“优化设计”精品课程建设

“优化设计”精品课程建设作者：杨晓京来源：《教育教学论坛》2013年第03期摘要：“优化设计”课程是许多工科本科专业普遍开设的一门课程。

通过该课程的教学，使学生树立工程优化设计和优化决策的思想，培养学生的工程设计能力，掌握科学的设计方法。

“优化设计”课程精品课程建设对提高“优化设计”课程的教学质量和水平具有重要意义。

分析了优化设计课程的特点，从精品课程建设角度出发，提出了教学内容、教学手段和教学方法的改革措施，构建了“优化设计”课程网络教学平台，对网络教学进行教学实践，讨论了教材建设与选用、师资队伍建设以及实验教学改革，推进了精品课程的建设。

关键词：优化设计；精品课程；教学内容；教学手段；教学方法；网络教学环境中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）03-0004-03优化设计是工程设计中重要的科学设计方法。

它将最优化原理与计算机技术应用于设计领域的科学设计方法，已经在各个行业得到广泛的应用[1]。

优化设计理论研究和应用实践的不断发展，使传统设计方法发生了根本的变革，从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，工程设计正在逐步向自动化、集成化和智能化方向发展[2]。

国内大多数机械类、工程类本科专业中，大都开设了优化设计课程，学习优化设计的理论和方法，培养分析和解决优化设计问题的初步能力，为将来从事工程设计工作打下一定基础。

为了提高“优化设计”课程的教学质量和水平，昆明理工大学把“优化设计”课程列为校级精品课程进行建设。

本文从教学内容、教学手段、教学方法、网络教学环境、教材建设与选用、师资队伍建设、实验教学改革等方面作讨论。

一、优化设计课程的特点优化设计课程的特点是将“基本设计方法”与“优化设计思想”紧密结合，着重介绍优化设计的基本概念、基本原理和基本方法，学习优化设计方法的实用程序和应用，使学生在学习“优化设计方法”的同时，也能够在计算机上得到实际应用的训练，进而培养他们的创新能力和科学思维方法。

通过优化设计课程的学习，使学生掌握优化设计的基本概念和基本知识，掌握常用优化方法的基本原理和计算方法，熟悉常用工程软件的优化分析和计算的功能，了解优化设计在工程设计方面的应用。

所以，学生应达到下列四个基本要求，一是树立工程优化设计和优化决策的思想；二是掌握优化设计的基本概念、基本知识和常用方法；三是了解常用工程软件进行优化分析和计算的功能；四是具有解决工程设计中一般优化设计问题的能力。

二、教学内容改革优化设计课程的教学内容，应根据专业培养方案，从专业特点和实际需要出发，对教学内容进行精选和组织，突出“基”、“精”、“新”。

“基”是围绕本课程的基本知识和基本理论；“精”是突出重点和难点，精讲重点内容，讲清各知识点间的相互联系；“新”是紧跟国内外相关研究前沿，适时补充新内容、新趋势、新方法，了解和掌握最新研究发展动态，与前沿课题交叉、与工程实际交叉，突出应用，联系工程实际及其发展。

围绕以上原则，把优化设计课程的教学内容划分为四大部分进行教学。

1.基础篇。

主要教学内容为优化设计的基本概念、数学模型和数学基础。

（1）优化设计的基本概念。

了解传统设计与优化设计的区别；了解设计参数和设计变量的概念；熟悉目标函数的概念和表达形式。

（2）优化设计的数学模型。

熟悉优化设计数学模型的一般形式；分析优化设计数学模型的建立方法。

优化设计的数学模型是优化设计问题的数学表达形式，它反映了优化设计问题中各个主要因素之间的内在联系。

（3）优化设计的数学基础。

优化设计的几何意义，多维函数的方向导数等。

2.应用篇。

通过优化设计的具体应用实例，来帮助学生理解、体验优化设计的基本知识和各种优化方法应用，主要教学内容可结合专业特点进行选择，具体应用实例既包括典型的、具有代表性的应用实例，也提供体现专业特点、结合专业的优化设计应用实例。

作为典型的、具有代表性的应用实例大多选择机械优化设计实例。

因为，以优化设计理论为基础，以计算机为工具，将优化设计方法用于机械设计中，形成了机械优化设计，成为优化设计的典型代表和重要内容。

机械优化设计是机械现代设计方法中的重要方法之一。

在国内大多数机械类本科专业中，大都开设了机械优化设计课程，为将来从事机械设计工作打下一定基础。

甚至有很多机械类硕士研究生培养方案中也开设有机械优化设计课程，进行更深入的理论学习。

具有代表性的机械优化设计实例教学内容可选择连杆机构的优化设计、链传动优化设计、齿轮传动优化设计、螺栓组联接的优化设计、弹簧结构参数多目标优化等。

体现专业特点、结合专业的优化设计应用实例可提供机械制造工艺中的优化设计，各种专用机械的优化设计，例如，化工机械优化设计、农业机械优化设计等，还有工程设施、工程管理中的优化设计等。

3.高级应用篇。

近年快速发展起来的计算机辅助设计和计算机辅助分析中，引入优化设计方法，形成优化设计方法与计算机辅助设计相结合的先进设计方法，是现代设计方法的一个重要发展趋势，对提高产品设计水平，缩短设计周期，使设计过程自动化和智能化具有重要意义。

这部分内容的教学目的是拓展学生视野、引导和启发学生，为工程设计高级应用奠定基础，其内容可选择介绍MATLAB软件的优化函数及应用实例，三维设计软件PRO/E的建模和优化分析实例，ADAMS软件中的机构优化应用实例，计算机辅助分析软件ANSYS中的优化应用实例等。

