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摘要：按照“卓越工程师培养计划”的基本要求，本科生工程实践创新能力在教学中的地位日趋重要。本文提出改革教学内容、优化教学手段、调整课堂教学模式、开展实践性教学活动等研究，详细阐述了对机械优化设计的教学改革。
关键词：机械优化设计；课程；卓越工程师
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）31-0052-02
“卓越工程师”培养计划是教育部推出的一项重大教育改革试点项目，该项目以培养学生的创新精神为切入点，重点强调本科生的工程素质及工程实践能力培养。上海工程技术大学作为入选“卓越工程师教育培养计划”的试点高校，机械工程及自动化为试点专业之一，目标为培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量机械类工程技术人才。机械优化设计是机械类专业的专业基础课，它将最优化原理和计算技术结合并应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。本课程教学通常理论与实践教学相结合，内容多以算法推导为主，同时存在不容易将理论知识与实践相结合的问题。这对于培养“卓越机械工程师”而言是远远不够的，因此机械优化设计教学与实践体系必须改革。本文首先分析了该课程目前在教学中存在的问题，并提出针对性的改革措施，以满足培养“卓越工程师”的需要。
一、机械优化设计教学中存在的问题
1.课程知识体系偏数学化，缺乏综合性。机械优化设计是以工程实际为背景，将最优化原理和计算技术结合并应用于设计领域，将实际问题抽象成数学模型，分析设计变量和目标函数之间的关系，在约束的情况下求解最优解的一门学科。但是现行多数教材以介绍优化算法为主，侧重数学公式推导，忽视背景知识介绍及应用。本校设置该课程为32学时，因学时有限，在教学过程中容易注重算法推导，淡化对工程实际问题建模、求解及应用等方面的介绍。对学生来说它和数学课更相似，很难调动学生的学习热情。
2.学生的工程实践能力普遍不足。造成这种现象有以下主要原因：首先是受学时限制，理论教学占据较大部分，实验学时相对较少；其次机械优化设计实验要求学生编写典型算法的C语言程序，在此过程中，学生先对每一算法画出流程图，编制相应程序，然后上机调试并分析实验结果，最后写出实验报告。这就要求学生不仅对理论知识熟悉，还对编程、调试能力提出了比较高的要求。无疑加大了实验的难度，因此有部分学生直接复制别人的程序，实验容易沦为走过场的形式。卓越工程师项目着重强调工程实践能力的培养，因此，如何在实验时形成互动式教学，提高学生动手能力，形成良好的师生互动式教学，优化实践效果，也是迫切需要解决的难题之一。
二、机械优化设计课程教学改革思路
为提高机械优化设计教学效果，加强学生的工程实践创新能力的培养，从专业基础、实践能力、创新意识等方面入手，对本课程的教学内容、教学方法和教学手段提出针对性的改革措施，以满足“卓越工程师”的培养要求。
1.精心选择教学内容。面对该课程内容多而学时少的现状，为了确保学生在有限的时间内了解其理论体系及知识，必须精心选择教学内容。将其分为精讲和粗讲内容。精讲内容要细讲，讲透彻，体现出基础性、先进性和应用性。粗讲的内容要将本质性的内容提示到位，引导学生课下自主学习。
2.利用CAI课件提高教学内容的直观性。对于大部分算法的迭代过程，讲解時可利用CAI课件在画图和动画等数形结合方面的优势来提高教学内容的几何直观性，使学生在直观上加深对知识重难点的理解，从而提高学生学习兴趣和学习效率。例如，黄金分割法中的区间消去的问题，学生在没有图形的情况下很难理解在每一次迭代中到底哪段区间被舍去，以及为什么要这样取舍。但通过动画的方式动态地将相应的迭代过程呈现出来，学生能迅速掌握该知识点。这样的例子在课程教学中很多，在课件的制作中要有意识地设计这样的动画过程，突出迭代的直观性。
3.注重实验教学效果，提高学生实践能力。机械优化设计是一门实践性较强的课程，理论教学和实践教学必须并重才能达到较好的教学效果，因此必须保证一定上机实验学时，本校该课程安排6学时的上机时间。实验内容遍布教材各个章节；程序语言一般选用C语言或MATLAB等。每次实验课前，教师布置实验任务，允许学生自行选择算法和编程语言。实验过程中，教师与学生就实验任务的开展开放式讨论，同时允许先期完成的同学与尚未完成实验的同学互动交流，互相讨论调试和编程中的问题。
