机械工程硕士的集成优化课程教学实践研究

史彦军+孙雪颜+段春争+刘冲

摘要：本文针对专业学位的机械工程硕士研究生，结合工业界先进的多学科优化设计工程软件Isight，给出该专业集成优化课程的教学实践方法。本方法改变传统的教学模式，采用工程实践案例教学，与业界优化领域专家一起授课，将工业界先进的工程实践教学引入课堂。通过多个实践教学实例分析开展案例教学，能有效发挥学生学习的主观能动性。教学实践表明，这些措施有利于提高学生对集成优化方法这门课程的兴趣，提高其自身研究能力和实践能力。

关键词：机械工程；优化设计；工程实践；研究生教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）42-0134-02

一、引言

工程实践教育已逐渐成为工科类专业的一种教育模式，这既符合时代发展的趋势，又可提高专业学位研究生的就业竞争力。为提升机械工程专业学位硕士研究生的实践操作能力和创新革新意识，当前，校内实践平台以课内实践教学内容为主线，以各类技能培训、参观实习等课外自主实践类活动为辅助，共同塑造本专业学位硕士研究生扎实的理论功底和过硬的动手能力。

随着计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术的发展，自动化的集成仿真平台成为了CAE的发展方向，目前市场上占较大份额的集成仿真设计框架为Isight集成仿真平台。Isight是国际上最先进的基于参数的多学科设计优化软件（CAO）之一，能够实现机械工程设计与制造流程的集成自动化，具有试验设计、近似建模、多学科优化设计等功能，可集成CAD软件（UG、Pro/E等）、CAE软件（Adams、Ansys、Fluent等），发挥各个软件的长处，已在机械、航空航天、兵器、汽车等行业得到广泛应用。Isight由于其先进的软件集成和多学科优化能力，可全面用于机械工程的各个专业领域和研究方向，主要应用于以下四个方面：（1）工程应用软件集成；（2）试验设计方法；（3）近似建模方法；（4）多目标和多学科优化方法。立足于培养研究生机械工程领域的工程实践能力、创新能力和知识运用能力。

机械工程专业应加强培养学生求解工程优化问题的技能，以适应社会需求。目前各大院校机械工程专业的集成优化问题教学普遍存在重理论、轻实践的问题，过于注重理论的传授、定理的证明和推导，缺乏和应用实践的结合分析。集成优化相关的教材以运筹学教材和最优化方法的课程教材为主，这些教材的编写人员多数是数学专业出身的学者，往往将重点放在理论环节，而不是解决实际的产业问题，因此设置的题目和列举的例子过于理想化，缺乏实用的生动案例。

针对以上问题，本文主要围绕集成优化软件教学和工程实践教学等方面就培养学生解决优化问题的能力展开讨论。

二、专业学位的集成优化实践教学方法

专业知识实际上是基础理论与工程实际相结合的产物，在课程教学过程中围绕重点内容，剖析典型实际案例给学生的启发是多方面的，对于提高学生对工程实际问题的敏感性、提高解决实际问题的方法大有裨益。这种通过联系工程实际来讲解的方法，使得教学内容现实化、具体化，不仅突出了课程的工程实用性，也起到了调动学生学习积极性的作用。因此，在进行实践教学改革时应遵循以下三个原则：（1）建立实践教学平台，培养机械专业认知能力，启发创新思维。（2）更新和丰富实践教学内容，提高实践教学质量。（3）注重学生的自主学习与思考，加强培养团队合作，培养分析问题和解决问题的能力。集成优化设计课程的教学安排，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。首先，在集成优化理论部分主要围绕本课程的基本知识和基本理论，并且突出重点和难点，精讲重点内容，讲清各知识点间的相互联系；其次，也是最重要的部分，课程的实践教学内容要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。通过优化设计的具体应用实例，来帮助学生理解、体验集成优化设计的基本知识和各种应用。下面用一个汽车设计优化问题来简述一下集成优化的应用。汽车系统设计过程追求多目标、多属性之间的最佳平衡。通过试验设计和全局优化策略，在不牺牲动力性的情况下，优化匹配汽车动力传动系统速比，实现降低油耗的目的。通过集成自动化平台，使优化过程能够自动运行，使工程设计人员能摆脱大量的体力劳动，节省时间成本。在设计空间不了解的情况下，将试验设计（DOE）与组合优化策略结合起来并构造响应面模型。搜索方法由全局到局部：多岛遗传算法遍寻整个设计空间，避免局部最优解；序列二次规划法在多岛遗传算法的基础上寻找局部最优解。Isight将试验与仿真紧密结合起来，对于工程应用十分有益。试验设计和各种组合优化策略，为汽车动力传动系统速比优化匹配提供了有力的支持；优化过程能够自动运行，节省了大量的时间成本，使得工程设计人员能摆脱大量的体力劳动。

在集成优化实践教学中，共有8项教学内容：

（1）Isight简介与应用程序集成——了解Isight软件功能模块；

（2）工作流和数据映射——掌握Simcode，Script等程序集成，掌握工作流方法；

（3）试验设计方法及装备结构敏度分析应用——掌握试验设计方法及敏度分析；

（4）全局优化方法应用——了解Isight的优化方法，掌握其应用方法；

（5）近似建模方法应用及装备结构预测设计——掌握响应面、神经网络和Kriging模型的预测设计；

（6）组合优化策略及多目标优化方法应用——掌握组合优化车辆及多目标优化方法；

（7）多学科优化与稳健性设计应用——掌握多学科优化方法应用；

（8）装备结构优化综合实例——掌握Isight的综合优化应用方法。

以上教学内容均是多媒体教学，并且有上机操作。同时，还需要有丰富实践经验的集成优化专家进行工程实例教学，增加学生对实际工程问题的了解，有助于以后走入实际工作岗位的应用。

三、结论

实践教学是机械工程类专业创新型人才培养的一个重要部分。通过改变传统的教学模式，结合面向工程实际的实践教学，并请有实践经验的集成优化专家为学生讲授集成优化应用技术，有效地调动了学生学习的主动性和责任感，培养了学生分析问题与解决问题的能力。同时，实践教学可以提高学生发现问题和解决问题的能力，发掘了学生主动学习的热情，提高了其综合能力。

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