韓青

摘 ?要：為了適應(yīng)人工智能發(fā)展的需求，針對“機械工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)中一些環(huán)節(jié)進行改革勢在必行，因此對該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進行探索并提出幾條改革措施，通過實際教學(xué)實踐驗證了教學(xué)改革的實際效果。

關(guān)鍵詞：人工智能 ?融合 ?教學(xué)改革

中圖分類號：TH-4 ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）05（a）-0114-03

Abstract： In order to meet the needs of artificial intelligence， it is imperative to reform some links in the course of "Mechanical Engineering Control Foundation". Therefore， the teaching links of this course are explored and several reform measures are put forward， and the actual effect of the teaching reform is verified by practical teaching in class.

Key Words： Artificial Intelligence; Integration; Teaching Reform

在十九大開幕會上，習(xí)近平主席代表十八屆中央委員會所作報告中指出推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合。2018年十三屆全國人大一次會議政府工作報告中，李克強總理再一次強調(diào)了人工智能給中國帶來的歷史機遇。同時，教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》通知中強調(diào)推進“新工科”建設(shè)，形成“人工智能+X”復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式，到2020年建設(shè)100個“人工智能+X”復(fù)合特色專業(yè);重視人工智能與多學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合，探索新的“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式。培養(yǎng)適應(yīng)人工智能發(fā)展所需的多學(xué)科融合的應(yīng)用型人才迫在眉睫?！皺C械工程控制基礎(chǔ)”這門課程是機械工程專業(yè)的必修課程，也是培養(yǎng)多學(xué)科融合的應(yīng)用型人才的重要課程。針對機械工程控制基礎(chǔ)這門課程的教學(xué)改革，已有部分研究者展開了探索[1-3]，文獻[1]提出了弱化理論，加強實踐和案例教學(xué)，以便學(xué)生實踐中理解所學(xué)知識。文獻[2]從工程教育專業(yè)認證角度，探索“機械控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)改革研究。文獻[3]為適應(yīng)新工科背景下人才培養(yǎng)的要求，也不斷地進行改版，目前更新至第七版。與學(xué)習(xí)某些專業(yè)課和軟件不同，“機械工程控制基礎(chǔ)”比較抽象，需要數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識支撐。因此，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生普遍存在不知道為什么學(xué)、怎么學(xué)等問題，久而久之，就會失去學(xué)習(xí)興趣甚至產(chǎn)生厭學(xué)現(xiàn)象。因此，教學(xué)效果并不理想，教學(xué)過程中存在以下問題。

首先，該課程主要包括系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計和系統(tǒng)校正。雖然系統(tǒng)建模工程實例較多，但其他部分大都是理論分析。如果在學(xué)習(xí)過程中，脫離工程實踐，不能搞懂這些理論分析和依據(jù)，而只會套公式，就會使學(xué)生被動地接受知識，使其失去學(xué)習(xí)興趣，影響學(xué)習(xí)效果。特別是應(yīng)用型本科院校，需要應(yīng)用控制論的相關(guān)知識解決工程問題，這就要求學(xué)生擁有扎實的文化基礎(chǔ)知識。對于一些原理、公式的推導(dǎo)，更要求學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但是大多數(shù)學(xué)生的基礎(chǔ)薄弱，造成一部分學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中困難較大，以至于對該課程的學(xué)習(xí)失去自信心。

其次，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中缺乏主動性。目前的現(xiàn)狀是：老師在講臺上機械地講述課程內(nèi)容，學(xué)生則是不加思考地去接受，但是這門課程的性質(zhì)決定了被動地去接受知識是沒法學(xué)好這門課的，這一過程導(dǎo)致老師的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)嚴重脫節(jié)。

最后，學(xué)生動手能力明顯不足，且課程學(xué)習(xí)缺乏理論聯(lián)系實際。人工智能背景下應(yīng)用型本科院校教學(xué)來說，大多以理論教學(xué)內(nèi)容為主，而作為應(yīng)用型本科院校，如果再照搬一般本科院校的教學(xué)方式，就失去了“應(yīng)用型”的實際意義。

1 ?改革措施

針對以上存在的問題，從以下幾方面進行適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)改革。

1.1 重視緒論學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

俗話說，“興趣是最好的老師”。首先讓學(xué)生了解這門課程的主要內(nèi)容，將來要掌握哪些內(nèi)容，以及如何學(xué)習(xí)這些內(nèi)容，學(xué)這些內(nèi)容用來做什么。學(xué)生往往對第一堂課最感興趣，第一堂課的教學(xué)質(zhì)量在很大程度上影響學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的積極性。

首先從學(xué)生比較熟悉的例子，如一卡通、車牌識別、人臉識別以及學(xué)生比較感興趣的例子，如無人駕駛汽車、飛機、衛(wèi)星定位、超音速導(dǎo)彈等入手，介紹什么是自動控制、如何實現(xiàn)自動控制，這些都是與人工智能緊密聯(lián)系的例子。通過緒論的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握各個章節(jié)之間的聯(lián)系，也使學(xué)生了解課程的設(shè)置、學(xué)習(xí)中的重點難點、學(xué)習(xí)方法、課程的教學(xué)安排及考核方式。通過上述舉措，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對課程的認識，以取得良好的開端。

