在智能控制課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

樊淵

摘要： 在智能控制課程教學(xué)中應(yīng)優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的新穎性和實(shí)用性，并突出現(xiàn)代化教學(xué)手段的運(yùn)用。通過(guò)物理系統(tǒng)和仿真平臺(tái)相結(jié)合開展課程實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)小型項(xiàng)目設(shè)計(jì)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，使該課程在一定程度上承擔(dān)起培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的作用。

關(guān)鍵詞： 智能控制教學(xué)方法教學(xué)改革

1.引言

智能控制是自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。該課程作為自動(dòng)控制原理的后續(xù)課程原先只在研究生階段才開設(shè)。近年來(lái)，很多高等院校已經(jīng)開始在本科高年級(jí)開設(shè)，并開展了多年的教學(xué)實(shí)踐。本科階段該課程通常需要學(xué)生掌握智能控制的基本概念和基本方法，包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法的基本原理及相應(yīng)的控制器設(shè)計(jì)方法。然而，由于該課程內(nèi)容較為抽象、學(xué)科交叉性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)難度較深等原因，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中通常存在興趣不足、難以理解等問(wèn)題，課程學(xué)完以后無(wú)論知識(shí)層次還是個(gè)人能力等方面都未能得到應(yīng)有的提升。因此，如何在教學(xué)改革中提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，幫助學(xué)生提升專業(yè)知識(shí)和能力是非常重要的。近幾年，我結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)該課程的特點(diǎn)提出了以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為核心的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的優(yōu)化方式及具體的綜合能力培養(yǎng)方法，并取得了較好的成效。

2.教學(xué)目標(biāo)和課程內(nèi)容的優(yōu)化

智能控制課程的內(nèi)容十分豐富。該課程通常在先修自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)控制等自動(dòng)化專業(yè)基本課程的基礎(chǔ)上，作為專業(yè)選修課或本碩貫通課程來(lái)修習(xí)。從課程的性質(zhì)來(lái)講，該課程屬于偏理論的專業(yè)課程，其多學(xué)科交叉性質(zhì)明顯，涉及內(nèi)容廣泛，主要涵蓋了專家控制系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)與模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和其他優(yōu)化算法等多門相關(guān)學(xué)科理論[1]。由于課程內(nèi)容在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上有較高要求，使得課程的具體知識(shí)點(diǎn)比較抽象，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等章節(jié)涉及的理論性都比較強(qiáng)，尤其是模糊數(shù)學(xué)與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)原理等部分較為枯燥難懂。為了在課程教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，該課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化顯得尤為重要。

2.1通過(guò)分析學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和專業(yè)特點(diǎn)優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)

作為自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的選修課程，智能控制教學(xué)通常在大四第一學(xué)期開展。此前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了微積分、矩陣分析和復(fù)變函數(shù)等課程，對(duì)專業(yè)課程中需要的基本數(shù)學(xué)知識(shí)已較為熟悉。同時(shí)，控制類相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程如自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)、現(xiàn)代控制理論等課程也已完成學(xué)習(xí)，這使得學(xué)生在自動(dòng)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)方面有了一定的積累，初步建立起了系統(tǒng)、穩(wěn)定性、采樣、反饋等概念，并一定程度上掌握了系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性判別、控制律設(shè)計(jì)等方法。在大四開設(shè)智能控制課程，能夠使學(xué)生了解本專業(yè)的前沿知識(shí)、應(yīng)用背景和領(lǐng)域、發(fā)展前景等。同時(shí)，由于本科高年級(jí)學(xué)生通常面臨就業(yè)和繼續(xù)深造等多種選擇，在教學(xué)中不單要注重知識(shí)的灌輸，更要適時(shí)進(jìn)行行業(yè)技能和科研素養(yǎng)的引導(dǎo)，使學(xué)生能夠保持學(xué)習(xí)的熱情和對(duì)科學(xué)研究的興趣，為學(xué)生選擇適合自己發(fā)展的崗位和科研領(lǐng)域打下一定的基礎(chǔ)。因此，本課程的教學(xué)目標(biāo)可以總結(jié)為三點(diǎn)，即積累知識(shí)、培養(yǎng)興趣、鍛煉能力。結(jié)合智能控制課程本身的特點(diǎn)和綜合能力培養(yǎng)的目的，具體來(lái)說(shuō)該課程的教學(xué)目標(biāo)為：（1）使學(xué)生學(xué)習(xí)智能控制的基本知識(shí)，掌握智能控制分支及其特點(diǎn)，包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等，并通過(guò)認(rèn)識(shí)其在控制科學(xué)與工程中的地位和作用進(jìn)一步了解自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展前沿，培養(yǎng)學(xué)習(xí)自動(dòng)化領(lǐng)域知識(shí)的熱情和興趣；（2）使學(xué)生初步掌握運(yùn)用智能控制知識(shí)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法，能夠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的智能控制系統(tǒng)，并據(jù)此培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力；（3）使學(xué)生綜合已學(xué)的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制等課程的相關(guān)知識(shí)，理解學(xué)科交叉的一般規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，培養(yǎng)分析、解決問(wèn)題的能力和動(dòng)手能力，建立正確的科研觀念和方法，促進(jìn)素質(zhì)的全面提升。

