問(wèn)題教學(xué)法驅(qū)動(dòng)的智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)研究

李中華　林柏頂　李曉東

摘 要：文章聚焦智能控制與計(jì)算智能的教學(xué)創(chuàng)新，通過(guò)分析教學(xué)目的、教學(xué)任務(wù)以及面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，從教師、學(xué)生以及師生互動(dòng)等方面分別引入問(wèn)題教學(xué)方法，增強(qiáng)智能控制與計(jì)算智能的課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性，從廣度和深度兩個(gè)方面挖掘?qū)W生的知識(shí)學(xué)習(xí)潛力，使得智能控制與計(jì)算智能課程的教學(xué)模式從枯燥走向有趣、從難懂變?yōu)橐子?，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)、科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、就業(yè)創(chuàng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能控制、計(jì)算智能、問(wèn)題教學(xué)法、教學(xué)改革

1 背 景

伴隨全球新技術(shù)浪潮的興起，人工智能正推動(dòng)信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生顛覆性、革命性變化，帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級(jí)和新興產(chǎn)業(yè)孕育發(fā)展，越來(lái)越多的高校將人工智能相關(guān)課程建設(shè)做為適應(yīng)社會(huì)需求、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、提升辦學(xué)實(shí)力的重要舉措。智能控制與計(jì)算智能是自動(dòng)控制、智能科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的前沿課程，是自動(dòng)控制、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)等多學(xué)科融合匯聚的專業(yè)擴(kuò)展課程，具有理論性強(qiáng)、實(shí)踐性突出、涵蓋范圍廣等特點(diǎn)，在電子信息類、計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)體系中具有十分重要的地位[1]。國(guó)內(nèi)大多數(shù)綜合類高校尤其是理工科院校，都紛紛將智能控制與計(jì)算智能課程開(kāi)設(shè)為專業(yè)必修課或者專業(yè)限選課。智能控制自1960年代發(fā)展以來(lái)，廣泛應(yīng)用工業(yè)控制、智能家居控制、智能機(jī)器人控制、智能制造控制、航天航空控制、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、綠色環(huán)保與新能源系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。對(duì)于選修智能控制與計(jì)算智能課程的學(xué)生，需要熟練掌握智能控制的基本定義、系統(tǒng)內(nèi)涵、工作原理、應(yīng)用實(shí)踐以及涉及的計(jì)算智能算法，才能適應(yīng)當(dāng)前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)國(guó)策和新興產(chǎn)業(yè)對(duì)專業(yè)技術(shù)人才的現(xiàn)實(shí)需求[2]。然而，當(dāng)前的智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)中仍然存在一些問(wèn)題或者不利因素，需要與時(shí)俱進(jìn)的改革勇氣來(lái)進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，方可在教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果上取得實(shí)效。這主要體現(xiàn)在：智能控制和計(jì)算智能的理論分支較多、課程內(nèi)容復(fù)雜、概念抽象、入門(mén)較難。同時(shí)，智能控制與計(jì)算智能課程所涵蓋的前沿技術(shù)、最新應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)也處于不斷演化之中，這本身也對(duì)該課程教學(xué)過(guò)程及效果帶來(lái)挑戰(zhàn)性影響。顯然，開(kāi)展智能控制與計(jì)算智能教學(xué)改革與創(chuàng)新是十分必要的，更是培養(yǎng)卓越創(chuàng)新人才的當(dāng)務(wù)之急。

2 智能控制與計(jì)算智能課程的教學(xué)目的和教學(xué)任務(wù)

