優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的說課設(shè)計(jì)

秦建華 張烈平 李海俠 易懷安

摘?要：說課是提高教師教學(xué)水平的有效方式。本文從說目標(biāo)、說內(nèi)容、說對象以及教學(xué)設(shè)計(jì)等方面對《先進(jìn)制造技術(shù)》課程中的“優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”進(jìn)行說課設(shè)計(jì)，這為機(jī)械專業(yè)課程的說課設(shè)計(jì)和課堂實(shí)施提供了參考。

關(guān)鍵詞：說課設(shè)計(jì);先進(jìn)制造技術(shù);優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

說課是提高教師教學(xué)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(zhì)量和課堂教學(xué)能力。

《先進(jìn)制造技術(shù)》[3]通常是機(jī)械工程專業(yè)高年級本科生或研究生開設(shè)的一門綜合專業(yè)選修課，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)σ恍┑湫拖冗M(jìn)制造技術(shù)的基本概念、基本原理和關(guān)鍵技術(shù)有一個(gè)全面的了解和掌握。為此，本文節(jié)選了《先進(jìn)制造技術(shù)》中“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法—優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”作為說課[4]課例，從說目標(biāo)、說內(nèi)容、說對象以及教學(xué)環(huán)節(jié)過程等方面進(jìn)行了說課設(shè)計(jì)。

一、說目標(biāo)

說目標(biāo)主要圍繞課程教學(xué)大綱，課程特點(diǎn)，學(xué)生實(shí)際來確定知識(shí)與技能、能力培養(yǎng)、素質(zhì)養(yǎng)成等教學(xué)目標(biāo)，具體如下：

教學(xué)大綱：根據(jù)機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，本課程的內(nèi)容力求能夠反應(yīng)今年國內(nèi)外先進(jìn)制造技術(shù)的最新發(fā)展，旨在使學(xué)生對一些典型先進(jìn)制造技術(shù)的基本概念、基本原理和關(guān)鍵技術(shù)有一個(gè)全面的了解和掌握，并配合工程實(shí)際案例，強(qiáng)化學(xué)生的先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用能力和解決問題的能力。

課程特點(diǎn)：根據(jù)機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，本課程偏重內(nèi)容的前沿性、交叉性和綜合性;注重工程實(shí)際應(yīng)用;力求知識(shí)體系的系統(tǒng)性和完整性。

學(xué)生實(shí)際：本課程的教學(xué)對象主要為機(jī)械工程專業(yè)高年級本科生或研究生。通過前期的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，具備了一定的機(jī)械制造設(shè)計(jì)、機(jī)械自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)，對典型機(jī)械和零部件的構(gòu)造、尺寸、大小等具備一定的計(jì)算和分析能力。但部分學(xué)生因機(jī)械專業(yè)知識(shí)相對枯燥而導(dǎo)致積極性不足，同時(shí)其工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有待進(jìn)一步提升。

根據(jù)以上分析，本說課的教學(xué)目標(biāo)可設(shè)定為：在知識(shí)與技能方面，使學(xué)生掌握優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建模方法和規(guī)格化處理方法，掌握產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟及工程應(yīng)用;在能力培養(yǎng)方面：培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理和分析能力、技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力;在素質(zhì)養(yǎng)成方面，注重發(fā)展學(xué)生個(gè)性、團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和相互學(xué)習(xí)意識(shí)。

二、說內(nèi)容

說內(nèi)容主要從課例的選擇、教學(xué)內(nèi)容的處理、重點(diǎn)和難點(diǎn)等方面進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，具體如下：

（一）課例的選擇

先進(jìn)制造技術(shù)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)主要為傳統(tǒng)制造技術(shù)+電子、信息、材料、能源、管理等技術(shù)，其課程知識(shí)體系按章節(jié)脈絡(luò)劃分，依次分為：現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)制造工藝技術(shù)、加工自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代生產(chǎn)管理技術(shù)、先進(jìn)制造生產(chǎn)模式。其中現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是后續(xù)章節(jié)的基礎(chǔ)，也是本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此，本文將現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作為課例來進(jìn)行說課設(shè)計(jì)。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課例的說課設(shè)計(jì)與實(shí)施，能夠在學(xué)生初步了解機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)——優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生掌握優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建模步驟和技術(shù)特點(diǎn)，使學(xué)生了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。

