智能控制基礎(chǔ)課程教學改革與探討

李瑩　于水娟　趙佰亭

【摘 要】根據(jù)高等教育教學改革的基本思想以及“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的基本要求，本文深入分析了安徽理工大學智能控制基礎(chǔ)課程存在在教學內(nèi)容及教學方法等方面存在的問題;按照“合理-可持續(xù)-可實現(xiàn)”的原則，提出了在教學內(nèi)容、教學方式、教學實踐及考核方式等方面進行改革及實踐。

【關(guān)鍵詞】卓越計劃;智能控制;教學改革

中圖分類號： TP273.5-4;G642? 文獻標識碼： A ?文章編號： 2095-2457（2019）10-0130-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.054

The Teaching Reform and Discussion of Intelligent Control Curriculum

LI Ying YU Shui-juan ZHAO Bai-ting

（School of Mechanical Engineering and Automatization，，Anhui University of Science &Technology，Anhui Huainan 232001， China）

【Abstract】According to the basic ideas of teaching reform of higher education and the basic requirement of education “outstanding engineers training plan”，this paper ?analyzed ?the problem of teaching contents and teaching methods which exists in intelligent control foundation course in Anhui university of science and technology . According to the principle of “reasonable， sustainable and achievable”， the paper puts forward the reform and practice of teaching contents， teaching methods， teaching practice and assessment methods.

【Key words】Outstanding engineers training plan; Intelligent control; Teaching reform

0 引言

智能控制基礎(chǔ)作為自動化本科專業(yè)的基礎(chǔ)課程在我校已開展多年，該課程是繼經(jīng)典控制原理、現(xiàn)代控制理論后的第三代控制技術(shù)。智能控制是控制理論發(fā)展的最高階段，是自動控制、人工智能、運籌學等多種學科的交叉融合。智能控制基礎(chǔ)課程，是將實際系統(tǒng)抽象為數(shù)學模型，根據(jù)數(shù)學模型的特點去研究控制方法，概念抽象，不易掌握。智能控制課程的開設(shè)對于培養(yǎng)自動化及相關(guān)專業(yè)學生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力有著重要意義。因此，在教改中如何來提高該課程教學質(zhì)量是非常重要的[1-2]。

1 教學現(xiàn)狀

在我校，智能控制基礎(chǔ)在自動化專業(yè)本科生教學大綱中規(guī)定課堂教學為32學時，該課程內(nèi)容包含專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和智能算法四大智能分支，且專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又是智能控制的理論基礎(chǔ)，學生不僅要掌握相關(guān)的基礎(chǔ)理論，還要能夠根據(jù)工程實際背景解決控制問題，因此課程內(nèi)容理論廣泛、概念抽象、信息涵蓋量大、課時短，為了讓學生在較短的時間內(nèi)，較深的掌握課程內(nèi)容，必須對現(xiàn)有的課程進行有效的教學改革，探索新的教學模式，注重對學生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

目前我校智能控制基礎(chǔ)課程存在以下問題：

1.1 教材內(nèi)容廣泛，實例仿真偏重理論

作為一個新的控制領(lǐng)域，智能控制仍處于不斷發(fā)展和完善的階段。一方面，針對本校的實際教學情況，每本教材的內(nèi)容講解不到1/2，讓學生理解為根據(jù)知識的難易程度來選擇內(nèi)容;混淆了學生對知識的理解，多數(shù)的學生認為厚重的教材只講了不到1/2，也會質(zhì)疑教師選擇教材的能力與學校培養(yǎng)人才的目的。另一方面，現(xiàn)有的教材中介紹的智能控制方法及實例仿真，多數(shù)從科研論文整理刪減而成，脫離工程實際。對于絕大部分學生而言，教材中缺少將控制方法與工程實踐相結(jié)合的概念。

1.2 采用“填鴨式”教學

目前，智能控制基礎(chǔ)教學任然采用“填鴨式”教學為主，創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)不足。在“填鴨式”教學中，教師注重的是知識的傳授，缺乏啟發(fā)性。一節(jié)課只有老師在滔滔不絕地講理論，推理公式，學生失去學習興趣，勢必會提出對方法正確與優(yōu)越性的質(zhì)疑。目前多媒體結(jié)合板書的方式已經(jīng)引入課堂教學中，多媒體技術(shù)中視頻、音頻、圖像動畫等效果可以使知識的表述更加生動和逼真。然而，在潛移默化中，發(fā)現(xiàn)課堂中教師逐漸成為了PPT的放映員，學生變成了觀眾和攝像者，時而聽見學生對重點理論的拍照聲，這樣的學習氛圍難以激發(fā)學生的學習興趣，反而養(yǎng)成了學生懶惰的心理。

