材料成型過程控制課程教學改革探究

謝 謙，張 龍，楊 永，蔡佳佳

(1.安徽工業(yè)大學 冶金工程學院;2.安徽工業(yè)大學 能源與環(huán)境學院，安徽 馬鞍山 243002)

材料成型過程控制課程是材料成型及控制工程(軋鋼方向)的專業(yè)必修基礎課程。本課程主要闡述過程控制的基本原理與方法以及該方法在材料成型過程中的具體實現(xiàn)，介紹數(shù)據(jù)處理基本理論以及如何運用現(xiàn)代工具處理及分析材料成型過程中的大批量數(shù)據(jù)，探討如何建立材料成型過程中的數(shù)學模型以及如何控制材料成型過程。由于本門課程涉及的知識體系繁雜、實踐性較強，還需要掌握一定的編程能力[1]，學習難度較大。為了使學生更透徹、有效地掌握課程知識，在教學過程中我們嘗試以提高學生學習積極性、增加工業(yè)化實踐案例為教學重點，取得了較好的教學效果。

一、重視激發(fā)學生學習積極性

為了實現(xiàn)更好的教學效果，學生的主觀學習積極性起到非常重要的作用。緒論課在激發(fā)學生課程學習積極性方面有著非常重要的作用。緒論課具有啟發(fā)和培養(yǎng)學生學習興趣、宏觀了解課程整體內容的主要作用[2]。在緒論課中我們首先以一個具體例子吸引學生的關注，比如蘇黎世聯(lián)邦理工學院Raffaello D'Andrea教授的無人機自動控制TED演講視頻，這個視頻展示了近乎魔術般的四軸無人機控制效果，而在這神奇的控制效果背后正是應用了本門課程中的數(shù)學建模知識以及自動化調節(jié)知識。通過這個視頻可以讓學生對本門課程相關知識有生動的初步認知，同時教師向學生闡明本門課程的一個重要目標：通過掌握基本的編程能力和自動化知識，形成與物質世界互動的能力。接下來會針對這個目標展開，舉一些具體例子講解所謂的互動能力到底是個什么概念，比如大家日常生活中常常需要使用Excel電子表格存儲、統(tǒng)計、計算實驗數(shù)據(jù)，有時需要大量的重復工作，而利用本門課程涉及Python編程語言可以很方便地自動實現(xiàn)對電子表格的操作，節(jié)約大量的工作時間。為了更好激發(fā)學生學習興趣，在課程內容方面也進行了相應的調整，引入了前沿的、應用廣泛的人工智能技術、數(shù)據(jù)挖掘技術等相關基礎知識，并與工業(yè)自動化控制流程進行有機結合，讓學生感受課程所學技術對生活、工業(yè)生產等各個方面的重要影響。在通過具體例子激發(fā)起學生對本門課程的興趣后再提綱挈領地向學生講解本門課程的知識結構，幫助學生建立起知識體系。清晰的知識體系有助于學生了解課程的內容與前導課程和后續(xù)學習的關系，了解本門課程所需的基礎知識及學習重難點。最后，根據(jù)課程特點介紹學習的主要方法，由于本門課程有很強的實踐性特征，因此鼓勵學生邊實踐邊學習，配置設計系列的練習題目、實驗練習內容，讓學生在學習過程中更快發(fā)現(xiàn)自己的知識掌握情況，隨時改進。

二、增加高質量的學習素材

針對材料成型過程控制課程應用性強、與工業(yè)現(xiàn)場聯(lián)系緊密的特點，課程教學中結合工業(yè)現(xiàn)場的多個項目課題，引入多個典型工業(yè)過程控制案例。以寶鋼集團湛江1550連退產線的平整機開發(fā)案例為例，寶鋼湛江冷軋廠1550連退機組可生產規(guī)格為厚度0.3～1.6 mm，寬度700～1430 mm，是一條定位于家電板為主，兼顧高端汽車板生產的連續(xù)退火生產線。其中包括軋制力、張力、防皺輥位置、防斷輥位置等數(shù)據(jù)均需要提前輸入靜態(tài)表中，同時控制模型中尚未建立有效的閉環(huán)自學習系統(tǒng)。結合本案例，設計了利用Python語言開發(fā)PLC通信、帶鋼信息跟蹤模塊、平整工藝數(shù)學模型、基于機器學習的自學習模塊等主要功能模塊的開發(fā)思路及技術細節(jié)。此外，還引入了南鋼集團寬厚板生產線組織性能預測系統(tǒng)的開發(fā)案例，在該案例中介紹了微觀組織與力學性能調控軟件平臺的開發(fā)，集成溫度場計算、微觀組織演變模擬、力學性能預測與產品質量分析功能等主要開發(fā)思路及技術細節(jié)。這些案例都有著較為前沿的設計思路，能反映當前工業(yè)現(xiàn)場狀況的具體數(shù)據(jù)及特征。通過這些具體的案例，系統(tǒng)串聯(lián)起本門課程的各項知識點，讓學生直觀清晰了解本課程所學知識在傳統(tǒng)自動化控制及新型智能化控制過程的應用場景與應用潛力。在引入多個具體案例的基礎上，串聯(lián)起工業(yè)過程控制的控冷層級體系，讓學生了解各級控制系統(tǒng)的邏輯流程，如了解三級控制系統(tǒng)的基礎是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，二級控制系統(tǒng)的生產命令由三級控制系統(tǒng)下發(fā)，一級控制系統(tǒng)的基礎是可編程控制器系統(tǒng)，一級控制系統(tǒng)會接受二級控制系統(tǒng)的指令并反饋回現(xiàn)場的各項實測數(shù)據(jù)。

