問題教學法驅動的智能控制與計算智能課程教學研究

李中華　林柏頂　李曉東

摘 要：文章聚焦智能控制與計算智能的教學創新，通過分析教學目的、教學任務以及面臨的機遇和挑戰，從教師、學生以及師生互動等方面分別引入問題教學方法，增強智能控制與計算智能的課堂教學效果，提高學生學習積極性和創造性，從廣度和深度兩個方面挖掘學生的知識學習潛力，使得智能控制與計算智能課程的教學模式從枯燥走向有趣、從難懂變為易用，為后續的畢業設計、科學研究、技術創新、就業創業打下堅實的專業基礎。

關鍵詞：智能控制、計算智能、問題教學法、教學改革

1 背 景

伴隨全球新技術浪潮的興起，人工智能正推動信息技術領域發生顛覆性、革命性變化，帶動傳統產業創新升級和新興產業孕育發展，越來越多的高校將人工智能相關課程建設做為適應社會需求、提高人才培養質量、提升辦學實力的重要舉措。智能控制與計算智能是自動控制、智能科學與技術領域的前沿課程，是自動控制、人工智能、計算機科學、運籌學等多學科融合匯聚的專業擴展課程，具有理論性強、實踐性突出、涵蓋范圍廣等特點，在電子信息類、計算機類專業教學體系中具有十分重要的地位[1]。國內大多數綜合類高校尤其是理工科院校，都紛紛將智能控制與計算智能課程開設為專業必修課或者專業限選課。智能控制自1960年代發展以來，廣泛應用工業控制、智能家居控制、智能機器人控制、智能制造控制、航天航空控制、交通運輸系統、綠色環保與新能源系統等諸多領域。對于選修智能控制與計算智能課程的學生，需要熟練掌握智能控制的基本定義、系統內涵、工作原理、應用實踐以及涉及的計算智能算法，才能適應當前創新創業國策和新興產業對專業技術人才的現實需求[2]。然而，當前的智能控制與計算智能課程教學中仍然存在一些問題或者不利因素，需要與時俱進的改革勇氣來進行教學創新，方可在教師的教學質量和學生的學習效果上取得實效。這主要體現在：智能控制和計算智能的理論分支較多、課程內容復雜、概念抽象、入門較難。同時，智能控制與計算智能課程所涵蓋的前沿技術、最新應用、發展趨勢也處于不斷演化之中，這本身也對該課程教學過程及效果帶來挑戰性影響。顯然，開展智能控制與計算智能教學改革與創新是十分必要的，更是培養卓越創新人才的當務之急。

2 智能控制與計算智能課程的教學目的和教學任務

智能控制與計算智能的教學目的是以智能控制方法和計算智能算法為主線，使學生學習和掌握智能控制的基本理論、常用方法和典型應用，從而為控制問題的解決提供計算智能算法理論，為智能控制技術在智能機器人、工業控制、智能制造、新能源系統中的應用提供基礎理論和工程應用實踐知識，為其他相關課程學習以及后續的畢業設計、工程技術開發、科學研究打下堅實的專業基礎。因此，智能控制與計算智能課程的教學任務需要從理論和應用兩個角度引導學生[1]：①了解智能控制的基本定義、內涵、發展歷程、主要分支、功能特點、研究工具和典型應用；②掌握專家系統的基本構成、專家控制的基本原理和專家PID控制應用；③掌握模糊數學中模糊集合、隸屬函數、模糊關系、模糊推理等基礎理論；④掌握模糊控制的基本原理、模糊控制器設計、模糊自適應PID控制、洗衣機模糊控制應用、單級倒立擺模糊控制應用以及模糊控制發展趨勢；⑤掌握簡單、間接、直接自適應模糊控制器設計及其適用問題、機器人關節自適應模糊控制方法；⑥掌握人工神經網絡基本原理、分類、學習規則、特征要素及研究領域；⑦掌握兩類基本的人工神經網絡及其應用：BP網絡和RBF網絡；⑧掌握三類高級神經網絡：模糊RBF網絡、CMAC神經網絡、Hopfield網絡；⑨掌握神經網絡控制結構分類、針對不同應用問題的RBF神經網絡設計；⑩掌握典型計算智能算法的基本原理、構成要素、參數設置、基本流程以及典型應用；?掌握迭代學習控制的基本原理、基本控制算法、機器人手臂迭代學習控制仿真和線性時變系統迭代學習控制仿真。從教學目的和教學任務看，智能控制與計算智能課程具有理論性強（每個智能控制分支都有獨立的理論支持）、實踐性突出（以應用問題為中心的智能控制設計）、涵蓋范圍廣（從定常系統到時變系統、從家電控制到機器人控制）等特點。如何讓學生在學習智能控制專業理論知識的同時，又能扎實地掌握智能控制應用系統的設計技能，成為智能控制與計算智能課程教學亟待解決的問題。

