面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智能控制課程教學(xué)改革

周紅標(biāo)

作者簡介：周紅標(biāo)（1980-），男，漢，江蘇揚(yáng)州人，碩士，講師，淮陰工學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，研究方向：污水處理過程智能控制。

摘要：智能控制課程是自動(dòng)化專業(yè)本科生新開設(shè)的一門專業(yè)課程，為了適應(yīng)“雙創(chuàng)”新形勢下學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，本文首先明晰了課程定位，并指出課程教學(xué)存在的問題。然后從基礎(chǔ)理論知識(shí)的夯實(shí)、研究熱點(diǎn)的追蹤、“人機(jī)交互”實(shí)踐教學(xué)模式的引入和“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”課程考核方式的開展四個(gè)方面闡述智能控制課程改革應(yīng)采取的措施。最后結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，表明了新教學(xué)方法不僅能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，而且有助于學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培育。

關(guān)鍵詞：智能控制；創(chuàng)新能力；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-9214（2016）10-0259-02

一、緒論

創(chuàng)新關(guān)乎到我們國家經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)新能力培養(yǎng)業(yè)已成為高等教育教學(xué)過程中的首要目標(biāo)，也是高校提升核心競爭力，提升學(xué)生就業(yè)數(shù)量和質(zhì)量的重要途徑之一[1]。智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，是一門新興交叉前沿學(xué)科，涵蓋了控制論、人工智能和信息論等多門學(xué)科。智能控制是智能和控制的結(jié)合，主要用來解決傳統(tǒng)控制方法無法解決的復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制問題[2]。因此，智能控制體現(xiàn)出了前所未有的巨大研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。目前理論授課內(nèi)容較為保守、教學(xué)方法較為單一、課程考核方式較為傳統(tǒng)，已不能滿足新形勢下學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求。以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，以最新智能控制方法為手段、以科研任務(wù)為驅(qū)動(dòng)的智能控制課程教學(xué)改革已迫在眉睫。本文將從課程定位、課程教學(xué)存在的問題和課程改革措施三個(gè)方面分別進(jìn)行闡述。

二、智能控制課程定位

智能控制課程是自動(dòng)化、電氣工程、智能科學(xué)等專業(yè)的一門重要專業(yè)拓展課程，課程理論性強(qiáng)、涉及面廣，涵蓋了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能優(yōu)化等內(nèi)容，是一門集理論研究和工程實(shí)踐于一體的前沿性和綜合性課程[2]。智能控制課程的定位就是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠了解智能控制課程體系的構(gòu)成、理論發(fā)展的前沿動(dòng)向、工程實(shí)踐中的典型應(yīng)用，掌握智能控制的基本概念、基本算法，掌握智能控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本方法，并能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題[4]。

三、智能控制課程教學(xué)存在的問題

智能控制課程是自動(dòng)控制課程的延續(xù)，目前在教學(xué)過程中大多數(shù)采用類似自動(dòng)控制課程的教學(xué)模式。因此，智能控制課程在理論授課、實(shí)踐教學(xué)和課程考核等方面存在諸多問題。一是課程體系覆蓋面廣，內(nèi)容繁多，理論授課時(shí)想“眉毛胡子一把抓”，只能是“顧此失彼”。二是研究熱點(diǎn)層出不窮，存在教師自身專業(yè)知識(shí)跟不上的可能。三是“一臺(tái)計(jì)算機(jī)包打天下”的想法仍然是主流，與工程實(shí)踐脫離嚴(yán)重。四是一張?jiān)嚲矶ㄉ?，這不可避免地扼殺了學(xué)生的創(chuàng)造力和現(xiàn)象力。

四、智能控制課程改革措施

（一）強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，夯實(shí)理論基礎(chǔ)

智能控制課程一般在大學(xué)三年級(jí)實(shí)施，學(xué)生應(yīng)具備電工電子、自動(dòng)控制、MATLAB編程等基本理論知識(shí)和上機(jī)編程能力。智能控制課程理論知識(shí)具有前沿性、抽象性和理論性強(qiáng)的特點(diǎn)[5]，學(xué)生往往不能夠在課堂上及時(shí)消化吸收教學(xué)內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性降低。教師應(yīng)該強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)。下面以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分為例來進(jìn)行闡述。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和非線性映射能力和容錯(cuò)性，能夠較好地解決具有不確定性、嚴(yán)重非線性、時(shí)變和滯后的復(fù)雜系統(tǒng)的建模和控制問題。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型繁多，主要包括前饋BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反饋Hopfield網(wǎng)絡(luò)、局部逼近RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)類型給課堂教學(xué)帶了難度。作為面向本科生的拓展課程，教師應(yīng)適當(dāng)刪減難度較大的教學(xué)內(nèi)容，將前饋BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為最核心的基礎(chǔ)知識(shí)傳授給學(xué)生。注重核心內(nèi)容的公式推導(dǎo)，將學(xué)生的理論基礎(chǔ)夯實(shí)。因?yàn)?，離開了公式推導(dǎo)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制將變成“無源之水，無本之木”，將嚴(yán)重影響學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（二）瞄準(zhǔn)研究熱點(diǎn)，凸顯創(chuàng)新理念

控制科學(xué)以瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)的飛球調(diào)速器為開端，歷經(jīng)了以Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)、Evans根軌跡法為代表的經(jīng)典控制和以狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制為代表的現(xiàn)代控制兩個(gè)矚目的發(fā)展階段，目前正處于智能控制發(fā)展期。智能控制研究熱點(diǎn)內(nèi)容較多，比如自適應(yīng)模糊控制、變論域模糊控制、神經(jīng)元PID控制、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、群智能優(yōu)化控制等。在智能控制教學(xué)過程中，要抓住當(dāng)前研究熱點(diǎn)，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新理念。下面還是以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制為例來說明。

