應用型本科院校智能控制課程教學改革探索

胡楊 劉娣 錢奎

摘 ?要 針對當前人工智能專業(yè)教育的要求和應用型本科人才培養(yǎng)的需求，探討南京工程學院智能控制課程在教學內(nèi)容和教學方法上存在的問題，針對這些問題，提出一系列教學改革措施。依照此措施對教學內(nèi)容和教學方法進行改革，增強學生學習的目的性，激發(fā)學生的興趣，在教學實踐中取得很好的效果。

關(guān)鍵詞 人工智能;智能控制;應用型本科;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）18-0089-03

Teaching Reform of Intelligent Control Courses in Applied Under-

graduate Colleges//HU Yang， LIU Di， QIAN Kui

Abstract In view of current requirement of talents cultivation in current artificial intelligence major and applied undergraduate， this

paper discusses the problems existed in the teaching content and me-

thod of intelligent control courses of Nanjing Institute of Technology.

To deal with these problems， this paper proposes a series of teaching reform measures. After reforming this course following these mea-

sures， the learning purpose of students is enhanced， students learning

interest is stimulated， and good results are achieved in teaching prac-

tices.

Key words artificial intelligence; intelligent control; applied under-graduate; teaching reform

1 前言

近年來，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能在提高生產(chǎn)效率、推進經(jīng)濟發(fā)展上表現(xiàn)出巨大潛力。為抓住人工智能發(fā)展的機遇，構(gòu)筑我國在人工智能發(fā)展上的優(yōu)勢，國務院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出人工智能將是我國經(jīng)濟未來發(fā)展的新引擎，將主導我國未來的產(chǎn)業(yè)變革。人才是人工智能技術(shù)形成經(jīng)濟推動力的關(guān)鍵，隨著人工智能技術(shù)向各行業(yè)輻射，各行業(yè)形成巨大人工智能人才缺口。2018年，我國各行業(yè)的人工智能人才需求量已出現(xiàn)超過500萬的缺口，相比于2017年，人工智能人才的需求成倍增長。目前人工智能技術(shù)還在蓬勃發(fā)展時期，按此趨勢，未來人工智能人才的需求將至少是千萬級別。

為了應對未來各行業(yè)對人工智能人才的需求，各大高校相繼在各專業(yè)開設(shè)人工智能相關(guān)課程，更新各專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，為傳統(tǒng)專業(yè)注入符合時代發(fā)展的新內(nèi)容，培養(yǎng)社會需要的人才。智能控制課程作為人工智能與控制技術(shù)相結(jié)合的一門基礎(chǔ)課程，在自動化專業(yè)的研究生階段和本科階段均有開設(shè)。本科階段的智能控制課程承擔了智能控制思想及原理的傳遞、多種智能控制算法理論的介紹、智能控制應用能力的培養(yǎng)等多方面的任務，具有內(nèi)容繁多、理論復雜、體系性差、應用性弱等特點，在教學中存在很大的難度，學生學習的效果較差[1-3]。尤其在應用型本科高校，智能控制課程由于理論性過強，缺乏實踐環(huán)節(jié)，采用傳統(tǒng)教學方法，教學效果較差，無法達到應用型人才培養(yǎng)目標的要求[4-5]。因此，如何對智能控制課程的教學內(nèi)容和教學方法進行改革，是應用型高校亟待解決的問題。

2 智能控制課程教學中存在的問題

教學內(nèi)容多且雜，缺乏系統(tǒng)性 ?智能控制課程的內(nèi)容主要涵蓋模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和智能優(yōu)化算法三個部分，每部分內(nèi)容均可以延伸為一整門課程，課程內(nèi)容相當豐富。但由于課時的限制，要在有限的時間內(nèi)完整地介紹每類智能控制的內(nèi)容，在教學內(nèi)容安排上十分困難，容易導致教學內(nèi)容雜亂拼湊，缺乏邏輯性，增加學生理解的難度，造成教學質(zhì)量的急劇下降。更為嚴重的是，課程的三個部分缺乏內(nèi)在聯(lián)系，導致課程缺乏內(nèi)在的系統(tǒng)性，不僅增加了教學難度，而且學生學習和記憶的效果很差。在實際的教學中發(fā)現(xiàn)，在學習完第三部分內(nèi)容后，學生已經(jīng)基本遺忘前兩部分所學的內(nèi)容。