3 智能控制與計算智能課程教學面臨的任務和挑戰

近年來，教育部大力實施“雙一流”建設、創新創業教育、大學生創新實驗計劃、卓越工程師計劃、產學研合作教育計劃等，為高素質、高質量專業技術人才培養注入新動能。在“中國制造2025”推動下，產業界和社會對畢業生的選拔、招聘更加注重創新思維能力、技術創新能力和工程實踐能力，學生對智能控制的學習興趣旺盛，這為智能控制和計算智能課程教學改革提供了難得的契機。許多高校通過“外引內優”創新機制，一方面引進優質師資力量、帶來智能控制國際前沿技術，另一方面加大人財物投入、完善實驗教學環節、建設產學研合作教育基地，努力構建鼓勵學生參與智能控制工程實踐、應用開發和科學創新的學習環境。盡管如此，智能控制與計算智能課程教學改革仍未完成，尚面臨諸多挑戰：①教學理念亟待創新。傳統的智能控制與計算智能課程教學始終以教師為主體，以教材為綱要，以智能控制器設計為中心，按照基本原理—工作流程—問題描述—算法分析與設計—仿真實例的套路開展，屬于典型的單向傳授型教學模式。這種教學模式忽略理論和實踐的雙向結合、忽略教師與學生之間的雙向互動、忽略課堂知識與課外應用的有機銜接，這顯然違背智能控制與計算智能教學任務的內在規律，難以取得好的教學效果。②學用結合亟待加強。智能控制與計算智能涉及的控制方法和應用案例較多，過去在課程教學之后往往只是安排一些典型的驗證性實驗。在實驗指導書和實驗裝置固化的前提下，絕大多數學生無需開動腦筋就可以完成智能控制實驗任務。更有甚者，由于條件限制放棄了實驗安排。顯然，這樣的實驗教學效果和教學目標設計是相悖的。如何設計一些有關智能控制的創新實驗，讓學生最大限度地參與其中，或許不失為一條實現學用結合的參考途徑。③靈活善用缺乏。智能控制，特別是計算智能課程參考資料較多，許多學生崇尚拿來主義，認為只要利用計算智能算法實現對智能控制器的最優化調節，就可以實現智能控制系統應用。確實，這對于一些比較簡單的控制問題是可行的，但是絕大多數問題都并非簡單控制問題。在這種情況下，如果再簡單地套用智能控制方法，或許無法實現系統的智能控制理想效果。因此，如能引導學生從控制系統設計的內涵去理解智能控制方法，或許才能做到真正的靈活善用，也才能成為一名合格的控制應用工程師。endprint

4 智能控制與計算智能課程教學改革建議

根據前述的分析，針對智能控制與計算智能課程的教學任務和要求，以學生為中心、以教師為支撐，提出一種以問題為導向的教學方法：一方面，采用基于問題的教學方法（problem-based teaching，PBT），革新教師的教學理念，激發教師的教學熱情和科學性；另一方面，采用基于問題的學習方法（problem-based learning，PBL）[3-4]，聚焦學生的課程學習目標，調動學生的學習積極性和主動性。PBT教學法和PBL學習法的交互作用，可以優化智能控制與計算智能課程教學內容和結構，從而更好地促進學生對智能控制應用和計算智能算法設計能力培養。

