自動化專業(yè)選修課教學的改進和實踐

樊 淵

自動化專業(yè)選修課教學的改進和實踐

樊 淵

自動化作為一門理論與實踐緊密聯(lián)系的學科，其專業(yè)選修課擔負著學生基礎知識進階和綜合能力培養(yǎng)的任務，其教學方法的改進對實現(xiàn)培養(yǎng)目標具有重要作用。以安徽大學為例，提出了自動化專業(yè)選修課的教學內(nèi)容應注重跟蹤前沿知識，突出應用背景。教學過程中應善于利用物理系統(tǒng)和仿真平臺相結合來向學生展示傳統(tǒng)控制方法與先進控制方法的聯(lián)系與區(qū)別。課程考核可通過開展多樣化的實驗和項目設計來檢驗學生的學習效果。

自動化專業(yè)選修課；教學方法；教學改革

最優(yōu)控制、智能控制、系統(tǒng)辨識等課程是自動化學科專業(yè)課的重要組成部分，是對自動控制原理、現(xiàn)代控制理論和計算機控制等專業(yè)基礎課的進階和補充［1］。為了拓展學生知識面，深化學生對控制科學的理解，最優(yōu)控制、智能控制、系統(tǒng)辨識等課程作為自動化專業(yè)選修課已在安徽大學高年級本科生中開設了多年。前幾年，教學工作主要以課堂講授理論知識為主，考核方式均采用傳統(tǒng)閉卷考試。然而，與自動控制原理和現(xiàn)代控制理論等專業(yè)基礎課相比，專業(yè)選修課中包含了很多新的概念、計算方法和推理法則，以及一系列不同的控制律設計方法等。在課程內(nèi)容上，尤其是極小值原理、模糊集合和模糊推理、線性最優(yōu)估計等內(nèi)容較為抽象，其相關概念和推導方式理解起來并不容易。在授課過程中，學生缺乏對理論知識的直觀印象，接受知識較緩慢。另外，在課上和課下缺乏互動討論環(huán)節(jié)，學生參與度低?？梢姡酝慕虒W工作缺乏合理的課程內(nèi)容、教學方法、考核方式，進而導致學生學習興趣不高，教學效果不佳。針對上述問題，安徽大學近年來對自動化專業(yè)選修課教學進行改革，通過課堂演示和課下實踐環(huán)節(jié)引入仿真平臺和實驗平臺，大大提高了學生的參與程度和互動積極性；通過課程設計替代傳統(tǒng)考試來檢驗學生的學習成績，取得了較好的教學效果。

一、教學內(nèi)容和教學方法的改進

最優(yōu)控制、智能控制、系統(tǒng)辨識等課程作為安徽大學自動化專業(yè)高年級本科生選修課，安排在自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、計算機控制課程之后。這些選修課包含了較多新的理論和方法，有些內(nèi)容對學生的數(shù)學基礎尤其是對抽象概念的理解有較高要求，如極小值原理、貝爾曼動態(tài)設計、模糊關系、模糊邏輯和推理、最小二乘法等較為晦澀難懂［2］。為了幫助學生理解相應概念和方法，提高學習效果，對教學內(nèi)容和教學方法的優(yōu)化顯得尤為重要。安徽大學在課程教學過程中引入了一些課本上沒有的新內(nèi)容，采用生動且有新意的教學方法來吸引學生學習興趣，激發(fā)學生學習主動性，取得了較好的效果。