課程理論性強，理論難度較大，學生難以掌握 ?智能控制課程理論性強，課程的主體內(nèi)容涉及大量的公式推導，且推導過程繁復，消耗大量的時間，學生在學習過程中難以長時間集中注意力，難以掌握相關(guān)內(nèi)容，教學效果較差。課程中模糊邏輯運算以及神經(jīng)網(wǎng)絡BP學習算法的推導需要消耗一個課時，長時間的理論推導導致學習效果較差。在教學實踐中通過課后考核發(fā)現(xiàn)，大部分學生完全沒有掌握。此外，作為目前控制領(lǐng)域的前沿技術(shù)，智能控制技術(shù)的理論相比于經(jīng)典控制理論難度更大，每種智能控制算法都有不同的理論框架，這給學生理解增加了難度，最終導致教學效果不理想。

教學手段單一，缺乏實踐教學環(huán)節(jié) ?目前，智能控制課程采用的教學手段主要是以多媒體結(jié)合板書的課堂教學方式，有利于集中地、高密度地傳授理論知識。然而由于純粹的理論講解不利于學生對知識的深入理解以及融會貫通，導致學生出現(xiàn)“知其然而不知其所以然”的情況。智能控制技術(shù)本身是一種在各大產(chǎn)業(yè)廣泛應用的先進控制技術(shù)，具有很強的應用背景，純粹的理論講解不利于學生對技術(shù)本身的理解，且違背應用型本科教育的目標。然而，由于課時的限制，在原本的教學計劃中插入實踐教學環(huán)節(jié)會極大擠壓理論教學課時，導致教學內(nèi)容不能完成。因此，迫切需要對當前的教學內(nèi)容和教學計劃進行全面改革。

課程內(nèi)容體系特殊，學生難以形成知識體系 ?在自動化專業(yè)控制類專業(yè)課程體系中，幾乎所有課程都按照被控對象數(shù)學模型、數(shù)學模型分析方法、數(shù)學模型控制設(shè)計方法這一體系構(gòu)建，課程內(nèi)容體系邏輯性清晰，目標明確，屬于應用驅(qū)動的課程內(nèi)容體系，學生容易理解，并與前置課程構(gòu)建聯(lián)系，在已構(gòu)建的知識體系中確定課程位置。然而，智能控制課程從控制算法開始，而后在控制算法理論講解的基礎(chǔ)上用案例說明算法的使用。此種內(nèi)容體系屬于理論驅(qū)動的課程內(nèi)容體系，與控制類專業(yè)課程體系中其他課程存在極大差別。這就導致學生雖然能理解智能控制課程的內(nèi)容，但很難了解該課程與其他課程間的聯(lián)系，自然很難在已有知識體系中納入智能控制課程的內(nèi)容。

3 智能控制課程教學改革措施

針對以上智能控制課程教學中存在的多方面問題，提出“剪裁課程內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強化實踐環(huán)節(jié)，構(gòu)建知識體系”的教學改革措施，力圖通過這些措施，改革教學內(nèi)容和方法，提升智能控制課程的教學質(zhì)量。具體的改革措施包含以下四個方面。

圍繞課程目標，合理裁剪課程內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu) ?目前的智能控制教材包含的內(nèi)容豐富，對每種智能控制算法介紹十分全面。然而，針對應用型本科階段的智能控制課程有其自身特點，課程目標是掌握智能控制方法的原理及思想，對智能控制方法的理論并無太高要求。太過豐富的理論內(nèi)容往往使課程結(jié)構(gòu)變得繁雜，學生不易理清思路。因此，在教學改革中需要緊緊圍繞課程目標，突出原理及思想，保留智能控制方法的主干內(nèi)容，刪除過于繁雜的理論，并進一步根據(jù)課程的內(nèi)在邏輯將課程內(nèi)容進行加工，保證課程的完整性，使課程內(nèi)容清晰易學，進而形成適應于本科階段的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)。

