智能控制理論課程的教學(xué)分析與改革

劉成林

江南大學(xué)自動化研究所 江蘇無錫 214122

作者：劉成林，博士，副教授，研究方向?yàn)槎嘧灾黧w智能協(xié)調(diào)控制。

近30年來，智能控制引起眾多控制界學(xué)者的關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)展成為控制理論中的一門新興學(xué)科[1]。由于智能控制在社會生產(chǎn)中所體現(xiàn)出的巨大研究價值和廣闊應(yīng)用前景，智能控制基礎(chǔ)這門原先只在研究生階段才開設(shè)的課程，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)在眾多高校自動化相關(guān)專業(yè)的高年級本科生的教學(xué)計(jì)劃中，從而本科智能控制課程教學(xué)也引起越來越多的重視。本文根據(jù)筆者在本科智能控制基礎(chǔ)課程中的教學(xué)實(shí)踐，對該門課程的特點(diǎn)、難點(diǎn)和教學(xué)目的進(jìn)行深入分析，介紹一些具體的解決辦法與途徑。

1 課程特點(diǎn)及教學(xué)目的

智能控制基礎(chǔ)是工科自動化相關(guān)專業(yè)的重要選修課程之一，其目的是使學(xué)生在學(xué)習(xí)自動控制原理和現(xiàn)代控制理論等基礎(chǔ)理論課程之后，對控制理論前沿發(fā)展方向有所了解和學(xué)習(xí)。作為專業(yè)提升課程之一，智能控制基礎(chǔ)課程特點(diǎn)是：理論性偏強(qiáng)、過于抽象；內(nèi)容豐富、涉及廣泛，包括模糊數(shù)學(xué)與模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及遺傳算法等前沿學(xué)科理論。

對于大學(xué)本科生而言，通過本課程的學(xué)習(xí)應(yīng)該使學(xué)生能夠掌握：智能控制理論的基本概念，主要智能控制分支及其特點(diǎn)，如模糊控制理論基礎(chǔ)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及控制、遺傳算法，以及智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真工具、原理和實(shí)現(xiàn)方法[1]。

2 本科智能控制教學(xué)的特點(diǎn)及存在問題

目前，選修智能控制課程的主要是自動化相關(guān)專業(yè)。在完成自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、微型計(jì)算機(jī)原理等基礎(chǔ)專業(yè)課程之后，開設(shè)智能控制基礎(chǔ)課程，使本科高年級學(xué)生了解本專業(yè)的先進(jìn)理論、應(yīng)用前景和發(fā)展方向。因此，教學(xué)過程中要注意內(nèi)容的應(yīng)用性、實(shí)踐性和專業(yè)性。

同時，為了使本科高年級學(xué)生在就業(yè)和考研等的選擇方面做出正確決斷，教師在教學(xué)過程中要適時進(jìn)行科研指引，使學(xué)生保持對科學(xué)研究的興趣，選擇適合自己發(fā)展的就業(yè)崗位，并為繼續(xù)攻讀研究生的學(xué)生打下進(jìn)一步深入研究的堅(jiān)定基礎(chǔ)。

然而，在當(dāng)前的本科生智能控制教學(xué)中，還普遍存在一些亟待解決的問題。

2.1 教材和教學(xué)內(nèi)容的選擇不適當(dāng)

目前，很少有針對自動化相關(guān)專業(yè)的本科生而專門編訂的智能控制教材，現(xiàn)有教材都是針對控制理論專業(yè)的碩士和博士研究生，其特點(diǎn)主要有：教材僅注重理論概念和公式推導(dǎo)，具體設(shè)計(jì)示例偏少；概念抽象，公式復(fù)雜，與本科選修課教學(xué)要求不符；智能控制分支之間聯(lián)系不夠緊密。在教學(xué)中，教師在課堂上按部就班地講述教材內(nèi)容，而學(xué)生對教師所選教材很難理解，在預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)方面都存在困難，所以往往導(dǎo)致學(xué)生對智能控制知識的理解不夠牢固和深刻。

2.2 課堂氣氛沉悶

由于智能控制課程具有理論性強(qiáng)和內(nèi)容抽象的特點(diǎn)，大部分教師把精力都放在講授理論知識、概念和公式推導(dǎo)上，并把完成教學(xué)內(nèi)容作為教學(xué)目標(biāo)，忽視對學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生很難將智能控制應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。此外，很多教師都采用多媒體課件進(jìn)行教學(xué)，課堂上一味地演示文稿，缺乏與學(xué)生的交流和互動，致使課堂氣氛沉悶、教學(xué)效果差。

2.3 教學(xué)脫離專業(yè)基礎(chǔ)知識

自動化相關(guān)專業(yè)學(xué)生對自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、模擬電路、計(jì)算方法、概率等專業(yè)知識掌握比較牢固，理解比較深刻。許多教師在進(jìn)行智能控制教學(xué)過程中，為了突出該課程的新穎性和獨(dú)特性，往往脫離學(xué)生所掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識，致使學(xué)生感覺完全在學(xué)習(xí)一門徹頭徹尾的新理論和新方法，掌握起來非常困難。

2.4 學(xué)生對仿真設(shè)計(jì)軟件陌生

在本科教學(xué)過程中，智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于仿真軟件（如Matlab軟件[2]、LabView軟件[3]等）來展示，學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)來掌握智能控制方法，進(jìn)而加深對智能控制理論的理解。然而，大多數(shù)本科生對這些仿真軟件都比較陌生，很難對智能控制進(jìn)行仿真研究，所以無法完成教師所要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3 教學(xué)改革措施與途徑

