機(jī)械類(lèi)學(xué)科研究生教學(xué)中控制與仿真教學(xué)體系研究

梁 全，徐 威，王 潔

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

引言

研究生教育是我國(guó)教育結(jié)構(gòu)中最高層次的教育，肩負(fù)著培養(yǎng)高素質(zhì)、高層次創(chuàng)造性人才的重任。在當(dāng)前的大環(huán)境下，如何保證碩士研究生的教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步優(yōu)化研究生培養(yǎng)方案、課程體系和課程內(nèi)容，加強(qiáng)研究生優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系的建設(shè)，促進(jìn)研究生教育培養(yǎng)質(zhì)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(shí)段占整個(gè)研究生培養(yǎng)階段的很小一部分，但是，如果在研究生入學(xué)的初始階段，抓緊、抓牢理論教學(xué)工作，為研究生講解和介紹更高層次的理論知識(shí)，能夠在極大程度上培養(yǎng)研究生的科研興趣，為研究生日后從事科學(xué)研究工作，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；谝陨夏康?，文章以機(jī)械類(lèi)研究生理論教學(xué)工作的開(kāi)展為大背景，以“控制與仿真教學(xué)體系”的研究為抓手，介紹本教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的相關(guān)研究工作所取得的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)是理工科中的傳統(tǒng)學(xué)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(dāng)大的份額。機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)又是一門(mén)古老的學(xué)科，如何在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)盛行、物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展、各種智能應(yīng)用層出不窮的大背景下，繼續(xù)推進(jìn)這一古老學(xué)科的可持續(xù)發(fā)展和不斷進(jìn)步，不僅是學(xué)科發(fā)展和科學(xué)研究亟待解決的問(wèn)題，也是教育工作不斷革新教育理念、為社會(huì)輸送棟梁之材的現(xiàn)實(shí)需求。機(jī)械學(xué)科在近百年來(lái)取得了飛速的發(fā)展，而這些發(fā)展的原動(dòng)力，有很多并不是來(lái)源于機(jī)械本身，卻更多的來(lái)源于其他學(xué)科所取得的發(fā)展和進(jìn)步。這其中尤其以計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)近年來(lái)機(jī)械學(xué)科的發(fā)展所起的作用最大。正因?yàn)槿斯ぶ悄芘c機(jī)械學(xué)科產(chǎn)品的結(jié)合應(yīng)用，才誕生出智能駕駛、智能穿戴設(shè)備、智能機(jī)器人等等新興工業(yè)門(mén)類(lèi)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入源源不斷的活力。機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)是機(jī)械學(xué)科中與控制和仿真技術(shù)結(jié)合最緊密的專(zhuān)業(yè)，一般情況下，各個(gè)高校機(jī)械學(xué)院的碩士研究生相關(guān)課程教學(xué)方案的制定和教學(xué)計(jì)劃的執(zhí)行，都由機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的教師負(fù)責(zé)。

一、改革措施

機(jī)械類(lèi)研究生控制和仿真知識(shí)體系建立的教學(xué)改革，主要從以下幾個(gè)層面展開(kāi)。

（一）精心挑選所開(kāi)設(shè)的課程。

結(jié)合授課教師多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并追蹤時(shí)代發(fā)展、工程實(shí)踐以及研究生繼續(xù)深造的需求，為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)研究生開(kāi)設(shè)了“現(xiàn)代控制理論”和“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”這兩門(mén)與控制和仿真結(jié)合最緊密的課程，所謂的“控制與仿真教學(xué)體系”，指的就是這兩門(mén)課程所形成的教學(xué)理論和教學(xué)方法。其中“現(xiàn)代控制理論”代表了控制方面知識(shí)體系建立的典型課程，是對(duì)絕大多數(shù)院校本科教學(xué)中“控制工程基礎(chǔ)”課程的延伸和提高，既代表了較為先進(jìn)控制理論基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，又為研究生可能的繼續(xù)深造提供控制理論相關(guān)的知識(shí)儲(chǔ)備，為更先進(jìn)的智能控制理論的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。而“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”代表了仿真方面知識(shí)體系建立的典型課程，由于仿真是學(xué)好控制理論最有效的手段和工具，因而“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”課程的開(kāi)設(shè)，是對(duì)研究生教學(xué)“控制和仿真知識(shí)體系建立”最好的詮釋。“現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用”屬于研究生教學(xué)中的學(xué)科基礎(chǔ)課，“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”屬于方向選修課。

