智能控制理論課程的教學分析與改革

劉成林

江南大學自動化研究所 江蘇無錫 214122

作者：劉成林，博士，副教授，研究方向為多自主體智能協調控制。

近30年來，智能控制引起眾多控制界學者的關注，現已發展成為控制理論中的一門新興學科[1]。由于智能控制在社會生產中所體現出的巨大研究價值和廣闊應用前景，智能控制基礎這門原先只在研究生階段才開設的課程，現在已經出現在眾多高校自動化相關專業的高年級本科生的教學計劃中，從而本科智能控制課程教學也引起越來越多的重視。本文根據筆者在本科智能控制基礎課程中的教學實踐，對該門課程的特點、難點和教學目的進行深入分析，介紹一些具體的解決辦法與途徑。

1 課程特點及教學目的

智能控制基礎是工科自動化相關專業的重要選修課程之一，其目的是使學生在學習自動控制原理和現代控制理論等基礎理論課程之后，對控制理論前沿發展方向有所了解和學習。作為專業提升課程之一，智能控制基礎課程特點是：理論性偏強、過于抽象；內容豐富、涉及廣泛，包括模糊數學與模糊控制、人工神經網絡與神經網絡控制以及遺傳算法等前沿學科理論。

對于大學本科生而言，通過本課程的學習應該使學生能夠掌握：智能控制理論的基本概念，主要智能控制分支及其特點，如模糊控制理論基礎、神經網絡模型及控制、遺傳算法，以及智能控制系統設計的仿真工具、原理和實現方法[1]。

2 本科智能控制教學的特點及存在問題

目前，選修智能控制課程的主要是自動化相關專業。在完成自動控制原理、現代控制理論、微型計算機原理等基礎專業課程之后，開設智能控制基礎課程，使本科高年級學生了解本專業的先進理論、應用前景和發展方向。因此，教學過程中要注意內容的應用性、實踐性和專業性。

同時，為了使本科高年級學生在就業和考研等的選擇方面做出正確決斷，教師在教學過程中要適時進行科研指引，使學生保持對科學研究的興趣，選擇適合自己發展的就業崗位，并為繼續攻讀研究生的學生打下進一步深入研究的堅定基礎。

然而，在當前的本科生智能控制教學中，還普遍存在一些亟待解決的問題。

2.1 教材和教學內容的選擇不適當

目前，很少有針對自動化相關專業的本科生而專門編訂的智能控制教材，現有教材都是針對控制理論專業的碩士和博士研究生，其特點主要有：教材僅注重理論概念和公式推導，具體設計示例偏少；概念抽象，公式復雜，與本科選修課教學要求不符；智能控制分支之間聯系不夠緊密。在教學中，教師在課堂上按部就班地講述教材內容，而學生對教師所選教材很難理解，在預習和復習方面都存在困難，所以往往導致學生對智能控制知識的理解不夠牢固和深刻。

2.2 課堂氣氛沉悶

由于智能控制課程具有理論性強和內容抽象的特點，大部分教師把精力都放在講授理論知識、概念和公式推導上，并把完成教學內容作為教學目標，忽視對學生創新能力和實踐能力的培養，進而導致學生很難將智能控制應用于實際系統設計中。此外，很多教師都采用多媒體課件進行教學，課堂上一味地演示文稿，缺乏與學生的交流和互動，致使課堂氣氛沉悶、教學效果差。

2.3 教學脫離專業基礎知識

自動化相關專業學生對自動控制原理、現代控制理論、模擬電路、計算方法、概率等專業知識掌握比較牢固，理解比較深刻。許多教師在進行智能控制教學過程中，為了突出該課程的新穎性和獨特性，往往脫離學生所掌握的專業基礎知識，致使學生感覺完全在學習一門徹頭徹尾的新理論和新方法，掌握起來非常困難。

2.4 學生對仿真設計軟件陌生

在本科教學過程中，智能控制系統的設計主要基于仿真軟件（如Matlab軟件[2]、LabView軟件[3]等）來展示，學生通過仿真實驗來掌握智能控制方法，進而加深對智能控制理論的理解。然而，大多數本科生對這些仿真軟件都比較陌生，很難對智能控制進行仿真研究，所以無法完成教師所要求的實驗內容。

