機械類學科研究生教學中控制與仿真教學體系研究

梁 全，徐 威，王 潔

（沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

引言

研究生教育是我國教育結(jié)構(gòu)中最高層次的教育，肩負著培養(yǎng)高素質(zhì)、高層次創(chuàng)造性人才的重任。在當前的大環(huán)境下，如何保證碩士研究生的教學質(zhì)量，進一步優(yōu)化研究生培養(yǎng)方案、課程體系和課程內(nèi)容，加強研究生優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系的建設(shè)，促進研究生教育培養(yǎng)質(zhì)量的提高，是擺在教育工作者面前的一大課題。雖然研究生教育的理論授課時段占整個研究生培養(yǎng)階段的很小一部分，但是，如果在研究生入學的初始階段，抓緊、抓牢理論教學工作，為研究生講解和介紹更高層次的理論知識，能夠在極大程度上培養(yǎng)研究生的科研興趣，為研究生日后從事科學研究工作，打下堅實的基礎(chǔ)?；谝陨夏康?，文章以機械類研究生理論教學工作的開展為大背景，以“控制與仿真教學體系”的研究為抓手，介紹本教學團隊開展的相關(guān)研究工作所取得的一點經(jīng)驗和教訓。機械類專業(yè)是理工科中的傳統(tǒng)學科，其體量不言而喻，一般在各大高校的本科、研究生招生比例中，占有相當大的份額。機械類專業(yè)又是一門古老的學科，如何在當今互聯(lián)網(wǎng)盛行、物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展、各種智能應(yīng)用層出不窮的大背景下，繼續(xù)推進這一古老學科的可持續(xù)發(fā)展和不斷進步，不僅是學科發(fā)展和科學研究亟待解決的問題，也是教育工作不斷革新教育理念、為社會輸送棟梁之材的現(xiàn)實需求。機械學科在近百年來取得了飛速的發(fā)展，而這些發(fā)展的原動力，有很多并不是來源于機械本身，卻更多的來源于其他學科所取得的發(fā)展和進步。這其中尤其以計算機技術(shù)的發(fā)展和進步，對近年來機械學科的發(fā)展所起的作用最大。正因為人工智能與機械學科產(chǎn)品的結(jié)合應(yīng)用，才誕生出智能駕駛、智能穿戴設(shè)備、智能機器人等等新興工業(yè)門類，為社會經(jīng)濟的發(fā)展注入源源不斷的活力。機械電子工程專業(yè)是機械學科中與控制和仿真技術(shù)結(jié)合最緊密的專業(yè)，一般情況下，各個高校機械學院的碩士研究生相關(guān)課程教學方案的制定和教學計劃的執(zhí)行，都由機械電子工程專業(yè)的教師負責。

一、改革措施

機械類研究生控制和仿真知識體系建立的教學改革，主要從以下幾個層面展開。

（一）精心挑選所開設(shè)的課程。

結(jié)合授課教師多年教學經(jīng)驗，并追蹤時代發(fā)展、工程實踐以及研究生繼續(xù)深造的需求，為機械類專業(yè)研究生開設(shè)了“現(xiàn)代控制理論”和“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”這兩門與控制和仿真結(jié)合最緊密的課程，所謂的“控制與仿真教學體系”，指的就是這兩門課程所形成的教學理論和教學方法。其中“現(xiàn)代控制理論”代表了控制方面知識體系建立的典型課程，是對絕大多數(shù)院校本科教學中“控制工程基礎(chǔ)”課程的延伸和提高，既代表了較為先進控制理論基礎(chǔ)知識的學習，又為研究生可能的繼續(xù)深造提供控制理論相關(guān)的知識儲備，為更先進的智能控制理論的學習打好基礎(chǔ)。而“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”代表了仿真方面知識體系建立的典型課程，由于仿真是學好控制理論最有效的手段和工具，因而“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”課程的開設(shè)，是對研究生教學“控制和仿真知識體系建立”最好的詮釋。“現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用”屬于研究生教學中的學科基礎(chǔ)課，“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”屬于方向選修課。

