应用型本科“工程机械智能控制技术”课程教学改革初探

黄文静 李义华 朱洪前

[摘 要] 现今工程机械智能控制技术的专业人才成为工业生产行业越来越紧缺的人才之一，工程机械智能控制技术课程也逐步走入本科应用型教学领域，但是该课程的教学改革研究甚少。从智能控制与工程机械结合的角度出发，分析该课程的教学目标，在教学内容、教学方法、微课教学及考核方式几个方面探讨该课程面向本科生的应用型教学改革，为工程机械智能控制技术的教学方法提供指导性意见。

[关 键 词] 工程机械智能控制技术；应用型本科；微课

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）34-0102-02

社会需求是学科发展的基本动因。随着计算机技术的日新月异和人工智能的快速发展，智能控制在工程机械领域得到越来越广泛的应用。工程机械智能控制技术是自动控制、人工智能、机械原理等多门学科的交叉融合[1]，内容涵盖机械基础、模糊数学与模糊控制、人工智能与专家控制、神经网络控制以及遗传算法等前沿学科理论、方法和技术。工程机械智能控制技术课程在本科阶段的教学目的是让现代控制理论与工业实际充分结合，培养学生工程应用能力、实际动手能力与自主创新能力。然而该课程中有些内容抽象，理论性较强，学生容易觉得枯燥而不愿深入学习，因此其教学中普遍存在知识体系的安排与该学科前沿发展状况联系不紧密，理论教学与实际应用脱节，不利于对学生工程应用能力、实际动手能力的培养。目前，大部分学者主要是着眼于智能控制课程的教学改革探讨[2-4]，工程机械智能控制技术的教学改革研究文献却很少。

因此，如何从应用型本科人才的培养目标出发，以“智能控制技术”在工业领域的广泛应用为线索，协调好“智能控制技术”与各交叉学科课程之间的相互联系，结合学生的特点，利用有限的教学课时，让学生接触最新的理论、技术和方法，培养具有较强工程机械实践能力、能够解决生产实际具体技术问题的应用型人才，是目前“工程机械智能控制技术”课程教学改革的重要内容与亟待解决的问题。本论文探讨“工程机械智能控制技术”课在面向工科本科生的教学方面的探索与改革。

一、应用型本科“工程机械智能控制技术”课程教学方法探讨

（一）教学内容的改进

1.在教学过程中注意将工业机械与控制结合

现有的教科书一般介绍了基本的智能控制算法，比如模糊控制、神经网络控制等，理论性较强，与具体工业机械结合很少。各种算法种类繁多，其理论原理对本科生来说肯定是难以理解的。为了帮助学生理解与记忆，加强应用能力，应结合工程机械，在教学过程中对重要的几个控制算法进行一个系列完整的讲解、脉络的疏通，而不是仅仅停留在基本理论的探讨。比如，讲解模糊PID控制器时，首先讲述PID控制在现代工业中的重要性，大部分工程控制都是用的PID控制方法，再分别解释P、I、D的含义，介绍理论PID控制与工业PID控制的区别；同时介绍模糊算法的产生与发展，工业中第一个模糊控制的实现；模糊PID相对于其他类型的智能PID方法的优势所在，在现在工业机械中的应用情况以及现今在方法上的扩展和改进情况。侧重于各种方法的比较和在机械中的不同应用情况，让学生在理解基本原理的基础上，更知道该如何应用在实际工程机械中。

2.软件教学与理论授课之间的有机融合

智能控制的基础是控制方法和智能算法，在很多章节中涉及这些理论知识。比如模糊控制、神经网络控制等，相对其他课程来说理论性较强。MATLAB工具箱给这些智能控制方法的学习提供了一个很好的载体和工具，比如模糊控制、神经网络控制等在MATLAB中都具有现成的工具箱。让学生在学完模糊理论后，先用模糊逻辑工具箱进行模糊逻辑的具体设计过程，如图1所示，以帮助理解与巩固，然后使用模糊控制工具箱，进行实际控制器的设计，加强理解模糊智能控制方法，提高应用能力。

