材料成型过程控制课程教学改革探究

2020-12-24蔡佳佳

安徽工业大学学报（社会科学版） 2020年4期

谢谦，张龙，杨永，蔡佳佳

(1.安徽工业大学冶金工程学院;2.安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山 243002)

材料成型过程控制课程是材料成型及控制工程(轧钢方向)的专业必修基础课程。本课程主要阐述过程控制的基本原理与方法以及该方法在材料成型过程中的具体实现，介绍数据处理基本理论以及如何运用现代工具处理及分析材料成型过程中的大批量数据，探讨如何建立材料成型过程中的数学模型以及如何控制材料成型过程。由于本门课程涉及的知识体系繁杂、实践性较强，还需要掌握一定的编程能力[1]，学习难度较大。为了使学生更透彻、有效地掌握课程知识，在教学过程中我们尝试以提高学生学习积极性、增加工业化实践案例为教学重点，取得了较好的教学效果。

一、重视激发学生学习积极性

为了实现更好的教学效果，学生的主观学习积极性起到非常重要的作用。绪论课在激发学生课程学习积极性方面有着非常重要的作用。绪论课具有启发和培养学生学习兴趣、宏观了解课程整体内容的主要作用[2]。在绪论课中我们首先以一个具体例子吸引学生的关注，比如苏黎世联邦理工学院Raffaello D'Andrea教授的无人机自动控制TED演讲视频，这个视频展示了近乎魔术般的四轴无人机控制效果，而在这神奇的控制效果背后正是应用了本门课程中的数学建模知识以及自动化调节知识。通过这个视频可以让学生对本门课程相关知识有生动的初步认知，同时教师向学生阐明本门课程的一个重要目标：通过掌握基本的编程能力和自动化知识，形成与物质世界互动的能力。接下来会针对这个目标展开，举一些具体例子讲解所谓的互动能力到底是个什么概念，比如大家日常生活中常常需要使用Excel电子表格存储、统计、计算实验数据，有时需要大量的重复工作，而利用本门课程涉及Python编程语言可以很方便地自动实现对电子表格的操作，节约大量的工作时间。为了更好激发学生学习兴趣，在课程内容方面也进行了相应的调整，引入了前沿的、应用广泛的人工智能技术、数据挖掘技术等相关基础知识，并与工业自动化控制流程进行有机结合，让学生感受课程所学技术对生活、工业生产等各个方面的重要影响。在通过具体例子激发起学生对本门课程的兴趣后再提纲挈领地向学生讲解本门课程的知识结构，帮助学生建立起知识体系。清晰的知识体系有助于学生了解课程的内容与前导课程和后续学习的关系，了解本门课程所需的基础知识及学习重难点。最后，根据课程特点介绍学习的主要方法，由于本门课程有很强的实践性特征，因此鼓励学生边实践边学习，配置设计系列的练习题目、实验练习内容，让学生在学习过程中更快发现自己的知识掌握情况，随时改进。

二、增加高质量的学习素材

针对材料成型过程控制课程应用性强、与工业现场联系紧密的特点，课程教学中结合工业现场的多个项目课题，引入多个典型工业过程控制案例。以宝钢集团湛江1550连退产线的平整机开发案例为例，宝钢湛江冷轧厂1550连退机组可生产规格为厚度0.3～1.6 mm，宽度700～1430 mm，是一条定位于家电板为主，兼顾高端汽车板生产的连续退火生产线。其中包括轧制力、张力、防皱辊位置、防断辊位置等数据均需要提前输入静态表中，同时控制模型中尚未建立有效的闭环自学习系统。结合本案例，设计了利用Python语言开发PLC通信、带钢信息跟踪模块、平整工艺数学模型、基于机器学习的自学习模块等主要功能模块的开发思路及技术细节。此外，还引入了南钢集团宽厚板生产线组织性能预测系统的开发案例，在该案例中介绍了微观组织与力学性能调控软件平台的开发，集成温度场计算、微观组织演变模拟、力学性能预测与产品质量分析功能等主要开发思路及技术细节。这些案例都有着较为前沿的设计思路，能反映当前工业现场状况的具体数据及特征。通过这些具体的案例，系统串联起本门课程的各项知识点，让学生直观清晰了解本课程所学知识在传统自动化控制及新型智能化控制过程的应用场景与应用潜力。在引入多个具体案例的基础上，串联起工业过程控制的控冷层级体系，让学生了解各级控制系统的逻辑流程，如了解三级控制系统的基础是数据库管理系统，二级控制系统的生产命令由三级控制系统下发，一级控制系统的基础是可编程控制器系统，一级控制系统会接受二级控制系统的指令并反馈回现场的各项实测数据。