（一）跟蹤行業(yè)和科研前沿

自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標是造就一批高素質的科研人才和專業(yè)技術人才。自動化專業(yè)高年級本科生已經(jīng)完成了一系列的專業(yè)基礎課程學習，因此開設的專業(yè)選修課應做到讓學生了解更多的本專業(yè)前沿知識、應用領域和發(fā)展前景，增強學生學好專業(yè)知識的自信心。同時，在一定程度上承擔起培養(yǎng)學生綜合能力的任務。在教學過程中，應突出知識的專業(yè)性和應用性，為學生就業(yè)或未來繼續(xù)深造打下一定基礎，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和綜合分析能力。安徽大學自動化專業(yè)選修課開設在大四第一學期。此前學生已經(jīng)學習了較多的數(shù)學知識，如微積分、線性代數(shù)和復變函數(shù)等課程，同時也通過計算機相關課程的學習，對計算機軟件的使用有了較多了解。由于大三階段的控制類相關專業(yè)基礎課程，如自動控制原理、計算機控制基礎、現(xiàn)代控制理論等課程的授課方式強調(diào)理論教學，容易使學生認為課程知識點陳舊、實用性差，難以跟上時代步伐。為了避免這些問題的產(chǎn)生，在專業(yè)選修課教學中，注重介紹當前工業(yè)領域中使用到的最優(yōu)控制、模糊控制和系統(tǒng)辨識技術，并結合介紹日常生活中的實例，如模糊控制電飯煲、洗衣機等工作原理，采用數(shù)據(jù)表、圖片和視頻等形式從多角度展示實際使用效果。同時，從科研角度來看，注重介紹目前控制科學領域中國際學術界比較熱門的前沿問題，如復雜網(wǎng)絡化系統(tǒng)的最優(yōu)控制、切換系統(tǒng)的模糊控制、混沌系統(tǒng)辨識等。讓學生分小組討論，使學生通過思維碰撞提出問題并研討解決方案，提升學生的參與意識。通過前沿內(nèi)容的介紹，不僅開拓了學生的視野，還增強了學生學好本專業(yè)知識的信心和決心，激發(fā)了學生學習的熱情和對科學研究的興趣。同時，為學生明確畢業(yè)后的發(fā)展方向，選擇合適的崗位打下了一定的基礎。

（二）突出知識的應用背景

自動化專業(yè)選修課的內(nèi)容，尤其是極小值原理、模糊邏輯、正交投影定理等相關部分比較抽象難懂，這是導致學生認為課程內(nèi)容與工程實際脫節(jié)、學習興趣不足的原因。在教學中，根據(jù)授課內(nèi)容安排了較多的對比和背景介紹環(huán)節(jié)。例如，在講授模糊集合時，首先帶學生回顧普通集合的概念和相關計算，并通過舉例反應如何將現(xiàn)實生活中模糊性的概念利用模糊集合來數(shù)學化和精確化，進而從已有的理論和生活知識逐步引導到新的模糊數(shù)學知識上；在講授模糊關系時，以數(shù)據(jù)結構課程的關系數(shù)據(jù)庫作為引申來介紹，通過對比講授兩者之間的聯(lián)系和差異，讓學生深入理解關系的數(shù)學概念并舉一反三；在講授正交投影定理時，利用幾何空間中的圖示幫助學生構建直觀的圖解模型，并介紹投影反應的空間最小距離等概念。通過對比和背景知識交互介紹，使學生更容易理解新的概念。另外，著重關注了如何把概念和計算方法運用到實踐中，利用理論知識解釋實際現(xiàn)象，并通過若干實例來展示理論內(nèi)容在工程領域中的應用，不斷引導學生思考，激發(fā)學生主動學習意識。例如，在講授模糊邏輯時，引入日常生活中存在的大量模糊性概念，展示模糊化語言在描述事物性質方面的優(yōu)勢；在講授模糊推理時，注意結合生產(chǎn)和生活中的例子來說明模糊邏輯如何通過模糊數(shù)學中定義的運算方式來精確地表達模糊系統(tǒng)的演化。這些例子涵蓋了多個學科領域，包括化工、農(nóng)業(yè)、生物、金融甚至社會學領域，大大拓展了學生的視野，激發(fā)了學生將新知識運用于生產(chǎn)和生活實踐的積極性。

