人工智能背景下“機械工程控制基礎”教學改革與實踐

韓青

摘 ?要：為了適應人工智能發(fā)展的需求，針對“機械工程控制基礎”課程教學中一些環(huán)節(jié)進行改革勢在必行，因此對該課程的教學環(huán)節(jié)進行探索并提出幾條改革措施，通過實際教學實踐驗證了教學改革的實際效果。

關鍵詞：人工智能 ?融合 ?教學改革

中圖分類號：TH-4 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）05（a）-0114-03

Abstract： In order to meet the needs of artificial intelligence， it is imperative to reform some links in the course of "Mechanical Engineering Control Foundation". Therefore， the teaching links of this course are explored and several reform measures are put forward， and the actual effect of the teaching reform is verified by practical teaching in class.

Key Words： Artificial Intelligence; Integration; Teaching Reform

在十九大開幕會上，習近平主席代表十八屆中央委員會所作報告中指出推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合。2018年十三屆全國人大一次會議政府工作報告中，李克強總理再一次強調(diào)了人工智能給中國帶來的歷史機遇。同時，教育部印發(fā)《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》通知中強調(diào)推進“新工科”建設，形成“人工智能+X”復合專業(yè)培養(yǎng)新模式，到2020年建設100個“人工智能+X”復合特色專業(yè);重視人工智能與多學科專業(yè)教育的交叉融合，探索新的“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式。培養(yǎng)適應人工智能發(fā)展所需的多學科融合的應用型人才迫在眉睫。“機械工程控制基礎”這門課程是機械工程專業(yè)的必修課程，也是培養(yǎng)多學科融合的應用型人才的重要課程。針對機械工程控制基礎這門課程的教學改革，已有部分研究者展開了探索[1-3]，文獻[1]提出了弱化理論，加強實踐和案例教學，以便學生實踐中理解所學知識。文獻[2]從工程教育專業(yè)認證角度，探索“機械控制工程基礎”教學改革研究。文獻[3]為適應新工科背景下人才培養(yǎng)的要求，也不斷地進行改版，目前更新至第七版。與學習某些專業(yè)課和軟件不同，“機械工程控制基礎”比較抽象，需要數(shù)學、物理等基礎知識支撐。因此，在學習過程中，學生普遍存在不知道為什么學、怎么學等問題，久而久之，就會失去學習興趣甚至產(chǎn)生厭學現(xiàn)象。因此，教學效果并不理想，教學過程中存在以下問題。

首先，該課程主要包括系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析、控制器設計和系統(tǒng)校正。雖然系統(tǒng)建模工程實例較多，但其他部分大都是理論分析。如果在學習過程中，脫離工程實踐，不能搞懂這些理論分析和依據(jù)，而只會套公式，就會使學生被動地接受知識，使其失去學習興趣，影響學習效果。特別是應用型本科院校，需要應用控制論的相關知識解決工程問題，這就要求學生擁有扎實的文化基礎知識。對于一些原理、公式的推導，更要求學生具有較好的數(shù)學基礎，但是大多數(shù)學生的基礎薄弱，造成一部分學生在課程學習中困難較大，以至于對該課程的學習失去自信心。

其次，學生在課程學習中缺乏主動性。目前的現(xiàn)狀是：老師在講臺上機械地講述課程內(nèi)容，學生則是不加思考地去接受，但是這門課程的性質(zhì)決定了被動地去接受知識是沒法學好這門課的，這一過程導致老師的教學與學生的學習嚴重脫節(jié)。

最后，學生動手能力明顯不足，且課程學習缺乏理論聯(lián)系實際。人工智能背景下應用型本科院校教學來說，大多以理論教學內(nèi)容為主，而作為應用型本科院校，如果再照搬一般本科院校的教學方式，就失去了“應用型”的實際意義。

1 ?改革措施

針對以上存在的問題，從以下幾方面進行適當?shù)慕虒W改革。

1.1 重視緒論學習，激發(fā)學習興趣

俗話說，“興趣是最好的老師”。首先讓學生了解這門課程的主要內(nèi)容，將來要掌握哪些內(nèi)容，以及如何學習這些內(nèi)容，學這些內(nèi)容用來做什么。學生往往對第一堂課最感興趣，第一堂課的教學質(zhì)量在很大程度上影響學生后續(xù)學習的積極性。

首先從學生比較熟悉的例子，如一卡通、車牌識別、人臉識別以及學生比較感興趣的例子，如無人駕駛汽車、飛機、衛(wèi)星定位、超音速導彈等入手，介紹什么是自動控制、如何實現(xiàn)自動控制，這些都是與人工智能緊密聯(lián)系的例子。通過緒論的學習，使學生掌握各個章節(jié)之間的聯(lián)系，也使學生了解課程的設置、學習中的重點難點、學習方法、課程的教學安排及考核方式。通過上述舉措，激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對課程的認識，以取得良好的開端。

