基于應(yīng)用型大學(xué)《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程教學(xué)改革研究

石磊 安俊超 曹永青 柳翊 左寒松 張偉

[摘 要] 探討材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)中的傳統(tǒng)和現(xiàn)代《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，結(jié)合應(yīng)用型大學(xué)該專業(yè)的培養(yǎng)特點(diǎn)提出改進(jìn)《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程的方法以及具體的實(shí)施方式，經(jīng)過對畢業(yè)生的跟蹤調(diào)查，驗(yàn)證改革的效果和必要性。

[關(guān) 鍵 詞] 應(yīng)用型大學(xué)；材料成型及控制工程；自動(dòng)控制；課程改革

[中圖分類號] G648 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）19-0084-02

近年來，建設(shè)高水平應(yīng)用型大學(xué)成為國內(nèi)高等院校體制改革的重要課題，筆者所在的院校承載著歷史賦予的使命在應(yīng)用型大學(xué)教育戰(zhàn)線上篳路藍(lán)縷、開拓奮進(jìn)，在推動(dòng)應(yīng)用型大學(xué)的改革和教育發(fā)展的過程中應(yīng)發(fā)揮應(yīng)有的職能作用。《金屬材料成型自動(dòng)控制》是材料成型及控制工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。推進(jìn)《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程的教科研創(chuàng)新、提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生基本素質(zhì)、強(qiáng)化專業(yè)方向的引領(lǐng)作用，必須大力深化課程改革，為應(yīng)用型大學(xué)教育質(zhì)量提升和內(nèi)涵發(fā)展努力。

一、《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程的定位與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容

《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程在我國工科專業(yè)中屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，不少大學(xué)將其列為必修課。該課程近幾年的發(fā)展主要為淡化經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制與智能控制的界限，突出實(shí)用論和方法論；重點(diǎn)闡述與材料成型密切相關(guān)的共性問題，適應(yīng)拓寬相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方向口徑的需要；不苛求嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式推證和理論精度，從直觀的物理屬性概念出發(fā)去分析問題與解決問題；特別重視在工程上的直接應(yīng)用，教學(xué)中附有較多機(jī)械、電子、液壓、氣動(dòng)等方面的理論，還提供控制理論和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)方框圖在工程中應(yīng)用。

關(guān)于控制理論和方法方面，目前國內(nèi)外除采用數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)外，大多數(shù)該課程的改革中還采用SPSS軟件和MATLAB等先進(jìn)軟件分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)；教學(xué)研究改革的目標(biāo)是使課程趨于教師好教學(xué)生易學(xué)；達(dá)到理工科的加工類、機(jī)械類等專業(yè)的培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力與傳授科學(xué)知識水平提高的目的。

傳統(tǒng)式的《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程教育以講述《控制工程基礎(chǔ)》中的經(jīng)典控制論為主，使學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用信息處理、系統(tǒng)分析與綜合、解決控制程序的基本方法。一般的，還教授線性和非線性控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析的基本方法，以使學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)建立起這方面的基本概念。具體內(nèi)容一般包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)、時(shí)域響應(yīng)分析、頻域響應(yīng)分析、誤差分析、系統(tǒng)的綜合與校正、非穩(wěn)定性分析。因此較為適合于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)、材料成型與控制工程專業(yè)。

二、現(xiàn)代《金屬材料成型自動(dòng)控制》的教學(xué)現(xiàn)狀

現(xiàn)代《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程的細(xì)分領(lǐng)域主要包括基于模擬結(jié)果的控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，用于對比實(shí)際加工的實(shí)時(shí)步驟；還包括控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性過程分析；控制系統(tǒng)的頻率特性；控制系統(tǒng)的誤差分析和計(jì)算；控制系統(tǒng)的綜合與校正；根軌跡法；控制系統(tǒng)的線性和非線性問題；計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。針對前述幾個(gè)方面，傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要有拉格朗日法、逼近法、控制工程的理論、省略法等；從分析誤差到非線性設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法以幾種經(jīng)典的控制方法為主。針對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)有的教學(xué)方法無法體現(xiàn)出針對材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)生所面對的工作崗位的難題，整體教學(xué)方法無法對材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)生所面對的工作條件創(chuàng)造有利的方法。雖然學(xué)習(xí)完成后對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一定的了解，但是在工作的初級階段，對現(xiàn)場控制的理解和解決工作并不能完全勝任。

隨著應(yīng)用型大學(xué)教育理念的提出，采用經(jīng)典控制理論介紹為主、以公式推導(dǎo)控制理論建立為主要教育方法的已經(jīng)不再全部適用。而在材料成型及控制工程專業(yè)的控制工程課程教育中，與專業(yè)息息相關(guān)的軋制控制、擠壓控制、鍛壓控制和鑄造過程中的凝固控制無法得到具體體現(xiàn)，使學(xué)生無法更為直觀地了解《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程的意義和理論。