4.鼓励学生积极参加大学生数学建模大赛。将数学建模的思想融入机械优化设计实验课程的教学是培养学生利用所学知识解决实际问题的有效方法。数学建模竞赛能提高学生建模和解决实际问题的综合能力，以及培养他们的创新精神和合作意识。将数学建模的思想融入到实验课程来，可以强化工程实践能力的培养，这和卓越工程师的培养目标不谋而合。另一方面，在数学模型求解时，常常需要借助于优化设计的方法。例如，在求解数学模型中，学生需要根据相应的最优化算法编程，借助计算机来求出模型的最优解。因此在平时的教学中，特别是在实验时，结合一些数学建模实例，对加强学生的学习该课程的学习效果和提高他们今后参加数学建模竞赛的成绩和兴趣，具有十分重要的作用。
5.通过产学研合作模式，进一步强化工程实践能力。“卓越工程师”的培养要密切联系企业，以适应教学的需要，形成基础教育与专业实践的有机结合。在该课程教学中，条件允许的情况下可开展产学研合作模式，安排学生到相关企业参观或实践，将专业基础知识和企业工程实际优化问题相结合，不能现场解决的问题可带回学校，在教师的指导下，深入分析并解决这些难题，再回到实践中检验理论结果。学生在举一反三的过程中，无形中培养了自身工程实践能力。
教学实践证明，机械优化设计课程的改革取得了良好的效果，学生也普遍反映对本课程的教学满意度高。机械优化设计在工程上应用领域广泛，提升学生在该课程的学习中的实践能力对“卓越机械工程师”的培养具有很大意义。今后该课程的教学仍应紧跟优化技术发展最新趋势，优化教学方法，以学生的动手能力和创新能力培养为主，不断提升教学水平，以期真正实现卓越计划的培养目标。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部门户网站.教育部启动实施卓越工程师教育培养计（2010）[DB/OL].http://www.moe.gov.cn.publicfiles/business/htmlfiles/moe/s4560/201006/94139.html.
[2]孙靖民.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社，2007.
[3]马履中，等.机械优化设计课程教学改革[J].江苏大学学报，2003，25（4）:95-97.
[4]李春明.机械优化设计的形象化教学方法[J].石油大学学报，2003，19（3）:23-26.
基金项目：上海工程技术大学教改研究项目（项目编号：A-2600-11-01003）
作者简介：金全意，男，上海工程技术大学机械工程学院，硕士，讲师，研究方向：机电一体化。
关键词：机械优化设计；课程；卓越工程师
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）31-0052-02
“卓越工程师”培养计划是教育部推出的一项重大教育改革试点项目，该项目以培养学生的创新精神为切入点，重点强调本科生的工程素质及工程实践能力培养。上海工程技术大学作为入选“卓越工程师教育培养计划”的试点高校，机械工程及自动化为试点专业之一，目标为培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量机械类工程技术人才。机械优化设计是机械类专业的专业基础课，它将最优化原理和计算技术结合并应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。本课程教学通常理论与实践教学相结合，内容多以算法推导为主，同时存在不容易将理论知识与实践相结合的问题。这对于培养“卓越机械工程师”而言是远远不够的，因此机械优化设计教学与实践体系必须改革。本文首先分析了该课程目前在教学中存在的问题，并提出针对性的改革措施，以满足培养“卓越工程师”的需要。
一、机械优化设计教学中存在的问题
1.课程知识体系偏数学化，缺乏综合性。机械优化设计是以工程实际为背景，将最优化原理和计算技术结合并应用于设计领域，将实际问题抽象成数学模型，分析设计变量和目标函数之间的关系，在约束的情况下求解最优解的一门学科。但是现行多数教材以介绍优化算法为主，侧重数学公式推导，忽视背景知识介绍及应用。本校设置该课程为32学时，因学时有限，在教学过程中容易注重算法推导，淡化对工程实际问题建模、求解及应用等方面的介绍。对学生来说它和数学课更相似，很难调动学生的学习热情。
2.学生的工程实践能力普遍不足。造成这种现象有以下主要原因：首先是受学时限制，理论教学占据较大部分，实验学时相对较少；其次机械优化设计实验要求学生编写典型算法的C语言程序，在此过程中，学生先对每一算法画出流程图，编制相应程序，然后上机调试并分析实验结果，最后写出实验报告。这就要求学生不仅对理论知识熟悉，还对编程、调试能力提出了比较高的要求。无疑加大了实验的难度，因此有部分学生直接复制别人的程序，实验容易沦为走过场的形式。卓越工程师项目着重强调工程实践能力的培养，因此，如何在实验时形成互动式教学，提高学生动手能力，形成良好的师生互动式教学，优化实践效果，也是迫切需要解决的难题之一。
