研究生課程“智能控制”教學(xué)改革與實踐

陳 洋， 吳懷宇， 程 磊

(武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081)

研究生課程“智能控制”教學(xué)改革與實踐

陳 洋， 吳懷宇， 程 磊

(武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081)

“智能控制”是自動化相關(guān)專業(yè)研究生的重要課程。該課程具有教學(xué)內(nèi)容繁多、理論性強、系統(tǒng)性差等特點，本文分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面對該課程進行了改革和探索。通過突出教學(xué)重點、協(xié)調(diào)基礎(chǔ)知識與前沿發(fā)展、借鑒互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢、以學(xué)生能力培養(yǎng)為中心等手段，獲得了較好的教學(xué)效果。

智能控制；教學(xué)方式；綠色通道

0 引言

普遍認為，智能控制理論是繼經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論之后的第三代先進控制理論[1]。

“智能控制”通常是自動化專業(yè)或控制類專業(yè)研究生的必修或選修課程。該課程教學(xué)內(nèi)容主要針對工業(yè)過程系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)等各類復(fù)雜系統(tǒng)中存在的非線性、不確定性、強耦合等困難提出各種特殊的控制理論和解決方法。智能控制理論與以往控制理論最大不同之點在于利用了生物和人類經(jīng)驗的提取方式和存儲方式，為此提供了一種抽象的、非精確的新型建模方式。

隨著近幾年人工智能領(lǐng)域先進技術(shù)的進步，智能控制領(lǐng)域的發(fā)展對課程教學(xué)提出了新的要求。根據(jù)近幾年對該課程的教學(xué)實踐，我們對本課程的設(shè)置與建設(shè)進行了多方面的思考和探索。

1 課程特點

1.1 教學(xué)內(nèi)容的特點

智能控制作為新一代先進控制理論，其主要特色體現(xiàn)在多學(xué)科交叉、理論性強、內(nèi)容繁多，但是系統(tǒng)性和嚴謹性還較差?？v觀國內(nèi)的“智能控制”課程的教材，主要以講授專家控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能優(yōu)化算法等內(nèi)容為主，有的教材還會介紹學(xué)習控制[2-3]。上述幾方面的內(nèi)容通常是學(xué)術(shù)界認為比較成熟的理論和方法。相比而言，還有很多正在快速發(fā)展中的智能控制技術(shù)的分支，例如迭代學(xué)習控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動控制、深度學(xué)習控制、強化學(xué)習控制等，通常沒有納入到現(xiàn)有的教材體系當中[4-6]。

由于智能控制理論的分支很多，且各自理論基礎(chǔ)差異較大，甚至各自獨立成體系，因此這種授課內(nèi)容分散的特點破壞了課程的完整性和嚴謹性，給學(xué)生的掌握也帶來了一定的困難。例如，在講授模糊控制理論時，首先必須介紹模糊數(shù)學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識，否學(xué)生根本無法理解模糊控制的實現(xiàn)過程。模糊數(shù)學(xué)與工科學(xué)生在本科階段所學(xué)的所有數(shù)學(xué)分支均有很大的不同，具有更加抽象的特點，使該課程的理論色彩更加濃厚。與此類似的是，在介紹人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論時，必須介紹人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識。該分支與模糊控制具有完全不同的建模思想。借助于控制理論將多個不同學(xué)科領(lǐng)域的知識結(jié)合在一起是“智能控制”這門課程的一大特點。

1.2 授課對象的特點

碩士研究生是本科階段學(xué)習的升華，需要在已有的基礎(chǔ)上，進一步強化專業(yè)方向和具體化研究領(lǐng)域。選修“智能控制”課程的學(xué)生通常來自不同的知識背景和專業(yè)背景，除了自動化、電子信息工程、電氣工程等專業(yè)的學(xué)生之外，還會有少量的機械電子、交通運輸?shù)认嘟鼘I(yè)的學(xué)生。而這些學(xué)生中有少部分人在本科階段可能已經(jīng)接觸過“智能控制”課程，雖然對該課程的理解非常淺顯，但已有簡單的了解和掌握。而更多的學(xué)生并沒有接觸過該課程。這種參差不齊的知識背景給授課教師帶來了困難。

根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗，實際情況中還有少量研究生選課目的過于功利化，他們只是為了完成學(xué)分任務(wù)，選修該課程時也沒有考慮自己未來可能參與的研究課題。這種不恰當?shù)膭訖C也影響了課程教學(xué)效果。