（1）適用于教師的問題PBT教學法。PBT教學法主要致力于強化教師在教學活動中的科學調控作用，教師不僅僅是教學內容的傳授者，更是教學活動的總導演。鑒于智能控制與計算智能課程多學科交叉、知識點新穎、概念抽象、應用廣泛，這就需要教師從資料收集、教材選定、教學方案設計、備課講授、課堂互動、作業輔導、教學反饋等教學鏈條上注重問題提煉、問題引導和問題解剖，始終做到有的放矢，牢牢把握課堂教學節奏。對于單一章節（如模糊控制）的教學，教師注重闡述應用問題或者理論問題的緣起和背景，通過收集、整理和分析大量的背景資料，列出從現實背景到應用問題或者理論問題的過渡知識路線，有助于激發學生思維走向問題中央。對于前后關聯章節（如神經網絡）的教學，注意在問題設計上進行分解，使得每章的問題設計既有區別又有關聯，這樣有利于學生在解讀問題時形成自然過渡思維。

（2）適用于學生的PBL學習法。PBL學習法主要致力于學生以解決問題為目標的主動學習和內生動力的構建。實際上，在教師的主導下，從閱讀預習、課堂思考、作業練習到復習提高都涉及一個又一個問題，這都需要學生去分析問題和解決問題。在這個分析、解決問題的過程中，學生實現了基于智能控制與計算智能課程教學內容的文獻資料查閱、分析思考和交流討論，進而增強課程學習的目標性、自覺性和主動性。需要指出的是，學生在問題學習法中需要注意對智能控制問題和計算智能算法擬解決問題進行歸并排序和分解細化，這有利于學生能力與課程教學不同階段、不同深度相適應，從而有利于構建完整的課程知識學習體系。

（3）融合PBT和PBL的教學互動法。在上述PBT教學法和PBL學習法的基礎上，通過教師與學生的有效互動，可以加快課程知識和問題誘導從教師向學生的快速遷移，從而大幅度提高教學成效。如教師要求學生以小組為單位，在給定的問題列表范圍內開展自主選題，并在有限的時間內確定解答方案、陳述解答過程，不僅鍛煉學生小組與教師之間的教學互動能力，還促進學生之間的學習互補能力。又如教師要求學生以個人為單位，在課程教學內容范圍內自主選定主題，通過收集資料、消化、分析資料，在給定的時間內完成與其他更多學生之間的主題分享并接受教師的點評，這極大地鍛煉了學生的自主鉆研能力和師生互動能力。再如在課程教學結束時，要求每一位學生運用智能控制與計算智能課程中的方法或者算法，獨立完成一項課程設計。教師在課程設計選題、方案確定、理論分析、實驗開展、設計報告撰寫等環節逐一地與學生進行互動討論，有條不紊地引導學生沿著課程設計擬解決的問題由淺入深地進行下去，實現真正意義上的教學互動。通過PBT教學法和PBL學習法的交互滲透，有利于學生對課程教學內容高效地理解、消化、吸收，有利于促進學生創新性思維和智能控制工程實踐能力的形成。

5 結 語

實踐表明，這種新型教學改革方案，提高了學生的學習主動性和教師的教學積極性，取得了十分積極的教學效果，為后續的課程學習和就業乃至創新創業打下堅實的專業技術基礎。

參考文獻：

[1] 劉金琨. 智能控制： 第4版[M]. 北京： 電子工業出版社， 2016.

[2] 謝敏， 衛東， 高堅， 等. 智能控制課程教學的改革與實踐[J]. 學周刊， 2012（7）： 5.

[3] 張允， 侯麗華， 張運波， 等. PBL教學法在“智能控制技術”課程教學中的應用[J]. 中國電力教育， 2013（34）： 77-78.

[4] 齊曉慧， 王永川， 董海瑞. 問題教學法在智能控制教學中的應用研究[J]. 工業和信息化教育， 2013（8）： 35-38.

（編輯：史志偉）endprint