2.2通過(guò)突出應(yīng)用背景優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

學(xué)生在學(xué)習(xí)智能控制的過(guò)程中，往往認(rèn)為課本內(nèi)容過(guò)于抽象，無(wú)法同實(shí)際工程問(wèn)題建立起聯(lián)系，這也是導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不足的一個(gè)重要原因。因此，教師在教學(xué)過(guò)程中必須注意灌輸所講授內(nèi)容的背景知識(shí)，以及如何運(yùn)用這些理論知識(shí)解釋實(shí)際現(xiàn)象，并通過(guò)實(shí)例展示所教授的內(nèi)容在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，以此引導(dǎo)學(xué)生對(duì)未知領(lǐng)域的理解。例如在講授模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯知識(shí)時(shí)，注意解釋其表象上的含義，并利用大量生活中對(duì)應(yīng)的實(shí)例說(shuō)明模糊化語(yǔ)言和推理邏輯在描述事物性質(zhì)和演化原理方面的優(yōu)勢(shì)；在講授神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)，對(duì)于每種類型網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生原因、適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)等作詳細(xì)說(shuō)明，并通過(guò)舉例體現(xiàn)其在社會(huì)、金融、生物、化學(xué)、工程等多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，等等。此外，由于該課程的落腳點(diǎn)是控制科學(xué)，通過(guò)引入一個(gè)實(shí)際控制對(duì)象貫穿不同的教學(xué)內(nèi)容取得了較好的教學(xué)效果。智能控制方法的引入大多是由于控制對(duì)象的非線性強(qiáng)、耦合度高、干擾復(fù)雜，難以建立精確的解析模型，而倒立擺作為一種不穩(wěn)定的非線性、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，可以作為典型的控制對(duì)象來(lái)講解[2]。這一教學(xué)方式具體表現(xiàn)為：首先根據(jù)算法需要，采用機(jī)理或非機(jī)理方法建立倒立擺適用于不同控制算法需求的非線性模型；其次根據(jù)控制算法的設(shè)計(jì)過(guò)程構(gòu)建符合模型特點(diǎn)的控制律；再次通過(guò)仿真驗(yàn)證算法的有效性并查看其控制效果；最后在實(shí)體倒立擺對(duì)象上應(yīng)用所設(shè)計(jì)的控制律，根據(jù)結(jié)果判斷其控制品質(zhì)并提出改進(jìn)建議。由于倒立擺的控制技巧富于趣味性，利用它作為智能控制算法的應(yīng)用對(duì)象，很適合學(xué)生驗(yàn)證所學(xué)的控制理論和算法，有利于加深對(duì)所學(xué)課程的理解和掌握。同時(shí)，通過(guò)對(duì)不同控制算法的效果進(jìn)行比較，有助于學(xué)生深入理解各種不同控制方法的適用范圍、使用方式和優(yōu)缺點(diǎn)。這些突出應(yīng)用背景知識(shí)，循環(huán)漸進(jìn)的教學(xué)過(guò)程，達(dá)到了理論聯(lián)系實(shí)際的目的。

3.教學(xué)方法改進(jìn)和學(xué)生綜合能力培養(yǎng)

