“智能控制”研究性課程建設探討

朱培逸 徐本連 施健

摘 要： “智能控制”研究性課程旨在將教師的科研成果分層次、分塊地融入到原有課程知識體系之中，通過采用探究式、討論式、專題式、成果展示式等多種教學方式，將智能控制研究領域最新的成果有效地轉(zhuǎn)化為教學資源。課程建設過程中注重學生的實踐與動手，圍繞“理論、實驗、課題項目”進行一體化設計，提升了課程內(nèi)涵，提高了學生學習智能控制的興趣，提高了學生研究問題的能力和創(chuàng)新意識，為學生后續(xù)實際工程實踐打下堅實的基礎。

關鍵詞： 研究性課程； 智能控制； 教學研究； 工程實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）02-57-02

Construction and exploration on research curriculum intelligent control

Zhu Peiyi， Xu Benlian， Shi Jian

（School of Electrical and Automation Engineering， Changshu Institute of technology， Changshu， Jiangsu 215500， China）

Abstract： The research curriculum is aimed at integrating the teacher's scientific research into a customary knowledge system with hierarchical and different module. The latest intelligent control research achievement is transferred into the teaching resources effectively by adopting enquiry-based， discussion-based， project-based and display-based teaching approaches. The students' practical ability is focused on in the teaching process. Concentrating on "theory， experiment， research project"， the curriculum is designed to arouse the students' interest in learning， enhance the connotation of curriculum and improve the students' ability of research problems and innovation consciousness. It lays a solid foundation for subsequent engineering practice.

Key words： research curriculum； intelligent control； teaching research； engineering applications

0 引言

研究性教學就是引導學生在一定的情境中，通過主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題而獲得知識、形成能力、發(fā)展個性的教學方法。它的實質(zhì)就是讓學生在教學過程中體驗科學原理的發(fā)現(xiàn)和應用科學原理解決實際問題等不同類型的研究過程[1]。早在2005年，在《教育部關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》 中明確提出了“積極推動研究性教學，提高大學生的創(chuàng)新能力”的要求[2]。如何在專業(yè)課程教學中實施研究性教學，提高本科生的科學研究能力，是高校理工科教學改革面臨的重要課題[3-5]。

“智能控制”是我校一門理論性與應用性結合非常強的專業(yè)課程，它不僅涉及自動化技術，同時與計算機科學技術、數(shù)學等學科門類交叉[6]。作為應用型本科高校，我們將該課程直接面向自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器、機械制造及自動化等本科生和碩士研究生，在注重理論知識傳授的同時，直接面向具體工程應用實例。通過雙語研討式教學方式，以項目應用為紐帶，闡述模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、智能計算在工程中的應用與原理，讓學生直接感觸理論對應用的支撐，應用需要理論指導這一基本工程邏輯。

1 研究性課程設計理念

“智能控制”研究性課程旨在將教師的科研成果分層次、分塊地融入到原有課程知識體系之中，通過采用探究式、討論式、專題式、成果展示式等多種教學方式，將智能控制研究領域最新的成果有效地轉(zhuǎn)化為教學資源，它不僅可以提高學生學習的興趣，而且更有利于課程內(nèi)涵提升。較一般的課程更強調(diào)教學的研究性和有效性，是一種強調(diào)以學生為主體，注重過程教學的開放式教學方式，教學團隊將結合自身及國內(nèi)外學者在智能控制領域的最新研究成果和教學思想確定課程內(nèi)容，課程采用先進的知識內(nèi)容和分析方法，采用英文教材，實行雙語教學，動態(tài)地補充和更新教學內(nèi)容。在教學過程中充分展示創(chuàng)新給智能控制帶來的無窮生命力，同時創(chuàng)造多機會來培養(yǎng)和激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，例如實驗教學、課程的小論文、學術論壇和綜合設計等，提高他們的綜合科學素質(zhì)以及在工程實踐中分析、解決實際問題的能力。重視理論教學和實踐教學的結合，突出實踐性教學的時效性和可觀測性，在課程內(nèi)增加討論課，增加小設計和小論文，充分激勵學生探索和研究的熱情，讓學生學會科學研究的方法，把能力的培養(yǎng)落在實處。

2 研究性課程理論教學

2.1 課程定位

針對我校本二學生實際和自動化專業(yè)對該領域知識的基本要求，本課程的基本定位如下。

⑴ 理論引入與應用感受相并重。為此，在課程安排時，將理論與實驗課時安排相等，讓更多學生通過相應的實踐鍛煉來體會人工智能技術的奧妙。

⑵ 科研最新成果及時向教學資源轉(zhuǎn)化。對于“智能控制”的三大知識模塊，均有不同程度的研究成果轉(zhuǎn)化成相應的教學資源，如群智能在圖像信息處理中的應用、模糊控制在倒立擺控制中的應用等等。

