高职机械优化设计课程教与学研究初探

摘 要 高职机械优化设计课程是以高等数学、数值分析及计算机编程为基础,以拓宽和掌握机械设计基础课程理论和技巧为目的所开展的高职机械类专业的一门专业基础课。通过分析高职机械优化设计课程教与学的现状和存在的问题,并结合企业实际需要,对高职机械优化设计课程的教与学方面进行初步研究。

关键词 优化设计 机械类 教学研究

中图分类号:G712 文献标识码:A

Teaching Research on Mechanical Optimization Design

Course Oriented to Vocational Eduacation

LIU Xiaobo, ZHANG Jinchun, YIN Ling, WANG Chunguang

(Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331)

Abstract The vocational optimization of Mechanical Design courses based on higher mathematics, numerical analysis and computer programming, it"s a basic course based in order to broaden and master the theory and techniques of mechanical design foundation courses undertaken for the purpose of vocational machinery professional. By analyzing the the vocational optimization of mechanical design curriculum teaching and learning in the current situation and existing problems, and combined with the actual needs of higher vocational optimization of mechanical design courses in teaching and learning for a preliminary study.

Key words optimization design; mechanical class; teaching research

0 前言

随着科学技术的进步,社会对人才素质提出了更高要求,全面加强素质教育,培养动手能力强的高素质高级技能型专门人才,成为高职教育面临的紧迫任务。以抽象、晦涩著称的机械优化设计课一直让莘莘学子望而生畏,学生的数学理论功底差,教学内容多,课时少,还与生产实际有一定脱节,造成学习效果不理想,更别谈将所学知识服务于专业。①因此,开展高职机械优化设计课程的教学研究,使本课程的教学更贴近专业、贴近学生、贴近生产实际,真正成为一门对专业很有帮助的专业课,是摆在高职院校机械优化设计教育工作者面前的一项迫切任务。

1 教学现状及存在问题

近年来,随着社会的发展,高职培养更加贴近社会,贴近实际,在某些学科门类高职毕业生的就业形式要好于一般本科。同时,企业对高职生的要求也将越来越高,除了要掌握专业理论知识和专业技能外,还要求拓宽专业知识面和具有成本意识,更好地为企业服务。另外在机械创新设计大赛以及后续专业课的学习,优化设计方法也有着非常重要的作用。以模具专业为例,进行塑料模具或者冲压模具的设计,使用优化设计,会使设计更合理、经济;从长远来看,不懂得优化设计,对于学生今后的职业发展来说,非常不利。在技术革新中,很难有所突破,崭露头角。②正是由于如此,机械优化设计课程是在最近几年才逐步引入到高职机械类的教学中,逐步形成高职机械设计制造类专业的一门专业基础课。

机械优化设计课程是数学理论与计算机技术高度结合的课程,要求学生掌握高等数学、数值计算与分析、计算机编程语言及如Matlab、ANSYS等数据处理和分析软件。本课程通常以理论教学为主,涉及的数学知识与优化算法较多,其内容理论性强,很抽象,不易理解,且上机实践操作不多,与生产实际还有一定脱节,犹如纯粹做理论研究,导致学生学习该课程的热情普遍不高。在教学过程中,该课程在专业课程体系中的地位摇摆不定,内容增增删删,课时加加减减,经历的风雨可谓酸甜苦辣。而且结合高职院校实际教学状况,所选教材基本上是本科生用教材,还没有一本适用于高职的专用机械优化设计教材。虽然可凑合用,但欠缺是明显的,很难适应现在高职教育的发展需求,远不能适应“工学结合”、“校中厂,厂中校”的人才培养模式。主要表现在:

(1)内容深奥难懂。由于选用的是本科教材,其要求的理论功底明显比高职生高。教学内容与学生的需求不相适应,与专业人才培养目标结合不够,与生产实际脱节,存在着教的内容用不上、用的内容没有教等问题。

(2)对现代信息技术的吸收不足。教学内容上计算技巧和编程过多,软件应用并未真正融入内容体系中。针对高职生,应用软件培训内容及时间偏少,学生上机实践操作不够。

2 教学方法研究

2.1 适度复习和拓宽数学基础

机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化设计方法与程序编写两方面的内容。所涉及到的数学基础有方向导数、梯度、凸函数、台劳级数展开、等高线、矩阵、二次型、正定、负定、共轭以及优化目标函数及约束条件的建立等。目前,高职生的数学教学一般是安排在大一阶段,学机械优化设计这门课时,可能已经淡忘。再者高职生的数学相对一般本科会作许多简化,或仅学高数上册,对高数下册、矩阵、线性代数不会涉及,而要学好机械优化设计这门课,必须掌握上述数学理论知识。因此适度复习和拓宽数学基础对高职生而言是十分必要的。

