另一個方面開拓了學生的思維方式，讓學生體會到除了使用到某種具體的語言編程，還有其他的解決方案。這對于學生創新思維的培養有著重要的作用，利于學生發散思維模式的培養。

再次，要讓學生深刻體會到，機械優化設計所講的方法，不只是用于機械工程問題的求解，還可以具有更廣闊的應用領域。只要有優化需求的地方，不論是生活中、學習中，還是其他領域，都可以使用優化設計方法，優化的過程實際是一個取舍的過程。可以讓學生試著應用優化的方法，安排考研過程中各門課程的復習時間，或挑選參加課外科技活動中的團隊成員，等等。通過與自己切身相關的例子，學生更容易理解優化的理念，更容易在腦海中形成創新思維模式。這樣做不僅是讓學生學習一門課程，而且是讓學生樹立優化思維，認真觀察周圍環境，發現問題并想辦法利用現有的資源解決問題。

最后，講課過程中不要只講課本上的優化方法，要在課堂上引入一些先進的優化設計方法，讓學生對這些先進方法有一個感性上的了解。很多先進的優化方法都是交叉學科的產物，讓學生通過了解這些先進的優化方法，體會一下學科交叉所產生創新思維形式。

3 小結

總之，在機械優化設計課程中不能只強調本課程的知識，應該鼓勵學生將本課程與創新思維相結合。比如在機械優化設計課程中將約束優化問題轉化成無約束優化問題進行求解，就體現出創新思想中將復雜問題簡單化的思維方式；同一個無約束優化問題中搜索方向的不同得到不同的優化方法，就體現出創新思想中發散的思維方式；等等。另外，鼓勵學生多觀察周圍事物，發現有需要改進的地方，應用優化和創新的思維方式去思考和改進；鼓勵學生在課外實踐活動中用優化和創新的理念解決實踐中所遇到的問題；鼓勵有獨特想法的學生對相關的設計申請專利保護。如此種種，將會在學生的潛意識中留下優化和創新的痕跡，在走上工作崗位后有利于其對老產品的改進和對新產品的研發。

當然創新不是一句話的問題，優化也不是一蹴而就的，通過這門課程的學習，只能起到激起學生創新的潛在意識，給學生提供了創新的思維方式，而不是說學了一門課就有了創新能力，還要學生在實際中不斷地應用創新和優化的方法，才能逐步加強自身的創新能力。

[1]蔣占四,王衍學,鄭偉光.面向工程能力培養的《機械優化設計》課程理論及實驗教學研究[J].輕工科技,2015(2):154-155.

[2]林桂娟.《機械優化設計》課程的項目驅動式教學方法探討[J].赤峰學院學報:自然科學版,2014(20):256-257.

[3]馬良.基于CDIO 理念的“教學—實踐”模塊構造探析:以新疆工程學院機械優化設計課程教學為例[J].化工高等教育,2014(5):71-74.

[4]王靜,孟廣耀.關于《機械優化設計》教學的實施與思考[J].教育教學論壇,2013(8):212-213.

[5]馬如宇.《機械優化設計》課程教學方法探討[J].教育教學論壇,2013(39):98-99.

[6]王全福,張天菊.Microsoft Excel 在機械優化設計中的應用[J].山西機械,2002(2):47-48.