智能控制課程設計教學改革研究*

劉文藝王曦

1 江蘇師范大學機電工程學院 江蘇徐州 221116

2 江蘇師范大學管理學院 江蘇徐州 221100

智能控制課程設計教學改革研究*

劉文藝1王曦2

1 江蘇師范大學機電工程學院 江蘇徐州 221116

2 江蘇師范大學管理學院 江蘇徐州 221100

智能控制課程設計是智能控制課程的一次實踐過程，是對課程知識的鞏固和加強。其目的是總結(jié)和檢驗課程的學習效果，使學生熟悉和掌握基本的智能控制知識，提高理論水平，增強編程及調(diào)試能力，深化已有的知識，拓寬新的知識，掌握幾種常見的智能控制方法。但是，由于課程設計的時間一般只有一周，而課程的內(nèi)容理論性又太強，難度較大，使得設計過程中出現(xiàn)一些問題。對智能控制課程設計的內(nèi)容特點及現(xiàn)有問題進行深入分析，并從精簡理論內(nèi)容、增加實例分析、強化實驗指導、改革教學方法、注重答辯環(huán)節(jié)等方面給出相應的對策。

課程設計；智能控制；教學改革；教學方法

Author’s address

1 School of Mechanical and Elect rical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China 221116

2 School of Management, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China 221116

智能控制是機械電子方向的專業(yè)課，涉及的理論知識較多[1-2]，課程設計時間一般為一周，1學分。課程設計的目的是總結(jié)和檢驗課程的學習效果，使學生熟悉和掌握基本的智能控制知識，提高理論水平，增強編程及調(diào)試能力，深化已有的知識，拓寬新的知識，掌握幾種常見的智能控制方法。同時，課程設計可以將智能控制課程中涉及的大量的、零散的、獨立的觀點和資料，按照設計任務書的要求，經(jīng)過演繹和歸納、分析和綜合、抽象和具體的邏輯結(jié)合，完成整體的任務設計方案，達到培養(yǎng)和提高學生的邏輯思維能力和創(chuàng)造性思維能力的目的。

課程設計的提交形式是設計說明書，該說明書是對本課程設計結(jié)果的解釋和說明的書面材料，是一種技術(shù)性文件。設計者通過對軟件的操作，對程序的編程，對結(jié)果的調(diào)試，對內(nèi)容的總結(jié)和分析，最后通過科技寫作的方式進行鍛煉，培養(yǎng)科技寫作的能力。但是，由于課程設計的時間一般只有1周，而本課程的內(nèi)容理論性又太強，難度較大，使得很多設計題目不能按時按質(zhì)完成，出現(xiàn)一些問題[3-4]。筆者根據(jù)在教學改革實踐中遇到的一些問題，對該門課程設計的特點、難點和教學目的進行分析，介紹和探討一些具體的解決方法和措施。

1 課程設計的內(nèi)容特點

智能控制課程設計是智能控制課程的一次實踐過程，是對課程知識的鞏固和加強。智能控制是近20年來發(fā)展的新興學科，涉及的內(nèi)容較多，包含模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制系統(tǒng)、仿人智能控制和遺傳算法等智能控制技術(shù)。可以說，智能控制是人工智能與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，借助于計算機技術(shù)的快速發(fā)展而得以實現(xiàn)，它是傳統(tǒng)控制理論發(fā)展的高級階段。智能控制屬交叉學科，它的發(fā)展得益于人工智能、認知科學、模糊集理論、計算機科學、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和生物控制論等許多學科的發(fā)展，同時也促進了相關(guān)學科的發(fā)展[5-6]。

智能控制課程設計是教學內(nèi)容的提升，是教學實踐環(huán)節(jié)的一次鍛煉。課程設計的題目包含了課程對應的各部分教學內(nèi)容，如基于遺傳算法的函數(shù)極值優(yōu)化方法是對遺傳算法知識的鞏固和加強，水箱供水模糊控制方法是采用模糊控制理論實現(xiàn)控制設計，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的函數(shù)逼近設計是對神經(jīng)網(wǎng)絡知識的學習過程。可以說，課程設計的題目緊跟教材，不脫離教材，但又比教材的難度要大，難點要多、要具體。

