應(yīng)用型本科“工程機(jī)械智能控制技術(shù)”課程教學(xué)改革初探

黃文靜 李義華 朱洪前

[摘 要] 現(xiàn)今工程機(jī)械智能控制技術(shù)的專業(yè)人才成為工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)越來越緊缺的人才之一，工程機(jī)械智能控制技術(shù)課程也逐步走入本科應(yīng)用型教學(xué)領(lǐng)域，但是該課程的教學(xué)改革研究甚少。從智能控制與工程機(jī)械結(jié)合的角度出發(fā)，分析該課程的教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、微課教學(xué)及考核方式幾個(gè)方面探討該課程面向本科生的應(yīng)用型教學(xué)改革，為工程機(jī)械智能控制技術(shù)的教學(xué)方法提供指導(dǎo)性意見。

[關(guān) 鍵 詞] 工程機(jī)械智能控制技術(shù)；應(yīng)用型本科；微課

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）34-0102-02

社會(huì)需求是學(xué)科發(fā)展的基本動(dòng)因。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異和人工智能的快速發(fā)展，智能控制在工程機(jī)械領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。工程機(jī)械智能控制技術(shù)是自動(dòng)控制、人工智能、機(jī)械原理等多門學(xué)科的交叉融合[1]，內(nèi)容涵蓋機(jī)械基礎(chǔ)、模糊數(shù)學(xué)與模糊控制、人工智能與專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及遺傳算法等前沿學(xué)科理論、方法和技術(shù)。工程機(jī)械智能控制技術(shù)課程在本科階段的教學(xué)目的是讓現(xiàn)代控制理論與工業(yè)實(shí)際充分結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力、實(shí)際動(dòng)手能力與自主創(chuàng)新能力。然而該課程中有些內(nèi)容抽象，理論性較強(qiáng)，學(xué)生容易覺得枯燥而不愿深入學(xué)習(xí)，因此其教學(xué)中普遍存在知識(shí)體系的安排與該學(xué)科前沿發(fā)展?fàn)顩r聯(lián)系不緊密，理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，不利于對(duì)學(xué)生工程應(yīng)用能力、實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。目前，大部分學(xué)者主要是著眼于智能控制課程的教學(xué)改革探討[2-4]，工程機(jī)械智能控制技術(shù)的教學(xué)改革研究文獻(xiàn)卻很少。

因此，如何從應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，以“智能控制技術(shù)”在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為線索，協(xié)調(diào)好“智能控制技術(shù)”與各交叉學(xué)科課程之間的相互聯(lián)系，結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)，利用有限的教學(xué)課時(shí)，讓學(xué)生接觸最新的理論、技術(shù)和方法，培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程機(jī)械實(shí)踐能力、能夠解決生產(chǎn)實(shí)際具體技術(shù)問題的應(yīng)用型人才，是目前“工程機(jī)械智能控制技術(shù)”課程教學(xué)改革的重要內(nèi)容與亟待解決的問題。本論文探討“工程機(jī)械智能控制技術(shù)”課在面向工科本科生的教學(xué)方面的探索與改革。

一、應(yīng)用型本科“工程機(jī)械智能控制技術(shù)”課程教學(xué)方法探討

（一）教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

1.在教學(xué)過程中注意將工業(yè)機(jī)械與控制結(jié)合

現(xiàn)有的教科書一般介紹了基本的智能控制算法，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，理論性較強(qiáng)，與具體工業(yè)機(jī)械結(jié)合很少。各種算法種類繁多，其理論原理對(duì)本科生來說肯定是難以理解的。為了幫助學(xué)生理解與記憶，加強(qiáng)應(yīng)用能力，應(yīng)結(jié)合工程機(jī)械，在教學(xué)過程中對(duì)重要的幾個(gè)控制算法進(jìn)行一個(gè)系列完整的講解、脈絡(luò)的疏通，而不是僅僅停留在基本理論的探討。比如，講解模糊PID控制器時(shí)，首先講述PID控制在現(xiàn)代工業(yè)中的重要性，大部分工程控制都是用的PID控制方法，再分別解釋P、I、D的含義，介紹理論P(yáng)ID控制與工業(yè)PID控制的區(qū)別；同時(shí)介紹模糊算法的產(chǎn)生與發(fā)展，工業(yè)中第一個(gè)模糊控制的實(shí)現(xiàn)；模糊PID相對(duì)于其他類型的智能PID方法的優(yōu)勢(shì)所在，在現(xiàn)在工業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用情況以及現(xiàn)今在方法上的擴(kuò)展和改進(jìn)情況。側(cè)重于各種方法的比較和在機(jī)械中的不同應(yīng)用情況，讓學(xué)生在理解基本原理的基礎(chǔ)上，更知道該如何應(yīng)用在實(shí)際工程機(jī)械中。

