應用型本科“工程機械智能控制技術(shù)”課程教學改革初探

黃文靜 李義華 朱洪前

[摘 要] 現(xiàn)今工程機械智能控制技術(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，工程機械智能控制技術(shù)課程也逐步走入本科應用型教學領(lǐng)域，但是該課程的教學改革研究甚少。從智能控制與工程機械結(jié)合的角度出發(fā)，分析該課程的教學目標，在教學內(nèi)容、教學方法、微課教學及考核方式幾個方面探討該課程面向本科生的應用型教學改革，為工程機械智能控制技術(shù)的教學方法提供指導性意見。

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

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）34-0102-02

社會需求是學科發(fā)展的基本動因。隨著計算機技術(shù)的日新月異和人工智能的快速發(fā)展，智能控制在工程機械領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。工程機械智能控制技術(shù)是自動控制、人工智能、機械原理等多門學科的交叉融合[1]，內(nèi)容涵蓋機械基礎(chǔ)、模糊數(shù)學與模糊控制、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科理論、方法和技術(shù)。工程機械智能控制技術(shù)課程在本科階段的教學目的是讓現(xiàn)代控制理論與工業(yè)實際充分結(jié)合，培養(yǎng)學生工程應用能力、實際動手能力與自主創(chuàng)新能力。然而該課程中有些內(nèi)容抽象，理論性較強，學生容易覺得枯燥而不愿深入學習，因此其教學中普遍存在知識體系的安排與該學科前沿發(fā)展狀況聯(lián)系不緊密，理論教學與實際應用脫節(jié)，不利于對學生工程應用能力、實際動手能力的培養(yǎng)。目前，大部分學者主要是著眼于智能控制課程的教學改革探討[2-4]，工程機械智能控制技術(shù)的教學改革研究文獻卻很少。

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

一、應用型本科“工程機械智能控制技術(shù)”課程教學方法探討

（一）教學內(nèi)容的改進

1.在教學過程中注意將工業(yè)機械與控制結(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，與具體工業(yè)機械結(jié)合很少。各種算法種類繁多，其理論原理對本科生來說肯定是難以理解的。為了幫助學生理解與記憶，加強應用能力，應結(jié)合工程機械，在教學過程中對重要的幾個控制算法進行一個系列完整的講解、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，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PID控制與工業(yè)PID控制的區(qū)別；同時介紹模糊算法的產(chǎn)生與發(fā)展，工業(yè)中第一個模糊控制的實現(xiàn)；模糊PID相對于其他類型的智能PID方法的優(yōu)勢所在，在現(xiàn)在工業(yè)機械中的應用情況以及現(xiàn)今在方法上的擴展和改進情況。側(cè)重于各種方法的比較和在機械中的不同應用情況，讓學生在理解基本原理的基礎(chǔ)上，更知道該如何應用在實際工程機械中。

2.軟件教學與理論授課之間的有機融合

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。比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，相對其他課程來說理論性較強。MATLAB工具箱給這些智能控制方法的學習提供了一個很好的載體和工具，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。讓學生在學完模糊理論后，先用模糊邏輯工具箱進行模糊邏輯的具體設(shè)計過程，如圖1所示，以幫助理解與鞏固，然后使用模糊控制工具箱，進行實際控制器的設(shè)計，加強理解模糊智能控制方法，提高應用能力。

也可以讓學生去圖書館借閱相關(guān)的MATLAB書籍，設(shè)計一個實際系統(tǒng)的模糊控制器，掌握模糊控制的MATLAB設(shè)計方法以及具體實現(xiàn)過程。

通過這樣的做法，有助于學生對智能控制課程的理解和掌握，而且對學生掌握和應用MATLAB也起到很好的效果。學完這門課程之后，他們在后續(xù)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中也能夠得心應手地應用智能控制方法與MATLAB工具。

3.理論與應用案例的合理搭配

對本科生來講，機械工程控制技術(shù)理論部分較難，應側(cè)重于應用能力的培養(yǎng)?？梢葬槍σ粋€個具體的控制算法，提供一兩個機械中的控制實例，最好是現(xiàn)有的一些實驗平臺，用軟件MATLAB仿真控制。比如結(jié)合伺服鍛造機實驗平臺，進行伺服鍛造機的PID控制，讓學生感受PID控制器在實際工業(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，進行實例控制練習，比如可以設(shè)計模糊控制器，結(jié)合SIMULINK進行控制仿真，如圖2b所示。

（二）教學方法的改進，微課教學方式的引入

隨著高校大類招生改革的實施，可將微課的教學理念嵌入“機械工程智能控制”課程教學中，可以彌補傳統(tǒng)課堂教學的一些不足[5]。以模糊PID控制的講解為例，PID是機械工業(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)過程中應用控制方法去解決實際問題，是機械工程專業(yè)本科生學習該門課程的重點?？梢蕴崆敖栌盟欧懺鞕C實驗平臺，錄制伺服鍛造機的PID控制視頻。視頻以實際機械平臺的具體實驗過程的展示和實驗結(jié)果的分析為主要內(nèi)容，首先就現(xiàn)場的伺服鍛造機大致介紹該實驗平臺，再對PID控制平臺進行講解介紹，在控制平臺上用PID方法實際操作鍛造機的升降運動、前后運動等，展示PID控制方法的有效性，并對控制結(jié)果進行分析。在課堂上講解完P(guān)ID控制的理論部分后，插播這個微課視頻，讓學生很直觀地學習PID控制在機械工程中的實際應用。

同樣，工程機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，讓學生以微課視頻的形式學習智能控制與機械的結(jié)合，在授課前后，學生都可利用電腦與手機，自主予以預習及復習，參與師生互動，解答同學們的疑惑，這樣變更了原有的單一傳授。

（三）考核方式的改進

工程機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)實際的應用性課程，因此以設(shè)計某個具體機械的智能控制方法來考核比較合適。比如，設(shè)計一個二維的模糊控制器，將模糊控制方法用于水箱液位系統(tǒng)的實際控制，并與傳統(tǒng)的PID控制方法進行比較。或者以小論文方式，在學完模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等幾種智能控制方法之后，讓學生搜集相關(guān)資料，總結(jié)工程機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械結(jié)合的角度出發(fā)，分析工程機械智能控制技術(shù)的教學目標，注重工業(yè)機械與控制的結(jié)合、軟件教學與理論授課之間的有機融合、理論與應用案例的合理搭配，以及微課視頻的教學補償，對工程機械智能控制技術(shù)的教學方法改革具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1]呂廣明，工程機械智能化技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]韓立強，謝平，童凱.“智能控制”課程綜合教學改革研究[J].電氣電子教學學報，2016，38（5）：38-39.

[3]管萍，劉小河，付興建.應用型人才培養(yǎng)模式下的智能控制課程的教學研究[J].教育教學論壇，2016（16）.

[4]王輝，張段芹.基于MATLAB的機械工程控制基礎(chǔ)教學與實踐[J].山西科技，2013，28（6）：94-96.

[5]盧獻健，晏紅波.利用“微課”視頻輔助教學的教學方法改革探討[J].教育教學論壇，2016（15）.