2 目前現(xiàn)狀及存在的問題

研究生教學(xué)需要培養(yǎng)具有一定創(chuàng)新能力，能夠掌握科技前沿的專業(yè)人才。針對授課對象的現(xiàn)狀，“智能控制”的教學(xué)過程需要處理好以下幾個方面的關(guān)系：

2.1 處理好本課程與相關(guān)課程的關(guān)系

“智能控制”課程在教學(xué)時要清楚教學(xué)目標。該課程主要介紹人工智能理論是如何與控制理論結(jié)合的，這里的“結(jié)合點”是關(guān)鍵，否則容易導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與“人工智能”、“自適應(yīng)控制”、“系統(tǒng)辨識”、“模式識別”等課程重復(fù)。此外，智能優(yōu)化算法也應(yīng)適當介紹，要避免與其它專門介紹優(yōu)化算法的課程重復(fù)。相關(guān)課程之間的聯(lián)系如圖1所示。

圖1 “智能控制”相關(guān)課程之間的關(guān)系

2.2 把握好課程教學(xué)重點

“智能控制”教學(xué)內(nèi)容比較多，往往分為幾個模塊。為了使學(xué)生能夠在較有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)，最大限度地深入理解并掌握智能控制的精髓，建議最好能夠精簡教學(xué)內(nèi)容，切忌過多過泛。最容易出現(xiàn)的問題便是什么領(lǐng)域的知識都涉及，可是什么都介紹不深入，學(xué)生只能了解到相關(guān)的概念和表面問題，無法對智能控制技術(shù)的實現(xiàn)方法有真正的掌握。

2.3 協(xié)調(diào)好基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科前沿

“智能控制”的基本教學(xué)內(nèi)容通常包括專家控制、模糊控制與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，不同的領(lǐng)域正發(fā)生著深刻的變化。圖2統(tǒng)計了維普中文數(shù)據(jù)庫EI收錄源期刊以“專家系統(tǒng)”、“模糊控制”、“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”為關(guān)鍵詞檢索的近十年論文數(shù)目。該圖清晰地表明了相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢?！爸悄芸刂啤闭n程教學(xué)中既要介紹經(jīng)典成熟的基本內(nèi)容，又要介紹學(xué)科發(fā)展前沿。教師選擇教學(xué)內(nèi)容時要結(jié)合學(xué)科優(yōu)勢方向和科研項目背景有選擇性和針對性地講授。

圖2 智能控制相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

2.4 利用好各類視頻公開課資源

目前國內(nèi)外高校教學(xué)方式正在發(fā)生深刻的變革，時空固定的教學(xué)方式正受到來勢洶涌的各類視頻公開課、慕課、微課堂等沖擊。其中比較有影響力的如MIT公開課、Coursera公開課、網(wǎng)易公開課等?！爸悄芸刂啤闭n程涉及的所有教學(xué)內(nèi)容不可能全部都在課堂上講授，必須充分利用現(xiàn)有公開的互聯(lián)網(wǎng)資源為學(xué)生提供更加便利的學(xué)習方式。尤其是一部分來不及在課堂上深入展開介紹的人工智能技術(shù)，學(xué)生正好可以在課后根據(jù)個人興趣去搜索相關(guān)的課程網(wǎng)站加以補充。

3 教學(xué)內(nèi)容上的改革

3.1 精簡內(nèi)容，突出工程性

從工程技術(shù)的角度出發(fā)，應(yīng)用廣泛的智能控制技術(shù)主要包括模糊控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。本課程的課堂教學(xué)宜精選具有工程應(yīng)用代表性的典型內(nèi)容作為案例重點講授。為了突出應(yīng)用性，應(yīng)弱化理論性的教學(xué)內(nèi)容而突出工程應(yīng)用的技術(shù)實現(xiàn)方法。以模糊控制為例，課程的教學(xué)最好能結(jié)合工業(yè)過程控制案例進行講解。通過從現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗中提取模糊規(guī)則，進行模糊控制，研究并建立輸入量與輸出量之間的模糊關(guān)系。然后采用輸入量的模糊化和輸出量的逆模糊創(chuàng)建與實際控制系統(tǒng)的接口，以實現(xiàn)精確控制。

3.2 仿真實驗，提升創(chuàng)新能力

除了工程應(yīng)用領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容之外，還有一部分涉及理論研究和仿真驗證的內(nèi)容。為了提高研究生的理論研究素養(yǎng)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，開展仿真實驗是非常有必要的。例如，目前四旋翼無人機的控制越來越受到人們的關(guān)注，設(shè)計相應(yīng)的智能控制器，例如，設(shè)計模糊PID控制或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器進行仿真驗證其理論可行性，可以較好地培養(yǎng)學(xué)生進行仿真研究的能力。