（二）教學(xué)內(nèi)容的處理

首先，設(shè)計(jì)問題的導(dǎo)入。在教學(xué)內(nèi)容上，增加將優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中的成功應(yīng)用案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

其次，優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。在教學(xué)內(nèi)容上，引入一個(gè)典型而簡單的優(yōu)化設(shè)計(jì)例子，穿插在內(nèi)容講解過程中，使學(xué)生對指導(dǎo)學(xué)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(jìn)、培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。

再次，優(yōu)化方法的分類。在教學(xué)內(nèi)容上，對部分內(nèi)容進(jìn)行遷移，將基于數(shù)學(xué)模型三要素的優(yōu)化方法分類的內(nèi)容穿插到上部分內(nèi)容講解中，使學(xué)生將抽象的分類具體化;對基于求解方法的優(yōu)化方法分類的部分內(nèi)容，利用直觀的圖表進(jìn)行直觀教學(xué)。

最后，優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟。在教學(xué)內(nèi)容上，引入典型機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化問題的具體設(shè)計(jì)過程例子，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程圖，通過實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行講解說明。

（三）重點(diǎn)和難點(diǎn)

本說課的重點(diǎn)包括：數(shù)學(xué)模型三要素及確立，優(yōu)化計(jì)算方法的選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟。其主要依據(jù)為：數(shù)學(xué)模型建立的關(guān)鍵是數(shù)學(xué)模型三要素的確立;優(yōu)化計(jì)算方法的選擇能夠鍛煉學(xué)生的邏輯推理和分析能力;優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟能夠培育學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

本說課的難點(diǎn)包括：設(shè)計(jì)變量的選擇;目標(biāo)函數(shù)的確定;約束方程的建立。其主要依據(jù)為：所述難點(diǎn)內(nèi)容涉及理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，變化較為復(fù)雜、綜合性較強(qiáng)，對學(xué)生的理論基礎(chǔ)要求較高。

三、教學(xué)對象

說課的教學(xué)對象主要機(jī)械工程專業(yè)高年級本科生或研究生，其通過對本課程的前期學(xué)習(xí)，已對現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵和體系具有了一定的認(rèn)識(shí);對生活、生產(chǎn)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程有較明確的認(rèn)識(shí)。但學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)踐過程應(yīng)用仍不是很熟悉，要引用相關(guān)例子較為困難，同時(shí)機(jī)械專業(yè)知識(shí)相對枯燥，導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不夠，缺乏產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

為此，可在說課內(nèi)容中增加一些基礎(chǔ)知識(shí)的講解，有重點(diǎn)地加入一些圖表說明，同時(shí)采用課堂討論、問題提問等多種教學(xué)方法進(jìn)行說課。

四、教學(xué)環(huán)節(jié)

本課程的教學(xué)方法主要包括講授法、案例教學(xué)法、討論法、總結(jié)歸納法等，具體運(yùn)用（結(jié)合教學(xué)環(huán)節(jié)過程來說明）如下：

第一階段：組織教學(xué)，引入課題（時(shí)間：5分鐘）。

設(shè)計(jì)思路：復(fù)習(xí)前期課程內(nèi)容：產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程;結(jié)合圖片，介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)的成功應(yīng)用案例，分析這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵問題，引出優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

運(yùn)用的方法：案例教學(xué)法。

第二階段：新課教學(xué)（時(shí)間：25分鐘）。設(shè)計(jì)思路：

（一）優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

案例①柴油機(jī)變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)例子（機(jī)械圖例）

講解：優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選擇及維度。

問：三個(gè)設(shè)計(jì)變量可以建立多少方程？

解答：三個(gè)。

講解：說明變量的維度的影響及在優(yōu)化設(shè)計(jì)變量基礎(chǔ)上的優(yōu)化方法分類

選擇依據(jù)機(jī)械圖例進(jìn)行。

回歸案例①，提出思考：變量與設(shè)計(jì)目標(biāo)怎樣聯(lián)系的呢？引出第（2）個(gè)內(nèi)容。

2.目標(biāo)函數(shù)