在授課過程中引入數(shù)學、控制理論、機器學習基礎概念的指導內容，如斯坦福大學數(shù)學專業(yè)畢業(yè)生Grant Sanderson制作的關于微積分與線性代數(shù)內涵的教學視頻，著重于將數(shù)學本質過程可視化展現(xiàn)，如求解積分的過程可變?yōu)榍笙鄳€的面積。這樣的教學內容可幫助學生快速、深刻理解各項數(shù)學定義的物理本質，促進其對基礎知識的理解。

三、增加實踐教學內容，提高教學互動

本門課程涉及大量的編程應用內容，而實踐是掌握編程的最有效的方式之一，針對這個特點教師可以精心設計大量課堂編程練習與課后實踐作業(yè)，學生攜帶筆記本電腦上課。課題編程內容結合課程進度合理安排難易程度，如第一次課程練習為安裝Python與Pycharm環(huán)境，了解編程環(huán)境的基礎配置，學生在學習本門課程的開始階段常常存在較大的難度，通過在課程練習過程中針對性的實驗及指導，可以讓學生高效快速完成學習內容。第二次的課程練習中通過Turtle畫圖庫來進行畫圖練習，編程實現(xiàn)正方形、五角星、玫瑰等圖形的繪畫，在這個過程中學生可以很好運用Python編程的基本語法，掌握如何引入Turtle庫并進行繪畫操作，了解編程過程中循環(huán)邏輯的重要性。第八次課堂練習是通過使用Scikit機器學習庫對現(xiàn)場軋制力模型進行分析并建立回歸模型，該練習依托于寶鋼湛江1550連退平整機的真實生產數(shù)據(jù)，通過練習，學生可以有效掌握工業(yè)大數(shù)據(jù)的讀取方法，了解真實工業(yè)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分布狀態(tài)與可視化分析方法，在此基礎上了解Scikit機器學習庫的基本使用方法，并對上述數(shù)據(jù)進行回歸分析，這個練習可以讓學生掌握機器學習技術在鋼鐵工業(yè)中的典型應用場景并了解其廣泛的應用潛力。在學生完成課堂練習后及時針對問題進行講解，與學生進行討論式答疑，了解學生的完成情況，針對學生尚未掌握的內容進行詳細解答，并通過課后的練習進一步幫助學生掌握課程內容，讓學生鍛煉自主學習能力，培養(yǎng)其分析、解決問題的能力。注重激發(fā)學生的主動性、啟迪學生思維、鍛煉學生表達能力，最終提高教學效果。建立課程交流QQ群以及基于超星云課堂的“慕課”課程開放平臺，鼓勵學生提出自己的問題與看法，實現(xiàn)更有效率、更深刻的交流。星云課堂的“慕課”課程開放平臺可以有效分享課件、視頻、作業(yè)等資料，同時有著方便的作業(yè)考核管理功能，通過該平臺可以布置在線作業(yè)并實現(xiàn)自動化批改，提高了課后練習的批改效率。此外，還可以統(tǒng)計學生作業(yè)完成情況以及任務點相關視頻學習情況，促進了學生課后的自主學習。

四、提升教師的教學能力和綜合素質

教師的能力和綜合素質對于教學質量的提高有著重要影響。材料成型過程控制課程涉及知識點較多，如何合理安排上課節(jié)奏、知識點講解深入程度、知識點關聯(lián)性等問題都非常依賴教師扎實的理論功底和實踐經驗，這就要求任課教師多進行知識體系的整理、學習，實現(xiàn)對課程內容融會貫通，提高教學效果。同時,本門課程不能脫離工業(yè)實踐，應了解工業(yè)實踐中面臨的新問題與應用的新技術，這就要求任課教師多深入工業(yè)現(xiàn)場，了解第一手信息。此外，也要重視教育心理學對教學效果和教學效率的影響，鼓勵任課教師學習教育心理學的相關知識，了解學生的心理狀態(tài)及學習需求。教師還應積極參加教學輔導班、講課比賽等活動，向有經驗的教師請教、學習，更好掌握重要的教學技巧，進一步提高自己的教學能力及教學水平。

五、結語

材料成型過程控制課程涉及多領域知識，授課教師應注意提高學生學習積極性，及時更新授課內容，增加與工業(yè)現(xiàn)場實際狀態(tài)聯(lián)系更為緊密的教學內容，改進教學方法，同時注重提升教師自身的教學能力及綜合素質，進一步提高課程教學效果。