從專業(yè)特點(diǎn)來(lái)看，自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是造就一批高素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人才。學(xué)生在完成專業(yè)基礎(chǔ)課程后，智能控制課程的開設(shè)應(yīng)使學(xué)生了解本專業(yè)的前沿知識(shí)、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，突出知識(shí)的應(yīng)用性和專業(yè)性，為學(xué)生就業(yè)和繼續(xù)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從這個(gè)意義上來(lái)看，教學(xué)中不僅僅要求學(xué)生掌握智能控制的理論知識(shí)，更重要的是如何通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和專業(yè)素養(yǎng)。這就要求教師根據(jù)課程特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，采用更加生動(dòng)、明了、有新意的教學(xué)方法吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性，達(dá)到提高學(xué)生綜合能力的目的。

3.1通過(guò)生動(dòng)的教學(xué)內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力

在教學(xué)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，高年級(jí)學(xué)生選修智能控制課程的主要目的在于了解新穎實(shí)用的智能控制算法，而對(duì)于理論推導(dǎo)和技術(shù)細(xì)節(jié)并不特別關(guān)心。因此，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注意多種手段結(jié)合，將智能控制的應(yīng)用性通過(guò)合適的方式生動(dòng)展現(xiàn)，達(dá)到活躍學(xué)生思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。隨著多媒體技術(shù)在輔助教學(xué)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，各種多媒體教學(xué)軟件得到了長(zhǎng)足發(fā)展。多媒體教室通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，可以展現(xiàn)種類繁多、圖文并茂的教學(xué)內(nèi)容，使教師能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行交互式教學(xué)，克服了教師課堂教學(xué)條件的局限性。教師可以邊操作邊講解，通過(guò)展示大量背景和實(shí)例達(dá)到更好的教學(xué)效果。我們通過(guò)合理組織和構(gòu)思，利用PowerPoint制作了展示智能控制背景知識(shí)、應(yīng)用范圍、實(shí)際效果等多方面內(nèi)容的文檔。在教學(xué)中我們將倒立擺作為典型控制對(duì)象，利用動(dòng)畫制作工具將智能控制算法的設(shè)計(jì)、實(shí)施、效果等各方面內(nèi)容進(jìn)行生動(dòng)展示，不但提高了教學(xué)效率，還大大增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了他們主動(dòng)思考的積極性。這些努力對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力有了很大的幫助。

3.2利用科學(xué)計(jì)算軟件培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力

MATLAB軟件及其工具箱是當(dāng)前公認(rèn)的高性能數(shù)值運(yùn)算工具。目前國(guó)外很多工科教材中都結(jié)合了MATLAB語(yǔ)言[3]。利用該仿真軟件，能夠使抽象、復(fù)雜的內(nèi)容變得直觀、易懂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。借助于MATLAB平臺(tái)，對(duì)智能控制中難以解析設(shè)計(jì)的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可視化分析與設(shè)計(jì)，有助于學(xué)生理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。由于學(xué)生在前期基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中已經(jīng)掌握了一定的MATLAB預(yù)備知識(shí)，在課堂教學(xué)中出現(xiàn)計(jì)算方面的問(wèn)題均可采用MATLAB求解。另外，在每章理論知識(shí)講授完畢后，我們都花費(fèi)課時(shí)演示如何用MATLAB對(duì)相應(yīng)的模型和算法進(jìn)行控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。例如在教學(xué)過(guò)程中，利用旋轉(zhuǎn)倒立擺模型，采用智能控制的各種算法對(duì)其進(jìn)行控制，并通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真，使學(xué)生能夠直觀地看到智能控制的效果。這些做法大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的綜合能力。此外，在過(guò)去的教學(xué)中對(duì)學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)主要依靠完成課后習(xí)題，而我們?cè)诮虒W(xué)中借助MATLAB工具，給學(xué)生布置操作性習(xí)題，有助于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用科學(xué)計(jì)算工具解決問(wèn)題的能力。總之，采用科學(xué)計(jì)算軟件的輔助教學(xué)法能大大提高學(xué)生的綜合分析能力，其教學(xué)方法還在進(jìn)一步實(shí)踐中。

