面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程教學(xué)改革研究

李伯群 范璇 姜冠杰

摘? 要：《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》是控制領(lǐng)域研究生的重點專業(yè)選修課程，在自動化領(lǐng)域中占有十分重要的地位。此課程在建立應(yīng)用型研究生研究理論問題的邏輯思維模式和提升碩士研究生的學(xué)術(shù)水平及應(yīng)用能力等方面具有積極作用。文章結(jié)合對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求及《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程的實際特點，提出了明確的教學(xué)目標，通過課程團隊精英化，教學(xué)內(nèi)容模塊化、案例化，教學(xué)方法多元化，考核方式細致化等途徑，進一步啟發(fā)學(xué)生控制理論思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐應(yīng)用能力，從而切實改善教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)辨識;自適應(yīng)控制;教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）30-0138-03

Abstract： System Identification and Adaptive Control is a key professional elective course for graduate students in the field of control. At the same time， it plays a very important role in the field of automation. This course plays an active role in establishing the logical thinking mode of applied graduate students' theoretical problems and improving their academic level and application ability. Based on the training requirements for application-oriented talents and the actual characteristics of the course process identification and adaptive control， this paper puts forward a clear teaching goal. Through the ways of course team elite， teaching content modularization， case study， teaching method diversification and examination method meticulous， it further inspires students to control theoretical thinking， and cultivate students' innovation ability and practical application ability， so as to improve the teaching effect.

Keywords： system identification; adaptive control; teaching reform

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”和工程教育專業(yè)認證的提出體現(xiàn)了我國對工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的高度重視，其目的是打造更多具備專業(yè)化知識結(jié)構(gòu)和實踐背景的工業(yè)化發(fā)展急需的應(yīng)用型人才，要求該類人才具有充分的實踐經(jīng)驗積累，能夠在生產(chǎn)一線解決重要的技術(shù)問題，同時，也對其設(shè)計和研發(fā)方面的綜合能力提出嚴格要求，從而能夠使高校學(xué)生與企業(yè)充分有效對接[1]。

《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程是融合了“系統(tǒng)辨識”與“自適應(yīng)控制”兩個新的學(xué)術(shù)方向的科目，其均屬于現(xiàn)代控制理論范圍的自動化學(xué)科，對學(xué)生分析動態(tài)控制系統(tǒng)特性和解決工程問題的能力培養(yǎng)方面，具有十分重要的作用。本文在培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的背景下，遵循該課程基本教學(xué)規(guī)律，在教學(xué)隊伍、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實踐、教學(xué)載體等方面不斷完善與革新，使本課程的理論與應(yīng)用方法能夠在研究生的科研活動和生產(chǎn)活動中得以廣泛應(yīng)用。

一、《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程特點及教學(xué)情況

《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程，我校開設(shè)于2000年，是控制工程專業(yè)研究生的專業(yè)選修課程。本課程重點在于將系統(tǒng)研究的對象模型化，能夠自主論述建立模型的理論和方法，并建立能夠描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。自適應(yīng)控制的對象是不確定的系統(tǒng)，即其過程動態(tài)特性、被控對象、數(shù)學(xué)模型具有不確定性，是經(jīng)常變化的，因此，可用自適應(yīng)控制來解決其常規(guī)反饋控制效果不佳的動態(tài)問題[2]。該課程覆蓋內(nèi)容廣泛，理論教學(xué)和實際分析、應(yīng)用性極強，要求具有良好的學(xué)科基礎(chǔ)，這對教學(xué)造成了一定程度上的困難，只有將理論吃透并可獨立分析實際案例，才可逐漸領(lǐng)悟本課程的精髓和控制邏輯思維。目前，該課程存在的較為突出問題如下：

1. 作為控制工程專業(yè)研究生的重要選修課程，《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程應(yīng)更加突出在專業(yè)研究與實踐領(lǐng)域的應(yīng)用。長期存在的“重理論，輕應(yīng)用”的問題解決得還不夠理想。盡管在這方面已經(jīng)做了許多探索，但在實際應(yīng)用仍然是薄弱的方面，這主要受限于教學(xué)大綱設(shè)定、課時有限以及考核方式側(cè)重點，此問題有待在教學(xué)改革中進一步加強。