（二）精心建立和制定課程教學(xué)方案。

“現(xiàn)代控制理論”和“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”兩門(mén)課程互為依托、互為補(bǔ)充，在設(shè)計(jì)和制定教學(xué)方案時(shí)，應(yīng)該放在一起綜合考慮。在研究生的教學(xué)中，應(yīng)該將“現(xiàn)代控制理論”作為先修學(xué)科。“現(xiàn)代控制理論”所講解的“狀態(tài)空間”理論是對(duì)古典控制理論的延伸，特別適合對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制，目前工程仿真領(lǐng)域所使用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，基本上都是建立在對(duì)仿真對(duì)象的狀態(tài)空間描述的基礎(chǔ)上的，所以“現(xiàn)代控制理論”為學(xué)生理解動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的建立原理搭建了橋梁。另外，建立系統(tǒng)仿真模型的本質(zhì)目的，是為了設(shè)計(jì)所研究對(duì)象的控制算法，使被控對(duì)象能夠按照預(yù)定的性能指標(biāo)工作，“現(xiàn)代控制理論”所講解的極點(diǎn)配置、解耦控制、最優(yōu)控制等控制算法，在工程實(shí)踐中即是一類(lèi)有效的控制算法，同時(shí)又是學(xué)習(xí)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(xiàn)代控制理論及應(yīng)用（機(jī)械）”課程時(shí)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)自主撰寫(xiě)并出版的教材《現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用》。不同于其他現(xiàn)代控制理論教材，本教科書(shū)對(duì)“利用現(xiàn)代控制理論對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模的方法手段和技巧”進(jìn)行了大篇幅描述，使“機(jī)械類(lèi)研究生”能夠真正認(rèn)識(shí)到“現(xiàn)代控制理論確實(shí)有用”。為了能夠吸引學(xué)生，也重點(diǎn)介紹了“利用最優(yōu)控制理論解決導(dǎo)彈攔截問(wèn)題”“利用最優(yōu)控制理論解決著陸器著陸問(wèn)題”，并與導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、中國(guó)的月球、火星探測(cè)其相聯(lián)系，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到課程的重要性。“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”課程是“現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用（機(jī)械）”的后續(xù)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(xiàn)代控制理論”基礎(chǔ)之上的。學(xué)生學(xué)習(xí)完成“現(xiàn)代控制理論”后，再學(xué)習(xí)“功率鍵合圖理論”就沒(méi)有任何障礙。而且鍵合圖理論的統(tǒng)一建模思想，是“現(xiàn)代控制理論狀態(tài)方程理論”的延伸和擴(kuò)展，通過(guò)“功率鍵合圖理論”的學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)對(duì)“現(xiàn)代控制理論”有了更進(jìn)一步的認(rèn)知。鍵合圖理論利用能量守恒原理將不同能域的物理系統(tǒng)統(tǒng)一用“功率鍵”來(lái)進(jìn)行描述和建模，特別適合進(jìn)行“機(jī)電液混合系統(tǒng)”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(zhuǎn)化為“狀態(tài)空間方程”來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一描述和計(jì)算機(jī)求解，直接建立了與“現(xiàn)代控制理論”的聯(lián)系，學(xué)生在學(xué)習(xí)完成“現(xiàn)代控制理論”之后再學(xué)習(xí)“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”，將有機(jī)會(huì)直接把理論和實(shí)踐相結(jié)合，有利于更深層次上理解控制和仿真的基本原理，在未來(lái)的課題研究中，會(huì)更主動(dòng)地應(yīng)用“控制”和“仿真”這兩個(gè)工具解決工程技術(shù)問(wèn)題。