3.3開展課程實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力

鑒于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求，實(shí)驗(yàn)在自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)過(guò)程中一直占有極其重要的地位。倒立擺的智能控制實(shí)驗(yàn)是教學(xué)重點(diǎn)之一，可以開展一系列復(fù)雜的控制器設(shè)計(jì)和算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于硬件實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的成本高，不易擴(kuò)展，難以更新?lián)Q代等原因，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中還建立了倒立擺系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)建立軟件化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，利用仿真平臺(tái)還可以對(duì)工廠生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)工作環(huán)境等難以進(jìn)行實(shí)際操作的昂貴、復(fù)雜控制過(guò)程進(jìn)行智能控制實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以充分發(fā)揮自己的想象力，發(fā)現(xiàn)實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)個(gè)性化的方案，并利用計(jì)算機(jī)環(huán)境完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取和比較、實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫和討論等各環(huán)節(jié)。此外，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)也提供了方便的渠道進(jìn)行相關(guān)資料的查詢，等等。這些教學(xué)方式為培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力提供了有效途徑，有利于降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)與管理成本。軟件化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立為教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革提供了很好的思路，為鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力提供了有效途徑。

3.4通過(guò)結(jié)課項(xiàng)目設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生良好的科研素養(yǎng)

高年級(jí)本科生面臨著畢業(yè)后直接就業(yè)或繼續(xù)求學(xué)深造的選擇。因此，培養(yǎng)一批后備科研力量成為高年級(jí)本科教學(xué)的一項(xiàng)重要目標(biāo)，這就需要教師在教學(xué)過(guò)程中注重科研引導(dǎo)，使學(xué)生具有良好的科研素養(yǎng)。智能控制是自動(dòng)化領(lǐng)域非常活躍的研究課題，其中很多理論和應(yīng)用問(wèn)題都是當(dāng)前國(guó)際熱門的研究方向。因此，該課程更容易激發(fā)學(xué)生的研究興趣，使他們通過(guò)課程學(xué)習(xí)找準(zhǔn)研究方向，為未來(lái)的科研工作打下基礎(chǔ)。為此我們擯棄了傳統(tǒng)的以考試的方式評(píng)定成績(jī)的做法，轉(zhuǎn)而采用小型研究項(xiàng)目的形式作為結(jié)課時(shí)的考核方式。研究項(xiàng)目采用開放的方式，劃定與智能控制相關(guān)的主題，但不限制具體研究?jī)?nèi)容。同時(shí)研究可以個(gè)人為單位進(jìn)行，也可以小組方式進(jìn)行，每組不超過(guò)5人。在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，首先讓學(xué)生理解每種智能控制算法的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，再針對(duì)具體研究問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生搜集相關(guān)資料，并以此為基礎(chǔ)分析問(wèn)題的可解途徑，提出解決方案進(jìn)行論證；接著在可行性分析基礎(chǔ)上給出方案的具體實(shí)施過(guò)程和步驟，得出結(jié)果并分析存在的問(wèn)題，提出進(jìn)一步的解決方案；最后總結(jié)整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，梳理思路，完成項(xiàng)目報(bào)告并提交。通過(guò)結(jié)課項(xiàng)目設(shè)計(jì)，能夠啟發(fā)學(xué)生思考和探索未知領(lǐng)域，初步理解和掌握科研工作的一般規(guī)律和途徑，學(xué)習(xí)文獻(xiàn)調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、問(wèn)題分析和解決的各種方法，達(dá)到初步培養(yǎng)科研素養(yǎng)的目標(biāo)。這些研究項(xiàng)目也為學(xué)生順利完成本科畢業(yè)論文和開展研究生階段的課題研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

4.結(jié)語(yǔ)

智能控制作為高年級(jí)本科生的專業(yè)選修課，可以在一定程度上承擔(dān)起培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的任務(wù)。這需要教師首先從教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行改革，教學(xué)中注重內(nèi)容的新穎性、實(shí)用性和介紹性。其次，為充分發(fā)揮該課程的能力培養(yǎng)作用，教師需要利用多媒體和科學(xué)計(jì)算軟件相結(jié)合激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合分析能力。此外，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)用和結(jié)課小型項(xiàng)目的引入為學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉和科研素養(yǎng)的提高起到了顯著的作用。

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