機械工程碩士的集成優化課程教學實踐研究

史彥軍+孫雪顏+段春爭+劉沖

摘要：本文針對專業學位的機械工程碩士研究生，結合工業界先進的多學科優化設計工程軟件Isight，給出該專業集成優化課程的教學實踐方法。本方法改變傳統的教學模式，采用工程實踐案例教學，與業界優化領域專家一起授課，將工業界先進的工程實踐教學引入課堂。通過多個實踐教學實例分析開展案例教學，能有效發揮學生學習的主觀能動性。教學實踐表明，這些措施有利于提高學生對集成優化方法這門課程的興趣，提高其自身研究能力和實踐能力。

關鍵詞：機械工程；優化設計；工程實踐；研究生教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）42-0134-02

一、引言

工程實踐教育已逐漸成為工科類專業的一種教育模式，這既符合時代發展的趨勢，又可提高專業學位研究生的就業競爭力。為提升機械工程專業學位碩士研究生的實踐操作能力和創新革新意識，當前，校內實踐平臺以課內實踐教學內容為主線，以各類技能培訓、參觀實習等課外自主實踐類活動為輔助，共同塑造本專業學位碩士研究生扎實的理論功底和過硬的動手能力。

隨著計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術的發展，自動化的集成仿真平臺成為了CAE的發展方向，目前市場上占較大份額的集成仿真設計框架為Isight集成仿真平臺。Isight是國際上最先進的基于參數的多學科設計優化軟件（CAO）之一，能夠實現機械工程設計與制造流程的集成自動化，具有試驗設計、近似建模、多學科優化設計等功能，可集成CAD軟件（UG、Pro/E等）、CAE軟件（Adams、Ansys、Fluent等），發揮各個軟件的長處，已在機械、航空航天、兵器、汽車等行業得到廣泛應用。Isight由于其先進的軟件集成和多學科優化能力，可全面用于機械工程的各個專業領域和研究方向，主要應用于以下四個方面：（1）工程應用軟件集成；（2）試驗設計方法；（3）近似建模方法；（4）多目標和多學科優化方法。立足于培養研究生機械工程領域的工程實踐能力、創新能力和知識運用能力。

機械工程專業應加強培養學生求解工程優化問題的技能，以適應社會需求。目前各大院校機械工程專業的集成優化問題教學普遍存在重理論、輕實踐的問題，過于注重理論的傳授、定理的證明和推導，缺乏和應用實踐的結合分析。集成優化相關的教材以運籌學教材和最優化方法的課程教材為主，這些教材的編寫人員多數是數學專業出身的學者，往往將重點放在理論環節，而不是解決實際的產業問題，因此設置的題目和列舉的例子過于理想化，缺乏實用的生動案例。

針對以上問題，本文主要圍繞集成優化軟件教學和工程實踐教學等方面就培養學生解決優化問題的能力展開討論。

二、專業學位的集成優化實踐教學方法

專業知識實際上是基礎理論與工程實際相結合的產物，在課程教學過程中圍繞重點內容，剖析典型實際案例給學生的啟發是多方面的，對于提高學生對工程實際問題的敏感性、提高解決實際問題的方法大有裨益。這種通過聯系工程實際來講解的方法，使得教學內容現實化、具體化，不僅突出了課程的工程實用性，也起到了調動學生學習積極性的作用。因此，在進行實踐教學改革時應遵循以下三個原則：（1）建立實踐教學平臺，培養機械專業認知能力，啟發創新思維。（2）更新和豐富實踐教學內容，提高實踐教學質量。（3）注重學生的自主學習與思考，加強培養團隊合作，培養分析問題和解決問題的能力。集成優化設計課程的教學安排，應根據專業培養方案，從專業特點和實際需要出發，對教學內容進行精選和組織。首先，在集成優化理論部分主要圍繞本課程的基本知識和基本理論，并且突出重點和難點，精講重點內容，講清各知識點間的相互聯系；其次，也是最重要的部分，課程的實踐教學內容要緊跟國內外相關研究前沿，適時補充新內容、新趨勢、新方法，了解和掌握最新研究發展動態，與前沿課題交叉、與工程實際交叉，突出應用，聯系工程實際及其發展。通過優化設計的具體應用實例，來幫助學生理解、體驗集成優化設計的基本知識和各種應用。下面用一個汽車設計優化問題來簡述一下集成優化的應用。汽車系統設計過程追求多目標、多屬性之間的最佳平衡。通過試驗設計和全局優化策略，在不犧牲動力性的情況下，優化匹配汽車動力傳動系統速比，實現降低油耗的目的。通過集成自動化平臺，使優化過程能夠自動運行，使工程設計人員能擺脫大量的體力勞動，節省時間成本。在設計空間不了解的情況下，將試驗設計（DOE）與組合優化策略結合起來并構造響應面模型。搜索方法由全局到局部：多島遺傳算法遍尋整個設計空間，避免局部最優解；序列二次規劃法在多島遺傳算法的基礎上尋找局部最優解。Isight將試驗與仿真緊密結合起來，對于工程應用十分有益。試驗設計和各種組合優化策略，為汽車動力傳動系統速比優化匹配提供了有力的支持；優化過程能夠自動運行，節省了大量的時間成本，使得工程設計人員能擺脫大量的體力勞動。

在集成優化實踐教學中，共有8項教學內容：

（1）Isight簡介與應用程序集成——了解Isight軟件功能模塊；

（2）工作流和數據映射——掌握Simcode，Script等程序集成，掌握工作流方法；

（3）試驗設計方法及裝備結構敏度分析應用——掌握試驗設計方法及敏度分析；

（4）全局優化方法應用——了解Isight的優化方法，掌握其應用方法；

（5）近似建模方法應用及裝備結構預測設計——掌握響應面、神經網絡和Kriging模型的預測設計；

（6）組合優化策略及多目標優化方法應用——掌握組合優化車輛及多目標優化方法；

（7）多學科優化與穩健性設計應用——掌握多學科優化方法應用；

（8）裝備結構優化綜合實例——掌握Isight的綜合優化應用方法。

以上教學內容均是多媒體教學，并且有上機操作。同時，還需要有豐富實踐經驗的集成優化專家進行工程實例教學，增加學生對實際工程問題的了解，有助于以后走入實際工作崗位的應用。

三、結論

實踐教學是機械工程類專業創新型人才培養的一個重要部分。通過改變傳統的教學模式，結合面向工程實際的實踐教學，并請有實踐經驗的集成優化專家為學生講授集成優化應用技術，有效地調動了學生學習的主動性和責任感，培養了學生分析問題與解決問題的能力。同時，實踐教學可以提高學生發現問題和解決問題的能力，發掘了學生主動學習的熱情，提高了其綜合能力。

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