面向創新能力培養的智能控制課程教學改革

周紅標

作者簡介：周紅標（1980-），男，漢，江蘇揚州人，碩士，講師，淮陰工學院自動化學院，研究方向：污水處理過程智能控制。

摘要：智能控制課程是自動化專業本科生新開設的一門專業課程，為了適應“雙創”新形勢下學生創新能力的培養，本文首先明晰了課程定位，并指出課程教學存在的問題。然后從基礎理論知識的夯實、研究熱點的追蹤、“人機交互”實踐教學模式的引入和“任務驅動”課程考核方式的開展四個方面闡述智能控制課程改革應采取的措施。最后結合自身教學實踐，表明了新教學方法不僅能夠調動學生學習積極性，而且有助于學生創新創業能力的培育。

關鍵詞：智能控制；創新能力；教學改革

中圖分類號：G642文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）10-0259-02

一、緒論

創新關乎到我們國家經濟健康可持續發展，創新能力培養業已成為高等教育教學過程中的首要目標，也是高校提升核心競爭力，提升學生就業數量和質量的重要途徑之一[1]。智能控制是自動控制發展的高級階段，是一門新興交叉前沿學科，涵蓋了控制論、人工智能和信息論等多門學科。智能控制是智能和控制的結合，主要用來解決傳統控制方法無法解決的復雜非線性系統的控制問題[2]。因此，智能控制體現出了前所未有的巨大研究價值和廣闊的應用前景。目前理論授課內容較為保守、教學方法較為單一、課程考核方式較為傳統，已不能滿足新形勢下學生創新能力培養的需求。以學生創新能力培養為導向，以最新智能控制方法為手段、以科研任務為驅動的智能控制課程教學改革已迫在眉睫。本文將從課程定位、課程教學存在的問題和課程改革措施三個方面分別進行闡述。

二、智能控制課程定位

智能控制課程是自動化、電氣工程、智能科學等專業的一門重要專業拓展課程，課程理論性強、涉及面廣，涵蓋了模糊控制、神經網絡、智能優化等內容，是一門集理論研究和工程實踐于一體的前沿性和綜合性課程[2]。智能控制課程的定位就是通過本課程的學習，使學生能夠了解智能控制課程體系的構成、理論發展的前沿動向、工程實踐中的典型應用，掌握智能控制的基本概念、基本算法，掌握智能控制系統分析和設計的基本方法，并能靈活運用所學知識解決實際工程問題[4]。

三、智能控制課程教學存在的問題

智能控制課程是自動控制課程的延續，目前在教學過程中大多數采用類似自動控制課程的教學模式。因此，智能控制課程在理論授課、實踐教學和課程考核等方面存在諸多問題。一是課程體系覆蓋面廣，內容繁多，理論授課時想“眉毛胡子一把抓”，只能是“顧此失彼”。二是研究熱點層出不窮，存在教師自身專業知識跟不上的可能。三是“一臺計算機包打天下”的想法仍然是主流，與工程實踐脫離嚴重。四是一張試卷定生死，這不可避免地扼殺了學生的創造力和現象力。

四、智能控制課程改革措施

（一）強化基礎知識，夯實理論基礎

智能控制課程一般在大學三年級實施，學生應具備電工電子、自動控制、MATLAB編程等基本理論知識和上機編程能力。智能控制課程理論知識具有前沿性、抽象性和理論性強的特點[5]，學生往往不能夠在課堂上及時消化吸收教學內容，導致學習積極性降低。教師應該強化基礎知識，夯實學生的理論基礎。下面以神經網絡控制部分為例來進行闡述。神經網絡具有一定的自學習、自適應和非線性映射能力和容錯性，能夠較好地解決具有不確定性、嚴重非線性、時變和滯后的復雜系統的建模和控制問題。但是，神經網絡類型繁多，主要包括前饋BP神經網絡、反饋Hopfield網絡、局部逼近RBF神經網絡、模糊神經網絡、遞歸神經網絡等。紛繁復雜的網絡類型給課堂教學帶了難度。作為面向本科生的拓展課程，教師應適當刪減難度較大的教學內容，將前饋BP神經網絡作為最核心的基礎知識傳授給學生。注重核心內容的公式推導，將學生的理論基礎夯實。因為，離開了公式推導，神經網絡控制將變成“無源之水，無本之木”，將嚴重影響學生創新能力的培養。

（二）瞄準研究熱點，凸顯創新理念

控制科學以瓦特發明蒸汽機的飛球調速器為開端，歷經了以Nyquist穩定性判據、Evans根軌跡法為代表的經典控制和以狀態空間法、最優控制為代表的現代控制兩個矚目的發展階段，目前正處于智能控制發展期。智能控制研究熱點內容較多，比如自適應模糊控制、變論域模糊控制、神經元PID控制、自組織神經網絡控制、群智能優化控制等。在智能控制教學過程中，要抓住當前研究熱點，有意識地培養學生的創新理念。下面還是以神經網絡控制為例來說明。

