机械类学科研究生教学中控制与仿真教学体系的研究

        梁  全，徐  威，王  洁    

（沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳，110870）

[摘  要]：针对机械类学科研究生教学中对教学体系研究不足的问题，围绕当今科学技术的发展趋势，提出将《现代控制理论》和《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》课程作为一个整体引入到研究生教学体系中，提高学生在学习过程中的获得感。以上改革措施在近年的教学中取得了较好的效果。学生们在学习过程中，能够体会到课程之间环环相扣的连带关系，进而自觉自愿的进行深入专研，发挥主观能动性，才是我们教学工作期望达到的最高目标。

[关键词]：研究生教学；机械工程；控制与仿真

[基金项目]：2019年沈阳工业大学“研究生教育教学改革”研究项目【机械学科研究生控制与仿真教学体系研究】，项目编号：2019-YJS05。

[作者简介]：梁全，（1980-），男，汉族，吉林柳河，工学博士，沈阳工业大学机械工程学院，副教授（通讯作者），研究方向为机械电子工程、流体传动与控制。

[中图分类号]：G642 [文献标识码]：A     [收稿日期]：2021-09-01

一、引言

研究生教育是我国教育结构中最高层次的教育，肩负着培养高素质、高层次创造性人才的重任。在当前的大环境下，如何保证硕士研究生的教学质量，进一步优化研究生培养方案、课程体系和课程内容，加强研究生优质教育资源共享体系的建设，促进研究生教育培养质量的提高，是摆在教育工作者面前的一大课题^[1,2]。

虽然研究生教育的理论授课时段占整个研究生培养阶段的很小一部分，但是，如果在研究生入学的初始阶段，抓紧、抓牢理论教学工作，为研究生讲解和介绍更高层次的理论知识，能够在极大程度上培养研究生的科研兴趣，为研究生日后从事科学研究工作，打下坚实的基础^[3-6]。本论文基于以上目的，以机械类研究生理论教学工作的开展为大背景，以“控制与仿真教学体系”的研究为抓手，介绍本教学团队开展的相关研究工作所取得的一点经验和教训。

机械类专业是理工科中的传统学科，其体量不言而喻，一般都在各大高校的本科、研究生招生比例中，占有相当大的份额。但机械类专业又是一门古老的学科，如何在当今互联网盛行、物联网蓬勃发展、各种智能应用层出不穷的大背景下，继续推进这一古老学科的可持续发展和不断进步，不仅是学科发展和科学研究亟待解决的问题，也是教育工作不断革新教育理念、为社会输送栋梁之才的现实需求^[7-9]。

机械学科在近百年来取得了飞速的发展，而这些发展的原动力，有很多并不是来源于机械本身，却更多的来源于其他学科所取得的发展和进步。这其中，尤其以计算机技术的发展和进步对近年来机械学科的发展所起的作用最大。正因为人工智能与机械学科产品的结合应用，才诞生出智能驾驶、智能穿戴设备、智能机器人等等新兴工业门类，为社会经济的发展注入源源不断的活力。机械电子工程专业是机械学科中与控制和仿真技术结合最紧密的专业，一般情况下，各个高校机械学院的硕士研究生相关课程教学方案的制定和教学计划的执行，都由机械电子工程专业的教师负责。

二、改革措施

机械类研究生控制和仿真知识体系建立的教学改革，主要从以下几个层面展开：

（1）精心挑选所开设的课程。结合授课教师多年教学经验，并追踪时代发展、工程实践以及研究生继续深造的需求，为机械类专业研究生开设了《现代控制理论》和《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》这两门与控制和仿真结合最紧密的课程，所谓的“控制与仿真教学体系”，指的就是这两门课程所形成的教学理论和教学方法。其中《现代控制理论》代表了“控制”方面知识体系建立的典型课程，是对绝大多数院校本科教学中《控制工程基础》课程的延伸和提高，既代表了较为先进控制理论基础知识的学习，又为研究生可能的继续深造提供控制理论相关的知识储备，为更先进的智能控制理论的学习打好基础。而《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》代表了“仿真”方面知识体系建立的典型课程，由于仿真是学好控制理论最有效的手段和工具，因而《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》课程的开设，是对研究生教学“控制和仿真知识体系建立”最好的诠释。《现代控制理论及应用》属于研究生教学中的“学科基础课”、《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》属于“方向选修课”。