（二）精心建立和制定課程教學方案。

“現(xiàn)代控制理論”和“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”兩門課程互為依托、互為補充，在設(shè)計和制定教學方案時，應(yīng)該放在一起綜合考慮。在研究生的教學中，應(yīng)該將“現(xiàn)代控制理論”作為先修學科?！艾F(xiàn)代控制理論”所講解的“狀態(tài)空間”理論是對古典控制理論的延伸，特別適合對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行建模和控制，目前工程仿真領(lǐng)域所使用的動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，基本上都是建立在對仿真對象的狀態(tài)空間描述的基礎(chǔ)上的，所以“現(xiàn)代控制理論”為學生理解動態(tài)系統(tǒng)模型的建立原理搭建了橋梁。另外，建立系統(tǒng)仿真模型的本質(zhì)目的，是為了設(shè)計所研究對象的控制算法，使被控對象能夠按照預(yù)定的性能指標工作，“現(xiàn)代控制理論”所講解的極點配置、解耦控制、最優(yōu)控制等控制算法，在工程實踐中即是一類有效的控制算法，同時又是學習智能控制等更高等控制理論的基石，其重要性不言而喻。在講解“現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用（機械）”課程時，本教學團隊自主撰寫并出版的教材《現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用》。不同于其他現(xiàn)代控制理論教材，本教科書對“利用現(xiàn)代控制理論對機械系統(tǒng)進行建模的方法手段和技巧”進行了大篇幅描述，使“機械類研究生”能夠真正認識到“現(xiàn)代控制理論確實有用”。為了能夠吸引學生，也重點介紹了“利用最優(yōu)控制理論解決導(dǎo)彈攔截問題”“利用最優(yōu)控制理論解決著陸器著陸問題”，并與導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、中國的月球、火星探測其相聯(lián)系，使學生認識到課程的重要性?！皺C-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”課程是“現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用（機械）”的后續(xù)課程。前者主要講解“功率鍵合圖仿真建模”的基本理論和方法。由于“功率鍵合圖理論”是建立在“現(xiàn)代控制理論”基礎(chǔ)之上的。學生學習完成“現(xiàn)代控制理論”后，再學習“功率鍵合圖理論”就沒有任何障礙。而且鍵合圖理論的統(tǒng)一建模思想，是“現(xiàn)代控制理論狀態(tài)方程理論”的延伸和擴展，通過“功率鍵合圖理論”的學習，學生會對“現(xiàn)代控制理論”有了更進一步的認知。鍵合圖理論利用能量守恒原理將不同能域的物理系統(tǒng)統(tǒng)一用“功率鍵”來進行描述和建模，特別適合進行“機電液混合系統(tǒng)”的仿真建模和控制策略的研究。更重要的是，功率鍵合圖理論將鍵合圖模型轉(zhuǎn)化為“狀態(tài)空間方程”來進行統(tǒng)一描述和計算機求解，直接建立了與“現(xiàn)代控制理論”的聯(lián)系，學生在學習完成“現(xiàn)代控制理論”之后再學習“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”，將有機會直接把理論和實踐相結(jié)合，有利于更深層次上理解控制和仿真的基本原理，在未來的課題研究中，會更主動地應(yīng)用“控制”和“仿真”這兩個工具解決工程技術(shù)問題。

（三）注重教學手段的革新。

“現(xiàn)代控制理論”的教學內(nèi)容與“高等數(shù)學”“線性代數(shù)”等先修課程緊密相關(guān)，這些內(nèi)容導(dǎo)致“現(xiàn)代控制理論”教學過程晦澀艱深、抽象難懂，課題組從以下幾個方面解決這些具體的教學問題：一是課程組組織編寫了《現(xiàn)代控制理論與應(yīng)用》教材，在教材的撰寫中，既注重對現(xiàn)代控制理論中基本原理的闡釋，同時更注重與“機械學科”的結(jié)合，將機械、電子與液壓等典型系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模方法進行介紹，提高課程的工程應(yīng)用背景；二是錄制了隨堂教學視頻，放置在超星學習通網(wǎng)絡(luò)課程平臺上，供學生在課余時間鞏固復(fù)習；三是將工程軟件MATLAB引入課程教學中，教會學生運用軟件工具來求解狀態(tài)空間方程，更深入地理解控制理論的建模、求解和校正的基本原理。而對于“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”課程，在教學手段中，主要采用的方法是在講解基本原理的基礎(chǔ)上，介紹鍵合圖軟件20-sim的應(yīng)用方法。20-sim仿真軟件是針對功率鍵合圖理論最直觀的仿真建模工具，學生利用該軟件進行仿真建模，將在更深層次上理解功率鍵合圖理論，從而理解“機電液混合系統(tǒng)”仿真建模的本質(zhì)，更好地應(yīng)用其基本原理解決課題研究中遇到的問題。在具體的教學過程執(zhí)行中，提高上機時間在總學時中的比例，甚至將課堂搬到計算機機房進行，在講解基本理論的同時，實時進行操作演練，加深印象和理解，學生普遍反映有了更多的獲得感。為了用仿真來彌補理論教學過于抽象的不足，加強了課后學生自主學習環(huán)節(jié)，在“現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用”的結(jié)課條件中，引入MATLAB大作業(yè)環(huán)節(jié)，布置相關(guān)題目，由學生利用課余時間自主上機完成題目，提高學生的動手能力；在“機-電-液系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”的結(jié)課條件中，引入20-sim仿真軟件進行“機電液混合系統(tǒng)”的仿真建模大作業(yè)，并要求學生撰寫課程仿真報告。