3 教學改革措施與途徑

由于課程的復雜性和理論性偏強、教學對象自身特點、教學過程中存在的問題，大學本科學生學習過程中重點存在難以理解、枯燥無味、興趣不足等問題。然而，智能控制理論與方法將在自動化相關專業的本科生培養計劃中占據越來越重要的位置，智能控制的教學改革已經受到越來越多高校教育工作者的關注，也提出相應的改善方法[4-10]。筆者結合自身在教學實踐中的實際情況，介紹一些具體的智能控制課程教學改革的解決措施和途徑。

3.1 簡化教學內容，注重理論思想，簡易示例演示

智能控制基礎作為自動化相關專業的專業提升課程，教材和教學內容的適當選擇對教學效果有至關重要的影響。智能控制課程具有前沿性、抽象性和理論性強等特點，相關內容極其廣泛。然而，作為一門本科生選修課，教師在教學內容的選取方面應該做到：注重控制思想的融會貫通，減少繁瑣公式的推導和采取簡易示例演示，從而提高學生的學習興趣。在實際教學中，可以采用一些具體的簡易示例來展示智能控制器的設計，如二階線性系統的控制器設計，使學生了解智能控制設計的思想內涵，如模糊控制PID控制器的設計思想為自適應調節控制參數，BP神經網絡的設計思想為逆向迭代算法，等等。

3.2 緊密聯系專業基礎知識和工程應用

智能控制基礎課程是在經典控制理論（自動控制原理）和現代控制理論等傳統控制理論基礎上加強和提升學生控制思想和方法，其更注重實踐應用。教師在教學過程中應該將智能控制緊密聯系專業基礎知識，不時將兩者進行對比、對照（模糊數學理論與概率論進行對比，神經元模型和控制系統框圖中的綜合點對照，遺傳算法與尋優計算方法對比等），從而加深學生對智能控制基本概念的理解。同時，為了鞏固學生對智能控制理論的理解和增強學生的學習興趣，教師應該更注重從工程應用角度來引出智能控制概念，并通過具體實例來說明智能控制如何應用，如模糊控制在家用電器中的應用，這樣更能激發學生的學習積極性。

3.3 綜合各種教學方法，活躍課堂氣氛

眾所周知，采用適當的教學方法和手段來活躍課堂氣氛也可以獲得比較好的教學效果。根據智能控制課程的特點，達到良好教學效果的前提是授課者要深刻理解教學內容、充分備課。同時，授課時要注重教學方法的改進，不能一味地演示文稿或抄寫板書，應綜合各種教學方法來活躍課堂氣氛和調動學生的學習積極性：課堂上提出適當問題激發學生思考、討論和回答，通過互動來活躍課堂氣氛；采用多媒體教學，不能局限于播放幻燈片，應該積極運用其他形式的多媒體，如動畫、音響和錄像，通過生動的教學內容來引起學生的關注和興趣；適當采用雙語教學，中文教學為主，英語教學為輔，使學生具有獨立學習國外先進理論知識的基礎，了解智能控制理論的發展動態[9-10]。

3.4 加強仿真軟件學習，重視實驗教學

對于工科院校的自動化相關專業，智能控制基礎課程除了要求學生了解理論知識外，還要求學生掌握智能控制系統的設計方法，為本科畢業設計和研究生學習打下良好基礎，所以智能控制教學必須配備相應的實驗教學。目前，智能控制的仿真實驗平臺有很多，應用相對比較廣泛的有Matlab和LabView仿真軟件[2,3]。運用Matlab和LabView軟件包含的智能控制工具箱和庫函數，如模糊控制工具箱，可以輕松設計智能控制器，并將其應用到系統控制中，使學生直觀感受智能控制的優越控制效果；同時，為了讓學生更深入了解智能控制算法的實質，鼓勵學生利用Matlab軟件的M語言和LabView軟件的G語言自行編寫智能控制算法程序，如BP神經網絡的程序編寫，進一步加深對理論的理解，激發學生創新性和主動性。

4 結束語

通過分析智能控制課程的特點和教學目的，并結合自身教學實踐，筆者指出本科教學中存在的問題，并提出具體的教學改革措施與途徑，實踐證明取得較好的教學效果。隨著本科智能控制理論課程的教學改革不斷進行，本科高年級學生對智能控制的學習興趣越來越濃，能較好地掌握智能控制的基本概念與設計方法，為學生進一步學習先進控制理論知識打下良好基礎。

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[2]孫祥,徐流美,吳清.Matlab 7.0基礎教程[M].北京:清華大學出版社,2005

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