《優化設計》課程教學改革的探索與實踐

張珂

摘要：培養應用型本科人才創新能力的基本思想，針對《優化設計》課程教學中存在的問題，從教學內容的優化重組、教學方法的改革和考核形式等改革進行了探索與實踐，使學生在學習優化思想與理論方法的基礎上，著重把握實際問題用優化數學模型的轉化，進而選擇合理優化方法和工具進行模型求解，較好地提高學生學習興趣與解決工程實際問題的能力。

關鍵詞：《優化設計》課程 教學改革 實踐

一、優化設計課程的特點

優化設計是現代設計方法的重要分支，優化設計課程主要是將最優化理論作為重要的基礎，將計算機作為主要的工具，把優化設計的方法在機械設計中加以應用。其構成主要分為理論和實踐兩個重要環節，理論性相對較強，對高等數學的一些知識涉及較多。

二、課程教學存在的問題

（1）在教學實踐中發現，目前優化設計教材內容中比較重視理論分析，在實踐應用方面沒有充分重視，所提供的工程案例比較缺乏，即使有工程案例，其結果也缺乏完整和具體性。

（2）基本優化方法具有較強的理論性和抽象性，一直是優化設計課程的重點和難點。多數學生由于無法看到或想象算法的執行過程與數據的動態變化，感到復雜和困惑。在傳統的教學模式下，教師只能使用黑板及演示文稿，借助大量表格、框圖、以及描述算法的程序清單來表現算法的實現過程，以表現算法執行的動態過程，這不但繁瑣，也不利于學生的直觀理解。

（3）優化設計課程的工程實踐環節相對薄弱，由于課時較少的原因，一般的上機實驗的主要內容是要求學生通過計算機程序語言，對一維優化方法、多維無約束優化方法和約束優化方法等編程運行完成。這個過程雖然可以熟悉優化方法的執行過程，但由于缺乏工程應用對象，對應用型創新人才的培養有較大的限制。

（4）課程教學中還主要采用教師講授式的教學方法，對理論知識的講解以及推導公式的分析等學生都是被動的接受知識，機械的模仿，這就對學生自主學習的發揮有著制約，很難培養出高素質的應用型創新人才。

三、教學改革方法與措施

1.優化教學內容

（1）數學基礎（如方向導數、梯度、極值條件、凸函數、泰勒級數展開、等高線、矩陣、二次型、正定、負定、共軛）；（2）優化目標函數及約束條件的建立；（3）優化方法法（一維搜索方法、無約束優化方法、約束優化方法等）；（4）先進優化方法（遺傳算法、蟻群算法等）；（5）優化設計工程實例。其中優化方法是重點，對多目標優化理論和先進優化方法內容，只做概述性的講解，以拓寬學生的知識面。教學內容經精選優化，充分地體現了基礎性、先進性和前沿性。

2.可視化教學軟件的開發

為了提高優化過程的學習效果，針對常用優化設計，開發可視化教學軟件。該軟件以課程中的常用優化設計算法為對象，開發基于Matlab的算法程序庫，采用Matlab算法可視化技術，將算法的執行過程實時地用圖形和動畫方式演示出來，使枯燥乏味的算法流程以形象、生動、直觀的方式展現出來，以幫助學生深入理解并掌握優化算法，可明顯改善課程的教學效果。

3.研討課堂的開設

創新設計能力包含應具有良好的學習能力和創新理念、敏銳的創新思維、基本的創新技能和優秀的創新人格。研討課有效地探索了研究型、合作式、自助性的課堂教學模式，體現了“學思結合、因材施教、分類培養”的教育思想。目前在優化設計課程中開設4節研討課，教學效果顯著。

4.問題驅動啟動式教學方法

針對機械設計和優化設計實踐性均較強的特點，注重問題啟發教學內容的精選和問題的設計，著重講清工程設計案例問題是什么、工程優化設計案例問題的背景是什么 、工程優化設計案例問題的性質是什么、工程優化設計案例問題的解決方法是什么等內容。使所學的知識更加具體，并給學生留有一定的思維空間，活躍學生的創新思想。

5.案例式教學方法

案例的呈現放在理論知識介紹之前，以激發學生學習興趣，讓他們帶著問題去主動學習各種優化方法。引導學生分析、理解案例包含的優化設計知識點。鼓勵學生自己編程求得優化結果進行對比。

6.加強實驗教學

（1）優化設計課程的實驗環節主要是上機實驗。通過上機實驗可使學生鞏固和加深對所學內容的理解，能夠分析并掌握優化設計的一些基本方法，能夠編寫并調試簡單的優化程序，或選用適當的優化方法解決簡單的工程問題，從而培養學生解決實際問題的能力。實驗教學環節是培養應用能力的核心環節，該環節學時的安排應適當加大（8～10學時左右為宜）。

（2）精心組織實驗內容，知識深度循序漸進，由簡單的一維優化方法編程開始，逐步擴展到復雜的懲罰函數法。

（3）Matlab是主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，語法簡單，功能強大。要求學生運用Matlab編程來實現相關優化算法，不但可以提高學習興趣，又有利于學生掌握實用的編程技術。

（4）由于機械專業的學生在編程方面的能力普遍不高，所以教師可適當講解編程和調試的方法，以幫助學生更好地完成實驗內容；要求學生認真調試編制好的程序，觀察不同的初始參數對計算結果有何影響（如初始點的選取、搜索步長的選擇等）。

7.改革考核方式

（1）擴大平時成績占比為40%（一般為30%），上機實驗成績占考核成績20%，研討課成績占考核成績 10%，平時成績占考核成績 10%（出勤，平時表現和作業）。這樣可促使學生養成學而時習之的良好學習習慣。

（2）研討課與課堂表現成績主要加給在學習中能積極回答問題，思考問題的學生。實驗成績根據實驗室編程情況和實驗報告內容綜合評定，這樣能培養學生良好的實驗態度。卷面考試由概念題、建模題、計算題和程序題構成，其中程序題的比重一般大于30%。

（3）在考核方式上，由以前的閉卷考試改為半開卷的考試方式。在考前給學生發一張A4草稿紙，允許學生把自己認為對考試比較重要的公式、例題等內容寫上，可以帶到考場。這樣，學生就不會認為考試就是考公式、考計算，學習的重點就自然轉移到應用能力上。

四、結語

教學實踐表明，通過上述的教學改革，對增強教學效果，提高教育質量，促進教學改革等方面產生了良好的作用，使學生對優化設計有了比較深刻理解，并能熟練掌握優化數值迭代法的基本原理，優化設計思想理解、優化建模和編程能力等得到明顯提高。在今后的教學過程中，我們仍將繼續在教學實踐中進行教學研究、改革和實踐，不斷積累，不斷創新，不斷完善教學過程，提高教學效果和質量。

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