3.3 介紹前沿，跟蹤發(fā)展趨勢

研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要面向未來，因此在課堂上介紹一些研究領(lǐng)域的前沿問題和發(fā)展趨勢是非常必要的。這種前沿課題的介紹不宜采用學(xué)術(shù)報告的形式，最好在各個教學(xué)內(nèi)容結(jié)束時，適當引入發(fā)展趨勢的講解。例如，在介紹人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識時，可以適當介紹當前發(fā)展迅速的深度學(xué)習概念。將深度學(xué)習的發(fā)展歷程說明清楚，讓學(xué)生對學(xué)科發(fā)展規(guī)律有所了解，以此鼓勵他們堅持一個感興趣的方向作深入的研究。此外，近年來深度學(xué)習在語音識別、圖像識別等領(lǐng)域獲得了較大的成功，但是還未在控制領(lǐng)域獲得廣泛發(fā)展。介紹深度學(xué)習的基本知識有助于學(xué)生從事新方向的研究并獲得創(chuàng)造性的成果。

4 教學(xué)方法上的改革

在新的教育形勢下，研究生課程的教學(xué)也需與時俱進，可以結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”新思維，采用一些更加開放、更加便利的教學(xué)手段進行嘗試。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗，可以從以下幾個方面進行改革：

4.1 建立項目小組模式

“智能控制”課程在教學(xué)過程中，允許選課學(xué)生自由組合成項目小組。教師為小組布置項目課題。通?？梢赃x擇近年來發(fā)表的具有代表性的國際期刊論文作為小組共同學(xué)習的資料。以理解智能控制技術(shù)的原理和應(yīng)用方法為目標，各小組分工合作，分析論文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新性。該教學(xué)方法對學(xué)生的指導(dǎo)作用至少在兩個方面具有非常積極的作用：一是任務(wù)具體，針對性強，學(xué)生容易上手并深入學(xué)習。實踐表明該方法對培養(yǎng)學(xué)生的英文閱讀能力，研究方法均有很大的幫助；二是使參與小組研究的學(xué)生可以真正把握某一個智能控制技術(shù)的精髓和發(fā)展前沿，并且在理解研討論文創(chuàng)新點的基礎(chǔ)上，提出自己的觀點和改進策略，甚至可以直接深入到課題的研究中。

4.2 設(shè)立答辯環(huán)節(jié)

畢竟選課學(xué)生的學(xué)科知識的掌握程度有限，教師必須主動參與項目小組里學(xué)生的自主學(xué)習過程，而且要給予適當?shù)囊龑?dǎo)和答疑解惑。根據(jù)經(jīng)驗，各項目小組對研討的結(jié)果都要以報告形式為所有同學(xué)進行講解并接受答辯。此過程中，教師扮演兩個角色，一是為答辯內(nèi)容進行指導(dǎo)，對研討內(nèi)容中存在的疑問進行解答，二是對答辯小組研究工作的深入程度進行考核，同時還要確定小組各成員在研討過程中完成工作的比重，以此作為考核的依據(jù)。

5 考核方式上的改進

本課程采用了多元化的考核模式，主要有以下幾個方面：

5.1 開放式考核機制

本課程主要選擇了開放性考核方式，這種考核方式包括：項目答辯、仿真實驗大作業(yè)和論文報告。

(1)項目答辯方式主要考查對某一篇相關(guān)學(xué)術(shù)論文的理解和消化能力。學(xué)生選擇自己感興趣的某一項智能控制技術(shù)，深入學(xué)習和理解，在一定條件下復(fù)現(xiàn)學(xué)術(shù)論文的理論推導(dǎo)和驗證過程。

(2)仿真實驗大作業(yè)則以指導(dǎo)教師布置的題目為基礎(chǔ)，開展理論分析、方案設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與仿真驗證。該方式主要考查學(xué)生運用所學(xué)知識提出問題、分析問題并通過編寫程序解決問題的能力。

(3)論文報告則屬于最高層次的考核方式，要求選課學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識就某一個具體的智能控制問題，通過分析和提出解決方案，完成一篇結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)容翔實的工作報告。

