张光 陈德胜 林哲

摘  要：機械优化设计是把机械设计与优化设计理论及方法相结合，借助电子计算机，自动寻找实现预期目标的最优设计方案和最佳设计参数的一种有效的设计方法。应用机械优化设计方法，不仅能使设计周期大大缩短，计算精度显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优化设计问题。机械类本科生学科竞赛旨在培养大学生的创新思维、创新能力及科研实践能力，将机械优化设计课程教学与机械类学科竞赛相结合，为机械类学生参加机械设计学科竞赛提供理论支撑，对学生高质量完成学科竞赛课题具有重要的指导意义。

关键词：机械优化设计；学科竞赛；教学改革；电子计算机；机械类学生

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）03-0138-04

Abstract： Optimization of Mechanical Design is the course that combines mechanical design with theories and methods of optimization design. By the aid of electronic computer， it is also an effective design method being able to automatically seek and realize optimized targets with effective design schemes and suitable design parameters. By the application of optimization method of mechanical design， the design period is greatly shortened and the calculation accuracy is significantly raised as well. Moreover， it can solve complex optimization design problems that traditional design methods cannot solve. Academic competition aims to cultivate creative thinking， innovative ability and practical ability for undergraduate students from mechanical major. By combining the teaching reform on the course of Optimization of Mechanical Design with academic competitions of mechanical design， theoretical support can be provided for attending academic competitions of mechanical design for students in mechanical major， which is meaningful for guiding students to finish the work of academic competitions in high quality.

Keywords： Optimization of Mechanical Design; academic competition; teaching reform; electronic computer; students of mechanical major

机械优化设计是一门面向本科机械类学生的专业课，主要是运用优化设计理论及方法相关知识来解决机械设计中的难题，学生掌握该门课程后，可以通过采用合适的优化方法，自动寻找实现预期机械设计目标的最优设计方案和最佳设计参数，应用机械优化设计方法，不仅能使设计周期大大缩短，计算精度显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优化设计问题。近年来，结合最优化原理与计算机技术的机械优化设计方法已成为“智能制造”领域重要的设计手段，为工程问题提供最佳设计方案并大幅提高设计效率和产品质量，具有广阔的工程应用前景[1]。有学者针对机械优化设计课程教学存在学生学习兴趣不高、学习效果差、培养目标难等问题开展课程改革，基于学生知识储备，教案设计、教学方法设计等方面，以问题促进学习为导向，开展该门课程教学改革[2-4]。有学者以提高学生理论实践能力为培养目标，对机械设计类课程开展课程教学改革，通过理论学习联系课后实践，提高学生自主学习能力[5-7]。

机械设计类学科竞赛旨在培养大学生的创新思维和创新能力，引导高等院校在教学中注重培养大学生的创新设计能力和协作精神，加强大学生动手能力的培养和工程实践的训练。浙江理工大学机械与自动控制学院机械类本科生参加竞赛主要包括全国大学生机械创新设计竞赛，全国大学生化工设计竞赛、全国大学生力学竞赛等，其主要设计内容都涉及机械装置、设备及机构等优化设计。有学者通过以项目和专业课程为理论支撑，结合相关专业学科竞赛，对专业课教学改革开展研究，通过实践教学，提高了学生专业课学习兴趣[8-10]。

机械优化设计课程是浙江理工大学面向高年级机械类本科生开设的专业选修课，也是现代设计理论与方法课程的重要组成部分。课程教学目标是使学生掌握机械优化设计的基本理论和方法，能够针对工程项目中的优化设计问题合理地建立数学模型，选用恰当的优化方法，编写计算机程序求解优化设计问题，并对结果进行分析，最终达到独立解决工程实际中的机械优化设计问题的目的。为了加强机械类本科生科研实践能力的锻炼，教育部及相关组织协会针对大学生开设了一大批学科竞赛，如全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生机械产品数字化设计大赛、全国大学生工程实践与创新能力竞赛、全国大学生数学建模竞赛和全国大学生化工设计竞赛等创新设计竞赛（表1）。上述机械类学科竞赛都会涉及机械结构设计及模型优化，对机械优化设计理论相关知识要求较高，熟练掌握机械优化设计方法是本科生参加上述竞赛必须掌握的理论工具。

目前，大多数机械类本科生参加学科竞赛时，由于对机械优化设计理论方法掌握不够，导致在设计参赛作品时举步维艰，不知道如何以正确的机械优化设计理论方法对参赛作品进行设计与优化，导致参赛作品质量不高，无法获得较好成绩。在机械优化设计理论授课时，强调机械优化设计理论方法在机械类学科竞赛中的应用，将机械优化设计课程教学与机械设计学科竞赛相结合，为机械类学生参加机械设计学科竞赛提供了理论支撑，对学生完成高质量的竞赛课题具有重要的指导意义。