2. 該課程教學(xué)方式較為傳統(tǒng)且單一，如按部就班地依照指定教材進行灌輸式教育，非但學(xué)生無法學(xué)會動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立，更無法領(lǐng)略控制方法的精髓及如何選用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫ο到y(tǒng)進行有效控制。同時，這種傳統(tǒng)的灌輸式教育會對學(xué)生和教師產(chǎn)生雙重負面影響。學(xué)生方面，弱化學(xué)生對知識的掌握和理解能力，從而導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣降低、主觀學(xué)習(xí)動力不足;教師方面，將傳授知識的過程程式化，導(dǎo)致課堂氣氛缺乏活力，很難使學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力得到真正的鍛煉。由于以上多方面因素的影響，致使傳統(tǒng)的、單一的、灌輸式教育方式無法達到該課程的預(yù)期效果。

3. 本課程要求將課堂教學(xué)、理論研討和案例分析相結(jié)合，組織課程論文的公開討論。在目前課時有限的條件下，無法將課程全部內(nèi)容進行精講細講，故必須進一步精簡課堂講授，加強課外輔導(dǎo)及網(wǎng)上資源教學(xué)資源共享，充分結(jié)合線上和線下兩種教育方式開展該課程的理論與實踐教學(xué)。

4. 通常情況下，課程的考核形式是以筆試成績來決定，此考核方式也是大多數(shù)課程的考核首選，但在一定程度上略顯僵化和片面，容易使學(xué)習(xí)模式和教學(xué)模式流于“應(yīng)試”，不過，針對純理論基礎(chǔ)的課程考核效果還是較為明顯的。然而，對于一門工程背景極強的《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程而言，此考核方式則不夠合理，不僅不利于學(xué)生對課程內(nèi)容的深入理解，也不利于對學(xué)生綜合素質(zhì)能力的培養(yǎng)與提升，反之，很有可能使學(xué)生的學(xué)習(xí)方向產(chǎn)生偏差，誤將理論知識視為重點。由此，制定與該門課程相適應(yīng)的新的考核體系是體現(xiàn)課程側(cè)重點的方式之一，也能夠使學(xué)生進一步明確學(xué)習(xí)方向，領(lǐng)略課程精髓，達到真正意義上的教學(xué)目的。

以上四點是我校開設(shè)該門課程以來較為突出的問題，在教學(xué)改革過程中，教師團隊長期致力于尋找最優(yōu)教學(xué)模式和有效的考核方式來提升課堂效果和學(xué)習(xí)成果，真正幫助學(xué)生做到學(xué)有所用，以打造出符合工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的精品課程。

二、課程教學(xué)改革思路及措施

鑒于《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程在教學(xué)過程中存在的問題，本文則以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才為出發(fā)點，從教學(xué)團隊的打造、教學(xué)目標的調(diào)整、教學(xué)內(nèi)容的整合、教學(xué)手段的豐富和教學(xué)效果考核等方面提出改革思路和措施，為更好地打造工程應(yīng)用型型人才提供理論與實踐的雙線支撐，逐步改革工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)方式[3]。

（一）提升教學(xué)團隊綜合能力，優(yōu)化課程體系

加強本課程教師隊伍建設(shè)是提高精品課程建設(shè)質(zhì)量和水平的關(guān)鍵和根本所在，要形成以本課程的骨干教師為龍頭，雙師型教師為主體的教師團隊。課程教學(xué)團隊經(jīng)過近20年的反復(fù)磨合調(diào)整已逐步成型，并根據(jù)研究生培養(yǎng)計劃的實際需求和教學(xué)目標的不斷提升，該教學(xué)團隊已在理論基礎(chǔ)、實踐應(yīng)用等多層次方面吸納教學(xué)經(jīng)驗豐富和科研能力強的青年教師參與教學(xué)，并充分利用校內(nèi)、外資源，團隊成員輪流進修，互相交流，拓展研究視野，從而提升教學(xué)技能，現(xiàn)已形成一支穩(wěn)定、高水平、新思路的教學(xué)團隊。同時，經(jīng)過對課程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的定位和分析，逐步調(diào)整教學(xué)大綱，制定出符合工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)方向的教學(xué)目標，教學(xué)體系逐步得到完善，使《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程與研究生階段開設(shè)的其他課程有機銜接，提供了本課程教學(xué)過程中的必備知識儲備、理論基礎(chǔ)及研究方向。