二、机械优化设计课程教学改革思路
为提高机械优化设计教学效果，加强学生的工程实践创新能力的培养，从专业基础、实践能力、创新意识等方面入手，对本课程的教学内容、教学方法和教学手段提出针对性的改革措施，以满足“卓越工程师”的培养要求。
1.精心选择教学内容。面对该课程内容多而学时少的现状，为了确保学生在有限的时间内了解其理论体系及知识，必须精心选择教学内容。将其分为精讲和粗讲内容。精讲内容要细讲，讲透彻，体现出基础性、先进性和应用性。粗讲的内容要将本质性的内容提示到位，引导学生课下自主学习。
2.利用CAI课件提高教学内容的直观性。对于大部分算法的迭代过程，讲解時可利用CAI课件在画图和动画等数形结合方面的优势来提高教学内容的几何直观性，使学生在直观上加深对知识重难点的理解，从而提高学生学习兴趣和学习效率。例如，黄金分割法中的区间消去的问题，学生在没有图形的情况下很难理解在每一次迭代中到底哪段区间被舍去，以及为什么要这样取舍。但通过动画的方式动态地将相应的迭代过程呈现出来，学生能迅速掌握该知识点。这样的例子在课程教学中很多，在课件的制作中要有意识地设计这样的动画过程，突出迭代的直观性。
3.注重实验教学效果，提高学生实践能力。机械优化设计是一门实践性较强的课程，理论教学和实践教学必须并重才能达到较好的教学效果，因此必须保证一定上机实验学时，本校该课程安排6学时的上机时间。实验内容遍布教材各个章节；程序语言一般选用C语言或MATLAB等。每次实验课前，教师布置实验任务，允许学生自行选择算法和编程语言。实验过程中，教师与学生就实验任务的开展开放式讨论，同时允许先期完成的同学与尚未完成实验的同学互动交流，互相讨论调试和编程中的问题。
4.鼓励学生积极参加大学生数学建模大赛。将数学建模的思想融入机械优化设计实验课程的教学是培养学生利用所学知识解决实际问题的有效方法。数学建模竞赛能提高学生建模和解决实际问题的综合能力，以及培养他们的创新精神和合作意识。将数学建模的思想融入到实验课程来，可以强化工程实践能力的培养，这和卓越工程师的培养目标不谋而合。另一方面，在数学模型求解时，常常需要借助于优化设计的方法。例如，在求解数学模型中，学生需要根据相应的最优化算法编程，借助计算机来求出模型的最优解。因此在平时的教学中，特别是在实验时，结合一些数学建模实例，对加强学生的学习该课程的学习效果和提高他们今后参加数学建模竞赛的成绩和兴趣，具有十分重要的作用。
5.通过产学研合作模式，进一步强化工程实践能力。“卓越工程师”的培养要密切联系企业，以适应教学的需要，形成基础教育与专业实践的有机结合。在该课程教学中，条件允许的情况下可开展产学研合作模式，安排学生到相关企业参观或实践，将专业基础知识和企业工程实际优化问题相结合，不能现场解决的问题可带回学校，在教师的指导下，深入分析并解决这些难题，再回到实践中检验理论结果。学生在举一反三的过程中，无形中培养了自身工程实践能力。
教学实践证明，机械优化设计课程的改革取得了良好的效果，学生也普遍反映对本课程的教学满意度高。机械优化设计在工程上应用领域广泛，提升学生在该课程的学习中的实践能力对“卓越机械工程师”的培养具有很大意义。今后该课程的教学仍应紧跟优化技术发展最新趋势，优化教学方法，以学生的动手能力和创新能力培养为主，不断提升教学水平，以期真正实现卓越计划的培养目标。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部门户网站.教育部启动实施卓越工程师教育培养计（2010）[DB/OL].http://www.moe.gov.cn.publicfiles/business/htmlfiles/moe/s4560/201006/94139.html.
[2]孙靖民.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社，2007.
[3]马履中，等.机械优化设计课程教学改革[J].江苏大学学报，2003，25（4）:95-97.
[4]李春明.机械优化设计的形象化教学方法[J].石油大学学报，2003，19（3）:23-26.
基金项目：上海工程技术大学教改研究项目（项目编号：A-2600-11-01003）
作者简介：金全意，男，上海工程技术大学机械工程学院，硕士，讲师，研究方向：机电一体化。