工程優化設計方法課程案例庫建設探索與實踐

施國英， 李天華， 張開興， 宋月鵬

（山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271000）

0 引言

工程優化設計方法課程是機械工程專業學位研究生的專業核心課程，它以數學中的最優化理論為基礎，以計算機為手段，根據設計所追求的性能目標，建立目標函數，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優的設計方案，使設計的技術或經濟指標達到最佳，是一門理論性比較強的課程[1]。工程優化設計方法課程案例庫的建設，是針對機械工程專業學位研究生的培養要求，選取與專業密切相關的科研項目為案例，將單純、枯燥的理論知識變成豐富、有內涵的工程案例，調動學生的積極性，提高課程教學的實效性，以達到強化研究生實踐應用能力和創新能力培養的目的[2]。

1 案例庫建設意義

為落實山東省專業學位研究生教育質量提升計劃，山東農業大學機械與電子工程學院針對機械工程專業碩士提出了“機械與電子、技術與管理、農機與農藝”相結合的人才培養目標。隨著我國農業制造業的快速發展和農業機械化水平的不斷提高，對本專業人才培養提出了更高的要求，不僅要做到掌握必要的基礎學科知識，還要具備處理實際問題的能力[3-5]。

工程優化設計方法課程案例式教學方法的探索與實踐，是面向具有創新意識和能獨立承擔專業領域人才發展的需求，從培養農業機械工程應用型、復合型高層次工程技術和工程管理人才的角度出發，把基礎理論、先進技術方法手段及相關知識應用到工程設計和工程研究案例中。課程案例教學改變了“滿堂灌”的教育模式，提倡“啟發式”和“引導式”的教學模式，讓學生多思考、多練習，開展課堂討論。教學方法上堅持講清思路、引導啟發、精講多練和培養能力的原則，以提高學生靈活運用所學知識，分析問題、解決問題的能力。案例庫的建設能夠起到教學中長期使用、資源共享的作用，同時案例庫教學不僅能夠應用于機械工程專業的教學工作，而且能夠為其他專業案例教學提供一定的借鑒和參考價值[6-10]。

2 案例庫建設

2.1 基本原則

教育部發布的《關于加強專業學位研究生案例教學和聯合培養基地建設的意見》（教研〔2015〕1 號）中指出，案例教學是以學生為中心，以案例為基礎，通過呈現案例情境，將理論與實踐緊密結合，引導學生發現問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高能力的一種教學方式[11]。因此，建設案例庫應滿足以下4 個原則。

（1）真實性。選取的教學案例應取材于經濟社會發展的實際，不是憑個人的想象力和創造力杜撰而來。

（2）完整性。案例應包括問題的決策及發展全過程，有明確的教學目標，設計好討論方式和步驟，做好教師點評和學生互評。

（3）典型性。案例由課程相關章節知識點歸納總結成專題，具有概括和輻射作用，使學生不僅能夠掌握有關原理和方法，并能將這些理論與方法運用到實踐中。

（4）啟發性。每個案例都能夠幫助理解教學內容、啟迪思路、引人深思，培養學生解決問題的能力。

2.2 教學案例來源

（1）教師團隊成員科研課題。任課教師通過對授課教材知識點的歸納總結，結合團隊成員科研項目研究背景和科研經驗，根據難易程度不同、側重點不同，挖掘相關素材設計成教學案例。案例教學內容均是最前沿、最先進、最真實和可實現的具體案例，教師講授過程中有最真實的體會，熟知每個案例在實現過程中碰到的具體問題、如何分析、如何解決。

（2）學生競賽獲獎項目。從近年來學生參加的各種農業工程類創新創業比賽項目中選擇創意比較好、與生產生活息息相關的項目，對參賽過程中遇到與本課程相關的各種問題進行研究和討論，將一些典型的問題進行整合、梳理，形成報告，建成項目案例庫。

（3）校企合作項目。學校持續推進校企合作，將企業生產一線中碰到的卡脖子問題開發為符合教學要求的案例資源，幫助學生開闊視野，豐富教學資源，使學生盡早了解企業需求，為今后科研和工作奠定基礎。

3 案例庫教學實施方法

3.1 工程優化設計方法課程特點

山東農業大學的工程優化設計方法課程是針對機械工程專業學位研究生的一門專業核心課，是將數學最優化理論與計算機技術相結合，應用于機械工程領域，為工程問題提供一種先進的設計方法，這是一門理論性和實踐性都較強的課程。采用案例庫教學方法時，在講授知識點的時候盡量淡化復雜的運算和推導，避免變成枯燥的數學課。

3.2 工程優化設計方法課程案例庫教學實施

工程優化設計方法課程的基本思想是從研究對象的整體來考察和解決問題，再從整體各個部分的相互聯系、相互影響和相互制約中尋求最優方案。每個案例包括講義、多媒體課件和案例說明3 部分，其中案例說明包括教學目標、案例涉及的知識點、案例分析思路、背景信息、課堂計劃和思考題答案要點等教學輔助信息。以日光溫室薄膜高效清洗及除雪關鍵技術與裝備研究為例介紹案例教學實施方法。