三、課程亟待改革的問題

為適應(yīng)自動(dòng)控制技術(shù)針對材料成型及控制工程專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)后所對應(yīng)的行業(yè)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，應(yīng)該加入自動(dòng)控制在硬件和軟件兩個(gè)方面的基本原理教育、主要數(shù)學(xué)模型的基本構(gòu)成、不同成形方法過程如連鑄、擠壓、加熱和軋制等對自動(dòng)控制技術(shù)的要求和發(fā)展現(xiàn)狀，其中材料成型過程的自動(dòng)控制應(yīng)是本課程教授的重點(diǎn)。還應(yīng)包含技術(shù)發(fā)展，使學(xué)生接觸較為前沿的內(nèi)容。從自動(dòng)控制的基本概念到自動(dòng)控制原理，如軋制/擠壓/鑄造凝固特色成形（以下簡稱特色成形）控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，特色成形過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，特色成形生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，特色成形中所用到的連續(xù)加熱爐生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，高速線材生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，軋制過程在厚度、連軋張力、活套、板形、溫度和位置方面的自動(dòng)控制，凝固過程中的凝固方向和凝固速度控制。

基于以上分析，《金屬材料成型自動(dòng)控制》這門課程在材料成型及控制工程專業(yè)教育中已經(jīng)越來越受到重視，由于傳統(tǒng)方法理論推導(dǎo)較多、控制方法和過程的可視化的教學(xué)較少、學(xué)生通過學(xué)習(xí)無法達(dá)到對控制過程進(jìn)行設(shè)計(jì)、使用和維修的能力等局限性，迫切需要發(fā)展《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程的控制過程可視化改革。然而，由于關(guān)于材料成型專業(yè)的控制過程的復(fù)雜性，單純采用課堂講解教學(xué)方法和增加試驗(yàn)課程方法都難以準(zhǔn)確、全面地實(shí)現(xiàn)學(xué)生對控制過程的預(yù)測與控制可調(diào)性。

四、課程改革的具體方式

1.增加原課程中的實(shí)驗(yàn)部分，單列《金屬材料成型自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)》課程：將物理實(shí)驗(yàn)控制過程模擬、控制過程數(shù)值模擬和可視化教具有機(jī)結(jié)合，對《金屬材料成型自動(dòng)控制》課程在材料成型及控制工程專業(yè)的教學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的實(shí)驗(yàn)性研究，深刻理解與解決這些關(guān)鍵教學(xué)問題。

2.理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，采用合理的控制過程教具：PLC控制器的使用及其編程實(shí)驗(yàn)6個(gè)課時(shí)以上，深入了解PLC梯形圖觸點(diǎn)狀態(tài)與邏輯的關(guān)系，梯形圖中線圈相關(guān)的編程元件的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)接近梯形圖預(yù)研從左至右、從上到下的常規(guī)順序。根據(jù)映像寄存器中的輸入進(jìn)而學(xué)習(xí)邏輯解算。

3.小型橡皮泥軋制機(jī)的物理模擬應(yīng)用：采用橡皮泥作為模擬軋制的材料，一般采用家用50～100mm軋輥直徑的“壓面條機(jī)”改造成小型軋機(jī)，改造加入壓下控制裝置執(zhí)行系統(tǒng)，軋機(jī)啟停自動(dòng)控制，壓下和軋輥轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制模仿速度級控制系統(tǒng)。

4.鑄造成型過程的連續(xù)生產(chǎn)線及凝固組織控制：在小型鑄造模擬生產(chǎn)線上采用PLC控制器和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成翻箱造型、澆鑄系統(tǒng)液位控制和角度控制。利用液態(tài)水或乙醇在透明容器內(nèi)一側(cè)加液氮冷卻產(chǎn)生定向凝固控制的觀察系統(tǒng)。將物理實(shí)驗(yàn)控制過程模擬、成型過程控制數(shù)值模擬和微觀成型過程的有機(jī)結(jié)合。

通過以上四個(gè)方面的《金屬材料成型自動(dòng)控制》實(shí)驗(yàn)課程改革，筆者所在的院系材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)入崗位以后，能較快適應(yīng)所在鑄造、軋制等崗位；根據(jù)目前對畢業(yè)后對口專業(yè)的17名學(xué)生的跟蹤調(diào)查，超過70%的畢業(yè)生完全勝任崗位的實(shí)習(xí)時(shí)間比采用先前采用傳統(tǒng)《控制工程基礎(chǔ)》課程教育的畢業(yè)生快50%以上。

五、結(jié)語

根據(jù)我校應(yīng)用型大學(xué)教學(xué)改革的迫切需求，結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)的培養(yǎng)特點(diǎn)，針對《金屬材料成型自動(dòng)控制》進(jìn)行了課程改革，改革的效果良好，實(shí)用性更強(qiáng)，畢業(yè)生對相關(guān)工作崗位的適應(yīng)能力大幅提升，有助于應(yīng)用型大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提高。

參考文獻(xiàn)：

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