⑶ 教學方法與手段與教學內(nèi)容同步更新。研究性課程的一個重要特征是教學內(nèi)容的不斷更新，為此，課程組一直致力于研究行之有效的雙語教學手段。以調(diào)動學生學習興趣為目標，做好成果展示、課題研討、自我實現(xiàn)的三段教學新方法。

針對上述課程定位，我們確定了課程建設最終形成的目標：按照研究性雙語課程要求與規(guī)律進行全面設計與整體建設；自主出版一套符合我校學生實際的英文版“智能控制”教材；通過豐富的實驗科研項目，讓學生通過自主學習方式體驗人工智能技術及其新進展；融合科學與科研團隊，實現(xiàn)教師培養(yǎng)與學生培養(yǎng)雙贏。

2.2 課程重難點及解決思路

教學內(nèi)容組織方式上主要采取“三個相結合”，即理論與實際相結合、課堂教學與實驗室教學相結合、常規(guī)課堂教學與現(xiàn)代教育技術相結合，體現(xiàn)“讓學生在系統(tǒng)中學習系統(tǒng)”的教學。智能控制的重點主要圍繞模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、進化計算三大塊展開系統(tǒng)地理論與實踐并重雙語教學。要求學生重點掌握如下內(nèi)容。

第一模塊主要圍繞模糊控制中模糊集合與模糊關系，模糊邏輯與模糊推理及其應用。

第二模塊主要圍繞基本的神經(jīng)網(wǎng)絡類型結構，監(jiān)督式與非監(jiān)督式神經(jīng)網(wǎng)絡的學習算法及其應用。

第三模塊主要圍繞進化計算中遺傳算法，蟻群算法和粒子群算法，講述這些算法的原理及其應用思想。

該教學思想是通過本課程的學習，不僅掌握三個模塊知識，而且還能將三大模塊知識合成一個體系或系統(tǒng)，使學生全面掌握“智能控制與系統(tǒng)”這一自動化專業(yè)的精髓，既樹立“智能”理念，又能培養(yǎng)具有“系統(tǒng)”理念，能將智能控制技術應用在生產(chǎn)過程控制、運動控制等領域，且應用得好。

“智能控制”課程的難點在于模糊推理的方法、模糊控制器的設計、監(jiān)督式神經(jīng)網(wǎng)絡學習原理、遺傳算法原理和蟻群算法原理、各種智能控制器設計及其應用。智能控制多為仿生或擬人控制，其控制機理存在于自然界和生物界。因此，對各種控制機理的介紹要從有趣的生物和自然現(xiàn)象入手，引人入勝地介紹智能控制原理。通過深入淺出、形象比喻、并結合多媒體技術進行講解。

針對課程的重點和難點問題，首先在備課時對重點和難點內(nèi)容做到心中有數(shù)，在講授時花較多的時間以較慢的節(jié)奏進行重點介紹與討論，提醒學生把注意力集中在這些問題上，并特別關注學生對問題的理解情況。其次在課堂上進行啟發(fā)式、研討式，并布置課外思考題，引導學生把復習重點放在重點和難點內(nèi)容上，有針對性地建議學生訪問與本課程配套使用的智能控制網(wǎng)絡課程。同時加強實驗課和綜合設計環(huán)節(jié)，對重點和難點內(nèi)容進行實踐，加深對相關內(nèi)容的理解。要經(jīng)常了解與收集學生對重點和難點內(nèi)容的聽講意見，及時進行答疑，必要時在課堂上進行集體解答與討論。

3 研究性課程實踐教學

3.1 實踐教學的設計思想

“智能控制”課程實踐性教學的主要目的是使學生通過實驗，發(fā)揮主動性，研究探討智能控制系統(tǒng)的運行和實現(xiàn)過程，提出思路并積極驗證和探索自己的思路，從而更好地理解人工智能，培養(yǎng)學生的理論聯(lián)系實際能力和創(chuàng)新能力，逐步培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力。

實踐性教學的設計思想我們歸納為四個體現(xiàn)。

⑴ 理論性：通過基礎驗證性實驗讓學生加深對理論的理解。如實驗內(nèi)容包含模糊控制系統(tǒng)的推理。

⑵ 系統(tǒng)性：通過綜合設計性實驗讓學生加深對控制系統(tǒng)的理解。開設的系統(tǒng)實驗有：溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。

⑶ 研究性：通過激勵式鼓勵教師將最新的研究成果引入實踐教學中，讓學生體驗新技術帶來的樂趣，如將蟻群算法應用在生物信息圖像處理與信息融合領域。

⑷ 工程性：讓學生在一個與工業(yè)生產(chǎn)實際相符合的環(huán)境下完成實踐環(huán)節(jié)，從而增強學生的工程實踐能力，如模糊控制技術在機器人避障中的應用。