在智能控制早期，模糊邏輯控制和神經網絡控制有著廣泛的應用。模糊控制器隸屬函數的生成、調整以及模糊規則的制定主要需要依靠領域專家或現場熟練操作人員的經驗知識，神經網絡具有較強的學習能力和容錯能力，可以彌補模糊系統學習能力、自適應能力的不足。后來發展的模糊神經網絡吸取了模糊系統和神經網絡兩者的長處，能夠自適應地調整隸屬函數參數和在線優化控制規則，能夠獲得比單獨模糊控制或神經網絡控制更好的控制性能。目前，網絡結構可在線優化的自組織模糊神經網絡控制是研究熱點，課堂教學時候可引入典型案例適當講解，目的就是培育學生創新理念。

（三）引入“人機交互式”實踐教學模式

對智能控制課程的深入理解離不開實踐教學，高校一般都購置MATLAB仿真軟件，建設計算機仿真實驗室。但是，僅在計算機上利用仿真軟件進行實踐教學，往往不能夠取得預期的教學效果，主要是因為實際被控對象的建模較為困難。在MATLAB仿真平臺上，只能對工業過程簡化數學模型進行實驗驗證。為了克服實踐教學資源不足的問題，應合理利用學校的現有儀器設備，比如自動控制專業的過程控制實驗平臺、電機控制實驗裝置、新能源發電系統、測控技術實驗箱以及機械自動化專業的數字化機械制造系統等。將MATLAB仿真軟件、控制對象的專用軟件和被控對象三者之間的信息通道打通，構建“人機交互式”的智能控制課程實踐教學模式。筆者所在團隊設計了白酒釀造溫濕度測控系統，采用ARM核心的單片機開發下位機數據采集裝置，采用LabVIEW設計上位機虛擬監控平臺，采用MATLAB構建基于神經網絡的智能控制算法，并將算法無縫集成到LabVIEW當中，實現了關鍵數據感知和溫濕度解耦控制，極大地拓展了實踐教學方式，加強了學生對智能控制基本概念的理解，提高了學生解決實際工程問題的能力。

（四）引入“任務驅動型”考核方式

目前，智能控制課程的考核仍然是以傳統的試卷考核方式為主。雖然試卷內容越來越傾向于主觀題，不在囿于公式的推導和計算，但是以試卷打分的考核方式嚴重制約了學生創新能力的發展，將學生對智能控制的理解局限在一張試卷范圍內。據筆者了解，大多數學生都是依靠考前三天突擊，死記硬背考試要點通過考試。更有甚者，在有關控制課題的畢業設計過程中，連基本的智能控制的概念和方法都不知曉，更別談了解國內外的最新發展趨勢以及在畢業課題中靈活運用最新的控制方法。

因此，筆者認為應引入“任務驅動型”考核方式替代傳統的試卷考核方式。通過組建課題組，組織任課教師，深入駐地的企事業單位，尋找實際工程中遇到的控制難題，擬定合適的科研課題。學生組建課題小組，在理論和實踐教學過程中，團結協作地完成既定的科研課題任務。教師打分時，應綜合考慮學生平時理論授課、實踐操作和科研課題的完成情況。這不僅有利于學生基礎理論知識的學習，創新能力的培養以及團隊精神的形成，而且可以解決工程實際難題，為學生今后的創業鋪下一條寬闊的發展之路。筆者所帶的2013屆本科畢業生李珊同學在大一伊始就加入科研團隊，畢業論文《基于電子舌的白酒品質檢測系統的設計》獲省優秀畢業設計二等獎，這也得益于“任務驅動型”培養模式，促使該生更好、更快地發展，也為她如今的成功創業打下堅實基礎。

五、結束語

學生創新能力的培養并不是一句口號，需要教育戰線全體師生和工作者默默無聞的辛勤培育。本文在當今“大眾創新、萬眾創業”的時代背景下，探索面向創新能力培養的智能控制課程教學改革。首先明晰了智能控制課程的定位，然后指出了課程教學存在的問題，最后從理論知識基礎的夯實、研究熱點的追蹤、“人機交互”實踐教學模式的引入和“任務驅動”課程考核方式的開展四個方面詳細闡述了智能控制課程改革應采取的措施。需要指出的是，智能控制課程的改革還可以從雙語教學、精品課程建設、網絡課程建設等方面尋找突破口。需要強調的是，國家的發展離不開“雙創”帶來的強大動力，學生的創造力將是智能控制向前發展的最大本錢。

（作者單位：淮陰工學院）

參考文獻：

[1]郭志達，華菊翠.面向創新創業能力培養的地方高校實踐教學改革研究[J].高等農業教育，2015， （11）：56-60.

[2]胡蓉，錢斌，祝曉紅.研究生“智能控制”課程教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2015， 37（5）：33-34，50.

[3]余伶俐，蔡自興，肖曉明.智能控制精品課程教學改革研究[J].計算機教育，2010，（19）：35-39.

[4]管萍，劉小河，付興建.應用型人才培養模式下的智能控制課程的教學研究[J].教育教學論壇，2016，（16）：116-117.