工程教育理念下的智能控制課程教學(xué)策略探討

摘要：在工程教育理念下，為貫徹落實(shí)國家卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，提高“智能控制”課程的教學(xué)質(zhì)量，在回顧智能控制發(fā)展歷程和理論體系的基礎(chǔ)上，以安徽工程大學(xué)智能控制課程建設(shè)為例，對理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)以及考核方式等方面的一些做法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：智能控制；教學(xué)策略；卓越工程師；模糊控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0029-02

智能控制作為自動化類專業(yè)的一門專業(yè)課程，要求學(xué)生了解控制學(xué)科發(fā)展的方向和前沿，熟悉智能控制的主要理論分支、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及發(fā)展趨勢等，掌握基本智能控制方法的結(jié)構(gòu)和算法，為未來實(shí)際工程應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。當(dāng)前，在國內(nèi)外備受關(guān)注的CDIO模式即把“構(gòu)思（Conceive）—設(shè)計(jì)（Design）—執(zhí)行（Implement）—運(yùn)作（Operate）”作為工程教育的環(huán)境背景，按照產(chǎn)品生命周期構(gòu)建課程體系，以課堂和項(xiàng)目相結(jié)合的方式進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到預(yù)想的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

考慮到安徽工程大學(xué)（以下簡稱“我校”）自動化專業(yè)被確定為教育部“卓越計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)，如何通過智能控制課程教學(xué)改革來提高教學(xué)質(zhì)量，充分借鑒CDIO先進(jìn)的教育理念，推行卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，提高大學(xué)生的創(chuàng)新技能、實(shí)踐技能，協(xié)調(diào)課程體系對培養(yǎng)目標(biāo)支撐力不強(qiáng)以及與我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和結(jié)構(gòu)的調(diào)整不相適應(yīng)的矛盾，創(chuàng)建適應(yīng)新形式發(fā)展需要的課程教學(xué)體系，同時(shí)促進(jìn)我國智能控制學(xué)科發(fā)展，是我校授課老師所面臨和亟待解決的問題。

一、智能控制課程分析

1.智能控制發(fā)展歷程

智能控制是一種新型自動控制技術(shù)，代表了自動控制的最新發(fā)展階段。[1]20世紀(jì)90年代中期之后，智能控制日益成熟，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全球智能控制市場規(guī)模接近6800億美元，而我國智能控制行業(yè)規(guī)模也已經(jīng)達(dá)到4200億元。

智能控制思潮第一次出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代由Leonaes等人首次正式提出，[2]到了1987年，IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會和計(jì)算機(jī)學(xué)會在美國費(fèi)城聯(lián)合召開了智能控制國際學(xué)術(shù)討論會，智能控制正式作為一門新學(xué)科，登上歷史舞臺，而“智能控制”課程是在智能控制學(xué)科建立之后開設(shè)的。

國內(nèi)首部“智能控制”教材，是在1990年由中南大學(xué)蔡自興教授編寫電子工業(yè)出版社出版，蔡教授把遞階控制、專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制、學(xué)習(xí)控制作為智能控制課程的初步框架和主要研究分支。[1]隨后，王耀南、李士勇、李人厚、孫增圻等專家也編寫了智能控制相關(guān)教材。這些教材出版對我國智能控制課程教學(xué)發(fā)揮了積極的作用，為智能控制學(xué)科建設(shè)和人材培養(yǎng)做出突出貢獻(xiàn)。[3]

近年來，國內(nèi)學(xué)者對智能控制的研究十分活躍，舉行各種與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)討論會，如全球智能控制與自動化大會（World Congress on Intelligent Control and Automation，WCICA）、中國智能自動化會議（Chinese Intelligent Automation Conference，CIAC）、中國控制會議（Chinese Control Conference，CCC）、中國控制與決策會議（Chinese Control and Decision Conference，CCDC）等，這標(biāo)志我國智能控制作為獨(dú)立學(xué)科已正形成。[2]

2.智能控制理論體系

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制理論和技術(shù)得到不斷的發(fā)展和完善，受到越來越多科研工作者的關(guān)注。常規(guī)的智能控制方法主要包括：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、分級遞階控制、專家系統(tǒng)控制以及其他仿人智能控制等。[3，4]

（1）模糊控制：將人類專家對特定對象的控制經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模糊集理論進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為可數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)的控制器，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制，其主要包括輸入模糊化、模糊規(guī)則庫、模糊推理以及輸出逆模糊化四個(gè)部分。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：是人工智能、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、非線性動力學(xué)等學(xué)科的交叉熱點(diǎn)，它利用大量的人工神經(jīng)元按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連，構(gòu)建具有仿人控制的功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然不善于顯式表達(dá)知識，但具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力，能夠任意逼近復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，對高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制方面具有良好效果。

（3）分級遞階控制：是從工程控制論的角度總結(jié)人工智能與自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織的關(guān)系之后逐漸形成的，主要由組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級構(gòu)成。其中組織級起主導(dǎo)作用，涉及知識的表示與處理，主要應(yīng)用人工智能；協(xié)調(diào)級在組織級和執(zhí)行級間起連接作用，涉及決策方式及其表示，采用人工智能及運(yùn)籌學(xué)實(shí)現(xiàn)控制；執(zhí)行級是底層，具有很高的控制精度，采用常規(guī)自動控制。