（三）運用多媒體網(wǎng)絡技術和仿真實驗平臺

近年來，信息技術的發(fā)展推動了整個教育技術的革新，使教學現(xiàn)代化水平不斷提高。很多學生希望通過專業(yè)選修課的學習，了解新穎、實用的系統(tǒng)控制和建模方法，而對于具體的理論推導并不是特別關心。為了更好地引導學生學習，采用多種手段相結合，通過多實例展示更為具體的、看得見、摸得著的控制技術和建模方法。在教學中，采用板書、PPT、網(wǎng)絡資料、視頻展示等多種媒體相結合的方式來進行講解。板書著重于新概念的定義、理論推導、計算方法和定理的呈現(xiàn)，以方便學生跟上教學進度。PPT、網(wǎng)絡資料和視頻等著重于展現(xiàn)種類繁多、圖文并茂、聲像結合的教學內(nèi)容，可用來展示大量的背景知識和實例，呈現(xiàn)最優(yōu)控制、模糊控制和最小二乘辨識的應用范圍，控制和建模的實際效果等多方面的內(nèi)容。教師可以結合生動的內(nèi)容對晦澀的概念進行邊講解邊演示，提高教學效率，激發(fā)學生主動思考的積極性。

除此以外，在教學中還引入了MATLAB軟件及相關工具箱［3］。利用仿真平臺，能夠使抽象復雜的內(nèi)容變得直觀易懂，很多難以解釋的設計過程可以在MATLAB和SIMULINK中進行可視化的分析與設計，有助于學生理解和掌握教學內(nèi)容。相對于以往的控制類課程教學，在專業(yè)選修課教學中全程使用了MATLAB平臺，包括課堂教學的計算、推導環(huán)節(jié)、課后例題的求解環(huán)節(jié)等。同時在授課過程中，對于課本中的定義、定理以及有關的推導計算過程等，都會補充介紹其在MATLAB中相關的函數(shù)及使用方法。具體算例的MATLAB仿真，使得學生能夠快速、直觀地看到教學內(nèi)容的實際效果，也有利于培養(yǎng)學生應用計算機進行輔助分析和設計控制系統(tǒng)的能力。在不同的教學內(nèi)容中引入若干實際控制對象，能夠取得較好的教學效果。如倒立擺系統(tǒng)和球桿系統(tǒng)由于非線性強、耦合度高、干擾復雜，通常難以建立精確的解析模型，非常適用于在最優(yōu)控制和模糊控制中作為典型的控制對象來進行講解。在課程中根據(jù)算法需要，首先采用半機理的方法建立倒立擺系統(tǒng)和球桿系統(tǒng)的非線性數(shù)學模型；再根據(jù)最優(yōu)控制和模糊控制方法設計系統(tǒng)的控制律；然后通過MATLAB仿真來驗證算法的有效性并查看其控制效果；最后在實體倒立擺系統(tǒng)和球桿系統(tǒng)上應用控制律，讓學生觀察控制效果，判斷控制品質，并提出改進建議。仿真實驗平臺看得見、摸得著，又富于趣味性，有利于學生加深對所學內(nèi)容的理解和掌握。同時，還能通過對不同控制算法的比較，幫助學生更加深入地理解各種不同控制方法的適用范圍、使用方式和優(yōu)缺點。

二、課程考核方式的改進

以往專業(yè)課程的考核方式一直采用期末閉卷考試，但效果差強人意。有些學生雖然分數(shù)較高，但并沒有理解相關技術和方法的本質，更談不上在工程實踐中運用所學的理論和方法。近年來，通過引入仿真實驗平臺，在考核階段利用課程實驗和項目設計來替代傳統(tǒng)的考試，用于檢驗學生對專業(yè)知識的掌握及應用情況，取得了較好的效果。

