優化設計方法的說課設計

秦建華 張烈平 李海俠 易懷安

摘?要：說課是提高教師教學水平的有效方式。本文從說目標、說內容、說對象以及教學設計等方面對《先進制造技術》課程中的“優化設計方法”進行說課設計，這為機械專業課程的說課設計和課堂實施提供了參考。

關鍵詞：說課設計;先進制造技術;優化設計方法

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

說課是提高教師教學水平的有效方式。說課就是要講清楚“教什么、怎么教、為什么這么教”。[1-2]通過說課可以有效的提高教師的備課質量和課堂教學能力。

《先進制造技術》[3]通常是機械工程專業高年級本科生或研究生開設的一門綜合專業選修課，通過該課程的學習，學生能夠對一些典型先進制造技術的基本概念、基本原理和關鍵技術有一個全面的了解和掌握。為此，本文節選了《先進制造技術》中“現代設計方法—優化設計方法”作為說課[4]課例，從說目標、說內容、說對象以及教學環節過程等方面進行了說課設計。

一、說目標

說目標主要圍繞課程教學大綱，課程特點，學生實際來確定知識與技能、能力培養、素質養成等教學目標，具體如下：

教學大綱：根據機械專業人才培養目標，本課程的內容力求能夠反應今年國內外先進制造技術的最新發展，旨在使學生對一些典型先進制造技術的基本概念、基本原理和關鍵技術有一個全面的了解和掌握，并配合工程實際案例，強化學生的先進制造技術應用能力和解決問題的能力。

課程特點：根據機械專業人才培養目標，本課程偏重內容的前沿性、交叉性和綜合性;注重工程實際應用;力求知識體系的系統性和完整性。

學生實際：本課程的教學對象主要為機械工程專業高年級本科生或研究生。通過前期的專業基礎學習，具備了一定的機械制造設計、機械自動化、計算機等相關知識基礎，對典型機械和零部件的構造、尺寸、大小等具備一定的計算和分析能力。但部分學生因機械專業知識相對枯燥而導致積極性不足，同時其工程設計的實踐經驗有待進一步提升。

根據以上分析，本說課的教學目標可設定為：在知識與技能方面，使學生掌握優化設計數學模型的建模方法和規格化處理方法，掌握產品優化設計步驟及工程應用;在能力培養方面：培養學生的邏輯推理和分析能力、技術應用能力和創新能力;在素質養成方面，注重發展學生個性、團結協作精神和相互學習意識。

二、說內容

說內容主要從課例的選擇、教學內容的處理、重點和難點等方面進行相關設計，具體如下：

（一）課例的選擇

先進制造技術課程的知識結構主要為傳統制造技術+電子、信息、材料、能源、管理等技術，其課程知識體系按章節脈絡劃分，依次分為：現代設計技術、先進制造工藝技術、加工自動化技術、現代生產管理技術、先進制造生產模式。其中現代設計技術是后續章節的基礎，也是本課程的重點和難點，因此，本文將現代設計技術中的優化設計方法作為課例來進行說課設計。

通過優化設計方法課例的說課設計與實施，能夠在學生初步了解機械產品設計過程的基礎上，進一步學習機械產品設計的關鍵技術——優化設計方法，進而引導學生掌握優化設計數學模型的建模步驟和技術特點，使學生了解現代設計技術對產品設計的指導作用。

（二）教學內容的處理

首先，設計問題的導入。在教學內容上，增加將優化設計應用到工程設計中的成功應用案例，激發學生的學習積極性。

其次，優化設計的數學模型。在教學內容上，引入一個典型而簡單的優化設計例子，穿插在內容講解過程中，使學生對指導學生將抽象的問題具體化;加入系列提問，引入新問題、新懸念，由淺到深地、循序推進、培養學生的空間想象能力。

再次，優化方法的分類。在教學內容上，對部分內容進行遷移，將基于數學模型三要素的優化方法分類的內容穿插到上部分內容講解中，使學生將抽象的分類具體化;對基于求解方法的優化方法分類的部分內容，利用直觀的圖表進行直觀教學。

最后，優化設計的基本步驟。在教學內容上，引入典型機械產品優化問題的具體設計過程例子，結合優化設計的流程圖，通過實際應用進行講解說明。

（三）重點和難點

本說課的重點包括：數學模型三要素及確立，優化計算方法的選擇和優化設計的基本步驟。其主要依據為：數學模型建立的關鍵是數學模型三要素的確立;優化計算方法的選擇能夠鍛煉學生的邏輯推理和分析能力;優化設計的基本步驟能夠培育學生的技術應用能力和創新能力。

本說課的難點包括：設計變量的選擇;目標函數的確定;約束方程的建立。其主要依據為：所述難點內容涉及理論力學、材料力學、機械原理等相關基礎知識，變化較為復雜、綜合性較強，對學生的理論基礎要求較高。