1.3 缺乏教學實踐環(huán)節(jié)

安徽理工大學智能控制理論基礎(chǔ)課程的課時為32學時，學時過少，且內(nèi)容全是對理論基礎(chǔ)的講解，為了培養(yǎng)學生的自主學習能力，課上會安排幾個案例讓同學們自行分析并設(shè)計控制器并實現(xiàn)仿真，然而由于課時的限制，課下缺乏實踐環(huán)節(jié)安排，缺乏學生對所有方法的訓練。單純的Matlab仿真，勢必會培養(yǎng)一些“紙上談兵”的人才。

1.4 考試環(huán)節(jié)單一

智能控制理論考核方式仍是采用傳統(tǒng)的考核方式，即平時成績占30%;考試成績占70%;而平時成績主要以出勤率，作業(yè)方式進行考核;考試主要通過期末卷子上的分數(shù)決定學生最終分數(shù)。然而試卷上往往反映的是學生對于理論知識的掌握情況，很難綜合考察學生的知識運用能力和創(chuàng)新能力，這與學校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標相矛盾。

2 教學改革

為了適應(yīng)當今社會對人才素質(zhì)教育培養(yǎng)的要求，推行“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，對智能控制理論課程進行相應(yīng)的改革，探索新的教學模式勢在必行。本課題預(yù)從課程的教學內(nèi)容、教學方式、教學實踐以及考核方式進行改革與探索。

2.1 教學內(nèi)容的改革

目前，所有的智能控制理論教材內(nèi)容包含較多，然而受課時的影響，只能刪減內(nèi)容，真正拿到課堂上講解不到1/2;因此針對實際教學情況，編寫屬于具有本校特色的講義勢在必行。講義可以突破傳統(tǒng)教材的形式，針對本校的實際情況進行編寫，而其他教材可以作為參考教材。例如智能控制理論課時32學習，根據(jù)學習的實際情況與老師授課進度需求，可以將智能控制基礎(chǔ)分為21講;每一講包含一個到兩個知識點;每一講都要針對一個具體案例進行分析與講解。分別按照“知識預(yù)備—基本內(nèi)容—案例講解—系統(tǒng)仿真設(shè)計—相關(guān)文獻”的思路，進行講義內(nèi)容的編寫。努力做到內(nèi)容上的循序漸進，構(gòu)造出原理介紹、案例印證和培養(yǎng)創(chuàng)新意識相結(jié)合的教學模式。

2.2 開啟雙語教學

智能控制基礎(chǔ)課程是自動控制原理發(fā)展的最高階段，代表著控制理論的最新算法。開啟雙語教學，可以提高學生的專業(yè)英語水平，同時也可可幫助其快速掌握國際先進技術(shù)，跟上時代發(fā)展的步伐。目前高級學術(shù)論文、學科的前言技術(shù)與發(fā)展潮流都發(fā)表在國際期刊上，通過雙語教學可將高水平的學術(shù)論文拿到課堂上進行探討、分析。例如可以“以學生為中心”，采用PBL法，老師拋出一個問題讓同學進行分析、爭論，啟發(fā)學生對新理論發(fā)展的探索與改進。

2.3 教學方式的改革

智能控制基礎(chǔ)是一門理論性較強的課程，它的內(nèi)容比較抽象，難以理解，如果仍然采用循規(guī)蹈矩式的教學方式—“教師在上面講，學生在下面聽”，勢必會引起學生的厭煩與枯燥，失去學習的興趣。為了提高學生的學習興趣及培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，預(yù)從以下幾個方面進行改革。

（1）為了提高學生的學習熱潮，并適合每個學生的實際情況，優(yōu)化教學內(nèi)容，突出知識點，強調(diào)教學內(nèi)容背景，注重實際應(yīng)用，將每個知識點制作成微課，這樣在課上晦澀的知識，可以課下自己完成。

（2）利用交互式的教學模式，充分利用Matlab仿真工具，培養(yǎng)學生綜合分析能力，提高教學質(zhì)量。對于晦澀難懂的理論，先從方法的應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合Matlab仿真工具，將理論的有效性、優(yōu)越性展現(xiàn)給大家，形成“先應(yīng)用再研究”的學習模式。

（3）為了培養(yǎng)學生的自主學習能力及創(chuàng)新意識，可以將學生分為幾個學習小組，每個小組承擔一個課題，按照“選題-建模-分析-方法選擇-仿真-論文”的模式進行訓練，最后也可以讓學生選擇合適的時間對自己的課題進行講解。

（4）對于授課教師，準備好教學內(nèi)容，注重內(nèi)容結(jié)構(gòu)安排，突出每個知識點，每種方法的共同點和不同點，讓學生更能懂得方法的針對性和優(yōu)越性[3，4]。

