教育教学高峰论坛

基于学科竞赛的机械优化设计课程创新教学改革研究

摘要：
机械优化设计作为机械工程专业高阶核心课程，具有理论性强、数学工具复杂、工程应用广泛等特点。传统教学模式偏重公式推导与理论讲解，学生缺乏对工程问题建模与求解全过程的系统体验，导致学习兴趣不足、实践能力薄弱。本文以学科竞赛为驱动，探索“以赛促学、以赛促教、赛教融合”的教学改革路径。通过重构课程内容体系、引入真实竞赛案例、构建项目化教学流程、优化多元评价机制等举措，有效提升学生的工程建模能力、算法实现能力与团队协作素养。实践表明，基于学科竞赛的教学模式显著增强了课程的挑战度、高阶性与创新性，为新工科背景下机械类专业课程改革提供了可复制、可推广的范式。

关键词：机械优化设计；学科竞赛；教学改革；项目化教学；工程能力培养

Research on Innovative Teaching Reform of Mechanical Optimization Design Course Based on Discipline Competition

Abstract:

Mechanical optimization design, as a high-level core course in mechanical engineering, has the characteristics of strong theoretical basis, complex mathematical tools, and wide engineering applications. The traditional teaching mode emphasizes formula derivation and theoretical explanation, and students lack a systematic experience of the entire process of modeling and solving engineering problems, resulting in insufficient learning interest and weak practical ability. This article explores the teaching reform path of "promoting learning through competitions, promoting teaching through competitions, and integrating competitions and teaching" driven by subject competitions. By restructuring the curriculum content system, introducing real competition cases, constructing project-based teaching processes, optimizing multiple evaluation mechanisms, and other measures, students' engineering modeling ability, algorithm implementation ability, and team collaboration literacy can be effectively enhanced. Practice has shown that the teaching model based on subject competitions significantly enhances the challenge, sophistication, and innovation of courses, providing a replicable and promotable paradigm for the reform of mechanical engineering courses in the context of new engineering disciplines.

Keywords: mechanical optimization design; Subject competitions; reform in education; Project-based teaching; Engineering Capability Development

一、引言

随着智能制造、高端装备等领域的快速发展，社会对机械工程人才的综合能力提出了更高要求，不仅需要扎实的理论基础，更强调解决复杂工程问题的实践能力与创新思维。机械优化设计课程作为连接基础理论与工程应用的关键桥梁，其教学效果直接影响学生在产品轻量化、结构可靠性、能耗控制等核心工程问题上的应对能力。然而，当前该课程普遍存在“重理论、轻实践”“重解法、轻建模”“重个体、轻协作”等问题，难以满足新工科人才培养目标。

近年来，学科竞赛因其真实性、挑战性与综合性，逐渐成为高校工程教育改革的重要抓手。全国大学生机械创新设计大赛、中国研究生机器人创新设计大赛、MathorCup高校数学建模挑战赛等赛事中，大量题目涉及参数优化、拓扑结构设计、多目标权衡等典型优化问题，与课程内容高度契合。将竞赛资源有机融入课堂教学，不仅可激发学生内生动力，还能构建“问题—建模—求解—验证—迭代”的完整工程闭环，从而推动课程从知识传授向能力培养转型。

二、学科竞赛与机械优化设计课程的内在耦合性

机械优化设计的核心在于建立工程问题的数学模型，并运用优化算法寻求最优或满意解。这一过程天然具备“问题导向”与“迭代优化”特征，与学科竞赛的命题逻辑高度一致。具体而言，二者在以下三方面形成深度耦合：

首先，在问题来源上，竞赛题目多源于企业实际需求或前沿技术挑战，如“面向无人机续航的轻量化结构设计”“智能仓储机器人的路径规划优化”等，具有明确的工程背景与约束条件，远优于教材中理想化的例题，能有效引导学生从“解题者”转变为“问题定义者”。

其次，在能力要求上，竞赛强调多学科交叉融合，要求参赛者综合运用力学、材料、控制、编程等知识，同时具备数据处理、算法实现（如遗传算法、粒子群优化、响应面法等）及结果可视化能力。这恰好覆盖了机械优化设计课程所期望培养的高阶能力维度。

最后，在学习机制上，竞赛以团队协作、限时交付、成果展示为特征，天然形成“做中学”（Learning by Doing）的学习生态。学生在真实压力下主动查阅文献、调试程序、验证方案，其投入度与反思深度远超被动听讲，符合建构主义学习理论对“情境—协作—会话—意义建构”四大要素的要求。