（四）借助導(dǎo)師團隊提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量。

研究生指導(dǎo)教師個人的力量是微薄的，但集體的力量卻不可低估。本教學團隊根據(jù)常年教學和科研的工作經(jīng)驗得出，采用教與學雙管齊下、理論與實踐起頭并進的方法，能夠極大提高研究生控制與仿真教學的效果。所謂教與學雙管齊下，是指從教的層面，研究生指導(dǎo)教師要注意方法；從學的層面，要加強對研究生學生的管理，督促研究生學習。指導(dǎo)教師團隊建設(shè)固然重要，但指導(dǎo)教師團隊是由一個一個教師個體所組成的，如果團隊中教師的個人素質(zhì)不高，必然難以在團隊中發(fā)揮應(yīng)有的作用，那這個團隊的培養(yǎng)能力也將必然削弱。因此，每個研究生指導(dǎo)教師，應(yīng)該從自身的修身做起。而與研究生的初次接觸正是在課堂上，所以，本教學團隊認為，研究生指導(dǎo)教師首先要加強自身的理論和教學水平。在開展教學工作時，應(yīng)在如下教學方法上進行改革。

1.要充分利用先進的多媒體技術(shù)，但也應(yīng)該適當堅守傳統(tǒng)的教學方法。即使研究生的教學不注重理論授課，但應(yīng)該抓住有限的理論授課時間，充分的培養(yǎng)研究生的學習方法和科學精神。用先進的教學手段，提高課堂效率；但也應(yīng)該適當堅守傳統(tǒng)教學方法，提高學生的學習效果。

2.教師應(yīng)該注意自己在深度和廣度方面的修養(yǎng)。因此，在講授本門課程時，同時應(yīng)該兼顧對這些課程的復(fù)習和介紹，注重學生學習興趣的培養(yǎng)，使學生具備自學能力，這樣才能使學生適應(yīng)研究生階段的學習方法。

3.在講授理論基礎(chǔ)知識的同時，應(yīng)該介紹其在工程實踐方面的應(yīng)用。但如何能將基礎(chǔ)知識與工程實踐相結(jié)合，其真功夫在課堂之外，需要授課教師充分參與科研工作，反過來才能促進教學質(zhì)量的提高。

4.提升課外教學效果，充分利用教師團隊資源，發(fā)揮團隊中每名教師的特長，從教學、科研、科技競賽、社會活動、學術(shù)會議、教學輔助等多個層面、不同角度、不同高度，對研究生進行全方位的培養(yǎng)，充分調(diào)動研究生的積極性。

5.在進行學術(shù)指導(dǎo)的同時，也要對研究生的生活予以關(guān)心，無論是衣食住行、心理情感，團隊的每位教師都應(yīng)該帶著一顆敏感的心，給予學生無微不至的關(guān)懷，推進人性化管理建設(shè)，為研究生順利完成學業(yè)保駕護航。

另外，由于教學團隊是“動態(tài)變化”的，如何保證“動態(tài)變化”的教學團隊的授課質(zhì)量，也是一個需要解決的問題。本文提出“充分發(fā)掘教師資源，注重專業(yè)知識的傳承和教學梯隊的建設(shè)”的方法，來解決這個問題。關(guān)于這一方面，本教學團隊有其特殊的情況。團隊中教師的研究方向按傳統(tǒng)的學科分類，隸屬“流體傳動與控制”，由于歷史和教學環(huán)境、社會發(fā)展的原因，原來獨立存在的本科“流體傳動與控制”專業(yè)，在1999年已經(jīng)為了順應(yīng)國家教學體制的改革，合并到“機械電子工程”專業(yè)。傳統(tǒng)的所謂科班出身的“流體傳動與控制”專業(yè)的畢業(yè)生，現(xiàn)今已經(jīng)鳳毛麟角，因此專業(yè)出身的教師，將越來越難以尋覓。但在可預(yù)見的未來，“流體傳動與控制”相關(guān)知識在機械工程教學和工程應(yīng)用的價值，不僅不能逐漸弱化，還將長期堅挺地存在并發(fā)揮重要的作用。因此，在教學團隊不斷發(fā)生新老交替的條件下，如何保證教學工作的順利開展、如何保證教學質(zhì)量、如何保證知識的有效傳承、如何保證學科和專業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展、如何提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，始終是本課題組殫精竭慮思考的問題。在培養(yǎng)帶有“流體傳動與控制”專業(yè)背景研究生的同時、發(fā)展流體傳動與控制學科，構(gòu)建“控制與仿真”教學體系，也是本課題組無法推卸、義不容辭的責任。因此，教學團隊在日常的工作中，應(yīng)同時注重人才的培養(yǎng)和發(fā)掘工作，主要做法是：（1）積極尋覓專業(yè)人才，主動擴充現(xiàn)在的流體傳動專業(yè)教師隊伍；（2）穩(wěn)健培養(yǎng)現(xiàn)有教師隊伍，充分發(fā)揮傳承老教師的寶貴經(jīng)驗、著力開發(fā)青年教師的潛力、有意識地進行團隊和梯隊建設(shè)。只有教學隊伍得到了保證，才能夠保證“控制與仿真教學體系”的完整性，才能夠保證教學質(zhì)量穩(wěn)步提高。

事實上，研究生理論教學階段在整個研究生學業(yè)中所占的比重只有三分之一左右，這一階段是高等教育中最后一次對學生進行系統(tǒng)理論知識講授的機會，學生在多大程度上愿意從事科學研究工作，與這一階段的學習體驗息息相關(guān)。注重教學體系的建設(shè)，而不是單純在某一門課上下功夫，可以收到意想不到的效果。