以實際控制問題為牽引，串聯(lián)課程內(nèi)容，強化課程系統(tǒng)性 ?智能控制課程各章節(jié)間聯(lián)系性弱，是導致課程缺乏系統(tǒng)性的主要原因。在教學改革過程中，根據(jù)教研室現(xiàn)有教學資源，提出以倒立擺控制問題為牽引，分別在不同智能控制方法講解中落腳到倒立擺的控制問題上。一方面通過同一控制問題的求解來聯(lián)系不同控制方法，使學生形成記憶錨點，產(chǎn)生對課程整體的記憶;另一方面通過同一控制問題的不同求解方法，在不同智能控制方法間進行有機對比，強化學生對不同方法的理解。

理論與實踐相結(jié)合，提升教學效率 ?從原來的理論教學計劃中劃出四學時作為實踐教學環(huán)節(jié)。相應地，在不改變智能控制算法理論體系完整性的基礎(chǔ)上，對原來理論教學中較為復雜的理論和方法進行刪減。在實踐教學環(huán)節(jié)，與課程教學中重點講授的實際控制問題一致，安排倒立擺控制實驗，學生可以把課程中的各種控制方法用于倒立擺控制實踐中。通過結(jié)合本次實驗和課程上對倒立擺控制問題的講解，增強學生把理論知識用于工程實踐的能力，進一步強化學生對各種智能控制方法的理解，提升課程教學效率。

以實際問題為基點，縱向發(fā)散，促使學生構(gòu)建知識體系 ?智能控制課程的前置核心課程有自動控制原理和現(xiàn)代控制理論。為促使學生將智能控制課程內(nèi)容納入已有知識體系，在課程講授過程中以倒立擺控制問題為基點，進行縱向發(fā)散，聯(lián)系自動控制原理和現(xiàn)代控制理論中的控制方法，對比不同課程所涉及控制方法的設(shè)計思路，重點分析不同課程所涉及控制方法所解決問題的形式，劃定不同控制算法的能力范圍。在課程中控制算法講解完成后，以倒立擺控制問題為例，總結(jié)歸納各類控制方法使用方法、使用條件和性能限制，以此促使學生在控制類課程中找到智能控制算法所處的位置，幫助學生構(gòu)建控制類課程的統(tǒng)一知識體系，增強學生面對實際控制問題的實踐能力。

4 結(jié)語

本文探討了應用型本科教學中智能控制課程在教學內(nèi)容和教學方法上存在的諸多問題，根據(jù)實踐教學經(jīng)驗，提出“剪裁課程內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強化實踐環(huán)節(jié)，構(gòu)建知識體系”的教學改革措施，有效激發(fā)學生的興趣，增強學生對課程的理解，強化學生的實踐能力，在教學實踐中取得很好的效果。教學改革措施主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）提出圍繞應用型本科智能控制的課程目標，合理剪裁課程內(nèi)容，去除較難較深的理論部分，并進一步根據(jù)課程內(nèi)容邏輯，整理課程結(jié)構(gòu)，形成適應本科階段學生知識結(jié)構(gòu)的課程內(nèi)容，保證課程目標與課程內(nèi)容的高度一致，使學生學習思路更清晰，學習更有目的性，更容易達成本課程的目標。

2）以實際控制問題為牽引，串聯(lián)課程內(nèi)容，強化課程系統(tǒng)性，為學生在聯(lián)系性弱的各章節(jié)間構(gòu)建記憶錨點，使學生形成對課程的整體記憶。同時通過實際控制問題對比各章節(jié)的不同控制方法，進一步促進學生對不同智能控制方法的理解，強化解決實際控制問題的能力。

3）參照課程所講授的實際控制問題，增加實踐環(huán)節(jié)，促使學生把各類控制方法應用于實踐中，強化學生理論聯(lián)系實際的能力。同時通過再次強化不同控制方法的應用，促進學生對課程內(nèi)容的進一步理解。

4）以實際問題為基點，縱向發(fā)散，聯(lián)系控制類專業(yè)課程體系中的其他課程，通過縱向?qū)Ρ?，直觀地講解同一專業(yè)課程體系中不同課程間的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，促使學生找到智能控制課程在課程體系中的位置，幫助學生建立統(tǒng)一的控制類專業(yè)課程知識體系。

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