三、教學對象

說課的教學對象主要機械工程專業高年級本科生或研究生，其通過對本課程的前期學習，已對現代設計技術的內涵和體系具有了一定的認識;對生活、生產中的產品設計流程有較明確的認識。但學生對現代設計技術的實踐過程應用仍不是很熟悉，要引用相關例子較為困難，同時機械專業知識相對枯燥，導致部分學生的學習積極性不夠，缺乏產品設計實踐經驗。

為此，可在說課內容中增加一些基礎知識的講解，有重點地加入一些圖表說明，同時采用課堂討論、問題提問等多種教學方法進行說課。

四、教學環節

本課程的教學方法主要包括講授法、案例教學法、討論法、總結歸納法等，具體運用（結合教學環節過程來說明）如下：

第一階段：組織教學，引入課題（時間：5分鐘）。

設計思路：復習前期課程內容：產品設計的流程;結合圖片，介紹優化設計的成功應用案例，分析這些產品的設計流程和關鍵問題，引出優化設計問題。

運用的方法：案例教學法。

第二階段：新課教學（時間：25分鐘）。設計思路：

（一）優化設計的數學模型

1.優化設計變量

案例①柴油機變速箱的優化設計例子（機械圖例）

講解：優化設計變量的選擇及維度。

問：三個設計變量可以建立多少方程？

解答：三個。

講解：說明變量的維度的影響及在優化設計變量基礎上的優化方法分類

選擇依據機械圖例進行。

回歸案例①，提出思考：變量與設計目標怎樣聯系的呢？引出第（2）個內容。

2.目標函數

問：案例①要進行優化，有哪些可以優化？

講解：優化目標的評價函數的建立;

問：目標函數的極大值問題與極小值問題是否可以轉化？

思考：轉化的條件是什么？

講解：比較單目標和多目標優化方法的聯系與特點，并講解在目標函數基礎上的優化方法分類。

3.約束條件

回歸案例①，介紹設計約束的定義，表現形式，引出設計空間的范圍劃分。

4.數學模型的規格化

回歸案例①，課堂討論：案例中涉及的量和單位有多少？

講解：規格化的常用方法及作用。

（二）優化方法的分類

給出“常用優化計算方法及特點”的圖表。

講解：優化計算方法的各自特點及選擇。

提問：案例①選擇什么算法較為合適？

（三）優化設計的基本步驟

給出“常用優化計算方法及特點”的流程圖。

講解：結合案例①，說明優化設計的基本步驟。

運用的方法：講授法、討論法和案例教學法。

第三階段：實踐運用（（時間：10分鐘））。

設計思路：學生掌握新知識后，再設計一個具體的優化問題，以小組為單位，制定比賽規則后，自行將優化設計應用的實例中，讓學生體驗團結協作的力量，以比賽的方式，使同學們的高興點再次掀起高潮，不知不覺中得到了知識的鞏固。

運用的方法：討論法

第四個階段：歸納總結（（時間：5分鐘）

設計思路：在這個環節中，可請同學們對這節課談談自己的收獲，其目的在于讓同學們回顧教學過程，對知識進行系統化的梳理，加深對本課重難點的理解。同時給學生制造學習的期待心理，激發他們下階段的學習熱情。

運用的方法：總結歸納法。

五、結語

說課是將教案轉化為實踐教學活動的重要演練環節。積極開展說課設計能夠有效的提升教師的課堂教學能力，這對進一步推動高校大學生人才培養事業的發展具有重要的實踐意義。

參考文獻：

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[2]亓玉嫻，郭建蓮，胡家會.說課內容的邏輯性與藝術性[J].基礎教育研究，2019（01）：34-35.

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[4]秦建華，陳靜，黃婷婷.機械專業網絡課程建設的問題及對策[J].高教學刊，2017（06）：60-61+63.

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[6]岳勇，謝建華，馬衛彬.“機械設計”課程說課內容設計與實踐——以新疆農業大學機械設計制造及其自動化專業為例[J].創新與創業教育，2016，7（03）：119-121.

[7]羅春曉.淺析說課設計—以《管道的轉動焊接》為例[J].科技經濟導刊，2019，27（02）：162.

基金項目：2018年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“基于適時教學的機械專業課程混合式教學模式改革與實踐”（2018JGA183）;2019年廣西學位與研究生教育改革課題“人工智能課程案例庫建設與應用實踐研究”（JGY2019092）;2018年度桂林理工大學創新創業教育理論與實踐專項研究項目“大學生機器人創新實踐能力提升研究”（GUT2018CY04）;2017年度桂林理工大學高等教育本科教學改革工程項目“基于JITT的機電專業課程教學模式改革研究與實踐”（2017B20）

作者簡介：秦建華（1979-），男，廣西桂林人，博士，副教授，主要從事機械電子工程、信息檢測及處理等方向的教學科研工作。