而在實際操作過程中，并不是三種考核方式都用，而是選課學(xué)生從三種方式中任選一種作為自己的考核方式。針對不同的考核方式指導(dǎo)教師分別制定詳細的評分等級，并提供給學(xué)生參考。例如，2014級和2015級研究生均采用了項目答辯和仿真實驗大作業(yè)相結(jié)合的考核方式，實踐表明該方式可以在一定程度上充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性。

5.2 設(shè)立綠色通道考核模式

課程教學(xué)總是以培養(yǎng)學(xué)生能力為宗旨。就課程知識而言，是不可能全部納入到課堂教學(xué)中來的，即使如此學(xué)生也不可能完全吸收。因此，課程教學(xué)只要能提升學(xué)生解決問題的能力，便達到了教學(xué)的目的?；诖耍菊n程提出了綠色通道考核模式。當選課學(xué)生依據(jù)課程所學(xué)內(nèi)容，在某一方面提出具有創(chuàng)新意義的成果時，無論是理論上的或是實踐性的，凡是能經(jīng)得起驗證的內(nèi)容均具有獲得考核及格甚至優(yōu)秀的評價。近兩年實踐表明，學(xué)生非常歡迎該方式。主要原因在于該模式給予學(xué)生極大的靈活性。學(xué)生樂意去尋找自己感興趣的智能控制課題展開深入研究，而且有針對性地獲得相關(guān)的指導(dǎo)和幫助。

6 結(jié)語

本文探討了“智能控制”課程教學(xué)的若干改革思路和實踐結(jié)果。主要從課程關(guān)系的把握、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法以及考核手段的改進等幾個方面進行了嘗試。實踐經(jīng)驗表明該思路是可行的，學(xué)生對該課程的熱情得到了激發(fā)。在教學(xué)過程中，學(xué)生很容易就某一具體的智能控制技術(shù)提出自己的見解。

近些年智能控制領(lǐng)域又涌現(xiàn)出了大量的新興技術(shù)。縱觀國內(nèi)外的發(fā)展，智能控制與其它學(xué)科相互交叉融合的趨勢越來越明顯，這也表明智能控制學(xué)科的內(nèi)涵也將變得越來越豐富。“智能控制”課程的教學(xué)工作也需要授課教師具有更加全面和深入的學(xué)科認識和理解。

[1] 陳愛斌, 肖曉明, 魏世勇, 陳白帆. 智能控制的學(xué)科發(fā)展與學(xué)科教育[J], 長沙：現(xiàn)代大學(xué)教育. 2006, 102-105

[2] 孫增圻, 鄧志東, 張再興. 智能控制理論與技術(shù)(第2版)[M], 北京：清華大學(xué)出版社. 2011

[3] 劉金琨. 智能控制(第3版)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 2014

[4] 于小娟, 齊向東, 吳聚華. 迭代學(xué)習控制理論與應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 2005

[5] 侯忠生, 金尚泰. 無模型自適應(yīng)控制--理論與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社. 2013

[6] 段艷杰, 呂宜生, 張杰, 趙學(xué)亮, 王飛躍. 深度學(xué)習在控制領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 北京：自動化學(xué)報, 2016, 42(5): 643-654

[7] 楊凌宇, 張晶, 鄭征, 王青, 申功璋. 航空航天學(xué)科研究生《智能控制》教學(xué)研究[C]//杭州：全國自動化教育學(xué)術(shù)年會, 2013

[8] 胡蓉, 錢斌, 祝曉紅. 研究生“智能控制”課程教學(xué)改革與實踐[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2015(5): 3334

New Exploration on Graduate Course on Intelligent Control

CHEN Yang, WU Huai-yu, CHENG Lei

(SchoolofInformationScienceandEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081，China)

Intelligent Control is one of the important courses for the graduate students in electric engineering or automation major. The course has the characteristics of many teaching contents and strong theoretical and individually systemic. We carried the reforms from the teaching content, teaching methods, assessing methods, and so on. We conquer those difficulties by highlighting the teaching focus, coordinating between the basic knowledge and the forefront, employing the advantages of the Internet, as well as centralizing the students' abilities cultivation. All of the above practice gets good results.

intelligent control; teaching method; green channel

2016-09-08;

2016-11- 17

2015年教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會專業(yè)教育教學(xué)改革研究課題(2015A13)，武漢科技大學(xué)研究生教學(xué)研究項目(Yjg201508)。

陳 洋(1980-)，男，博士，副教授，主要從事移動機器人建模與控制的教學(xué)和研究，E-mail:chenyag@wust.edu.cn

G42

A

1008-0686(2017)04-0076-04