1.2 適當(dāng)補習(xí)部分人工智能基礎(chǔ)理論知識

如上所述，學(xué)習(xí)該課程的一大障礙就是對數(shù)理知識要求較高。主要包括：牛頓定律和庫克定律等力學(xué)知識;歐姆定律、基爾霍夫定律和電磁感應(yīng)定律等電學(xué)知識;微分方程和Laplace變換等數(shù)學(xué)知識。在課程學(xué)習(xí)之前，可以建議學(xué)生課下復(fù)習(xí)力學(xué)和電學(xué)知識，也可在應(yīng)用到這些知識時適當(dāng)進行復(fù)習(xí)。微分方程和Laplace變換是學(xué)習(xí)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)，而由于課程設(shè)置的局限及學(xué)生基礎(chǔ)的薄弱，需在第二章講述傳遞函數(shù)之前對微分方程和Laplace變換的相關(guān)內(nèi)容進行補充，這些基礎(chǔ)知識也是人工智能控制領(lǐng)域必備的知識。假如讓學(xué)生直接由微分方程求Laplace變換及其逆變換，肯定很繁瑣也很困難，但是借助Matlab求解，卻是非常容易的事，讓學(xué)生就感覺到Matlab的神奇之處，也就激起了學(xué)習(xí)Matlab的興趣，這就是我們接下來要說的基于Matlab的教學(xué)實踐改革。

1.3 減少公式推演，基于Matlab開展智能仿真實踐教學(xué)

“機械工程控制基礎(chǔ)”這門課教學(xué)內(nèi)容比較多，按現(xiàn)有的課時安排無法完成全部內(nèi)容的學(xué)習(xí)。需要根據(jù)培養(yǎng)計劃和應(yīng)用型本科的特點，精選教學(xué)內(nèi)容，修改原有的教學(xué)大綱，制定新的教學(xué)大綱。將教學(xué)重點放在系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析、控制器設(shè)計和穩(wěn)定性分析這幾部分。在內(nèi)容講授上，重視概念的理解及知識的應(yīng)用，適當(dāng)進行公式推演，循序漸進開展教學(xué)。對于系統(tǒng)時域分析、頻域分析、控制器設(shè)計和穩(wěn)定性分析等重要理論都比較抽象，學(xué)生難于理解，要充分利用Matlab仿真軟件，畫出相應(yīng)的圖像，可以讓學(xué)生根據(jù)圖像更直觀的分析和理解相關(guān)概念。圖1給出了傳遞函數(shù)為，在時間常數(shù)不同取值時的單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)曲線，從圖上可以直觀地看出不同時間常數(shù)值時對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，便于學(xué)生理解。

1.4 引入微課教學(xué)

微課是一種新的教學(xué)形式，以視頻的形式圍繞一些知識點或某個教學(xué)環(huán)節(jié)展開的教學(xué)活動。目前，微課已經(jīng)逐漸應(yīng)用到本科各門課程教學(xué)中。把微課引入到“機械工程控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)體系中來，能夠解決該課程理論教學(xué)內(nèi)容多且難，而學(xué)時又少的矛盾。學(xué)生可以課余時間有針對性地利用微課來學(xué)習(xí)相關(guān)的預(yù)備知識，也可以學(xué)習(xí)課程的重點和難點。利用微課教學(xué)既能夠調(diào)動學(xué)生的主動性，又能夠讓學(xué)生根據(jù)自身對知識的掌握情況有選擇地主動學(xué)習(xí)。同時，教師既可以下載網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)有課程知識點的微課資源，又可以制作網(wǎng)絡(luò)上沒有的微課資源，整理后把有效資源分享給學(xué)生。這樣除了課堂講解以外，重點、難點、共性問題和預(yù)備基礎(chǔ)知識又以微課的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。這種微課與課堂相結(jié)合的教學(xué)模式，既可以有效地解決課時少與教學(xué)內(nèi)容多之間的矛盾，又可以針對自身情況在課后有目的、有選擇地學(xué)習(xí)。

1.5 精選人工智能工程案例，貫穿于課程教學(xué)的始終

學(xué)習(xí)“機械工程控制基礎(chǔ)”目的就是用來解決實際的工程問題。大學(xué)生進行雙創(chuàng)，更需要應(yīng)用“機械工程控制基礎(chǔ)”知識解決實際問題。為了加強學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，在傳統(tǒng)理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，融合項目教學(xué)和案例分析等方法，讓學(xué)生在工程實踐中進行學(xué)習(xí)。

對于圖2這個典型的帶反饋的數(shù)控機床控制系統(tǒng)，為使學(xué)生容易理解這個系統(tǒng)，首先分析清楚各個環(huán)節(jié)的構(gòu)成情況，然后利用Simulink搭建仿真模型，最后去數(shù)控加工中心實驗室結(jié)合項目講解。同時，該系統(tǒng)可以在人機界面上遠程監(jiān)控加工過程和進行一些參數(shù)更改，學(xué)生就很容易理解。

2 ?結(jié)語

該文針對“機械工程控制基礎(chǔ)”傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的不足，提出了幾條改革措施并付諸實踐，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣又調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生運用機械工程控制基礎(chǔ)的相關(guān)理論解決實際問題的能力。隨著該課程改革的不斷推進，會逐步培養(yǎng)出人工智能背景下所需的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

參考文獻

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[2] 周振華，陳耿彪，曹太山.工程教育專業(yè)認證背景下機械類“機械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究[J].教書育人：高教論壇，2017（15）：84-85.

[3] 楊叔子，楊克沖，吳波，等.機械工程控制基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2017.