機(jī)械工程碩士的集成優(yōu)化課程教學(xué)實(shí)踐研究

史彥軍+孫雪顏+段春爭+劉沖

摘要：本文針對專業(yè)學(xué)位的機(jī)械工程碩士研究生，結(jié)合工業(yè)界先進(jìn)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計工程軟件Isight，給出該專業(yè)集成優(yōu)化課程的教學(xué)實(shí)踐方法。本方法改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用工程實(shí)踐案例教學(xué)，與業(yè)界優(yōu)化領(lǐng)域?qū)＜乙黄鹗谡n，將工業(yè)界先進(jìn)的工程實(shí)踐教學(xué)引入課堂。通過多個實(shí)踐教學(xué)實(shí)例分析開展案例教學(xué)，能有效發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。教學(xué)實(shí)踐表明，這些措施有利于提高學(xué)生對集成優(yōu)化方法這門課程的興趣，提高其自身研究能力和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；優(yōu)化設(shè)計；工程實(shí)踐；研究生教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）42-0134-02

一、引言

工程實(shí)踐教育已逐漸成為工科類專業(yè)的一種教育模式，這既符合時代發(fā)展的趨勢，又可提高專業(yè)學(xué)位研究生的就業(yè)競爭力。為提升機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新革新意識，當(dāng)前，校內(nèi)實(shí)踐平臺以課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容為主線，以各類技能培訓(xùn)、參觀實(shí)習(xí)等課外自主實(shí)踐類活動為輔助，共同塑造本專業(yè)學(xué)位碩士研究生扎實(shí)的理論功底和過硬的動手能力。

隨著計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)的發(fā)展，自動化的集成仿真平臺成為了CAE的發(fā)展方向，目前市場上占較大份額的集成仿真設(shè)計框架為Isight集成仿真平臺。Isight是國際上最先進(jìn)的基于參數(shù)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化軟件（CAO）之一，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械工程設(shè)計與制造流程的集成自動化，具有試驗(yàn)設(shè)計、近似建模、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計等功能，可集成CAD軟件（UG、Pro/E等）、CAE軟件（Adams、Ansys、Fluent等），發(fā)揮各個軟件的長處，已在機(jī)械、航空航天、兵器、汽車等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。Isight由于其先進(jìn)的軟件集成和多學(xué)科優(yōu)化能力，可全面用于機(jī)械工程的各個專業(yè)領(lǐng)域和研究方向，主要應(yīng)用于以下四個方面：（1）工程應(yīng)用軟件集成；（2）試驗(yàn)設(shè)計方法；（3）近似建模方法；（4）多目標(biāo)和多學(xué)科優(yōu)化方法。立足于培養(yǎng)研究生機(jī)械工程領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和知識運(yùn)用能力。

機(jī)械工程專業(yè)應(yīng)加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生求解工程優(yōu)化問題的技能，以適應(yīng)社會需求。目前各大院校機(jī)械工程專業(yè)的集成優(yōu)化問題教學(xué)普遍存在重理論、輕實(shí)踐的問題，過于注重理論的傳授、定理的證明和推導(dǎo)，缺乏和應(yīng)用實(shí)踐的結(jié)合分析。集成優(yōu)化相關(guān)的教材以運(yùn)籌學(xué)教材和最優(yōu)化方法的課程教材為主，這些教材的編寫人員多數(shù)是數(shù)學(xué)專業(yè)出身的學(xué)者，往往將重點(diǎn)放在理論環(huán)節(jié)，而不是解決實(shí)際的產(chǎn)業(yè)問題，因此設(shè)置的題目和列舉的例子過于理想化，缺乏實(shí)用的生動案例。

針對以上問題，本文主要圍繞集成優(yōu)化軟件教學(xué)和工程實(shí)踐教學(xué)等方面就培養(yǎng)學(xué)生解決優(yōu)化問題的能力展開討論。