（一）課程實驗

自動化專業(yè)是有著深厚工程應用背景的專業(yè)，實驗教學在課程教學中占有極其重要的地位［4］。然而，在目前自動化專業(yè)教學中，實驗和實踐環(huán)節(jié)教學存在明顯不足［5］。近年來，安徽大學采購了若干組實驗平臺，其中包括倒立擺系統(tǒng)、球桿系統(tǒng)、輪式移動機器人等。引入倒立擺系統(tǒng)和球桿系統(tǒng)，在教學過程中開展了一系列控制器設計和驗證等教學內(nèi)容。課程結束后，為檢驗學生的學習效果，將基于倒立擺系統(tǒng)和球桿系統(tǒng)的課程實驗作為考核的一部分。課程進入到學期中段后，可以開展課程實驗環(huán)節(jié)，要求學生完成倒立擺系統(tǒng)和球桿系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)分析和控制器設計等環(huán)節(jié)，并在仿真平臺和實驗平臺上一一驗證設計的控制器。平臺上均具有基于MATLAB的控制模塊，可以實現(xiàn)自行修改控制器代碼，以便于學生快速、高效地構建自己的控制算法并及時進行驗證?？己诉^程中，要求學生邊演示效果，邊解釋出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，對于出現(xiàn)的不理想情況和意外情形，給出合理的說明和優(yōu)化建議。實驗中，學生可以充分發(fā)揮想象力，廣泛參與討論。實驗結束后，要求學生將所得的數(shù)據(jù)和結果整理成完整的實驗報告。這樣的考核方式為培養(yǎng)學生解決實際問題的能力提供了有效途徑，同時也鍛煉了學生的動手能力和整理數(shù)據(jù)、撰寫文檔的能力。

（二）項目設計

自動化專業(yè)選修課與當前產(chǎn)業(yè)界和學術界的聯(lián)系比之前的控制類基礎課程更加緊密，更容易激發(fā)學生興趣［6］。因此，在考核中將小型項目設計作為一種備選方式，通過調(diào)研、分析，以及同學間的協(xié)作來幫助學生培養(yǎng)科研素養(yǎng)，提高團隊合作意識和組織協(xié)調(diào)能力?？己嗽O定的小型研究項目采用自選課題和自選研究方法的模式，不限制具體研究內(nèi)容。學生首先通過調(diào)研搜集相關資料，選定一種或一類控制對象，了解系統(tǒng)建模方法和控制方法在不同領域中的應用方式和效果。再針對具體研究問題分析可解途徑，并提出多種不同的解決方案進行論證，選擇一種最佳方案，給出該方案的具體實施過程和詳細步驟，并得出結果。最后要求學生根據(jù)所得結果分析存在的問題，提出進一步的優(yōu)化方案，完成最終的項目報告。在這種方式下，學生更愿意去思考和探索，能夠提高學生的文獻調(diào)研、方案設計、文檔和數(shù)據(jù)整理等能力，從而為學生順利完成本科畢業(yè)論文打下較好的基礎。

三、結語

自動化專業(yè)選修課教學的改進，在教學內(nèi)容上應注重結合當前工程和科研前沿知識，多介紹應用背景。在教學方法上可利用多媒體技術和仿真實驗平臺來調(diào)動學生的積極性。在考核階段可采用實驗和小型項目相結合的方式來鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。

[1]易繼鍇，侯媛彬.智能控制技術（修訂版）[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，2007：177.

[2]鞏敦衛(wèi)，李明.關于“智能控制”模糊推理部分的教學心得[J].電氣電子教學學報，2011（6）.

[3]蘇東寧，趙坤，宋方臻.MATLAB教學應重視科學計算能力的培養(yǎng)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（5）.

[4]王麗娜，潘偉.模糊控制課程實驗體系設計與實現(xiàn)[J].計算機教育，2012（18）.

[5]彭熙偉，廖曉鐘，冬雷.自動化專業(yè)課程教學改革的探索與實踐[J].中國大學教學，2016（1）.

[6]馬潔.中美名校自動化專業(yè)課程體系特色分析[J].黑龍江高教研究，2014（2）.

（編輯：劉姝）

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1673-1999（2017）07-0119-03

樊淵（1983—），男，博士，安徽大學電氣工程與自動化學院副教授，研究方向為智能網(wǎng)絡化系統(tǒng)控制和機器人控制。

2017-04-15