3.2.1 案例背景引入

日光溫室薄膜上的灰塵及污漬嚴重影響薄膜透光率，進而影響室內溫度及作物的光合作用。北方冬季的霧霾天氣使薄膜污染加快，對作物的影響進一步加大。同時溫室屋頂積雪一方面對保溫性能造成很大的影響，另一方面影響溫室的總體強度和剛度，甚至會壓垮溫室，進行及時清理十分必要。針對這種現狀，研制一種方便高效、成本低廉、安全可靠的智能化薄膜專用清洗裝備，解決日光溫室薄膜當前主要以人工清理為主，工作量大、勞動強度高、清洗難、清洗慢及清洗不徹底的問題。清洗裝置作業現場如圖1 所示。

圖1 薄膜清洗裝置作業Fig.1 Film cleaning device operation

3.2.2 案例問題的提出和討論

通過對上面研究背景的分析，研制智能清洗裝備需要考慮以下問題[12]。

（1）對薄膜的物理性能和機械性能進行測試，得到不同材料薄膜的抗拉強度、屈服強度等參數，為確定毛刷與薄膜之間的最佳作用力提供理論支持，減小對薄膜壽命的影響。

（2）構建棚面仿形清洗機最優模型。

（3）解決清洗機上下軌道同步問題、支撐橫梁形變問題及清洗除雪驅動問題。清洗裝置結構如圖2所示。

圖2 清洗除雪裝置結構Fig.2 Structure of the snow removal device

（4）進行清洗機路徑規劃與防碰撞研究。

（5）進行清洗裝備作業時的邊界自動檢測工作。

（6）確定不同季節、天氣的薄膜最佳清洗頻率。

（7）進行清洗軸轉速大小與清洗效果相關性研究。

教師在課堂上引導學生從案例的背景中分析項目研究的目的是什么，需要解決什么問題，研究的難點又是什么，解決問題的方法有哪些，做出決策的標準是什么，什么樣的決策是最優方案，方案制定好后具體怎么樣實施。學生就現有掌握的知識對以上問題開展討論，提出自己看法和做法，教師再引導學生對這些方案進行分析研究，確定最佳方案。課后要求學生上網查閱相關文獻資料，改進優化自己的方案，最后決定如何實施這個方案，形成報告提交。

3.2.3 總結案例

根據學生提交的報告，總結方案中的優點和不足，講解其中涉及的相關理論知識，讓學生了解相關知識在工程中的應用，避免脫離實際空講理論。

引導學生將這些知識性的內容轉化為自己的能力，在做一項具體的工作前考慮問題更全面一些，少走一些彎路，少做一些重復、無用的工作，使學生將來面對各種工程問題時，能夠有正確的思想方法和解決問題的途徑。

4 案例教學實踐效果

4.1 提高學生學習興趣，改善教學效果

在案例教學中，學生扮演一個積極的參與者角色。仔細研究教師提供的案例材料，進行認真分析和思考，據此做出自己對該問題的判斷和對策，并驗證自己的方案可靠有效。在課堂上，積極發言，講出自己的思考和方案，并與他人展開討論。學生變成教學的主角，既可以從自己和他人的探討中學習，也可以從所犯的錯誤中吸取經驗教訓，在案例的解決過程中得到訓練，提高解決問題的能力。

4.2 促進校企深度合作

根據校企合作、工學結合的思想，通過引入企業工作案例，建立多維度校企合作的人才培養模式，激勵教師主動對接制約企業發展的瓶頸問題，更快更好地解決企業的急、難、愁、盼問題。通過在教學中認真梳理發現的困難問題，集思廣益達到舉一反三的目的，推動由解決一個問題向解決一類問題轉變，為校企合作發展創造良好的環境。

4.3 提高教師教學水平

在傳統教學中，教師是教學的主體，只需將書本知識傳授給學生。在案例教學法中，教師是指導者和推動者，其角色定位是要引導案例教學的全過程。不僅要引導學生去思考、去討論、去做出決策和選擇，還要去解決案例中的特定問題，進而從案例中獲得經驗，同時要引導學生去探尋特定案例情景下復雜性的過程及其背后隱含的各種因素和發展變化的多種可能性。

案例庫教學法不僅創新了教學模式，而且督促缺乏企業經歷與背景的專業教師深入生產一線，了解和掌握企業生產過程，提高教師的實踐能力和專業教學能力，將課本上枯燥的理論變成有靈魂的知識。

5 結束語

對專業學位研究生課程開展案例庫建設，學生能夠基于案例內容和相關問題展開平等對話與交流互動，引導學生盡快將知識性的理論轉化為自己的能力，使其對工程實踐的復雜性、多樣性有更為深刻的理解和體會，提高了學生的學習熱情，使學生將來面對各種復雜工程問題時，能夠有正確的思想方法和解決問題的途徑，實踐能力和創新精神也在此過程中得到同步提升。