（二）轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，整合教學(xué)內(nèi)容

理念的正確定位是課程改革過程中的方向標，直接決定著改革的成功與否。針對《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程的改革，教學(xué)團隊決定以工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求為依托，融入以學(xué)生發(fā)展為中心，以學(xué)生能力提升為導(dǎo)向的OBE理念，將培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力置于教學(xué)首位[4]。OBE理念教學(xué)模式完全打破了傳統(tǒng)教育模式的局限性，第一點，制定教學(xué)目標的側(cè)重點不同，傳統(tǒng)模式關(guān)注Input，即教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)的時間、學(xué)分和學(xué)習(xí)的過程，而OBE教育模式的焦點聚集在Output，即如何取得和評估學(xué)習(xí)成果;第二點，課程主體不同，由以教師、教科書為中心的被動學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為中心的主動學(xué)習(xí)，前者主要是以教師的個性為驅(qū)動，表現(xiàn)更多的是教師的主觀臆斷，故缺乏連續(xù)性，后者則以學(xué)生的不斷反饋為驅(qū)動，可使教學(xué)和過程可持續(xù)性改進;第三點，傳統(tǒng)教育模式以考試分數(shù)作為評價學(xué)生專業(yè)能力的唯一依據(jù)，而新的教育模式可實現(xiàn)基于學(xué)習(xí)結(jié)果的多種評估，并實現(xiàn)在多個專業(yè)領(lǐng)域進行學(xué)習(xí)、輔修，具有靈活性。由此可知，OBE教育理念的引入完全打破了傳統(tǒng)教育模式，更進一步符合工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

隨著教學(xué)模式的改革，教學(xué)團隊通過與學(xué)生的交流反饋，精心設(shè)計并調(diào)整了符合當(dāng)代學(xué)生特點、適應(yīng)時代需求的教學(xué)內(nèi)容，使課程教學(xué)更加完善，符合培養(yǎng)控制領(lǐng)域應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的需求。本課程的教材選用方面，更加突出了教學(xué)內(nèi)容的針對性和實用性，由單一性教材選用轉(zhuǎn)向融合性教材選擇，本課程選用清華大學(xué)方崇智教授主編的《系統(tǒng)辨識》教材、北京科技大學(xué)舒迪前主編《自適應(yīng)控制》教材。以劉金琨教授2016年主編的《先進PID控制技術(shù)及MATLAB仿真》為輔助教材，書中的自考題， 例題和案例分析均為學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的開展提供了資料清單。同時，將北京科技大學(xué)孫一康教授《冷熱軋板帶軋機的模型與控制》一書作為擴展性資料使用，結(jié)合鞍鋼1700ASP熱軋現(xiàn)場，做到理論與實際相結(jié)合。通過合理整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將《系統(tǒng)辨識》與《自適應(yīng)控制》兩門課程有效融合。

《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程具有強理論性、強應(yīng)用性、理論內(nèi)容繁多，算法難等特點。為打破該課程教學(xué)的瓶頸，使學(xué)生掌握課程基本理論、動態(tài)系統(tǒng)建模、設(shè)計思路和控制策略的正確選用等，教學(xué)團隊通過反復(fù)實踐與思考，決定通過實驗，初步采用系統(tǒng)辨識建立過程模型的方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制的基本概念、系統(tǒng)的構(gòu)成原理，掌握模型參考自適應(yīng)和自校正自適應(yīng)控制這兩類主要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并通過實例了解自適應(yīng)控制在工藝過程控制的應(yīng)用等[5]。該課程重點主要有最小二乘法建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、PID參數(shù)整定、模型階次確定及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值的選擇等。在授課過程中，將課堂基礎(chǔ)理論和方法的講授與現(xiàn)場實際講解相結(jié)合，課堂教學(xué)與學(xué)生的實踐相結(jié)合。在實踐教學(xué)方面，不斷完善課程團隊的師資力量，更新教學(xué)案例，加強案例討論內(nèi)容和過程管理，注重模型計算與工業(yè)現(xiàn)場分析相結(jié)合，要求學(xué)生課后要查閱大量資料進行數(shù)據(jù)分析，形成課程論文。通過課程論文的寫作培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用過程辨識分析方法解決實際自控問題的能力，論文經(jīng)授課教學(xué)指導(dǎo)與修改投向國內(nèi)外主流雜志進行發(fā)表，成效顯著。真正做到從課堂中培養(yǎng)學(xué)生的實例分析能力、工程問題解決能力以及系統(tǒng)科學(xué)與控制思維，尤其是在學(xué)習(xí)的過程中，提高學(xué)生的適應(yīng)能力和創(chuàng)新能力[6]。