2 課程設計的現(xiàn)有問題

2.1 理論性太強，且較為深奧

由于智能控制課程課時量相對較少，而理論知識較多，覆蓋面涉及多個學科，像神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制、仿人人工智能等都是單獨的一門專業(yè)課程，現(xiàn)在通過短短的幾十個學時把這些知識講透徹是不可能的。同時，在進行本科生教學時，難以找到合適的教材，很多智能控制教材是針對博士生、碩士生的研究生教材，此類教材多注重理論公式的推導，具體的實例較少，較為簡單，概念很抽象，課程各分支之間的聯(lián)系不夠緊密。因而，智能控制課程的廣泛性就決定了各種知識學習的泛泛性，教師教學過程中感覺難度很大，學生學習也很吃力，很難理解較為深刻的理論知識。而學生的預備知識不足，對教材中的例題又不能夠很好地理解，對后續(xù)的課程設計就帶來很大的問題。而課程設計的題目又是一個具體的大問題，比教材中的例題難度要大，內(nèi)容要多，這樣學生在進行課程設計時就感覺很吃力，很難運用較為深奧的理論知識指導其具體的課程設計。甚至有的學生在進行完課程設計后連自己做的什么東西都不知道，達不到課程設計應有的效果。

2.2 教學方法單一，且缺乏變動

由于課程的特點，教師在教學過程中大多按部就班地講述教材內(nèi)容，而此類內(nèi)容多是以理論知識、概念和公式推導為主，學生在預習和復習過程中存在很多困難，導致后面的課程設計時很難將理論知識和實踐內(nèi)容聯(lián)系起來。此外，有的教師采用多媒體課件授課，課堂教學方法單一，一味地演示文稿，對復雜的知識不能夠細致地推導，缺乏與學生的互動和交流，致使教學效果難以達到理想的要求。

2.3 設計題目固定，且缺乏自主創(chuàng)新

由于教材中的例題固定，而課程設計題目多是根據(jù)例題改編，就導致課程設計的題目固定，缺乏自主創(chuàng)新。很多教師在制定好教學大綱和設計題目后，多年都不進行修訂和更新，對題目也不進行更改。就算更改，也有不少題目是換湯不換藥，內(nèi)容大同小異。這就缺乏自主創(chuàng)新性，容易脫離實際，更容易導致學生在課程設計過程中，僅僅通過參考往年的課程設計就可以完成要求，達不到應有的效果。

2.4 學生設計積極性不高，且易出現(xiàn)抄襲

由于開設課程大多是針對本科三年級或四年級的學生，很多學生課程設計積極性不高，上課聽講時也不夠認真。在設計過程中，大部分教師是對學生進行分組，每組一個大的題目進行課程設計。此舉本意是增強學生之間討論的積極性，但同時也帶來一些副作用，容易使他們相互抄襲。甚至，有的學生照搬照抄往年的課程設計，更有甚者，從網(wǎng)上下載類似的課程設計上交充當任務。

2.5 答辯環(huán)節(jié)流于形式，且學生無法提高

由于設計過程中出現(xiàn)的各種問題，在答辯環(huán)節(jié)多是走形式。對于一些復雜的問題，平時設計較為認真的學生可以較為完整地回答出來，但大部分設計不認真的學生由于種種原因不能很好地理解課程設計的題意，甚至對自己所做的內(nèi)容不了解，使得答辯質(zhì)量相對不高。在這種情況下，學生的知識提高有限。

3 課程設計教學改革的思路及措施

針對課程設計過程中出現(xiàn)的問題，結(jié)合課程特點和其他課程教學改革的優(yōu)秀經(jīng)驗，筆者提出幾點思路和措施。

3.1 精簡理論內(nèi)容，提高教學質(zhì)量

智能控制課程具有前沿性、抽象性和理論性強等特點，不適于大三的本科生，講授內(nèi)容相對廣泛。因而教師在教學過程中應該兼顧基礎知識和新興技術(shù)兩個方面，選擇合適的教材，并充分結(jié)合自身與相關(guān)研究組在智能控制方面所取得的科研成果，對教材進行細致的整理，精簡較為復雜的理論知識和大量冗余的公式，根據(jù)教學對象的特點選擇合適的理論知識進行教學，提高教學質(zhì)量。同時，教師可以查閱校內(nèi)外專家在本領(lǐng)域的報告、相關(guān)視頻材料，針對社會的需要以及學生的具體情況進行內(nèi)容篩選，加強學生的工程意識和對實際問題的認識，提高他們分析處理工程問題的能力。如對模糊控制的教學過程中，可以對模糊集合等基本的數(shù)學知識進行講解，通過實例和課堂作業(yè)鞏固學生的學習。在過渡到模糊控制的時候，要注意結(jié)合實例講解，如通過小費推理系統(tǒng)實例，講解模糊控制系統(tǒng)的設計步驟：模糊化模塊設計、規(guī)則庫的建立、推理方法的確定、精確化模塊的設計。通過形象的圖片、圖表等可以有效地加深學生的印象，這種效果比單純的公式推導要強得多。