在授课过程中引入数学、控制理论、机器学习基础概念的指导内容，如斯坦福大学数学专业毕业生Grant Sanderson制作的关于微积分与线性代数内涵的教学视频，着重于将数学本质过程可视化展现，如求解积分的过程可变为求相应曲线的面积。这样的教学内容可帮助学生快速、深刻理解各项数学定义的物理本质，促进其对基础知识的理解。

三、增加实践教学内容，提高教学互动

本门课程涉及大量的编程应用内容，而实践是掌握编程的最有效的方式之一，针对这个特点教师可以精心设计大量课堂编程练习与课后实践作业，学生携带笔记本电脑上课。课题编程内容结合课程进度合理安排难易程度，如第一次课程练习为安装Python与Pycharm环境，了解编程环境的基础配置，学生在学习本门课程的开始阶段常常存在较大的难度，通过在课程练习过程中针对性的实验及指导，可以让学生高效快速完成学习内容。第二次的课程练习中通过Turtle画图库来进行画图练习，编程实现正方形、五角星、玫瑰等图形的绘画，在这个过程中学生可以很好运用Python编程的基本语法，掌握如何引入Turtle库并进行绘画操作，了解编程过程中循环逻辑的重要性。第八次课堂练习是通过使用Scikit机器学习库对现场轧制力模型进行分析并建立回归模型，该练习依托于宝钢湛江1550连退平整机的真实生产数据，通过练习，学生可以有效掌握工业大数据的读取方法，了解真实工业大数据的数据分布状态与可视化分析方法，在此基础上了解Scikit机器学习库的基本使用方法，并对上述数据进行回归分析，这个练习可以让学生掌握机器学习技术在钢铁工业中的典型应用场景并了解其广泛的应用潜力。在学生完成课堂练习后及时针对问题进行讲解，与学生进行讨论式答疑，了解学生的完成情况，针对学生尚未掌握的内容进行详细解答，并通过课后的练习进一步帮助学生掌握课程内容，让学生锻炼自主学习能力，培养其分析、解决问题的能力。注重激发学生的主动性、启迪学生思维、锻炼学生表达能力，最终提高教学效果。建立课程交流QQ群以及基于超星云课堂的“慕课”课程开放平台，鼓励学生提出自己的问题与看法，实现更有效率、更深刻的交流。星云课堂的“慕课”课程开放平台可以有效分享课件、视频、作业等资料，同时有着方便的作业考核管理功能，通过该平台可以布置在线作业并实现自动化批改，提高了课后练习的批改效率。此外，还可以统计学生作业完成情况以及任务点相关视频学习情况，促进了学生课后的自主学习。

四、提升教师的教学能力和综合素质

教师的能力和综合素质对于教学质量的提高有着重要影响。材料成型过程控制课程涉及知识点较多，如何合理安排上课节奏、知识点讲解深入程度、知识点关联性等问题都非常依赖教师扎实的理论功底和实践经验，这就要求任课教师多进行知识体系的整理、学习，实现对课程内容融会贯通，提高教学效果。同时,本门课程不能脱离工业实践，应了解工业实践中面临的新问题与应用的新技术，这就要求任课教师多深入工业现场，了解第一手信息。此外，也要重视教育心理学对教学效果和教学效率的影响，鼓励任课教师学习教育心理学的相关知识，了解学生的心理状态及学习需求。教师还应积极参加教学辅导班、讲课比赛等活动，向有经验的教师请教、学习，更好掌握重要的教学技巧，进一步提高自己的教学能力及教学水平。