（2）精心建立和制定课程教学方案。《现代控制理论》和《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》两门课程互为依托、互为补充，在设计和制定教学方案时，应该放在一起综合考虑。在研究生的教学中，应该将《现代控制理论》作为先修学科。《现代控制理论》所讲解的“状态空间”理论是对古典控制理论的延伸，特别适合对复杂机械系统进行建模和控制，目前工程仿真领域所使用的动态系统仿真软件，基本上都是建立在对仿真对象的状态空间描述的基础上的，所以《现代控制理论》为学生理解动态系统模型的建立原理搭建了桥梁。另外，建立系统仿真模型的本质目的，是为了设计所研究对象的控制算法，使被控对象能够按照预定的性能指标工作，《现代控制理论》所讲解的极点配置、解耦控制、最优控制等控制算法，在工程实践中即是一类有效的控制算法，同时又是学习智能控制等更高等控制理论的基石，其重要性不言而喻。在讲解《现代控制理论及应用（机械）》课程时，本教学团队自主撰写并出版的教材《现代控制理论及应用》。不同于其他现代控制理论教材，本教科书对“利用现代控制理论对机械系统进行建模的方法手段和技巧”进行了大篇幅描述，使“机械类研究生”能够真正认识到“现代控制理论确实有用”。为了能够吸引学生，也重点介绍了“利用最优控制理论解决导弹拦截问题”、“利用最优控制理论解决着陆器着陆问题”，并与导弹防御系统、中国的月球、火星探测其相联系，使学生认识到课程的重要性。《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》课程是《现代控制理论及应用（机械）》的后续课程。前者主要讲解“功率键合图仿真建模”的基本理论和方法。由于“功率键合图理论”是建立在“现代控制理论”基础之上的。学生学习完成“现代控制理论”后，再学习“功率键合图理论”就没有任何障碍。而且键合图理论的统一建模思想，是“现代控制理论状态方程理论”的延伸和扩展，通过“功率键合图理论”的学习，学生会对“现代控制理论”有了更进一步的认知。键合图理论利用能量守恒原理将不同能域的物理系统统一用“功率键”来进行描述和建模，特别适合进行“机电液混合系统”的仿真建模和控制策略的研究。更重要的是，功率键合图理论将键合图模型转化为“状态空间方程”来进行统一描述和计算机求解，直接建立了与《现代控制理论》的联系，学生在学习完成《现代控制理论》之后再学习《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》，将有机会直接把理论和实践相结合，有利于更深层次上理解控制和仿真的基本原理，在未来的课题研究中，会更主动地应用“控制”和“仿真”这两个工具解决工程技术问题。

（3）注重教学手段的革新。《现代控制理论》的教学内容与高等数学、线性代数等先修课程紧密相关，这些内容导致《现代控制理论》教学过程晦涩艰深、抽象难懂，课题组从以下几个方面解决这些具体的教学问题：一是课程组组织编写了《现代控制理论与应用》教材，在教材的撰写中，即注重对现代控制理论中基本原理的阐释，同时更注重与“机械学科”的结合，将机械、电子与液压等典型系统的状态空间建模方法进行介绍，提高课程的工程应用背景；二是录制了随堂教学视频，放置在“超星学习通”网络课程平台上，供学生在课余时间巩固复习；三是将工程软件Matlab引入到课程教学中，教会学生运用软件工具来求解状态空间方程，更深入地理解控制理论的建模、求解和校正的基本原理。而对于《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》课程，在教学手段中，主要采用的方法是在讲解基本原理的基础上，介绍键合图软件20-sim的应用方法。20-sim仿真软件是针对功率键合图理论最直观的仿真建模工具，学生利用该软件进行仿真建模，将在更深层次上理解功率键合图理论，从而理解“机电液混合系统”仿真建模的本质，更好地应用其基本原理解决课题研究中遇到的问题。在具体的教学过程执行中，提高上机时间在总学时中的比例，甚至将课堂搬到计算机机房进行，在讲解基本理论的同时，实时进行操作演练，加深印象和理解，学生普遍反映有了更多的获得感。为了用“仿真”来弥补“理论教学过于抽象”的不足，加强了课后学生自主学习环节，在《现代控制理论及应用》的结课条件中，引入Matlab大作业环节，布置相关题目，由学生利用课余时间自主上机完成题目，提高学生的动手能力；在《机-电-液系统动态特性仿真及工程应用》的结课条件中，引入“20-sim”仿真软件进行“机电液混合系统”的仿真建模大作业，并要求学生撰写课程仿真报告。

（4）借助导师团队提高研究生培养质量。研究生指导教师个人的力量是微薄的，但集体的力量却不可低估。本教学团队根据常年教学和科研的工作经验得出，采用“教与学双管齐下、理论与实践起头并进”的方法，能够极大提高研究生控制与仿真教学的效果。所谓“教与学双管齐下”，是指从“教”的层面，研究生指导教师要注意方法；从“学”的层面，要加强对研究生学的管理，督促研究生学习。