一  教学中存在的问题

通过两学期开展的机械优化设计理论课程教学，发现在该课程教学过程中存在以下几个问题：①由于课程教学主要以理论上课为主，大部分学生对课程所涉及的机械、机构优化设计没有直观的认识，无法理解机械优化设计理论方法在机械类学科竞赛中的应用。②机械设计优化方法太多，针对机械设计约束和目标，学生如何才能准确地采用最佳优化方法来解决机械设计及学科竞赛作品设计中所涉及的问题。③课程教学案例选择缺乏针对性，在阐述优化设计方法时，机械优化设计课程教材内大部分优化案例与经济、物流等相关，缺少对机械类专业相关和机械类学科竞赛作品的教学案例。④课程教学没有与机械类学科竞赛课题相结合，参赛学生缺少机械优化设计理论知识，限制了学生在参加机械类学科竞赛的创新和优化思维，导致参赛作品质量不高。针对上述在机械优化设计理论授课过程中存在的问题，需要对其产生的原因进行深入剖析，从而制定相应的教学改革方案。

通过教学总结和学生教学质量反馈，上述问题产生主要原因是在机械优化设计课程设计环节中缺少理论与实践认知相结合。该课程理论性及实践性都较强，理论教学部分公式、推导及迭代求解较多，涉及高等数学、线性代数、材料力学和机械设计等前期课程知识点，如果不与机械设计学科竞赛等专业实践案例相结合，学生极易感觉枯燥。在理论教学中，穿插讲述与机械类专业和机械设计学科竞赛相关的内容，可以有效地为学生参加学科竞赛提供理论支撑，激发学生学习该课程的动力。因此，为了提高课程教学质量及机械设计学科竞赛作品质量，项目拟基于机械类学科竞赛实践，对机械优化设计课程进行教学改革。

基于前期教学中存在的相关问题，总结该课程教学改革中需要解决的关键核心问题如下：①机械优化设计理论方法与机械设类学科竞赛实践教学相结合的教案内容设计；②在开展与机械类学科竞赛相关的课程设计中，如何确保团队内每个成员都参与到课程设计中并在小组中发挥各自作用；③如何评价团队完成机械类学科竞赛作品质量及团队成员的贡献度。

二  教学改革措施

针对机械优化设计课程教学中面临的关键核心问题，将机械类学科竞赛与机械优化设计理论相结合，通过设计教学教案内容和教学形式开展课程教学改革，提高该课程教学的效果。主要措施如下。

（一）  理论与实践相结合的教学方案设计

机械优化设计课程是以理论教学为主，在设计教案时，较多采用与机械类专业和机械类学科竞赛内容相关的案例，开展针对性教学。结合往年机械设计学科竞赛内容，基于本课程机械优化设计方法，举例讲述学科竞赛内容，如第五届全国大学生机械创新设计大赛主题——休闲娱乐机械和家庭用机械的设计和制作、第十届全国大学生机械创新设计大赛主题——仿生机械和生态修复机械、2021年全国大学生数学建模竞赛主题——连铸切割的在线优化和1997年全国大学生数学建模竞赛主题——零件的参数设计等涉及机械优化设计理论方法应用的学科竞赛内容。

（二）  基于学生团队合作的课程设计模式建立

由于机械类学科竞赛都是以团队的形式参加，为了提前让学生熟悉机械类学科竞赛参赛模式与内容，增强学生的团队协作意识，在机械优化设计课程教学中开展团队课题设计。在完成机械优化设计理论教学后，将学生进行分组，并布置与机械类学科竞赛内容相关的课题，如曲柄摇杆机构优化设计、机床主轴优化设计、圆柱齿轮减速器优化设计、热压机机架结构优化设计，全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生数学建模竞赛等学科竞赛主题内容设计。团队自主选题，并进行组内分工，要求学生基于课程所学优化设计方法，完成課程设计内容。

（三）  课程考核标准建立

考核标准是评价学生掌握教学内容的主要指标，传统的标准都是对学生完成理论试卷考试进行评价。然而由于课程与机械设计学科竞赛相结合，既有的评价标准已无法满足要求，因此，拟将学生分组并布置与机械设计学科竞赛相关的考试内容，将小组评价与个人评价进行结合，建立规范全面的考核标准。小组评价主要考虑团队基于机械优化设计理论方法完成机械设计学科竞赛作品整体质量，个人考核主要考查学生在完成学科竞赛作品时涉及个人完成部分的质量，主要是考查学生个人对机械优化设计理论知识的掌握和实践运用效果。

三  教学改革内容设计

通过查阅文献以及借鉴国内外高等教育教学改革的经验，为了提高学生机械优化设计理论水平及实践能力，将机械设计类学科竞赛与机械优化设计课程教学相结合，开展该课程教学改革。具体课程教案设计思路如图1所示。