2.4 教學實踐

Matlab仿真工具可以讓學生對算法有個更深的理解和認識，但是仍處于仿真模擬的階段。為了讓學生能將理論聯(lián)系實際，還應(yīng)增設(shè)教學實踐環(huán)節(jié)，建立實驗室。倒立擺作為一種自動控制教學實驗設(shè)備，本身就是一個不穩(wěn)定的非線性多變量復(fù)雜系統(tǒng)，其控制的目標是通過給小車底座水平方向施加一個控制力，使小車在有限長的軌道上運動，以保持小車上的倒立擺桿不倒。因此倒立擺能夠全面地滿足自動控制教學的要求。抽象難懂的智能控制算法可以通過控制倒立擺的控制得到很好的驗證。而且，倒立擺實驗裝置也極富趣味性，很適合學生智能控制理論的學習，同時也可以適用于現(xiàn)代控制理論中一些抽象的控制概念如穩(wěn)定性、能控性和系統(tǒng)抗干擾能力等的講解。通過倒立擺裝置的建模、分析、及控制可以將不同階段學習的專業(yè)課串聯(lián)起來，加深了學生對專業(yè)課程的理解和掌握。因此，倒立擺設(shè)備是進行智能控制理論學習和研究中較為理想的實驗平臺[5]。

2.5 產(chǎn)學研一體化

在智能控制基礎(chǔ)課程教育方面，理論上要深入淺出，老師要起到拋磚引玉的作用，不僅要培養(yǎng)學生自學的能力，還要著重培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新、研發(fā)的能力，努力培養(yǎng)更多專業(yè)化的職業(yè)人才，適應(yīng)經(jīng)濟全球化一體化的發(fā)展需要。為了使學生更深透的理解學科的重要性，培養(yǎng)滿足多樣化社會的要求，學院聯(lián)合當?shù)仄髽I(yè)，開展產(chǎn)學聯(lián)合的教育培養(yǎng)模式，建立長期合作單位，培養(yǎng)操作型技術(shù)人才。要鼓勵學生參加大學生“挑戰(zhàn)杯”，“電子設(shè)計大賽”等項目，讓他們更深入的了解設(shè)計的理念與方法，將先進智能控制算法應(yīng)用到新產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計中;通過學生參與競賽，將實際操作和講義內(nèi)容有機地結(jié)合，使學生同時擁有專業(yè)知識和精湛技術(shù)，從而培養(yǎng)出實際操作能力強的技術(shù)型人才。參賽不僅可以提高學生的專業(yè)知識，提升學生的動手能力，而且可以很好的培養(yǎng)學生的團隊精神，增加學生的團隊合作精神。同時，培養(yǎng)服務(wù)創(chuàng)新人才，培養(yǎng)同時具備商務(wù)知識、IT技能、人際關(guān)系知識，在服務(wù)行業(yè)有較高專業(yè)水平的創(chuàng)新型人才。使理論知識與實際操作有效結(jié)合。同時，還需注重創(chuàng)新能力和實際操作能力，這種產(chǎn)學研一體化的培養(yǎng)模式，使產(chǎn)業(yè)界、高校和科研院所組成的科研聯(lián)合體。這種一體化的模式體現(xiàn)了強強聯(lián)合的優(yōu)勢。做到資源的有效合理配置，學生把所學知識和企業(yè)實際應(yīng)用相結(jié)合，專業(yè)知識在指導實踐的同時，又在實踐中不斷檢驗，真正做到理論和實踐的相結(jié)合[6-10]。

2.6 考核方式的改革

智能控制基礎(chǔ)是控制領(lǐng)域發(fā)展的最高階段，包含內(nèi)容較多，且每種方法和不同方法之間可以靈活融合與改進，如果仍是以傳統(tǒng)的通過2個小時的卷面考查來判斷學生的掌握情況，大多數(shù)學生會為了拿高分知識死記硬背算法、公式，降低了學生的創(chuàng)新積極性。因此，對這樣的考核方式進行改革，

針對平時考核，取消傳統(tǒng)的課后作業(yè)，給每個學習小組布置一個大作業(yè)，讓學生自行分配任務(wù)，在完成作業(yè)的同時，也培養(yǎng)了學生團結(jié)合作的精神。

期末的考核以小論文的方式，在學完智能控制算法以后，讓學生充分利用學校圖書館資源，搜集相關(guān)資料，總結(jié)智能控制方面的相關(guān)發(fā)展，以小論文的形式上交。通過這樣的考核方式，可以培養(yǎng)學生查閱文獻的能力，同時也讓同學了解做科研的過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。