智能控制與計(jì)算智能的教學(xué)目的是以智能控制方法和計(jì)算智能算法為主線，使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握智能控制的基本理論、常用方法和典型應(yīng)用，從而為控制問(wèn)題的解決提供計(jì)算智能算法理論，為智能控制技術(shù)在智能機(jī)器人、工業(yè)控制、智能制造、新能源系統(tǒng)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用實(shí)踐知識(shí)，為其他相關(guān)課程學(xué)習(xí)以及后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)、工程技術(shù)開(kāi)發(fā)、科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。因此，智能控制與計(jì)算智能課程的教學(xué)任務(wù)需要從理論和應(yīng)用兩個(gè)角度引導(dǎo)學(xué)生[1]：①了解智能控制的基本定義、內(nèi)涵、發(fā)展歷程、主要分支、功能特點(diǎn)、研究工具和典型應(yīng)用；②掌握專家系統(tǒng)的基本構(gòu)成、專家控制的基本原理和專家PID控制應(yīng)用；③掌握模糊數(shù)學(xué)中模糊集合、隸屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理等基礎(chǔ)理論；④掌握模糊控制的基本原理、模糊控制器設(shè)計(jì)、模糊自適應(yīng)PID控制、洗衣機(jī)模糊控制應(yīng)用、單級(jí)倒立擺模糊控制應(yīng)用以及模糊控制發(fā)展趨勢(shì)；⑤掌握簡(jiǎn)單、間接、直接自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)及其適用問(wèn)題、機(jī)器人關(guān)節(jié)自適應(yīng)模糊控制方法；⑥掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理、分類、學(xué)習(xí)規(guī)則、特征要素及研究領(lǐng)域；⑦掌握兩類基本的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用：BP網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)；⑧掌握三類高級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：模糊RBF網(wǎng)絡(luò)、CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hopfield網(wǎng)絡(luò)；⑨掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)分類、針對(duì)不同應(yīng)用問(wèn)題的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；⑩掌握典型計(jì)算智能算法的基本原理、構(gòu)成要素、參數(shù)設(shè)置、基本流程以及典型應(yīng)用；?掌握迭代學(xué)習(xí)控制的基本原理、基本控制算法、機(jī)器人手臂迭代學(xué)習(xí)控制仿真和線性時(shí)變系統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)控制仿真。從教學(xué)目的和教學(xué)任務(wù)看，智能控制與計(jì)算智能課程具有理論性強(qiáng)（每個(gè)智能控制分支都有獨(dú)立的理論支持）、實(shí)踐性突出（以應(yīng)用問(wèn)題為中心的智能控制設(shè)計(jì)）、涵蓋范圍廣（從定常系統(tǒng)到時(shí)變系統(tǒng)、從家電控制到機(jī)器人控制）等特點(diǎn)。如何讓學(xué)生在學(xué)習(xí)智能控制專業(yè)理論知識(shí)的同時(shí)，又能扎實(shí)地掌握智能控制應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技能，成為智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)亟待解決的問(wèn)題。

3 智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)面臨的任務(wù)和挑戰(zhàn)