三、教学手段改革由于优化设计课程的特点，造成教师教学和学生学习会存在一定困难，优化设计课程大部分讲授内容在于各种基本优化算法，理论性强，涉及数学知识多，又比较抽象；学生难免会感觉枯燥乏味、不直观、难理解。

教师讲解也十分费力，教师难以把握学生对不同优化算法执行的想象情况，不知道学生是否对各种优化方法真正理解透彻。

另一方面，学生缺乏实际工程设计经验，甚至对传统设计流程都不熟悉，设计体验不多，学生不能直观地、实时地看到不同设计变量条件下，产品的设计指标的变化情况，甚至连简单的外观形状尺寸的变化都难以直观看到，更不要说深一步的力学性能、运动学性能、动力学性能以及功能等的变化了，所以，很难体验到优化设计的优越性。

因此，优化设计课程的教学手段值得关注和改进，对于优化方法教学手段的改进，采用基于Matlab软件开发的优化设计辅助教学软件，通过教学软件，学生可以根据建立好的数学模型选择合适的优化算法，可以保存程序文件中的所有变量计算结果，以便作数据对比或观察优化过程中迭代变化规律。

可以进行优化计算的数值迭代，并且可以得到优化结果。

在优化计算完成之后，可以对优化计算的迭代程序流程图、程序代码和计算过程中迭代数据的变化规律进行观测，这样有助于学生领会各种优化算法的优化原理，以及从迭代计算中数据的变化观察优化算法的特点和计算规律。

对于学生缺乏实际工程设计经验，很难体验到优化设计的优越性，可通过使用优化设计方法与计算机辅助设计相结合的先进设计分析软件来做一些典型优化设计的实例，例如，使用PRO/E进行三维建模，使用ADAMS进行运动学、动力学分析，使用ANSYS进行力学、动态性能的优化分析，这些软件都具有可视化、直观形象的特点，并有强大的分析功能。

通过软件的优化模块，可方便地分析已有模型经过优化后的特性参数曲线的变化、迭代次数以及实物模型尺寸等参数的变化过程。

四、教学方法优化设计课程教学方法的改革，要充分发挥教师的教学主导作用，充分调动学生的主体作用，注重培养学生的创新思维、创新意识、创新能力与实际应用能力。

灵活运用多种先进的教学方法，采用教师为主导、学生为主体的多种形式相结合的教学方法，注意教学互动与交流，突出学生的学习主体地位，激发学生的强烈的求知欲望和创造欲望。

首先，课程内容都制作了多媒体演示课件，将原来抽象、复杂的理论性内容用生动的形式表现出来，使学生可以更直观地理解教学内容，激发学生的学习兴趣。

教师们将课件提供给学生，学生可以免记笔记，集中精力听课，同时还方便了学生复习，充分利用了现代化教学方法，取得了显著的教学效果。

其次，为改进优化设计课程的教学方法，更紧密地结合学生专业知识，开展了优化设计的案例教学方法研究。

教学过程的互动性有利于培养学生的创新人格；教学方式的启发性有利于提升学生的学习素质[3]。

优化设计案例教学法，案例的呈现放在理论知识介绍之前，让学生带着问题去主动学习各种优化方法。

五、网络教学环境随着信息技术，特别是网络技术的迅速发展，网络教学作为一种新型的教学模式，已成为现代教育技术的重要方面。

网络教学平台作为网络教学的载体，得到了快速发展[4]。

利用网络教学平台，可以极大地丰富教学方法，扩大教学空间，平衡教学资源，成为传统教学模式的有效补充，网络教学平台，为学生提供强大的在线学习环境，通过平台学生可以查看课程基本信息、教师提供的教学材料，利用教学邮箱、课程论坛等进行师生交流互动，可以方便地提交作业、参与课程调查与在线测试，极大地拓宽了课程教与学的空间。

为教师和学生创造一个崭新的教与学的环境。

1.网络教学平台构建。

基于昆明理工大学教育在线，所构建的“优化设计”课程网络教学平台分为课程基本信息、教学材料、作业与考试、师生交流与互动四大功能模块，具体内容包括课程介绍、教学大纲、教学日历、教师信息、教学材料、课程通知、答疑讨论、课程问卷、教学邮箱、教学笔记、个人资源、研究型教学、课程作业、在线测试、试题试卷库、课程管理等。

2.网络教学平台应用。

利用“优化设计”课程网络教学平台，开展网络教学应用实践。

分别在2009学年、2010学年、2011学年06级、07级、08级学生中应用，推进了“优化设计”课程精品课程建设。

应用情况总结如下：（1）网络教学有助于发挥学生的学习自主性。

学生是学习的主体，网络教学促使学生更主动地进行学习。

在“优化设计”课程网络教学过程中，对学生的学习情况，参与网络教学情况可进行自动统计，并及时反馈给学生，有助于督促学生加强对课程的自主学习。

（2）网络教学具有更好的交互性、互动性。

在网络教学模式中，教师、学生、教学资料之间的关系是网状的，在讨论、作业、测试等模式中都可以展开“双向”互动，而且不受时间、空间的限制，有助于激发学生的创造力。

在“优化设计”课程网络教学过程中，对各章各节和各个知识点，都能通过讨论、作业、在线测试，及时了解学生对知识的掌握情况，也非常方便地解答学生学习中的各种问题。

（3）网络教学具有开放性，学生可以根据自己的学习能力、学习条件，来确定自己的学习时间和学习内容，较好地实现因材施教的原则。

在“优化设计”课程开课学期，学生根据自己的学习能力、学习条件和学习时间，来完成网络教学的各项任务，把学习个体的多样性、创造性充分发挥出来。

（4）网络教学有助于学生共享教学资源，平衡差异。