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構中最高層次的教育，肩負著培養高素質、高層次創造性人才的重任。在當前的大環境下，如何保證碩士研究生的教學質量，進一步優化研究生培養方案、課程體系和課程內容，加強研究生優質教育資源共享體系的建設，促進研究生教育培養質量的提高，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。基于以上目的，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研究工作所取得的一點經驗和教訓。機械類專業是理工科中的傳統學科，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。機械類專業又是一門古老的學科，如何在當今互聯網盛行、物聯網蓬勃發展、各種智能應用層出不窮的大背景下，繼續推進這一古老學科的可持續發展和不斷進步，不僅是學科發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實需求。機械學科在近百年來取得了飛速的發展，而這些發展的原動力，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展和進步。這其中尤其以計算機技術的發展和進步，對近年來機械學科的發展所起的作用最大。正因為人工智能與機械學科產品的結合應用，才誕生出智能駕駛、智能穿戴設備、智能機器人等等新興工業門類，為社會經濟的發展注入源源不斷的活力。機械電子工程專業是機械學科中與控制和仿真技術結合最緊密的專業，一般情況下，各個高校機械學院的碩士研究生相關課程教學方案的制定和教學計劃的執行，都由機械電子工程專業的教師負責。

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）精心挑選所開設的課程。

結合授課教師多年教學經驗，并追蹤時代發展、工程實踐以及研究生繼續深造的需求，為機械類專業研究生開設了“現代控制理論”和“機-電-液系統動態特性仿真及工程應用”這兩門與控制和仿真結合最緊密的課程，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，是對絕大多數院校本科教學中“控制工程基礎”課程的延伸和提高，既代表了較為先進控制理論基礎知識的學習，又為研究生可能的繼續深造提供控制理論相關的知識儲備，為更先進的智能控制理論的學習打好基礎。而“機-電-液系統動態特性仿真及工程應用”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-液系統動態特性仿真及工程應用”課程的開設，是對研究生教學“控制和仿真知識體系建立”最好的詮釋。“現代控制理論及應用”屬于研究生教學中的學科基礎課，“機-電-液系統動態特性仿真及工程應用”屬于方向選修課。

（二）精心建立和制定課程教學方案。

“現代控制理論”和“機-電-液系統動態特性仿真及工程應用”兩門課程互為依托、互為補充，在設計和制定教學方案時，應該放在一起綜合考慮。在研究生的教學中，應該將“現代控制理論”作為先修學科。“現代控制理論”所講解的“狀態空間”理論是對古典控制理論的延伸，特別適合對復雜機械系統進行建模和控制，目前工程仿真領域所使用的動態系統仿真軟件，基本上都是建立在對仿真對象的狀態空間描述的基礎上的，所以“現代控制理論”為學生理解動態系統模型的建立原理搭建了橋梁。另外，建立系統仿真模型的本質目的，是為了設計所研究對象的控制算法，使被控對象能夠按照預定的性能指標工作，“現代控制理論”所講解的極點配置、解耦控制、最優控制等控制算法，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“現代控制理論及應用（機械）”課程時，本教學團隊自主撰寫并出版的教材《現代控制理論及應用》。不同于其他現代控制理論教材，本教科書對“利用現代控制理論對機械系統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“利用最優控制理論解決導彈攔截問題”“利用最優控制理論解決著陸器著陸問題”，并與導彈防御系統、中國的月球、火星探測其相聯系，使學生認識到課程的重要性。“機-電-液系統動態特性仿真及工程應用”課程是“現代控制理論及應用（機械）”的后續課程。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“現代控制理論”基礎之上的。學生學習完成“現代控制理論”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一建模思想，是“現代控制理論狀態方程理論”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統一用“功率鍵”來進行描述和建模，特別適合進行“機電液混合系統”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化為“狀態空間方程”來進行統一描述和計算機求解，直接建立了與“現代控制理論”的聯系，學生在學習完成“現代控制理論”之后再學習“機-電-液系統動態特性仿真及工程應用”，將有機會直接把理論和實踐相結合，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，會更主動地應用“控制”和“仿真”這兩個工具解決工程技術問題。

（三）注重教學手段的革新。

“現代控制理論”的教學內容與“高等數學”“線性代數”等先修課程緊密相關，這些內容導致“現代控制理論”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《現代控制理論與應用》教材，在教材的撰寫中，既注重對現代控制理論中基本原理的闡釋，同時更注重與“機械學科”的結合，將機械、電子與液壓等典型系統的狀態空間建模方法進行介紹，提高課程的工程應用背景；二是錄制了隨堂教學視頻，放置在超星學習通網絡課程平臺上，供學生在課余時間鞏固復習；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-液系統動態特性仿真及工程應用”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上，介紹鍵合圖軟件20-sim的應用方法。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”仿真建模的本質，更好地應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節，在“現代控制理論及應用”的結課條件中，引入MATLAB大作業環節，布置相關題目，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-液系統動態特性仿真及工程應用”的結課條件中，引入20-sim仿真軟件進行“機電液混合系統”的仿真建模大作業，并要求學生撰寫課程仿真報告。

（四）借助導師團隊提高研究生培養質量。

研究生指導教師個人的力量是微薄的，但集體的力量卻不可低估。本教學團隊根據常年教學和科研的工作經驗得出，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。指導教師團隊建設固然重要，但指導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不高，必然難以在團隊中發揮應有的作用，那這個團隊的培養能力也將必然削弱。因此，每個研究生指導教師，應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，但也應該適當堅守傳統的教學方法。即使研究生的教學不注重理論授課，但應該抓住有限的理論授課時間，充分的培養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；但也應該適當堅守傳統教學方法，提高學生的學習效果。

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

3.在講授理論基礎知識的同時，應該介紹其在工程實踐方面的應用。但如何能將基礎知識與工程實踐相結合，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量的提高。

4.提升課外教學效果，充分利用教師團隊資源，發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，充分調動研究生的積極性。

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

另外，由于教學團隊是“動態變化”的，如何保證“動態變化”的教學團隊的授課質量，也是一個需要解決的問題。本文提出“充分發掘教師資源，注重專業知識的傳承和教學梯隊的建設”的方法，來解決這個問題。關于這一方面，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的學科分類，隸屬“流體傳動與控制”，由于歷史和教學環境、社會發展的原因，原來獨立存在的本科“流體傳動與控制”專業，在1999年已經為了順應國家教學體制的改革，合并到“機械電子工程”專業。傳統的所謂科班出身的“流體傳動與控制”專業的畢業生，現今已經鳳毛麟角，因此專業出身的教師，將越來越難以尋覓。但在可預見的未來，“流體傳動與控制”相關知識在機械工程教學和工程應用的價值，不僅不能逐漸弱化，還將長期堅挺地存在并發揮重要的作用。因此，在教學團隊不斷發生新老交替的條件下，如何保證教學工作的順利開展、如何保證教學質量、如何保證知識的有效傳承、如何保證學科和專業的高質量發展、如何提高研究生的培養質量，始終是本課題組殫精竭慮思考的問題。在培養帶有“流體傳動與控制”專業背景研究生的同時、發展流體傳動與控制學科，構建“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，應同時注重人才的培養和發掘工作，主要做法是：（1）積極尋覓專業人才，主動擴充現在的流體傳動專業教師隊伍；（2）穩健培養現有教師隊伍，充分發揮傳承老教師的寶貴經驗、著力開發青年教師的潛力、有意識地進行團隊和梯隊建設。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，才能夠保證教學質量穩步提高。

事實上，研究生理論教學階段在整個研究生學業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。注重教學體系的建設，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。