1.2 適當補習部分人工智能基礎理論知識

如上所述，學習該課程的一大障礙就是對數(shù)理知識要求較高。主要包括：牛頓定律和庫克定律等力學知識;歐姆定律、基爾霍夫定律和電磁感應定律等電學知識;微分方程和Laplace變換等數(shù)學知識。在課程學習之前，可以建議學生課下復習力學和電學知識，也可在應用到這些知識時適當進行復習。微分方程和Laplace變換是學習傳遞函數(shù)的基礎，而由于課程設置的局限及學生基礎的薄弱，需在第二章講述傳遞函數(shù)之前對微分方程和Laplace變換的相關內(nèi)容進行補充，這些基礎知識也是人工智能控制領域必備的知識。假如讓學生直接由微分方程求Laplace變換及其逆變換，肯定很繁瑣也很困難，但是借助Matlab求解，卻是非常容易的事，讓學生就感覺到Matlab的神奇之處，也就激起了學習Matlab的興趣，這就是我們接下來要說的基于Matlab的教學實踐改革。

1.3 減少公式推演，基于Matlab開展智能仿真實踐教學

“機械工程控制基礎”這門課教學內(nèi)容比較多，按現(xiàn)有的課時安排無法完成全部內(nèi)容的學習。需要根據(jù)培養(yǎng)計劃和應用型本科的特點，精選教學內(nèi)容，修改原有的教學大綱，制定新的教學大綱。將教學重點放在系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析、控制器設計和穩(wěn)定性分析這幾部分。在內(nèi)容講授上，重視概念的理解及知識的應用，適當進行公式推演，循序漸進開展教學。對于系統(tǒng)時域分析、頻域分析、控制器設計和穩(wěn)定性分析等重要理論都比較抽象，學生難于理解，要充分利用Matlab仿真軟件，畫出相應的圖像，可以讓學生根據(jù)圖像更直觀的分析和理解相關概念。圖1給出了傳遞函數(shù)為，在時間常數(shù)不同取值時的單位脈沖響應、單位階躍響應曲線，從圖上可以直觀地看出不同時間常數(shù)值時對系統(tǒng)響應的影響，便于學生理解。

1.4 引入微課教學

微課是一種新的教學形式，以視頻的形式圍繞一些知識點或某個教學環(huán)節(jié)展開的教學活動。目前，微課已經(jīng)逐漸應用到本科各門課程教學中。把微課引入到“機械工程控制基礎”課程的教學體系中來，能夠解決該課程理論教學內(nèi)容多且難，而學時又少的矛盾。學生可以課余時間有針對性地利用微課來學習相關的預備知識，也可以學習課程的重點和難點。利用微課教學既能夠調(diào)動學生的主動性，又能夠讓學生根據(jù)自身對知識的掌握情況有選擇地主動學習。同時，教師既可以下載網(wǎng)絡上現(xiàn)有課程知識點的微課資源，又可以制作網(wǎng)絡上沒有的微課資源，整理后把有效資源分享給學生。這樣除了課堂講解以外，重點、難點、共性問題和預備基礎知識又以微課的形式呈現(xiàn)給學生。這種微課與課堂相結(jié)合的教學模式，既可以有效地解決課時少與教學內(nèi)容多之間的矛盾，又可以針對自身情況在課后有目的、有選擇地學習。

1.5 精選人工智能工程案例，貫穿于課程教學的始終

學習“機械工程控制基礎”目的就是用來解決實際的工程問題。大學生進行雙創(chuàng)，更需要應用“機械工程控制基礎”知識解決實際問題。為了加強學生工程實踐能力的培養(yǎng)，在傳統(tǒng)理論教學的基礎上，融合項目教學和案例分析等方法，讓學生在工程實踐中進行學習。

對于圖2這個典型的帶反饋的數(shù)控機床控制系統(tǒng)，為使學生容易理解這個系統(tǒng)，首先分析清楚各個環(huán)節(jié)的構(gòu)成情況，然后利用Simulink搭建仿真模型，最后去數(shù)控加工中心實驗室結(jié)合項目講解。同時，該系統(tǒng)可以在人機界面上遠程監(jiān)控加工過程和進行一些參數(shù)更改，學生就很容易理解。

2 ?結(jié)語

該文針對“機械工程控制基礎”傳統(tǒng)教學過程中存在的不足，提出了幾條改革措施并付諸實踐，既培養(yǎng)了學生的學習興趣又調(diào)動了學生學習的積極性，提高了學生運用機械工程控制基礎的相關理論解決實際問題的能力。隨著該課程改革的不斷推進，會逐步培養(yǎng)出人工智能背景下所需的高素質(zhì)應用型人才。

參考文獻

[1] 閔佳園.“機械工程控制基礎”課程教學探索與實踐[J].課程教育研究，2012（30）：239.

[2] 周振華，陳耿彪，曹太山.工程教育專業(yè)認證背景下機械類“機械控制工程基礎”課程教學改革研究[J].教書育人：高教論壇，2017（15）：84-85.

[3] 楊叔子，楊克沖，吳波，等.機械工程控制基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2017.