（三）豐富教學(xué)手段，制定多種考核方式

《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程在以往教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，不斷改革創(chuàng)新，采用理論研討、案例精講、探究與協(xié)作多方結(jié)合的模式進行授課，有效地將理論教學(xué)延伸至實踐環(huán)節(jié)。根據(jù)不同時代的學(xué)生特點、教學(xué)內(nèi)容整合與規(guī)劃以及教學(xué)目標的完善，采用形式靈活、效果最佳的教學(xué)方法，例如，針對理論性難點內(nèi)容，如辨識與估計等內(nèi)容，重點進行精講、精讀，充分研討，案例剖析等教學(xué)形式。對一些理論及實踐中爭議和質(zhì)疑較多的知識點進行重點研究，前沿引領(lǐng)。并結(jié)合其他研究生方法論課程，進一步探討其核心思想。具體教學(xué)手段如下：

1. 傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合。從多媒體教學(xué)模式的自身優(yōu)勢來看，多媒體模式講授《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》，一方面，有效擴充課堂的信息承載量，另一方面，使課堂教學(xué)由刻板、單一化變得形象化、生動化。同時，適時地、有選擇性地運用板書教學(xué)，做到重、難點內(nèi)容精講、細講，使學(xué)生更加透徹、精確的掌握課堂內(nèi)容。

2. 討論教學(xué)。在保證正常教學(xué)的基礎(chǔ)上，穿插四分之一的課時進行討論模式教學(xué)，使教學(xué)方式徹底打破傳統(tǒng)的“灌輸式”，轉(zhuǎn)變多種教學(xué)形式有機結(jié)合，例如：精講、案例、討論等方式。學(xué)生由被動式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主觀學(xué)習(xí)，重視學(xué)習(xí)成果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3. 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，將教學(xué)課件、作業(yè)詳解、教案、案例分析、現(xiàn)場視頻等傳至校園網(wǎng)，方便學(xué)生有針對性的課下復(fù)習(xí)、自學(xué)，彌補課堂教學(xué)的不足。同步建立網(wǎng)絡(luò)互動平臺，可暢通師生之間的溝通，提供隨時解決學(xué)生提出問題的便捷通道。

該課程改變以往的專注理論知識的考核模式，打破傳統(tǒng)考核的單一化模式，將學(xué)生能力的培養(yǎng)作為該門課程的終極考核目標。改革后的課程考核體系由筆試成績、課程研討成績及論文成績?nèi)糠纸M成，其中分別占50%、30%和20%，在考核學(xué)生理論知識掌握程度的同時，著重考察了學(xué)生的應(yīng)用能力，為培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才打下了基礎(chǔ)。同時，題型方面也要做出相應(yīng)的調(diào)整，題型設(shè)計多樣化，拓寬題目覆蓋專業(yè)面，例如：單純記憶性純理論題目的減少，增加案例分析等實際應(yīng)用型的考題，尤其是針對動態(tài)系統(tǒng)建模和實際工程問題解決方面的考察方面，應(yīng)給予側(cè)重。由此，課堂知識傳授方式的多樣性和考核模塊的合理化組合，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得以有效提高， 并對如何進行實證分析在專業(yè)的角度有了更好的理解。

三、結(jié)束語

《系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制》課程在教學(xué)改革過程中，緊密跟蹤現(xiàn)有理論的新發(fā)展，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，與國際接軌;在基本理論體系完整的基礎(chǔ)上，堅持“重思想、重方法、重思維訓(xùn)練”的原則，能快速地提高本課程在國內(nèi)同類課程中的水平。目前，本文所提出的教改意見已逐步在實際教學(xué)過程中實施，將“成果為導(dǎo)向、學(xué)生為中心、持續(xù)改進”的教學(xué)理念深入到教學(xué)和實踐中去，做到理論與實際相結(jié)合，使學(xué)生能在實際工作中，完成系統(tǒng)辨識工作，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)自適應(yīng)控制。本次教學(xué)改革提高了該課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，使系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制課程向著培養(yǎng)高質(zhì)量工程應(yīng)用型人才的方向持續(xù)發(fā)展。

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