《机械优化设计》课程教学大纲

机械优化设计（MechanicalOptimizationDesign）课程基本信息课程编号：04021191课程总学时：32实验学时：6学时课程性质：选修课程属性:专业深化类开设学期：第6学期适用专业：农装对先修的要求：机械设计，机械原理对后续的支撑：毕业设计一、课程的教学理念、性质、目标和任务本课程介绍机械优化设计方法的基本理论、方法和应用，是对学生所学基础课和专业基础课的综合运用和提高。本课程主要培养学生以数学规划为基础，以电子计算机为工具，初步掌握寻求机械设计中最优设计参数的优化方法，并学会解决一些机械设计中简单的优化问题。二、课程教学的基本要求1.理论知识方面：学会对简单的机械设计问题，建立合理的优化设计数学模型；了解常用优化方法的基本原理，能结合设计问题选择合适的优化方法。2.实验技能方面：本课程的实验课程部分，是理论教学的验证、深化和补充，具有较强的实践性。拟通过实验教学的进行，让学生进一步深化对课堂教学内容的理解，实验教学培养学生的自己动手能力、运用各种优化方法来研究。要求学生按时完成程序编制。所编程序未完成者不允许参加机械优化设计考试。另外，通过实践进一步加强学生独立分析问题和解决问题的能力、综合设计及创新能力的培养，同时注意培养学生实事求是、严肃认真的科学作风和良好的实验习惯，为今后工作打下良好的基础。三、课程的教学设计1.教学设计说明教师在课堂上利用有限的时间对于学生课前预习的情况凝练出本节课的重难点，并利用案例动画展示、课堂讨论等多种教学手段讲授每章的重点、难点内容；讲授中通过必要的讨论启迪学生的思维，加深学生对有关概念、理论等内容的理解，并应采用多媒体辅助教学，加大课堂授课的知识含量。在主要章节讲授完之后，要布置一定量的案例分析讨论，加深学生对所学知识的理解、运用，拓宽学生的知识面。本课程理论教学以课堂讲授为主，以启发式、讨论式教学，促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；教学方法与手段：多媒体、黑板、三维模型、学习通教学视频等相结合。本课程实验教学着重讲授如何用科学的手段来完成理论的验证；采用教师讲授和学生上机编程的方法；在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。2.课程目标及对毕业要求的支撑序号课程目标毕业要求1目标1：了解机械设计优化设计方法的基本理论。12目标2：以电子计算机为工具，初步掌握寻求机械设计中最优设计参数的优化方法。23目标3：能够解决一些机械设计中简单的优化问题。3四、理论教学内容及学时分配（26学时）第一章绪论学时数：1教学目标：了解优化设计概述，发展状况。教学重点和难点：明确本课程的基本内容和性质，掌握学习本课程的基本要求。主要教学内容及要求：1．了解优化设计概述，发展状况。2．理解本课程的基本内容和性质，掌握学习本课程的基本要求。教学组织与实施：根据学生认知规律和接受特点，观看相关视频从大方向了解本门课程的开设目的和意义，并以此为介质，学生进行分组讨论学习本门课程的意义包括什么、“优化设计”如何理解等内容。从而提高学生的主观能动性，提高教学效果。第二章机械优化设计的基本术语和数学模型学时数：2教学目标：学会对简单的机械设计问题的分析，建立合理的优化设计数学模型。教学重点和难点：设计变量，目标函数，约束条件，数学模型及其几何意义等主要教学内容及要求：1.理解简单的机械设计问题的分析2.掌握建立合理的优化设计数学模型3.熟练掌握设计变量，目标函数，约束条件，数学模型教学组织与实施：根据学生认知规律和接受特点，以简单机械设计问题为基础，通过教师主动引导，学生分组后针对设计变量、目标函数、约束条件等给出各组讨论结果。让学生通过主动思考实际问题，对其理论知识能有深刻的记忆，初步提高解决简单问题的能力。第三章优化设计的某些基本概念和理论学时数：7教学目标：通过本章的学习，掌握多元函数的方向导数与梯度；多元函数的泰勒展开；无约束优化问题的极值条件；凸集、凸函数与凸规划；不等式约束优化问题的极值条件。教学重点和难点：多元函数的方向导数与梯度；多元函数的泰勒展开式；无约束优化问题的极值条件；不等式约束优化问题的极值条件。主要教学内容及要求：1.理解凸集、凸函数与凸规划。2.掌握无约束优化问题的极值条件；多元函数的泰勒展开式。3.熟练掌握多元函数的方向导数与梯度；不等式约束优化问题的极值条件。教学组织与实施：根据学生认知规律和接受特点，教师讲授多元函数的方向导数、梯度等理论基础与概念，学生以此为基础，通过课堂练习加深对本节课的认识。第四章优化设计中几种常用的无约束最优化方法学时数：10教学目标：掌握具体的优化设计方法，包括一维搜索方法、无约束优化方法。教学重点和难点：外推法、0.618法、二次插值法、最速下降法、共轭方向及共轭方向法、共轭梯度法、坐标轮换法、鲍威尔方法，牛顿法等。主要教学内容及要求：1.掌握外推法。2.