指导教师团队建设固然重要，但指导教师团队是由一个一个教师个体所组成的，如果团队中教师的个人素质不高，必然难以在团队中发挥应有的作用，那这个团队的培养能力也将必然削弱。因此，每个研究生指导教师，应该从自身的“修身”做起。而与研究生的初次接触，正是在课堂上，所以，本教学团队认为，研究生指导教师，首先要加强自身的理论和教学水平。在开展教学工作时，应在如下教学方法上进行改革：

①要充分利用先进的多媒体技术，但也应该适当坚守传统的教学方法。即使研究生的教学不注重理论授课，但应该抓住有限的理论授课时间，充分的培养研究生的学习方法和科学精神。用先进的教学手段，提高课堂效率；但也应该适当坚守传统教学方法，提高学生的学习效果；

②教师应该注意自己在深度和广度方面的修养。因此，在讲授本门课程时，同时应该兼顾对这些课程的复习和介绍，注重学生学习兴趣的培养，使学生具备自学能力，这样才能使学生适应研究生阶段的学习方法；

③在讲授理论基础知识的同时，应该同时介绍其在工程实践方面的应用。但如何能将基础知识与工程实践相结合，其“真功夫”在课堂之外，需要授课教师充分参与科研工作，反过来才能促进教学质量的提高；

④提升课外教学效果，充分利用教师团队资源，发挥团队中每名教师的特长，从教学、科研、科技竞赛、社会活动、学术会议、教学辅助等多个层面、不同角度、不同高度，对研究生进行全方位的培养，充分调动研究生的积极性；

⑤在进行学术指导的同时，也要对研究生的生活予以关心，无论是衣食住行、心理情感，团队的每位教师都应该带着一颗敏感的心，给予无微不至的关怀，推进人性化管理建设，为研究生顺利完成学业保驾护航。

另外，由于教学团队是“动态变化”的，如何保证“动态变化”的教学团队的授课质量，也是一个需要解决的问题。本文提出“充分发掘教师资源，注重专业知识的传承和教学梯队的建设”的方法，来解决这个问题。关于这一方面，本教学团队有其特殊的情况。团队中教师的研究方向按传统的学科分类，隶属“流体传动与控制”，由于历史和教学环境、社会发展的原因，原来独立存在的本科“流体传动与控制”专业，在1999年已经为了顺应国家教学体制的改革，合并到“机械电子工程”专业。传统的所谓“科班”出身的“流体传动与控制”专业的毕业生，现今已经凤毛菱角，因此专业出身的教师，将越来越难以寻觅。但在可预见的未来，“流体传动与控制”相关知识在机械工程教学和工程应用的价值，不仅不能逐渐弱化，还将长期坚挺地存在并发挥重要的作用。因此，在教学团队不断发生新老交替的条件下，如何保证教学工作的顺利开展、如何保证教学质量、如何保证知识的有效传承、如何保证学科和专业的高质量发展、如何提高研究生的培养质量，始终是本课题组殚精竭虑思考的问题。在培养带有“流体传动与控制”专业背景研究生的同时、发展流体传动与控制学科，构建“控制与仿真”教学体系，也是本课题组无法推卸、义不容辞的责任。因此，教学团队在日常的工作中，应同时注重人才的培养和发掘工作，主要做法是：

① 积极寻觅专业人才，主动扩充现在的流体传动专业教师队伍；

② 稳健培养现有教师队伍，充分发挥传承老教师的宝贵经验、着力开发青年教师的潜力、有意识地进行团队和梯队建设。

只有教学队伍得到了保证，才能够保证“控制与仿真教学体系”的完整性，才能够保证教学质量稳步提高。

三、结语

事实上，研究生理论教学阶段在整个研究生学业中所占的比重只有三分之一左右，但这一阶段是高等教育中最后一次对学生进行系统理论知识讲授的机会，学生在多大程度上愿意从事科学研究工作，与这一阶段的学习体验息息相关。注重教学体系的建设，而不是单纯在某一门课上下功夫，有时可以收到意想不到的效果。

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Research on the Control and Simulation Teaching System in Postgraduate Teaching of Mechanical Discipline

LIANG Quan, WANG Jie, XU Wei

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, Liaoning 110870, China)

Abstract: In view of the insufficient research on the teaching system in the graduate teaching of mechanical disciplines, around the development trend of science and technology, the modern control theory and machine-electric-liquid system dynamic characteristic simulation and engineering application are introduced into the graduate teaching system as a whole, so as to improve students' sense of gain in the learning process.The above reform measures have achieved good results in the teaching in recent years.In the process of learning, students can realize the interlinked joint and several relationship between courses, and then consciously and voluntarily carry out in-depth research and give full play to their subjective initiative, which is the highest goal that our teaching work expects to achieve.

Key words: graduate teaching; Mechanical engineering; Control and Simulation