近年來(lái)，教育部大力實(shí)施“雙一流”建設(shè)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、卓越工程師計(jì)劃、產(chǎn)學(xué)研合作教育計(jì)劃等，為高素質(zhì)、高質(zhì)量專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)注入新動(dòng)能。在“中國(guó)制造2025”推動(dòng)下，產(chǎn)業(yè)界和社會(huì)對(duì)畢業(yè)生的選拔、招聘更加注重創(chuàng)新思維能力、技術(shù)創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，學(xué)生對(duì)智能控制的學(xué)習(xí)興趣旺盛，這為智能控制和計(jì)算智能課程教學(xué)改革提供了難得的契機(jī)。許多高校通過(guò)“外引內(nèi)優(yōu)”創(chuàng)新機(jī)制，一方面引進(jìn)優(yōu)質(zhì)師資力量、帶來(lái)智能控制國(guó)際前沿技術(shù)，另一方面加大人財(cái)物投入、完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)、建設(shè)產(chǎn)學(xué)研合作教育基地，努力構(gòu)建鼓勵(lì)學(xué)生參與智能控制工程實(shí)踐、應(yīng)用開(kāi)發(fā)和科學(xué)創(chuàng)新的學(xué)習(xí)環(huán)境。盡管如此，智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)改革仍未完成，尚面臨諸多挑戰(zhàn)：①教學(xué)理念亟待創(chuàng)新。傳統(tǒng)的智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)始終以教師為主體，以教材為綱要，以智能控制器設(shè)計(jì)為中心，按照基本原理—工作流程—問(wèn)題描述—算法分析與設(shè)計(jì)—仿真實(shí)例的套路開(kāi)展，屬于典型的單向傳授型教學(xué)模式。這種教學(xué)模式忽略理論和實(shí)踐的雙向結(jié)合、忽略教師與學(xué)生之間的雙向互動(dòng)、忽略課堂知識(shí)與課外應(yīng)用的有機(jī)銜接，這顯然違背智能控制與計(jì)算智能教學(xué)任務(wù)的內(nèi)在規(guī)律，難以取得好的教學(xué)效果。②學(xué)用結(jié)合亟待加強(qiáng)。智能控制與計(jì)算智能涉及的控制方法和應(yīng)用案例較多，過(guò)去在課程教學(xué)之后往往只是安排一些典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和實(shí)驗(yàn)裝置固化的前提下，絕大多數(shù)學(xué)生無(wú)需開(kāi)動(dòng)腦筋就可以完成智能控制實(shí)驗(yàn)任務(wù)。更有甚者，由于條件限制放棄了實(shí)驗(yàn)安排。顯然，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)是相悖的。如何設(shè)計(jì)一些有關(guān)智能控制的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生最大限度地參與其中，或許不失為一條實(shí)現(xiàn)學(xué)用結(jié)合的參考途徑。③靈活善用缺乏。智能控制，特別是計(jì)算智能課程參考資料較多，許多學(xué)生崇尚拿來(lái)主義，認(rèn)為只要利用計(jì)算智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能控制器的最優(yōu)化調(diào)節(jié)，就可以實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)應(yīng)用。確實(shí)，這對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的控制問(wèn)題是可行的，但是絕大多數(shù)問(wèn)題都并非簡(jiǎn)單控制問(wèn)題。在這種情況下，如果再簡(jiǎn)單地套用智能控制方法，或許無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制理想效果。因此，如能引導(dǎo)學(xué)生從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵去理解智能控制方法，或許才能做到真正的靈活善用，也才能成為一名合格的控制應(yīng)用工程師。endprint

4 智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)改革建議

根據(jù)前述的分析，針對(duì)智能控制與計(jì)算智能課程的教學(xué)任務(wù)和要求，以學(xué)生為中心、以教師為支撐，提出一種以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)方法：一方面，采用基于問(wèn)題的教學(xué)方法（problem-based teaching，PBT），革新教師的教學(xué)理念，激發(fā)教師的教學(xué)熱情和科學(xué)性；另一方面，采用基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法（problem-based learning，PBL）[3-4]，聚焦學(xué)生的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。PBT教學(xué)法和PBL學(xué)習(xí)法的交互作用，可以優(yōu)化智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，從而更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)智能控制應(yīng)用和計(jì)算智能算法設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)。

（1）適用于教師的問(wèn)題PBT教學(xué)法。PBT教學(xué)法主要致力于強(qiáng)化教師在教學(xué)活動(dòng)中的科學(xué)調(diào)控作用，教師不僅僅是教學(xué)內(nèi)容的傳授者，更是教學(xué)活動(dòng)的總導(dǎo)演。鑒于智能控制與計(jì)算智能課程多學(xué)科交叉、知識(shí)點(diǎn)新穎、概念抽象、應(yīng)用廣泛，這就需要教師從資料收集、教材選定、教學(xué)方案設(shè)計(jì)、備課講授、課堂互動(dòng)、作業(yè)輔導(dǎo)、教學(xué)反饋等教學(xué)鏈條上注重問(wèn)題提煉、問(wèn)題引導(dǎo)和問(wèn)題解剖，始終做到有的放矢，牢牢把握課堂教學(xué)節(jié)奏。對(duì)于單一章節(jié)（如模糊控制）的教學(xué)，教師注重闡述應(yīng)用問(wèn)題或者理論問(wèn)題的緣起和背景，通過(guò)收集、整理和分析大量的背景資料，列出從現(xiàn)實(shí)背景到應(yīng)用問(wèn)題或者理論問(wèn)題的過(guò)渡知識(shí)路線，有助于激發(fā)學(xué)生思維走向問(wèn)題中央。對(duì)于前后關(guān)聯(lián)章節(jié)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的教學(xué)，注意在問(wèn)題設(shè)計(jì)上進(jìn)行分解，使得每章的問(wèn)題設(shè)計(jì)既有區(qū)別又有關(guān)聯(lián)，這樣有利于學(xué)生在解讀問(wèn)題時(shí)形成自然過(guò)渡思維。