在智能控制早期，模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有著廣泛的應(yīng)用。模糊控制器隸屬函數(shù)的生成、調(diào)整以及模糊規(guī)則的制定主要需要依靠領(lǐng)域?qū)＜一颥F(xiàn)場熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)能力，可以彌補(bǔ)模糊系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力的不足。后來發(fā)展的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)吸取了模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩者的長處，能夠自適應(yīng)地調(diào)整隸屬函數(shù)參數(shù)和在線優(yōu)化控制規(guī)則，能夠獲得比單獨(dú)模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制更好的控制性能。目前，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可在線優(yōu)化的自組織模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究熱點(diǎn)，課堂教學(xué)時(shí)候可引入典型案例適當(dāng)講解，目的就是培育學(xué)生創(chuàng)新理念。

（三）引入“人機(jī)交互式”實(shí)踐教學(xué)模式

對(duì)智能控制課程的深入理解離不開實(shí)踐教學(xué)，高校一般都購置MATLAB仿真軟件，建設(shè)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室。但是，僅在計(jì)算機(jī)上利用仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，往往不能夠取得預(yù)期的教學(xué)效果，主要是因?yàn)閷?shí)際被控對(duì)象的建模較為困難。在MATLAB仿真平臺(tái)上，只能對(duì)工業(yè)過程簡化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了克服實(shí)踐教學(xué)資源不足的問題，應(yīng)合理利用學(xué)校的現(xiàn)有儀器設(shè)備，比如自動(dòng)控制專業(yè)的過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置、新能源發(fā)電系統(tǒng)、測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱以及機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)的數(shù)字化機(jī)械制造系統(tǒng)等。將MATLAB仿真軟件、控制對(duì)象的專用軟件和被控對(duì)象三者之間的信息通道打通，構(gòu)建“人機(jī)交互式”的智能控制課程實(shí)踐教學(xué)模式。筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了白酒釀造溫濕度測控系統(tǒng)，采用ARM核心的單片機(jī)開發(fā)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置，采用LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)虛擬監(jiān)控平臺(tái)，采用MATLAB構(gòu)建基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法，并將算法無縫集成到LabVIEW當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵數(shù)據(jù)感知和溫濕度解耦控制，極大地拓展了實(shí)踐教學(xué)方式，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)智能控制基本概念的理解，提高了學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

（四）引入“任務(wù)驅(qū)動(dòng)型”考核方式

目前，智能控制課程的考核仍然是以傳統(tǒng)的試卷考核方式為主。雖然試卷內(nèi)容越來越傾向于主觀題，不在囿于公式的推導(dǎo)和計(jì)算，但是以試卷打分的考核方式嚴(yán)重制約了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展，將學(xué)生對(duì)智能控制的理解局限在一張?jiān)嚲矸秶鷥?nèi)。據(jù)筆者了解，大多數(shù)學(xué)生都是依靠考前三天突擊，死記硬背考試要點(diǎn)通過考試。更有甚者，在有關(guān)控制課題的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，連基本的智能控制的概念和方法都不知曉，更別談了解國內(nèi)外的最新發(fā)展趨勢以及在畢業(yè)課題中靈活運(yùn)用最新的控制方法。

因此，筆者認(rèn)為應(yīng)引入“任務(wù)驅(qū)動(dòng)型”考核方式替代傳統(tǒng)的試卷考核方式。通過組建課題組，組織任課教師，深入駐地的企事業(yè)單位，尋找實(shí)際工程中遇到的控制難題，擬定合適的科研課題。學(xué)生組建課題小組，在理論和實(shí)踐教學(xué)過程中，團(tuán)結(jié)協(xié)作地完成既定的科研課題任務(wù)。教師打分時(shí)，應(yīng)綜合考慮學(xué)生平時(shí)理論授課、實(shí)踐操作和科研課題的完成情況。這不僅有利于學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以及團(tuán)隊(duì)精神的形成，而且可以解決工程實(shí)際難題，為學(xué)生今后的創(chuàng)業(yè)鋪下一條寬闊的發(fā)展之路。筆者所帶的2013屆本科畢業(yè)生李珊同學(xué)在大一伊始就加入科研團(tuán)隊(duì)，畢業(yè)論文《基于電子舌的白酒品質(zhì)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》獲省優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)，這也得益于“任務(wù)驅(qū)動(dòng)型”培養(yǎng)模式，促使該生更好、更快地發(fā)展，也為她如今的成功創(chuàng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語

學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)并不是一句口號(hào)，需要教育戰(zhàn)線全體師生和工作者默默無聞的辛勤培育。本文在當(dāng)今“大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)”的時(shí)代背景下，探索面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智能控制課程教學(xué)改革。首先明晰了智能控制課程的定位，然后指出了課程教學(xué)存在的問題，最后從理論知識(shí)基礎(chǔ)的夯實(shí)、研究熱點(diǎn)的追蹤、“人機(jī)交互”實(shí)踐教學(xué)模式的引入和“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”課程考核方式的開展四個(gè)方面詳細(xì)闡述了智能控制課程改革應(yīng)采取的措施。需要指出的是，智能控制課程的改革還可以從雙語教學(xué)、精品課程建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)等方面尋找突破口。需要強(qiáng)調(diào)的是，國家的發(fā)展離不開“雙創(chuàng)”帶來的強(qiáng)大動(dòng)力，學(xué)生的創(chuàng)造力將是智能控制向前發(fā)展的最大本錢。

（作者單位：淮陰工學(xué)院）

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