3.2 增加實例分析，詳細理解實例

由于課程的特點，導致課程內(nèi)實例相對較少。教師在教學過程中應該根據(jù)課程設計的題目要求，自主創(chuàng)新，增加一些實例并進行詳細的分析，使得學生在學習過程中能夠詳細地理解實例。如在模糊控制設計中，選擇隸屬度函數(shù)時，如果教師僅僅是把各種不同隸屬度函數(shù)的公式寫出來，則顯得枯燥乏味；如果教師把各種不同隸屬度函數(shù)的圖象顯示出來，如三角函數(shù)、梯形函數(shù)、高斯函數(shù)，則效果會明顯的不同。

例如，圖1是一個兩輸入單輸出控制系統(tǒng)的輸出結(jié)果圖，從圖中可以明顯地觀察出誤差和變化量兩個輸入量對控制量的影響，根據(jù)其模糊控制規(guī)則，不同的輸入配置對輸出的影響是不同的，其控制規(guī)則可以通過規(guī)則庫來查看或者編輯。教師在這些課程實例的基礎上，應該有針對性地提示學生進行深入思考，為進行課程設計做準備。如針對圖1的例子，教師可以引導學生更改模糊規(guī)則，根據(jù)個人經(jīng)驗或者其他控制理論調(diào)整控制規(guī)則，觀察控制結(jié)果的不同，以達到鞏固知識的目的。

圖1 兩輸入單輸出控制結(jié)果示意

3.3 強化實驗指導，注重示范作用

在課程的實驗過程中，教師應該注重示范作用，對每一個實驗，應該有一個類似的演示例題，給學生加深印象。在實驗過程中，教師應該注意觀察學生的實驗過程，針對其出現(xiàn)的問題進行針對性的指導，及時地分析問題、解決問題，鍛煉學生的實踐能力。在后續(xù)的課程設計過程中，教師應該加強實踐指導，指導學生對課程設計的題目進行仔細的分析，理解題意，并根據(jù)題意進行相關(guān)的設計。

表1是筆者在教學過程中設計的課程實驗項目的設置和內(nèi)容。這些實驗中，實驗一是對模糊控制理論的應用學習，實驗二是對神經(jīng)網(wǎng)絡知識的直觀表述，實驗三是對遺傳算法理論的映像，實驗四是對故障分類方法的前期知識積累。通過這些實驗，可以鞏固相應的專業(yè)知識，增強學生對相應知識的理解過程。同時，可以進一步提高學生的理論層次，增強學生的動手實踐能力，增強教學效果。

3.4 改革教學方法，豐富設計手段

在教學過程中，教師應該充分利用多媒體課件，但也不能僅局限于多媒體課件，可以采用啟發(fā)式、討論式教學方式，將講授法、實驗法、自學指導法、討論法、實例教學法等優(yōu)化組合，充分利用板書、錄像、投影、計算機等媒體，啟發(fā)學生的思維，調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生正確分析問題、解決問題和自主學習的能力，注重學生的個性發(fā)展，由以傳授知識為主變?yōu)橐耘囵B(yǎng)學生能力為主。

在教學過程中，可以鼓勵學生查閱相關(guān)的科技文獻并進行學習，鼓勵學生針對學習的科技文獻進行思考和討論。筆者在進行神經(jīng)網(wǎng)絡教學過程中，鼓勵學生查找關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分類、曲線擬合、趨勢預測等多種用途的文獻，并組織學生討論，取得良好的教學效果。可見，學生的主動性在學習過程中發(fā)揮著重要的作用。同時，在教學過程中教師可以嘗試采取英語教學為輔的雙語教學，對一些關(guān)鍵詞用英語解釋，適當推薦一些英文參考書和資料，讓學生能夠直接接觸國外文獻資料，加深對課堂教學內(nèi)容的理解和掌握，可以更好地了解該學科的前沿動態(tài)。