（2）適用于學(xué)生的PBL學(xué)習(xí)法。PBL學(xué)習(xí)法主要致力于學(xué)生以解決問(wèn)題為目標(biāo)的主動(dòng)學(xué)習(xí)和內(nèi)生動(dòng)力的構(gòu)建。實(shí)際上，在教師的主導(dǎo)下，從閱讀預(yù)習(xí)、課堂思考、作業(yè)練習(xí)到復(fù)習(xí)提高都涉及一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題，這都需要學(xué)生去分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。在這個(gè)分析、解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了基于智能控制與計(jì)算智能課程教學(xué)內(nèi)容的文獻(xiàn)資料查閱、分析思考和交流討論，進(jìn)而增強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)性、自覺(jué)性和主動(dòng)性。需要指出的是，學(xué)生在問(wèn)題學(xué)習(xí)法中需要注意對(duì)智能控制問(wèn)題和計(jì)算智能算法擬解決問(wèn)題進(jìn)行歸并排序和分解細(xì)化，這有利于學(xué)生能力與課程教學(xué)不同階段、不同深度相適應(yīng)，從而有利于構(gòu)建完整的課程知識(shí)學(xué)習(xí)體系。

（3）融合PBT和PBL的教學(xué)互動(dòng)法。在上述PBT教學(xué)法和PBL學(xué)習(xí)法的基礎(chǔ)上，通過(guò)教師與學(xué)生的有效互動(dòng)，可以加快課程知識(shí)和問(wèn)題誘導(dǎo)從教師向?qū)W生的快速遷移，從而大幅度提高教學(xué)成效。如教師要求學(xué)生以小組為單位，在給定的問(wèn)題列表范圍內(nèi)開(kāi)展自主選題，并在有限的時(shí)間內(nèi)確定解答方案、陳述解答過(guò)程，不僅鍛煉學(xué)生小組與教師之間的教學(xué)互動(dòng)能力，還促進(jìn)學(xué)生之間的學(xué)習(xí)互補(bǔ)能力。又如教師要求學(xué)生以個(gè)人為單位，在課程教學(xué)內(nèi)容范圍內(nèi)自主選定主題，通過(guò)收集資料、消化、分析資料，在給定的時(shí)間內(nèi)完成與其他更多學(xué)生之間的主題分享并接受教師的點(diǎn)評(píng)，這極大地鍛煉了學(xué)生的自主鉆研能力和師生互動(dòng)能力。再如在課程教學(xué)結(jié)束時(shí)，要求每一位學(xué)生運(yùn)用智能控制與計(jì)算智能課程中的方法或者算法，獨(dú)立完成一項(xiàng)課程設(shè)計(jì)。教師在課程設(shè)計(jì)選題、方案確定、理論分析、實(shí)驗(yàn)開(kāi)展、設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)等環(huán)節(jié)逐一地與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)討論，有條不紊地引導(dǎo)學(xué)生沿著課程設(shè)計(jì)擬解決的問(wèn)題由淺入深地進(jìn)行下去，實(shí)現(xiàn)真正意義上的教學(xué)互動(dòng)。通過(guò)PBT教學(xué)法和PBL學(xué)習(xí)法的交互滲透，有利于學(xué)生對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容高效地理解、消化、吸收，有利于促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新性思維和智能控制工程實(shí)踐能力的形成。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐表明，這種新型教學(xué)改革方案，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和教師的教學(xué)積極性，取得了十分積極的教學(xué)效果，為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)和就業(yè)乃至創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。

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（編輯：史志偉）endprint