三、基于学科竞赛的课程教学改革路径

为充分发挥竞赛的育人功能，本研究提出“四维一体”的教学改革框架，涵盖内容重构、方法创新、平台支撑与评价优化。

（一）课程内容体系重构：从“知识点罗列”到“竞赛任务链”

打破传统按算法类型（如线性规划、非线性规划、整数规划等）组织内容的线性结构，转而以典型竞赛项目为载体，构建“基础建模—单目标优化—多目标权衡—不确定性处理—智能算法应用”五阶段递进式任务链。例如，以“小型搬运机器人结构优化”竞赛题为贯穿案例，初期引导学生建立静力学平衡方程与质量目标函数；中期引入强度、刚度等多约束条件；后期拓展至考虑制造误差的鲁棒优化或采用NSGA-II进行多目标Pareto前沿求解。通过同一工程对象的深度挖掘，实现知识的螺旋式上升。

（二）教学方法创新：推行“双导师+项目制”教学模式

组建“校内教师+企业工程师”双导师团队，前者负责理论精讲与算法推导，后者提供工程约束解读与行业标准指导。课堂采用“1+2+1”节奏：1学时理论导入，2学时小组研讨与建模实践，1学时成果汇报与互评。学生以3–5人团队形式承接微型竞赛项目，经历需求分析、变量定义、模型构建、MATLAB/Python编程求解、ANSYS仿真验证等全流程。教师角色由“讲授者”转变为“引导者”与“协作者”，重点在于启发建模思路、纠偏算法误区、促进跨组交流。

（三）教学资源与平台建设

开发“竞赛案例库”与“优化算法工具箱”。案例库收录近五年相关赛事优秀作品，标注其优化目标、约束条件、求解策略与创新点；工具箱集成常用优化算法的标准化代码模板（如fmincon、ga、paretofront等），降低编程门槛，使学生聚焦于问题本质而非代码调试。同时，利用虚拟仿真平台（如Simulink、Adams）实现设计方案的动态性能验证，增强结果可信度与工程直观性。

（四）多元化过程性评价机制

摒弃单一期末考试评价方式，建立“过程—成果—能力”三维评价体系。过程维度（40%）包括团队日志、阶段性汇报、算法调试记录；成果维度（40%）考察模型合理性、解的优度、报告规范性；能力维度（20%）通过答辩表现评估其工程沟通、批判性思维与创新意识。特别引入“竞赛成绩置换”机制：若学生在省级以上相关赛事中获奖，可申请免修课程设计环节，直接获得相应学分，形成正向激励闭环。

四、教学实践成效与反思

在某高校机械工程专业两个平行班级（实验班与对照班）开展为期一学期的教学对比实验。实验班采用上述竞赛驱动模式，对照班沿用传统讲授+课后习题模式。结果显示：实验班学生在课程设计中平均建模复杂度提升62%，85%的团队能自主实现至少一种智能优化算法，课程满意度达93%；而在后续参与省级机械创新大赛中，实验班学生获奖比例是对照班的2.3倍。更重要的是，学生普遍反馈“终于理解了优化不只是数学，而是工程决策的艺术”。

当然，改革也面临挑战：一是竞赛题目难度不均，需教师精心筛选与改编；二是部分学生初期存在畏难情绪，需加强基础编程与建模训练；三是团队协作中可能出现“搭便车”现象，需通过角色轮换与个体贡献度评估加以规避。

五、结语

将学科竞赛深度融入机械优化设计课程，不仅是教学形式的更新，更是教育理念的跃迁——从“教知识”转向“育能力”，从“封闭课堂”走向“开放工程”。通过真实问题驱动、项目化实施与多元评价，课程成功构建了一个充满挑战与创造的学习场域，使学生在解决复杂优化问题的过程中，不仅掌握了算法工具，更锤炼了工程直觉、系统思维与协作精神。这种“以赛促改、赛教共生”的模式，为机械类高阶课程的内涵式发展提供了切实可行的路径。未来，可进一步探索竞赛资源与在线开放课程、虚拟教研室的深度融合，持续释放其在工程教育创新中的潜能。

参考文献：

[1]张龙,王世伟,苗磊,等.基于机械创新设计竞赛的机械专业教学改革探索与实践[J].产业与科技论坛.2018,(17).DOI:10.3969/j.issn.1673-5641.2018.17.119 .

[2]杨叔子,彭文生,吴昌林,等.三论机械创新设计大赛很重要——纪念《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》一周年[J].高等工程教育研究.2011,(3).4-8,41.