（三）注重教學(xué)手段的革新。

“現(xiàn)代控制理論”的教學(xué)內(nèi)容與“高等數(shù)學(xué)”“線性代數(shù)”等先修課程緊密相關(guān)，這些內(nèi)容導(dǎo)致“現(xiàn)代控制理論”教學(xué)過(guò)程晦澀艱深、抽象難懂，課題組從以下幾個(gè)方面解決這些具體的教學(xué)問(wèn)題：一是課程組組織編寫(xiě)了《現(xiàn)代控制理論與應(yīng)用》教材，在教材的撰寫(xiě)中，既注重對(duì)現(xiàn)代控制理論中基本原理的闡釋?zhuān)瑫r(shí)更注重與“機(jī)械學(xué)科”的結(jié)合，將機(jī)械、電子與液壓等典型系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模方法進(jìn)行介紹，提高課程的工程應(yīng)用背景；二是錄制了隨堂教學(xué)視頻，放置在超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)上，供學(xué)生在課余時(shí)間鞏固復(fù)習(xí)；三是將工程軟件MATLAB引入課程教學(xué)中，教會(huì)學(xué)生運(yùn)用軟件工具來(lái)求解狀態(tài)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(duì)于“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”課程，在教學(xué)手段中，主要采用的方法是在講解基本原理的基礎(chǔ)上，介紹鍵合圖軟件20-sim的應(yīng)用方法。20-sim仿真軟件是針對(duì)功率鍵合圖理論最直觀的仿真建模工具，學(xué)生利用該軟件進(jìn)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(jī)電液混合系統(tǒng)”仿真建模的本質(zhì)，更好地應(yīng)用其基本原理解決課題研究中遇到的問(wèn)題。在具體的教學(xué)過(guò)程執(zhí)行中，提高上機(jī)時(shí)間在總學(xué)時(shí)中的比例，甚至將課堂搬到計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行，在講解基本理論的同時(shí)，實(shí)時(shí)進(jìn)行操作演練，加深印象和理解，學(xué)生普遍反映有了更多的獲得感。為了用仿真來(lái)彌補(bǔ)理論教學(xué)過(guò)于抽象的不足，加強(qiáng)了課后學(xué)生自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，在“現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用”的結(jié)課條件中，引入MATLAB大作業(yè)環(huán)節(jié)，布置相關(guān)題目，由學(xué)生利用課余時(shí)間自主上機(jī)完成題目，提高學(xué)生的動(dòng)手能力；在“機(jī)-電-液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及工程應(yīng)用”的結(jié)課條件中，引入20-sim仿真軟件進(jìn)行“機(jī)電液混合系統(tǒng)”的仿真建模大作業(yè)，并要求學(xué)生撰寫(xiě)課程仿真報(bào)告。

（四）借助導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量。

研究生指導(dǎo)教師個(gè)人的力量是微薄的，但集體的力量卻不可低估。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)常年教學(xué)和科研的工作經(jīng)驗(yàn)得出，采用教與學(xué)雙管齊下、理論與實(shí)踐起頭并進(jìn)的方法，能夠極大提高研究生控制與仿真教學(xué)的效果。所謂教與學(xué)雙管齊下，是指從教的層面，研究生指導(dǎo)教師要注意方法；從學(xué)的層面，要加強(qiáng)對(duì)研究生學(xué)生的管理，督促研究生學(xué)習(xí)。指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)固然重要，但指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)是由一個(gè)一個(gè)教師個(gè)體所組成的，如果團(tuán)隊(duì)中教師的個(gè)人素質(zhì)不高，必然難以在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮應(yīng)有的作用，那這個(gè)團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)能力也將必然削弱。因此，每個(gè)研究生指導(dǎo)教師，應(yīng)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(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，研究生指導(dǎo)教師首先要加強(qiáng)自身的理論和教學(xué)水平。在開(kāi)展教學(xué)工作時(shí)，應(yīng)在如下教學(xué)方法上進(jìn)行改革。

1.要充分利用先進(jìn)的多媒體技術(shù)，但也應(yīng)該適當(dāng)堅(jiān)守傳統(tǒng)的教學(xué)方法。即使研究生的教學(xué)不注重理論授課，但應(yīng)該抓住有限的理論授課時(shí)間，充分的培養(yǎng)研究生的學(xué)習(xí)方法和科學(xué)精神。用先進(jìn)的教學(xué)手段，提高課堂效率；但也應(yīng)該適當(dāng)堅(jiān)守傳統(tǒng)教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2.教師應(yīng)該注意自己在深度和廣度方面的修養(yǎng)。因此，在講授本門(mén)課程時(shí)，同時(shí)應(yīng)該兼顧對(duì)這些課程的復(fù)習(xí)和介紹，注重學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，使學(xué)生具備自學(xué)能力，這樣才能使學(xué)生適應(yīng)研究生階段的學(xué)習(xí)方法。

3.在講授理論基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)該介紹其在工程實(shí)踐方面的應(yīng)用。但如何能將基礎(chǔ)知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)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(guò)來(lái)才能促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