通過實踐性教學的這四個體現(xiàn)，學生不僅有相對扎實的智能控制知識，而且還具備一定的智能控制思想并應用至具體控制對象設計中去。

3.2 實踐教學的設計與實驗內(nèi)容安排重點

課程設計與實驗是智能控制教學任務的重點與難點，在抓住主要三大知識模塊的基礎上，經(jīng)過多年教學經(jīng)驗和將來學生從事工作實際，在課程設計與實驗的內(nèi)容安排上注重以下幾點。

⑴ 貼切應用。實踐內(nèi)容的安排絕大多數(shù)來自生活或生產(chǎn)中遇到的實際問題，通過建模、方案設計、實驗、調(diào)試，逐步驗證方法的正確性等等，讓學生從系統(tǒng)中學會了應用，從應用中找到人工智能應用的強大功能。

⑵ 貼切學生實際。針對本二學生，所關心的重點是如何將理論轉(zhuǎn)化成實際的效果。在實踐內(nèi)容安排上，強調(diào)的是目標實現(xiàn)，而不是問題的優(yōu)化，讓絕大多數(shù)學生能完成實踐任務與目標，從實踐中體驗知識帶頭的快樂。

⑶ 一切圍繞“問題”。教師在問題中教學，學生在問題中學習，尋找學習與實踐的交叉點，通過研討和分組，讓學生根據(jù)興趣自主選擇實踐項目。

⑷ 豐富與不斷更新實踐項目。通過將研究成果轉(zhuǎn)化教學資源，不斷更新實踐教學資源，目標保持至少10個以上實踐項目供學生自主選擇。

4 研究性課程教學方法與教學手段改革

4.1 教學方法改革

本著因材施教的教學方針，我們積極引入靈活的教學方法，如探究式、討論式、專題式、成果展示式等教學方法，充分激發(fā)了學生求知的潛能和學習的主體作用。結合專業(yè)特點，選用國外知名大學英文原版教材和自己編寫的智能控制基礎教材相結合，進一步豐富課程內(nèi)容。適當增加討論課，提倡小設計和小論文，充分激勵學生探索和研究的熱情，讓學生學會科學研究的方法，提高解決問題的能力；實踐教學的設計思想始終貫徹理論聯(lián)系實際、重視實踐、激發(fā)學生創(chuàng)新熱情的指導方針，自行開發(fā)與引進實驗裝置相結合，提供基礎性、綜合性和創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容。為學生創(chuàng)造良好的實驗條件，鼓勵學生自主開發(fā)智能控制系統(tǒng)，獨立完成設計、控制與研究，并驗證其效果。

4.2 教學手段改革

采用“多媒體投影+黑板”的技術手段加速了課程內(nèi)容的呈現(xiàn)，提高了課堂講解的表現(xiàn)力，如：針對該課程內(nèi)容難度大，信息涵蓋量大，知識面廣的特點，充分發(fā)揮現(xiàn)代教育技術的優(yōu)越性，課堂授課方法以多媒體課件為主，實現(xiàn)圖、文、聲、像并茂的視聽一體化教學，并與傳統(tǒng)教學手段有機組合，讓學生共同參與教學的全過程。網(wǎng)絡教學平臺有效地支持了自主性學習，如：雙語課程網(wǎng)站提供了智能控制課程豐富的教輔資源，網(wǎng)絡多媒體課件及學術論壇為學生提供交互式學習平臺，使學生能夠在課堂學習、答疑、自由論壇等各個環(huán)節(jié)密切配合，有效地支持了學生自主性的學習。同時，利用多媒體課件可以做到教學資源共享，便于教師之間彼此交流教學經(jīng)驗。

5 結束語

智能控制是一門具有較強理論綜合性和實踐性、學科交叉及應用廣泛的專業(yè)課程。深度發(fā)掘?qū)W生的自主學習與創(chuàng)新意識，對自動化等專業(yè)智能控制課程研究性教學從課程設計理念、理論教學改革、實踐教學改革以及教學方法與教學手段改革等四個方面進行了具體的實踐探索，取得了一定效果。通過研究性教學，逐步培養(yǎng)學生的主動學習的意識和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)研究精神，鼓勵研究熱情，引導學生逐漸積累專業(yè)知識，解決實際問題，達到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目的。但是智能控制課程的開設一般都選擇在大四上學期，如何有效激起所有同學的學習興趣，以及分層次、分專業(yè)背景的授課方式將是本課程未來所研究的主要內(nèi)容。

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