也可以让学生去图书馆借阅相关的MATLAB书籍，设计一个实际系统的模糊控制器，掌握模糊控制的MATLAB设计方法以及具体实现过程。

通过这样的做法，有助于学生对智能控制课程的理解和掌握，而且對学生掌握和应用MATLAB也起到很好的效果。学完这门课程之后，他们在后续的课程设计和毕业设计中也能够得心应手地应用智能控制方法与MATLAB工具。

3.理论与应用案例的合理搭配

对本科生来讲，机械工程控制技术理论部分较难，应侧重于应用能力的培养。可以针对一个个具体的控制算法，提供一两个机械中的控制实例，最好是现有的一些实验平台，用软件MATLAB仿真控制。比如结合伺服锻造机实验平台，进行伺服锻造机的PID控制，让学生感受PID控制器在实际工业过程中参数的调整，如图2a所示；MATLAB的SIMULINK在控制仿真时非常方便、直观，可以结合MATLAB里面的模糊工具箱和SIMULINK工具箱，进行实例控制练习，比如可以设计模糊控制器，结合SIMULINK进行控制仿真，如图2b所示。

（二）教学方法的改进，微课教学方式的引入

随着高校大类招生改革的实施，可将微课的教学理念嵌入“机械工程智能控制”课程教学中，可以弥补传统课堂教学的一些不足[5]。以模糊PID控制的讲解为例，PID是机械工业过程中最常用、最有效的方法，它的三部分P、I、D的控制原理以及PI、PD控制器的理论，可以使用传统的授课方式讲解，而如何在工业过程中应用控制方法去解决实际问题，是机械工程专业本科生学习该门课程的重点。可以提前借用伺服锻造机实验平台，录制伺服锻造机的PID控制视频。视频以实际机械平台的具体实验过程的展示和实验结果的分析为主要内容，首先就现场的伺服锻造机大致介绍该实验平台，再对PID控制平台进行讲解介绍，在控制平台上用PID方法实际操作锻造机的升降运动、前后运动等，展示PID控制方法的有效性，并对控制结果进行分析。在课堂上讲解完PID控制的理论部分后，插播这个微课视频，让学生很直观地学习PID控制在机械工程中的实际应用。

同样，工程机械智能控制课程中的模糊PID控制，神经网络控制也可以制作视频，让学生以微课视频的形式学习智能控制与机械的结合，在授课前后，学生都可利用电脑与手机，自主予以预习及复习，参与师生互动，解答同学们的疑惑，这样变更了原有的单一传授。

（三）考核方式的改进

工程机械智能控制并不是一门基础理论课，而是智能控制方法结合工业实际的应用性课程，因此以设计某个具体机械的智能控制方法来考核比较合适。比如，设计一个二维的模糊控制器，将模糊控制方法用于水箱液位系统的实际控制，并与传统的PID控制方法进行比较。或者以小论文方式，在学完模糊控制、神经网络控制等几种智能控制方法之后，让学生搜集相关资料，总结工程机械智能控制各种方法，以小论文的形式上交。

二、总结

本文从智能控制与工程机械结合的角度出发，分析工程机械智能控制技术的教学目标，注重工业机械与控制的结合、软件教学与理论授课之间的有机融合、理论与应用案例的合理搭配，以及微课视频的教学补偿，对工程机械智能控制技术的教学方法改革具有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]吕广明，工程机械智能化技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]韩立强，谢平，童凯.“智能控制”课程综合教学改革研究[J].电气电子教学学报，2016，38（5）：38-39.

[3]管萍，刘小河，付兴建.应用型人才培养模式下的智能控制课程的教学研究[J].教育教学论坛，2016（16）.

[4]王辉，张段芹.基于MATLAB的机械工程控制基础教学与实践[J].山西科技，2013，28（6）：94-96.

[5]卢献健，晏红波.利用“微课”视频辅助教学的教学方法改革探讨[J].教育教学论坛，2016（15）.