4.提升課外教學(xué)效果，充分利用教師團(tuán)隊(duì)資源，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)中每名教師的特長(zhǎng)，從教學(xué)、科研、科技競(jìng)賽、社會(huì)活動(dòng)、學(xué)術(shù)會(huì)議、教學(xué)輔助等多個(gè)層面、不同角度、不同高度，對(duì)研究生進(jìn)行全方位的培養(yǎng)，充分調(diào)動(dòng)研究生的積極性。

5.在進(jìn)行學(xué)術(shù)指導(dǎo)的同時(shí)，也要對(duì)研究生的生活予以關(guān)心，無(wú)論是衣食住行、心理情感，團(tuán)隊(duì)的每位教師都應(yīng)該帶著一顆敏感的心，給予學(xué)生無(wú)微不至的關(guān)懷，推進(jìn)人性化管理建設(shè)，為研究生順利完成學(xué)業(yè)保駕護(hù)航。

另外，由于教學(xué)團(tuán)隊(duì)是“動(dòng)態(tài)變化”的，如何保證“動(dòng)態(tài)變化”的教學(xué)團(tuán)隊(duì)的授課質(zhì)量，也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。本文提出“充分發(fā)掘教師資源，注重專(zhuān)業(yè)知識(shí)的傳承和教學(xué)梯隊(duì)的建設(shè)”的方法，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。關(guān)于這一方面，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)有其特殊的情況。團(tuán)隊(duì)中教師的研究方向按傳統(tǒng)的學(xué)科分類(lèi)，隸屬“流體傳動(dòng)與控制”，由于歷史和教學(xué)環(huán)境、社會(huì)發(fā)展的原因，原來(lái)獨(dú)立存在的本科“流體傳動(dòng)與控制”專(zhuān)業(yè)，在1999年已經(jīng)為了順應(yīng)國(guó)家教學(xué)體制的改革，合并到“機(jī)械電子工程”專(zhuān)業(yè)。傳統(tǒng)的所謂科班出身的“流體傳動(dòng)與控制”專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生，現(xiàn)今已經(jīng)鳳毛麟角，因此專(zhuān)業(yè)出身的教師，將越來(lái)越難以尋覓。但在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，“流體傳動(dòng)與控制”相關(guān)知識(shí)在機(jī)械工程教學(xué)和工程應(yīng)用的價(jià)值，不僅不能逐漸弱化，還將長(zhǎng)期堅(jiān)挺地存在并發(fā)揮重要的作用。因此，在教學(xué)團(tuán)隊(duì)不斷發(fā)生新老交替的條件下，如何保證教學(xué)工作的順利開(kāi)展、如何保證教學(xué)質(zhì)量、如何保證知識(shí)的有效傳承、如何保證學(xué)科和專(zhuān)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展、如何提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，始終是本課題組殫精竭慮思考的問(wèn)題。在培養(yǎng)帶有“流體傳動(dòng)與控制”專(zhuān)業(yè)背景研究生的同時(shí)、發(fā)展流體傳動(dòng)與控制學(xué)科，構(gòu)建“控制與仿真”教學(xué)體系，也是本課題組無(wú)法推卸、義不容辭的責(zé)任。因此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在日常的工作中，應(yīng)同時(shí)注重人才的培養(yǎng)和發(fā)掘工作，主要做法是：（1）積極尋覓專(zhuān)業(yè)人才，主動(dòng)擴(kuò)充現(xiàn)在的流體傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)教師隊(duì)伍；（2）穩(wěn)健培養(yǎng)現(xiàn)有教師隊(duì)伍，充分發(fā)揮傳承老教師的寶貴經(jīng)驗(yàn)、著力開(kāi)發(fā)青年教師的潛力、有意識(shí)地進(jìn)行團(tuán)隊(duì)和梯隊(duì)建設(shè)。只有教學(xué)隊(duì)伍得到了保證，才能夠保證“控制與仿真教學(xué)體系”的完整性，才能夠保證教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提高。

事實(shí)上，研究生理論教學(xué)階段在整個(gè)研究生學(xué)業(yè)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(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)理論知識(shí)講授的機(jī)會(huì)，學(xué)生在多大程度上愿意從事科學(xué)研究工作，與這一階段的學(xué)習(xí)體驗(yàn)息息相關(guān)。注重教學(xué)體系的建設(shè)，而不是單純?cè)谀骋婚T(mén)課上下功夫，可以收到意想不到的效果。