二、專業(yè)學(xué)位的集成優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)方法

專業(yè)知識實(shí)際上是基礎(chǔ)理論與工程實(shí)際相結(jié)合的產(chǎn)物，在課程教學(xué)過程中圍繞重點(diǎn)內(nèi)容，剖析典型實(shí)際案例給學(xué)生的啟發(fā)是多方面的，對于提高學(xué)生對工程實(shí)際問題的敏感性、提高解決實(shí)際問題的方法大有裨益。這種通過聯(lián)系工程實(shí)際來講解的方法，使得教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)實(shí)化、具體化，不僅突出了課程的工程實(shí)用性，也起到了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的作用。因此，在進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革時應(yīng)遵循以下三個原則：（1）建立實(shí)踐教學(xué)平臺，培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)認(rèn)知能力，啟發(fā)創(chuàng)新思維。（2）更新和豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。（3）注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與思考，加強(qiáng)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。集成優(yōu)化設(shè)計課程的教學(xué)安排，應(yīng)根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，從專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際需要出發(fā)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精選和組織。首先，在集成優(yōu)化理論部分主要圍繞本課程的基本知識和基本理論，并且突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，精講重點(diǎn)內(nèi)容，講清各知識點(diǎn)間的相互聯(lián)系；其次，也是最重要的部分，課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容要緊跟國內(nèi)外相關(guān)研究前沿，適時補(bǔ)充新內(nèi)容、新趨勢、新方法，了解和掌握最新研究發(fā)展動態(tài)，與前沿課題交叉、與工程實(shí)際交叉，突出應(yīng)用，聯(lián)系工程實(shí)際及其發(fā)展。通過優(yōu)化設(shè)計的具體應(yīng)用實(shí)例，來幫助學(xué)生理解、體驗(yàn)集成優(yōu)化設(shè)計的基本知識和各種應(yīng)用。下面用一個汽車設(shè)計優(yōu)化問題來簡述一下集成優(yōu)化的應(yīng)用。汽車系統(tǒng)設(shè)計過程追求多目標(biāo)、多屬性之間的最佳平衡。通過試驗(yàn)設(shè)計和全局優(yōu)化策略，在不犧牲動力性的情況下，優(yōu)化匹配汽車動力傳動系統(tǒng)速比，實(shí)現(xiàn)降低油耗的目的。通過集成自動化平臺，使優(yōu)化過程能夠自動運(yùn)行，使工程設(shè)計人員能擺脫大量的體力勞動，節(jié)省時間成本。在設(shè)計空間不了解的情況下，將試驗(yàn)設(shè)計（DOE）與組合優(yōu)化策略結(jié)合起來并構(gòu)造響應(yīng)面模型。搜索方法由全局到局部：多島遺傳算法遍尋整個設(shè)計空間，避免局部最優(yōu)解；序列二次規(guī)劃法在多島遺傳算法的基礎(chǔ)上尋找局部最優(yōu)解。Isight將試驗(yàn)與仿真緊密結(jié)合起來，對于工程應(yīng)用十分有益。試驗(yàn)設(shè)計和各種組合優(yōu)化策略，為汽車動力傳動系統(tǒng)速比優(yōu)化匹配提供了有力的支持；優(yōu)化過程能夠自動運(yùn)行，節(jié)省了大量的時間成本，使得工程設(shè)計人員能擺脫大量的體力勞動。

在集成優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)中，共有8項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容：

（1）Isight簡介與應(yīng)用程序集成——了解Isight軟件功能模塊；

（2）工作流和數(shù)據(jù)映射——掌握Simcode，Script等程序集成，掌握工作流方法；

（3）試驗(yàn)設(shè)計方法及裝備結(jié)構(gòu)敏度分析應(yīng)用——掌握試驗(yàn)設(shè)計方法及敏度分析；

（4）全局優(yōu)化方法應(yīng)用——了解Isight的優(yōu)化方法，掌握其應(yīng)用方法；

（5）近似建模方法應(yīng)用及裝備結(jié)構(gòu)預(yù)測設(shè)計——掌握響應(yīng)面、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Kriging模型的預(yù)測設(shè)計；

（6）組合優(yōu)化策略及多目標(biāo)優(yōu)化方法應(yīng)用——掌握組合優(yōu)化車輛及多目標(biāo)優(yōu)化方法；

（7）多學(xué)科優(yōu)化與穩(wěn)健性設(shè)計應(yīng)用——掌握多學(xué)科優(yōu)化方法應(yīng)用；

（8）裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合實(shí)例——掌握Isight的綜合優(yōu)化應(yīng)用方法。

以上教學(xué)內(nèi)容均是多媒體教學(xué)，并且有上機(jī)操作。同時，還需要有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的集成優(yōu)化專家進(jìn)行工程實(shí)例教學(xué)，增加學(xué)生對實(shí)際工程問題的了解，有助于以后走入實(shí)際工作崗位的應(yīng)用。

三、結(jié)論

實(shí)踐教學(xué)是機(jī)械工程類專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的一個重要部分。通過改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，結(jié)合面向工程實(shí)際的實(shí)踐教學(xué)，并請有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的集成優(yōu)化專家為學(xué)生講授集成優(yōu)化應(yīng)用技術(shù)，有效地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和責(zé)任感，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題與解決問題的能力。同時，實(shí)踐教學(xué)可以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，發(fā)掘了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，提高了其綜合能力。

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