2.2 精选教学内容,合理利用课时

针对高职学生特点和企业实际需要,要以服务企业为出发点,在掌握一定的理论知识基础上,要结合机械优化设计实例着重培养学生上机实践操作能力。以此为大纲,确定教学内容,注意学生理论和操作能力培养及提高。教学内容经精选优化,充分地体现基础性、先进性和前沿性。针对我校的专业特点和实际需要,从合理利用学时的角度出发,对课程内容进行精选优化,③主要包括:(1)数学基础(方向导数、梯度、极值条件等);(2)优化方法(一维搜索方法、无约束优化方法、约束优化方法等);(3)优化设计软件应用及机械优化设计实例。其中:优化方法教学内容是重点,很多知识点都要求学生掌握,对诸如多目标优化理论和先进优化方法内容,只做概述性的讲解,仅为拓宽学生的知识面,让学生了解该学科的发展前沿与动态。针对高职生特点,结合学科应用背景着重讲解优化设计软件应用方法,可采取多媒体实践教学,边教边做。优化设计实例在课堂上讲解典型算法的程序框图,以编制一种算法程序为示例,让学生学习编写其它算法程序,在实践操作课上以学生自学加老师辅导的方式调试运行,让学生对该学科的工程应用有所初步了解。

2.3 以提高教学效果改革课堂教学模式

2.3.1 多讲实例、精讲理论

高职学生培养目标是以培养高素质高技能应用性人才为出发点的,相对本科生而言其理论基础或许欠缺,但所学技能可能会比他们要扎实些、偏重些。一般来说,当高职学生看到满篇的数学公式时,对本课程的兴趣已经减了大半,因此,为上好这门课,激发学生的学习兴趣对他们而言要以多讲实例、精讲理论。比如:减速器体积最小的优化,四杆机构振动力及振动力矩最小的优化,不仅要让学生能够看到优化前和优化之后的结果对比,还要灌输“成本、利润”这些经济概念。

2.3.2 丰富教学手段,优化教学过程

注意教学手段的改革,开展课堂板书、多媒体教学和实践教学相结合的授课方式。这样,既能保证传统教学方式的优点,又能利用现代的教学设施使得课堂气氛更加生动,信息量大大提高。针对一些基本公式和基本方法的推导和证明的需要,仍然延续课堂板书的授课方式,让学生一步一步跟上教师的思路,同时在板书的同时留足够的时间让学生领会;而对于一些需要形象理解、图示举例以及演示的部分,采用多媒体教学方式,充分利用声音、图像、视频、动画等多种形式进行互动教学;对于工程优化实例,要采取实践教学方式,以学生实际操作为主,可将学生分组采用不同优化算法自编自调程序,并点评调试结果,以加深不同算法的优缺点的认识。

2.4 加强实践环节,提高学生动手能力

机械优化设计是一门实践性较强的课程。学生通过上机实验可以加深对机械优化设计方法的基本理论和算法步骤的理解; 能够培养学生独立编制、调试计算机程序的能力和学生灵活运用优化设计方法解决工程实际问题的能力。

C语言是高职学生在大一年级学的一门计算机基础课,学生在学习了相关的优化算法后,通过将机械优化设计与C 语言的结合,通过C 语言编程来实现相关算法,不但可以提高学习兴趣,又有利于学生获得解决实际问题的能力。

为了拓宽学生的知识面,还需选用与企业结合紧密的MATLAB 优化工具箱和当前CAD/CAE 软件如ADAMS、ANSYS作为上机实验的优化工具之一。在实践中既要给学生介绍软件中优化模块的使用还要留一定量的思考与作业题,以便学生课余学习,或者给毕业设计奠定一定的基础。

3 学习方法探讨

3.1 树立正确目标主动学习

目前高职学生绝大部分奋斗在生产第一线,为我国社会主义经济建设做出了不可磨灭的贡献。为把自己培养成一名高素质高技能应用性人才,高职学生要端正学习态度,抛弃“专科不如本科”的错误观念,树立正确的学习目标。特别是工科的学生,要主动学习理论知识,扎实掌握专业技能和实际操作动手能力,为就业打下坚实基础。

提高学习兴趣也是主动学习的必要条件之一。实践证明,机械优化设计是保证产品具有优良的性能,减轻自重或体积,降低工程造价的一种有效设计方法。同时也可使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来,使之有更多的精力从事创造性的设计,并大大提高设计效率。学习过程中,要多查阅优化设计经典案例,提高学习兴趣。

3.2 课前预习与课后实践并重

如前所述,机械优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。它是根据最优化原理和方法综合各方面的因素,以人机配合方式或用“自动探索”的方式,在计算机上进行的半自动或自动设计,以选出在现有工程条件下的最好设计方案的一种现代设计方法。这门课程涉及到比较复杂的数学理论和计算机编程技术。为学好这门课,我们提倡课前预习与课后实践并重。课前预习便于接受比较晦涩难懂的数学理论,课后实践便于将所学理论应用于实践、加深理论知识的掌握,更重要的是培养实际操作动手能力。

4 结论

提高教学效果和教学质量,提高学生对知识的掌握和应用能力,提高学生实际就业率是教师永远的目标和追求。通过教授“机械优化设计”这门课程,做了一些有意义的教学尝试。经过调查,该教学方法得到了广大学生的认同与好评,也培养了一批具有相关知识的高职生,他们在企业中对产品质量的提高起到了重要作用。今后,在教学过程中,仍将继续该课的教学研究,不断完善教学过程,提高教学效果和质量。

注释

① 何亚银.《机械优化设计》课程教学研究与实践[J].机械管理开发,2009.24(2).149-151.

② 熊小燕.论优化设计方法在高职《机械设计基础》教学中的应用[J].湖北广播电视大学学报,2010.30(10):34-34.

③ 孙靖民,梁迎春编著.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社,2003.