机械优化设计说课稿_机械优化设计4课件

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《优化设计的数学模型》说课稿

张华

我说课的题目是：《优化设计的数学模型》。本章是中国石化出版社第一版《现代设计方法》第二章第二节的内容。我主要从教材分析，教法设计，学法指导，教学设计四个方面进行阐述。

一、教材分析：从以下三方面加以分析。

1、地位作用：本节主要讲授建立优化设计数学模型的三要素：即目标函数、设计变量和约束条件，建立优化设计问题的数学模型，是进行实际问题优化设计首要环节，它为后续进行优化设计算法和编程，以及得出准确的优化结果奠定良好的基础。本小节是第二章的教学重点章节。

2、教学目标： 根据大纲要求，结合学生特点，我将教学目标定为知识目标，能力目标，情感目标三个方面。

知识目标： 1）理解优化设计问题数学模型的组成。

2）掌握优化设计问题数学模型的建立方法。

能力目标： 1）培养学生从实际问题进行抽象、概括、归纳优化设计数学模型的能力。

2）培养学生主动探究、协作学习的能力。

情感目标：培养学生迎难而上克服困难的精神和正确认识事物本质的方法论。

3、学情分析

本门课的授课对象是普通本科机械电子工程专业大三学生，他们前续已经学习了《高等数学》、《机械设计》、《机械原理》、《现代工程图学》、《三维软件基础》等课程，具有产品设计研发的基本思路和方法，但工程实践经验不足，概括和抽象能力有待提升。

4、重点与难点

由于工程优化问题的复杂难易程度有差异，所以其数学模型的建立也有难易，而建立其优化设计的数学模型是开展后续优化环节的首要步骤，数学模型建立是否准确，直接决定了后续优化结果的可靠性，所以它是本章的重点。而要使学生掌握优化设计数学模型的建立方法，需要学生有数学建模的基本理论，有工程问题抽象思维的能力，而这对于机电专业普通本科生而言是有一定的难度的，所以把它定为教学难点。

二、教法设计：

主要采用演示法、启发诱导法和研讨法的教学方法，通过“动画演示、创设问题情境提出问题、探究验证回答问题、发现一般规律、共同讨论得出结论”等环节，体现“教为主导，学为主体”的教学原则。

教学手段：多媒体辅助教学。

三、学法指导：

1、“授人以鱼，不如授人以渔”。通过教师创设形象生动的教学氛围，让学生能主动参与，积极探究,善于思考，协作学习，从而提高学生分析问题，解决问题的能力。

2、采用提取旧知－积极思维－实验探究－构建新知－巩固深化的学法。

四、教学设计：为更好地完成教学目标，我将教学设计分为以下六个部分。

1、复习提问：

减速器课程设计你所完成的题目是什么？是什么类型的减速器？你所采用的传动方案是怎样的？请大家回顾上学期所完成的机械原理机械设计综合设计并回答以上问题。

虽然是上学期完成的综合设计，但由于是集中实践环节，学生投入的时间尽力比较多，费了很大劲，应该留有很深刻的印象，通过回忆，学生应该很容易进入到以前课程设计的情境。

2、创设情境（课堂导入）：

透过回忆以前机械原理机械设计综合设计的情境，进一步深入，启发学生，他们所完成的设计过程是否基本是采用手工的方法完成的，计算工作量很大，图纸绘制的难度也比较大，但是设计结果的可信性如何？是否是最佳的设计结果？你所设计的减速器是否体积做到了最小，最能节约原材料？这会引起学生的深思。

在前面复习的基础上，采用这种形象生动的导入法，激发了学生探究新知识的欲望，将学生的兴趣点引到了对优化设计的研究上来。

3、探索研究：

要进行优化设计，首先应建立其数学模型，然后采用计算机编程的方法完成优化设计，数学模型建立是否准确，直接影响优化设计结果，进而进入第一个教学目标：优化设计问题数学模型的组成。

优化设计数学模型的建立是本节的重点和难点：为突破难点，我把探究过程分为四步：

第一步：举例：货箱的优化设计：给出设计条件和要求，现用薄板制造一体积为100m3，长度不小于5m的无上盖的立方体货箱，要求该货箱的钢板耗费量最少，试确定货箱的长、宽、高尺寸。然后进行分析：

（1）目标：用料最少，即货箱的表面积最小。（2）设计参数确定：长x1、宽x2、高x3；（3）设计约束条件：

（a）体积要求

（b）长度要求 进而确定其数学模型： 设计参数： x1,x2,x3设计目标： minSx1x22(x2x3x1x3)约束条件：

g1x15

g2x20

g3x30

h1x1x2x3100这样可使学生产生初步的感性认识，带着问题有目的的去掌握知识。

第二步：在第一步工作的基础上，提出问题：如何建立减速器优化设计的数学模型呢？给学生提出设计条件和要求：已知：传动比i，转速n，传动功率P，大小齿轮的材料，设计该齿轮副，使其重量最轻。

引导学生尝试建立其优化设计的数学模型。在此，组织学生分组进行讨论，每组讨论后提出一个优化设计的数学模型。之后，组织进行全班辩论，究竟哪组

提出的优化设计数学模型是最合理的？在辩论的同时，学生可以自然接受一些规律性知识：如设计变量的数目确定问题，约束条件的分类问题，目标函数的简化问题等。

这样在学生通过充分讨论后，自觉的运用已有的知识发现优化设计数学模型的建立规律，从而使难点突破。

第三步：实际演练，要求学生完成上学期机械原理机械设计综合设计的减速器优化设计数学模型的建立，通过这样实际的演练，进一步使学生接触工程实际，锻炼学生的工程意识，并进一步验证前面所发现的规律。

以上第二、第三步是本小结的教学关键，一定要针对授课班级学生的实际情况，组织好教学。

第四步：通过学生讨论得出结论，如何将工程实际问题抽象为优化设计数学模型。

以上通过“提出问题——回答问题发现规律——验证规律——共同讨论得出结论”的四步教学法，将难点分解，层层递进，步步深入，强化重点的同时，变难点为趣点，使学生轻松掌握所学知识。

4、总结提炼

教师归纳总结本次课内容，并导入下一节内容：如何编程解决优化设计问题。使学生更好的理解本小节的重、难点，同时也能使本次教学前后连贯，一气呵成！

5、布置作业通过课后作业，使学生巩固课堂知识。

6、板书设计 分为主、副板书。主板书：

一、优化设计的数学模型

1、目标函数

2、设计变量

3、约束条件

二、优化设计数学模型建立的一般规律

1、设计变量

（1）抓主要，舍次要

2、约束条件（1）边界约束（2）性能约束

3、目标函数

目标函数必须包含全部设计变量。在机械设计中，可作为参考目标函数的有： 最小体积，最轻重量，最高效率，最大承载能力，最小振幅或噪声，最小成本，最高利润。

附板书：举例（略）

这样设计的目的使版面直观，层次分明，重点和难点突出。

附：其它说明

本课件是用PPT制作，力求做到使用方便，操作简单，界面美观，充分体现多媒体课件的辅助教学作用，使专业课的教学由抽象变具体，便于学生理解。