由于課程的復(fù)雜性和理論性偏強(qiáng)、教學(xué)對象自身特點(diǎn)、教學(xué)過程中存在的問題，大學(xué)本科學(xué)生學(xué)習(xí)過程中重點(diǎn)存在難以理解、枯燥無味、興趣不足等問題。然而，智能控制理論與方法將在自動化相關(guān)專業(yè)的本科生培養(yǎng)計(jì)劃中占據(jù)越來越重要的位置，智能控制的教學(xué)改革已經(jīng)受到越來越多高校教育工作者的關(guān)注，也提出相應(yīng)的改善方法[4-10]。筆者結(jié)合自身在教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)際情況，介紹一些具體的智能控制課程教學(xué)改革的解決措施和途徑。

3.1 簡化教學(xué)內(nèi)容，注重理論思想，簡易示例演示

智能控制基礎(chǔ)作為自動化相關(guān)專業(yè)的專業(yè)提升課程，教材和教學(xué)內(nèi)容的適當(dāng)選擇對教學(xué)效果有至關(guān)重要的影響。智能控制課程具有前沿性、抽象性和理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，相關(guān)內(nèi)容極其廣泛。然而，作為一門本科生選修課，教師在教學(xué)內(nèi)容的選取方面應(yīng)該做到：注重控制思想的融會貫通，減少繁瑣公式的推導(dǎo)和采取簡易示例演示，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)際教學(xué)中，可以采用一些具體的簡易示例來展示智能控制器的設(shè)計(jì)，如二階線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)，使學(xué)生了解智能控制設(shè)計(jì)的思想內(nèi)涵，如模糊控制PID控制器的設(shè)計(jì)思想為自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想為逆向迭代算法，等等。

3.2 緊密聯(lián)系專業(yè)基礎(chǔ)知識和工程應(yīng)用

智能控制基礎(chǔ)課程是在經(jīng)典控制理論（自動控制原理）和現(xiàn)代控制理論等傳統(tǒng)控制理論基礎(chǔ)上加強(qiáng)和提升學(xué)生控制思想和方法，其更注重實(shí)踐應(yīng)用。教師在教學(xué)過程中應(yīng)該將智能控制緊密聯(lián)系專業(yè)基礎(chǔ)知識，不時將兩者進(jìn)行對比、對照（模糊數(shù)學(xué)理論與概率論進(jìn)行對比，神經(jīng)元模型和控制系統(tǒng)框圖中的綜合點(diǎn)對照，遺傳算法與尋優(yōu)計(jì)算方法對比等），從而加深學(xué)生對智能控制基本概念的理解。同時，為了鞏固學(xué)生對智能控制理論的理解和增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教師應(yīng)該更注重從工程應(yīng)用角度來引出智能控制概念，并通過具體實(shí)例來說明智能控制如何應(yīng)用，如模糊控制在家用電器中的應(yīng)用，這樣更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.3 綜合各種教學(xué)方法，活躍課堂氣氛

眾所周知，采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和手段來活躍課堂氣氛也可以獲得比較好的教學(xué)效果。根據(jù)智能控制課程的特點(diǎn)，達(dá)到良好教學(xué)效果的前提是授課者要深刻理解教學(xué)內(nèi)容、充分備課。同時，授課時要注重教學(xué)方法的改進(jìn)，不能一味地演示文稿或抄寫板書，應(yīng)綜合各種教學(xué)方法來活躍課堂氣氛和調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性：課堂上提出適當(dāng)問題激發(fā)學(xué)生思考、討論和回答，通過互動來活躍課堂氣氛；采用多媒體教學(xué)，不能局限于播放幻燈片，應(yīng)該積極運(yùn)用其他形式的多媒體，如動畫、音響和錄像，通過生動的教學(xué)內(nèi)容來引起學(xué)生的關(guān)注和興趣；適當(dāng)采用雙語教學(xué)，中文教學(xué)為主，英語教學(xué)為輔，使學(xué)生具有獨(dú)立學(xué)習(xí)國外先進(jìn)理論知識的基礎(chǔ)，了解智能控制理論的發(fā)展動態(tài)[9-10]。

3.4 加強(qiáng)仿真軟件學(xué)習(xí)，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對于工科院校的自動化相關(guān)專業(yè)，智能控制基礎(chǔ)課程除了要求學(xué)生了解理論知識外，還要求學(xué)生掌握智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和研究生學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，所以智能控制教學(xué)必須配備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前，智能控制的仿真實(shí)驗(yàn)平臺有很多，應(yīng)用相對比較廣泛的有Matlab和LabView仿真軟件[2,3]。運(yùn)用Matlab和LabView軟件包含的智能控制工具箱和庫函數(shù)，如模糊控制工具箱，可以輕松設(shè)計(jì)智能控制器，并將其應(yīng)用到系統(tǒng)控制中，使學(xué)生直觀感受智能控制的優(yōu)越控制效果；同時，為了讓學(xué)生更深入了解智能控制算法的實(shí)質(zhì)，鼓勵學(xué)生利用Matlab軟件的M語言和LabView軟件的G語言自行編寫智能控制算法程序，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的程序編寫，進(jìn)一步加深對理論的理解，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性和主動性。

4 結(jié)束語

通過分析智能控制課程的特點(diǎn)和教學(xué)目的，并結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，筆者指出本科教學(xué)中存在的問題，并提出具體的教學(xué)改革措施與途徑，實(shí)踐證明取得較好的教學(xué)效果。隨著本科智能控制理論課程的教學(xué)改革不斷進(jìn)行，本科高年級學(xué)生對智能控制的學(xué)習(xí)興趣越來越濃，能較好地掌握智能控制的基本概念與設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)先進(jìn)控制理論知識打下良好基礎(chǔ)。

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