（一）  机械优化设计课程理论学习

机械优化设计授课过程中基于理论与实践并重的原则，采用课堂讲授、实例分析、程序设计分析及案例与操作演示相结合的教学方法，增强学生对优化设计方法的理解。理论学习由浅到深、详略得当，在学生理解原理的基础上，让学生重在掌握每种方法的优缺点及适用的工程优化问题，引导学生关注K-T条件、一维搜索、无约束优化及有约束优化等知识点的内在联系，启发学生对更加复杂的优化问题求解方法展开独立思考并构思程序框架。匹配对应的机械设计和机械类学科竞赛作品案例，如曲柄摇杆机构优化设计、机床主轴优化设计、圆柱齿轮减速器优化设计、热压机机架结构优化设计、全国大学生机械创新设计大赛助老机械设计、水果采摘机械设计、全国大学生数学建模竞赛运输线路优化和码头货物存放优化等主题，将机械优化设计理论方法与机械结构设计及机械类学科竞赛相结合，激发学生学习动力。以往年机械设计学科竞赛作品为案例，开展机械优化设计实践教学，通过解析学科竞赛内容，结合机械优化设计理论方法，完成对学科竞赛设计内容的优化，让学生提前熟悉机械设计学科竞赛模式，为学生参赛提供理论支撑。机械优化问题的案例分析部分，采用小组讨论、生生互评的方式对典型机构的可优化参数、优化模型与求解方法进行探讨，加深学生对“问题建模-最优设计求解”的设计概念的理解。

在机械优化设计理论授课的基础上，提出了机械优化设计理论授课与机械类学科竞赛实践相结合的教学改革思路。在机械优化设计课程教案内容设计中，以机械类学科竞赛主题内容为教学案例，来阐述机械优化设计理论方法在完成机械类学科竞赛主题内容中的应用，达到提高学生机械优化设计理论水平的目的，为学生高质量高效率完成竞赛作品提供理论支撑。

（二）  机械优化设计课程考核

在完成机械优化设计课程理论学习的基础上，将学生进行团队分组。考虑到团队运行效率等方面的因素，团队人数控制在3～4人。团队小组建立后，每个团队需选择由任课老师制定的机械优化设计、机械类学科竞赛主题或者自选相关课题。选题应具有针对性和实用性，针对性是指需要运用课程所学优化设计方法来解决课程设计的内容，这样才能巩固学生优化设计理论知识，让学生指导如何针对性地使用各类优化设计方法；实用性指课程设计内容应尽可能选用机械类学科竞赛内容，这能使学生切实体会学以致用，有助于激发学生的学习兴趣和培养学生的创新设计思维，为参加机械类学科竞赛打下夯实的基础。

为了比较客观地评价完成课题团队中每个学生的表现，需要实现“一人一题”的任务分配。团队选好课程设计内容后，团队中每个成员必须进行任务分配，确保团队内每位成员都有自己明确的工作任务，同时也保证了小组成员的内容不重复，减少“搭便车”行为。在开始课程设计前，授课教师需要帮助每个团队确认成员分工，避免任务分工不均，学生实践能力不能得到有效锻炼。授课教师将依据课题完成质量及团队每个成员完成任务质量来对每个学生进行综合评价，保证考核公正、公平。

（三）  机械设计学科竞赛实践

经过机械优化设计课程学习和考核后，学生具备了采用机械优化设计理论方法对机械结构进行优化设计的能力，掌握了针对不同机械或机构设计问题如何选用高效的机械优化设计理论方法的能力。为了促进学以致用，鼓励学生报名参加全国大学生机械创新设计大赛，全国大学生数学建模竞赛、全国大学生化工设计竞赛、全国大学生力学竞赛等学科竞赛，授课教师鼓励学生组队参赛，授课教师需要全程辅导参赛学生，协助学生解决参赛过程遇到的机械优化设计难点问题，保证学生高质量完成竞赛作品。在指导学生完成竞赛课题过程中，授课教师应充分发挥学生的主观能动性，引导学生分析问题，解决问题，优化成果，通过全程自主完成竞赛课题，学生掌握机械优化设计理论知识水平得到充分检验，学生基于机械优化设计理论方法进行创新设计实践的能力也得到充分考查。通过一学期的教学实践，授课教师指导学生采用掌握的机械优化设计理论方法，参加了全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生化工设计竞赛、全国大学生力学竞赛和全国大学生机器人大赛等学科竞赛，取得了显著成绩。

通过对机械优化设计课程理论学习、机械优化设计课程考核及机械设计学科竞赛实践进行理论与实践教学设计，在机械优化设计理论授课过程中穿插机械类学科竞赛主题案例讲解，并设计与机械类学科竞赛相关的课程设计，以赛促教、以赛促学、以赛促研，激发学生学习课程的动力和兴趣，强化学生掌握机械优化设计理论方法的水平，提高学生参加机械类学科竞赛完成作品的质量，实现理论教学与科技实践紧密结合。

四  结束语

针对现有机械优化设计课程教学存在的关键核心问题，结合机械优化设计理论方法与机械类学科竞赛，对该课程教学方案进行改革和制定，并开展改革实践教学，以机械类学科竞赛主题问题促进机械优化设计理论课程学习。通过采用课程设计和学生实践，来检验学生掌握机械优化设计理论知识水平及课程改革效果，同时鼓励学生参加机械类学科競赛，真正做到学以致用。分析课程改革效果，总结改革方案利弊，对改革方案进行优化，并运用于实际教学中，最后形成基于机械类学科竞赛的机械优化设计课程教学方案，指导学生参加机械类学科竞赛，学科竞赛作品水平大幅度提高。

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