在課程設計題目的選擇方面，教師應該克服一勞永逸的心理，根據(jù)需要及時地調(diào)整課程設計題目和要求，增強創(chuàng)新性。如模糊控制相關(guān)的課程設計部分，可以調(diào)整模糊控制的對象，如家用洗衣機、水箱、熱水冷水、車輛駕駛、機車控制等；也可以針對同一個控制對象，提出不同的控制要求，如針對家用洗衣機控制系統(tǒng)，可以選擇不同的輸入量控制不同的輸出量，如三輸入單輸出控制、四輸入雙輸出控制；還可以針對同一個控制對象調(diào)整不同的控制參數(shù)，如對車輛駕駛控制系統(tǒng)，可以調(diào)整控制規(guī)則要求，更改隸屬度函數(shù)要求。這些創(chuàng)新性的更改，都可以調(diào)動學生的學習積極性，鼓勵學生的自主創(chuàng)新性，督促其完成相應的課程設計過程，豐富課程設計的手段。

3.5 注重答辯環(huán)節(jié)，提前準備內(nèi)容

答辯環(huán)節(jié)是對課程設計的一個總結(jié)和檢驗，是衡量學生課程設計完成度的一個標準。答辯的好壞，反應了學生對課程設計內(nèi)容的掌握程度。為了能很好地完成答辯，就需要學生在設計過程中認真學習，對答辯中可能詢問到的知識點進行鞏固掌握，對設計的內(nèi)容做到了然于胸。答辯環(huán)節(jié)不能流于形式，教師應該指導學生認真完成課程設計任務書的撰寫，對任務書的格式、內(nèi)容進行仔細的檢查，必要時可以進行預答辯環(huán)節(jié)，考核學生對課程設計的完成程度。通過預答辯，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，對不認真進行課程設計的學生加強指導，督促其完成要求的任務。

表1 智能控制部分實驗項目

4 結(jié)語

智能控制是近20年來發(fā)展的新興學科，涉及的內(nèi)容較多，包含模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制系統(tǒng)、仿人智能控制和遺傳算法等智能控制技術(shù)。智能控制課程設計是智能控制課程的一次實踐過程，是對課程知識的鞏固和加強。針對課程設計中出現(xiàn)的問題，如理論性太強、教學方法單一、設計題目固定、學生設計積極性不高、答辯環(huán)節(jié)流于形式等，論文從幾個方面提出一些對應的措施。通過精簡理論內(nèi)容、增加實例分析、強化實驗指導、改革教學方法、注重答辯環(huán)節(jié)等方式，完善課程設計過程，提高教學質(zhì)量。

[1]蔡自興,肖曉明,蒙祖強,等.樹立精品意識，搞好人工智能課程建設[J].中國大學教學,2004(1):28-29.

[2]羅兵,甘俊英,張建民.智能控制技術(shù)[M].北京:清華大學出版社,2011.

[3]師黎,姚利娜,萬紅.智能控制基礎雙語教學的實踐教學研究[J].高教探索,2007(6):88-90.

[4]李擎,蘇中,李鄧化.智能科學與技術(shù)專業(yè)建設的規(guī)劃與思考[J].清華大學教育研究,2008(S1):21-25.

[5]孔祥強,李瑛,楊前明.太陽能熱泵系統(tǒng)綜合實驗臺的研制[J].實驗室研究與探索,2010,29(6):18-21.

[6]陳愛斌,肖曉明,魏世勇,等.智能控制的學科發(fā)展與學科教育[J].現(xiàn)代大學教育,2006(3):102-105.

Educational Reform Research on Intel ligent Control Curriculum Design//

Liu Wenyi1, Wang Xi2

Intel l igent cont rol cur riculum design is a pract ice process for the cor responding curriculum, and strengthening and consolidation for curriculum knowledge. The purpose of the design is to summarize and check the teaching and learning effect, to raise the theoretical ability of the curriculum knowledge, to make the student be familiar with intel ligent control knowledge and methods. However, for some reasons such as only one week design time, theoretical knowledge too deep and the curriculum is too dif ficult, there exist some problems in the curriculum design. This paper discussed the content characteristic of the intel ligent control curriculum design and the problem in detail. Then some corresponding suggestions such as simplify theoretical content, increase example analysis, st rengthen experiment guidance, reform teaching method and pay at tention to answer l ink, etc..

curriculum design; intel l igent cont rol; educational reform; teaching method

G652

B

1671-489X(2012)21-0039-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.21.039

*本文受江蘇師范大學博士學位教師科研支持項目（11XLR15）支持。

作者：劉文藝，博士，碩導，研究方向為智能診斷方法及智能控制技術(shù)。