熟练掌握0.618法、二次插值法、最速下降法、共轭方向及共轭方向法、共轭梯度法、坐标轮换法、鲍威尔方法，牛顿法。教学组织与实施：根据学生认知规律和接受特点，教师讲授具体的几种重要的优化设计方法，包括其概念与应用范围，学生通过堂课讨论与练习更深一步学习理论知识，并思考如何将其应用在实际解决问题中。第五章约束优化设计的直接解法学时数：4教学目标：了解约束优化设计的直接解法的基本特点，掌握约束优化的直接解法。教学重点和难点：随机方向法，复合形法。主要教学内容及要求：1.了解约束优化设计的直接解法的基本特点。2.熟练掌握随机方向法，复合形法。教学组织与实施：根据学生认知规律和接受特点，教师主要讲授约束优化设计的直接解法，学生通过堂课讨论与练习更深一步学习理论知识，并思考如何将其应用在实际解决问题中。第六章约束优化设计的间接解法学时数：2教学目标：了解约束优化设计的间接解法的基本思想；掌握内点惩罚函数法；外点惩罚函数法；混合惩罚函数法。教学重点和难点：内点惩罚函数法；外点惩罚函数法；混合惩罚函数法。主要教学内容及要求：1.了解约束优化设计的间接解法的基本思想，约束优化设计的间接解法小结。2.掌握内点惩罚函数法；外点惩罚函数法；混合惩罚函数法。教学组织与实施：根据学生认知规律和接受特点，教师主要讲授约束优化设计的间接解法，学生通过堂课讨论与练习更深一步学习理论知识，并思考如何将其应用在实际解决问题中。五、实验教学内容及学时分配（6学时）（一）实验课程简介《机械优化设计》是一门专业选修课。通过本门课程的学习，培养学生对机械优化设计的基本理论，优化方法等问题的认识，使其掌握必要的基础知识，较熟练的计算能力，一定的分析能力，初步的实践应用能力，从而使学生对工程中的一般优化问题具有定量的分析、计算，编程的能力。同时为有关专业课程的学习打下坚实的优化基础。（二）实验教学目的和基本要求本课程的实验课程部分，是理论教学的验证、深化和补充，具有较强的实践性。拟通过实验教学的进行，让学生进一步深化对课堂教学内容的理解，实验教学培养学生的自己动手能力、运用各种优化方法来研究。要求学生按时完成程序编制。所编程序未完成者不允许参加机械优化设计考试。另外，通过实践进一步加强学生独立分析问题和解决问题的能力、综合设计及创新能力的培养，同时注意培养学生实事求是、严肃认真的科学作风和良好的实验习惯，为今后工作打下良好的基础。（三）实验安全操作规范1）进行实验前，实验人员应认真预习，弄清本次实验目的；2）实验的操作过程及原理，理清思路；3）实训实验时的设备摆放整齐，便于操作及记录；4）使用结束后，必须检查是否断电，是否清理现场，实验室指导教师检查无误后方可离开。（四）实验项目名称与学时分配序号实验名称学时类型实验要求每组人数04021191＋01曲柄摇杆机构程序的编制2综合性必做404021191＋02曲柄滑块机构程序的编制2综合性必做404021191＋03Hermite插值程序的编制2综合性必做4（五）实验方式及基本要求1.实验前学生必须进行预习，方可进入实验室进行实验。2.实验4人1组，在指导教师的指导下，由学生在规定的时间内独立完成。出现问题，教师要引导学生独立分析、解决，不得包办代替。3.任课教师要认真上好每一堂课，实验前清点学生人数，实验中按要求做好学生实验情况及结果记录。（六）实验内容安排【实验一】曲柄摇杆机构程序的编制1.实验学时：22.实验目的：了解曲柄摇杆机构的理论和方法，并进行程序的编制。3.实验内容：编写相应的程序，撰写实验报告。4.实验要求：实验前进行曲柄摇杆机构工作原理预习，建立运动学方程。5.实验设备及器材：计算机。【实验二】曲柄滑块机构程序的编制1.实验学时：22.实验目的：了解曲柄滑块机构的理论和方法，并进行程序的编制。3.实验内容：编写相应的程序，撰写实验报告。4.实验要求：实验前进行曲柄滑块机构工作原理预习，建立运动学方程。5.实验设备及器材：计算机。【实验三】Hermite插值法程序的编制1.实验学时：22.实验目的：掌握Hermite插值法理论，并进行程序的编制。3.实验内容：编写相应的程序，撰写实验报告。4.实验要求：实验前进行Hermite插值法理论预习，画出五次Hermite插值对应的图形，按照画好的程序框图进行编程。5.实验设备及器材：计算机。(七)考核方式及成绩评定本教学环节按照学生实验表现进行考核，实验成绩分：优、良、中、及格、不及格五级。六、课程思政在课程学习过程中，需要学生具备一丝不苟、严谨的学习态度，例如曲柄滑块机构程序的编制，其过程中涉及编程代码，需要学生认真对待，否则会浪费更多时间，最后仍会导致编程失败。七、教材及教学参考书1.选用教材：（1）理论课教材：《机械优化设计》，陈立周主编，冶金工业出版社，2005年（2）实验课教材：机械原理及机械设计实验指导书，钱向勇，浙江大学出版社，2010年2.参考书：（1）《机械优化设计》，邓效忠，竺志超，华中科技大学出版社，2015.5（2）《机械优化设计及应用》，樊军庆主编，机械工业出版社，2016.73.推荐网站（线上资源）：（1）机械工