問：案例①要進(jìn)行優(yōu)化，有哪些可以優(yōu)化？

講解：優(yōu)化目標(biāo)的評價(jià)函數(shù)的建立;

問：目標(biāo)函數(shù)的極大值問題與極小值問題是否可以轉(zhuǎn)化？

思考：轉(zhuǎn)化的條件是什么？

講解：比較單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化方法的聯(lián)系與特點(diǎn)，并講解在目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上的優(yōu)化方法分類。

3.約束條件

回歸案例①，介紹設(shè)計(jì)約束的定義，表現(xiàn)形式，引出設(shè)計(jì)空間的范圍劃分。

4.數(shù)學(xué)模型的規(guī)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(guī)格化的常用方法及作用。

（二）優(yōu)化方法的分類

給出“常用優(yōu)化計(jì)算方法及特點(diǎn)”的圖表。

講解：優(yōu)化計(jì)算方法的各自特點(diǎn)及選擇。

提問：案例①選擇什么算法較為合適？

（三）優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟

給出“常用優(yōu)化計(jì)算方法及特點(diǎn)”的流程圖。

講解：結(jié)合案例①，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟。

運(yùn)用的方法：講授法、討論法和案例教學(xué)法。

第三階段：實(shí)踐運(yùn)用（（時(shí)間：10分鐘））。

設(shè)計(jì)思路：學(xué)生掌握新知識(shí)后，再設(shè)計(jì)一個(gè)具體的優(yōu)化問題，以小組為單位，制定比賽規(guī)則后，自行將優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的實(shí)例中，讓學(xué)生體驗(yàn)團(tuán)結(jié)協(xié)作的力量，以比賽的方式，使同學(xué)們的高興點(diǎn)再次掀起高潮，不知不覺中得到了知識(shí)的鞏固。

運(yùn)用的方法：討論法

第四個(gè)階段：歸納總結(jié)（（時(shí)間：5分鐘）

設(shè)計(jì)思路：在這個(gè)環(huán)節(jié)中，可請同學(xué)們對這節(jié)課談?wù)勛约旱氖斋@，其目的在于讓同學(xué)們回顧教學(xué)過程，對知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化的梳理，加深對本課重難點(diǎn)的理解。同時(shí)給學(xué)生制造學(xué)習(xí)的期待心理，激發(fā)他們下階段的學(xué)習(xí)熱情。

運(yùn)用的方法：總結(jié)歸納法。

五、結(jié)語

說課是將教案轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的重要演練環(huán)節(jié)。積極開展說課設(shè)計(jì)能夠有效的提升教師的課堂教學(xué)能力，這對進(jìn)一步推動(dòng)高校大學(xué)生人才培養(yǎng)事業(yè)的發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳宏偉，沈群書，高飛.說課及說課方法淺析[J].科技資訊，2016，14（34）：163+165.

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

[3]王隆太.先進(jìn)制造技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4]秦建華，陳靜，黃婷婷.機(jī)械專業(yè)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)的問題及對策[J].高教學(xué)刊，2017（06）：60-61+63.

[5]陳玲萍，王瀟，范冬英，等.《工程制圖》“組合體讀圖”說課設(shè)計(jì)[J].課程教育研究，2017（43）：227.

[6]岳勇，謝建華，馬衛(wèi)彬.“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程說課內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為例[J].創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2016，7（03）：119-121.

[7]羅春曉.淺析說課設(shè)計(jì)—以《管道的轉(zhuǎn)動(dòng)焊接》為例[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（02）：162.

基金項(xiàng)目：2018年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“基于適時(shí)教學(xué)的機(jī)械專業(yè)課程混合式教學(xué)模式改革與實(shí)踐”（2018JGA183）;2019年廣西學(xué)位與研究生教育改革課題“人工智能課程案例庫建設(shè)與應(yīng)用實(shí)踐研究”（JGY2019092）;2018年度桂林理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理論與實(shí)踐專項(xiàng)研究項(xiàng)目“大學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐能力提升研究”（GUT2018CY04）;2017年度桂林理工大學(xué)高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“基于JITT的機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)模式改革研究與實(shí)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(jī)械電子工程、信息檢測及處理等方向的教學(xué)科研工作。