2.軟件教學(xué)與理論授課之間的有機(jī)融合

智能控制的基礎(chǔ)是控制方法和智能算法，在很多章節(jié)中涉及這些理論知識(shí)。比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，相對(duì)其他課程來說理論性較強(qiáng)。MATLAB工具箱給這些智能控制方法的學(xué)習(xí)提供了一個(gè)很好的載體和工具，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等在MATLAB中都具有現(xiàn)成的工具箱。讓學(xué)生在學(xué)完模糊理論后，先用模糊邏輯工具箱進(jìn)行模糊邏輯的具體設(shè)計(jì)過程，如圖1所示，以幫助理解與鞏固，然后使用模糊控制工具箱，進(jìn)行實(shí)際控制器的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)理解模糊智能控制方法，提高應(yīng)用能力。

也可以讓學(xué)生去圖書館借閱相關(guān)的MATLAB書籍，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的模糊控制器，掌握模糊控制的MATLAB設(shè)計(jì)方法以及具體實(shí)現(xiàn)過程。

通過這樣的做法，有助于學(xué)生對(duì)智能控制課程的理解和掌握，而且對(duì)學(xué)生掌握和應(yīng)用MATLAB也起到很好的效果。學(xué)完這門課程之后，他們?cè)诤罄m(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中也能夠得心應(yīng)手地應(yīng)用智能控制方法與MATLAB工具。

3.理論與應(yīng)用案例的合理搭配

對(duì)本科生來講，機(jī)械工程控制技術(shù)理論部分較難，應(yīng)側(cè)重于應(yīng)用能力的培養(yǎng)?？梢葬槍?duì)一個(gè)個(gè)具體的控制算法，提供一兩個(gè)機(jī)械中的控制實(shí)例，最好是現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用軟件MATLAB仿真控制。比如結(jié)合伺服鍛造機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行伺服鍛造機(jī)的PID控制，讓學(xué)生感受PID控制器在實(shí)際工業(yè)過程中參數(shù)的調(diào)整，如圖2a所示；MATLAB的SIMULINK在控制仿真時(shí)非常方便、直觀，可以結(jié)合MATLAB里面的模糊工具箱和SIMULINK工具箱，進(jìn)行實(shí)例控制練習(xí)，比如可以設(shè)計(jì)模糊控制器，結(jié)合SIMULINK進(jìn)行控制仿真，如圖2b所示。

（二）教學(xué)方法的改進(jìn)，微課教學(xué)方式的引入

隨著高校大類招生改革的實(shí)施，可將微課的教學(xué)理念嵌入“機(jī)械工程智能控制”課程教學(xué)中，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的一些不足[5]。以模糊PID控制的講解為例，PID是機(jī)械工業(yè)過程中最常用、最有效的方法，它的三部分P、I、D的控制原理以及PI、PD控制器的理論，可以使用傳統(tǒng)的授課方式講解，而如何在工業(yè)過程中應(yīng)用控制方法去解決實(shí)際問題，是機(jī)械工程專業(yè)本科生學(xué)習(xí)該門課程的重點(diǎn)?？梢蕴崆敖栌盟欧懺鞕C(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，錄制伺服鍛造機(jī)的PID控制視頻。視頻以實(shí)際機(jī)械平臺(tái)的具體實(shí)驗(yàn)過程的展示和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析為主要內(nèi)容，首先就現(xiàn)場(chǎng)的伺服鍛造機(jī)大致介紹該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，再對(duì)PID控制平臺(tái)進(jìn)行講解介紹，在控制平臺(tái)上用PID方法實(shí)際操作鍛造機(jī)的升降運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)等，展示PID控制方法的有效性，并對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行分析。在課堂上講解完P(guān)ID控制的理論部分后，插播這個(gè)微課視頻，讓學(xué)生很直觀地學(xué)習(xí)PID控制在機(jī)械工程中的實(shí)際應(yīng)用。

同樣，工程機(jī)械智能控制課程中的模糊PID控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也可以制作視頻，讓學(xué)生以微課視頻的形式學(xué)習(xí)智能控制與機(jī)械的結(jié)合，在授課前后，學(xué)生都可利用電腦與手機(jī)，自主予以預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)，參與師生互動(dòng)，解答同學(xué)們的疑惑，這樣變更了原有的單一傳授。

（三）考核方式的改進(jìn)

工程機(jī)械智能控制并不是一門基礎(chǔ)理論課，而是智能控制方法結(jié)合工業(yè)實(shí)際的應(yīng)用性課程，因此以設(shè)計(jì)某個(gè)具體機(jī)械的智能控制方法來考核比較合適。比如，設(shè)計(jì)一個(gè)二維的模糊控制器，將模糊控制方法用于水箱液位系統(tǒng)的實(shí)際控制，并與傳統(tǒng)的PID控制方法進(jìn)行比較?；蛘咭孕≌撐姆绞?，在學(xué)完模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等幾種智能控制方法之后，讓學(xué)生搜集相關(guān)資料，總結(jié)工程機(jī)械智能控制各種方法，以小論文的形式上交。

二、總結(jié)

本文從智能控制與工程機(jī)械結(jié)合的角度出發(fā)，分析工程機(jī)械智能控制技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)，注重工業(yè)機(jī)械與控制的結(jié)合、軟件教學(xué)與理論授課之間的有機(jī)融合、理論與應(yīng)用案例的合理搭配，以及微課視頻的教學(xué)補(bǔ)償，對(duì)工程機(jī)械智能控制技術(shù)的教學(xué)方法改革具有一定的借鑒作用。

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