（4）專家系統(tǒng)控制：是指具有模糊專家智能的功能，采用專家系統(tǒng)技術(shù)與控制理論相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)的控制策略，它是人工智能應(yīng)用領(lǐng)域最成功的分支之一，由知識庫、推理機(jī)、解釋機(jī)制、知識獲取系統(tǒng)以及綜合數(shù)據(jù)庫五個(gè)部分組成。在工業(yè)過程控制中主要呈現(xiàn)直接專家控制和間接專家控制兩種形式。

二、智能控制課程教學(xué)改革

1.理論教學(xué)

UNESCO在2010年的工程學(xué)報(bào)告中指出，工程是人類面臨的最大挑戰(zhàn)和機(jī)遇，為了滿足卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃要求，我校重新修訂課程教學(xué)大綱，調(diào)整了各知識點(diǎn)的學(xué)時(shí)分配，擴(kuò)大了知識面的覆蓋范圍，并提高了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所占學(xué)時(shí)比例，注重實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置。在課程建設(shè)考慮理論與實(shí)踐的均衡，避免理論與實(shí)踐用脫節(jié)，教材選用為王耀南主編、機(jī)械工業(yè)出版社出版的《智能控制理論及應(yīng)用》，[5]總共設(shè)計(jì)30個(gè)學(xué)時(shí)，具體如圖1所示。概述部分為2個(gè)學(xué)時(shí)，主要講解智能控制理論的歷史背景、研究現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢；模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是本課程主要講解部分，分別安排9個(gè)學(xué)時(shí)；分級遞階控制與專家系統(tǒng)控制部分要求學(xué)生以了解為主，因此分別安排4個(gè)學(xué)時(shí)；最后，剩余2個(gè)學(xué)時(shí)講解當(dāng)前最新的一些智能控制方法，目的為擴(kuò)展學(xué)生的視野。

考慮到“智能控制”課程涉及的知識面較為廣泛，因此，在教學(xué)過程中，教師主要擔(dān)負(fù)組織者、引導(dǎo)者的職責(zé)，課堂上注重采用啟發(fā)式的教學(xué)模式，并增加案例講解，讓學(xué)生明確課程教學(xué)服務(wù)于國家戰(zhàn)略需要和行業(yè)需要，如：液浮陀螺儀溫控系統(tǒng)的模糊控制策略設(shè)計(jì)、單級倒立擺系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。鼓勵學(xué)生自由探討，實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的互動，提高學(xué)生的認(rèn)知能力。

2.實(shí)踐教學(xué)

本課程專業(yè)性很強(qiáng)，學(xué)生缺少對智能控制方法的感性認(rèn)識，且受學(xué)時(shí)數(shù)的限制，因此鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，充分利用課余時(shí)間。[6]每次課后，有針對性地預(yù)留課外作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)，這有利于老師教學(xué)內(nèi)容的精練講解，學(xué)生對智能控制的熟悉掌握，引導(dǎo)學(xué)生注重工程能力和自主學(xué)習(xí)能力的提高。

另外，在“智能控制”教學(xué)計(jì)劃中，安排6個(gè)學(xué)時(shí)作為實(shí)驗(yàn)課，讓學(xué)生獨(dú)自設(shè)計(jì)相關(guān)智能控制器，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力，增加對模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的熟練程度。實(shí)驗(yàn)采用先講解、后實(shí)驗(yàn)、再總結(jié)的方式進(jìn)行。為了保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，每20位學(xué)生安排1名指導(dǎo)教師。實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)之前完成預(yù)習(xí)報(bào)告；實(shí)驗(yàn)中學(xué)生每人一臺機(jī)，獨(dú)立記錄實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師全程答疑輔導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)后學(xué)生及時(shí)上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，其內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)名稱、內(nèi)容、方法、步驟、結(jié)果及個(gè)人心得、體會。

3.教學(xué)手段

為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，授課借助先進(jìn)的教學(xué)軟件。在相關(guān)理論知識點(diǎn)展開前，可通過實(shí)例模擬讓學(xué)生初步了解相關(guān)方法，再切換到理論知識的講解，以幫助學(xué)生做到思維的自然過渡。

課堂還采用多媒體教學(xué)，以提高學(xué)生獲取信息的效率。多媒體課件制作過程中，力求圖文并茂，能吸引學(xué)生的注意力，這有利于實(shí)現(xiàn)情景式的教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，變被動教育為主動教育，使學(xué)生加深對知識的理解。[7，8]

4.考核方式

本課程理論性較強(qiáng)，為避免“一張?jiān)嚲矶ㄇぁ睅淼谋锥耍n程成績采用多元化考核制度，主要包括：平時(shí)成績（30%）、實(shí)驗(yàn)成績（30%）和期末考試成績（40%）。

三、結(jié)束語

綜上所述，我國的智能控制教育已取得了可喜成績，我校在研究專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和現(xiàn)有教學(xué)資源基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)相關(guān)高校成功教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并不斷完善智能控制學(xué)科教學(xué)的方法、手段、策略，研究制訂新的大綱，開發(fā)設(shè)計(jì)多媒體課件，與時(shí)俱進(jìn)，緊密圍繞“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的重點(diǎn)和目標(biāo)，為培養(yǎng)敢創(chuàng)新、會創(chuàng)造的高質(zhì)量人才不斷努力。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王意琴）