專業(yè)認證背景下 “智能控制”課程教學實踐

徐本連， 施 健， 劉 燕， 朱培逸

(常熟理工學院 電氣與自動化工程學院, 江蘇 常熟 215500)

專業(yè)認證背景下“智能控制”課程教學實踐

徐本連， 施 健， 劉 燕， 朱培逸

(常熟理工學院 電氣與自動化工程學院, 江蘇 常熟 215500)

本文針對我校自動化工程教育專業(yè)認證要求，設(shè)計了面向“智能控制”課程的畢業(yè)要求指標點及其評分標準，并以兩個自動化專業(yè)班級學生樣本為例，基于作業(yè)、實驗報告、技術(shù)報告等三個觀測點的實際數(shù)據(jù)，計算出了針對該課程的畢業(yè)要求指標點達成度，通過對教學效果的量化，找出了該課程實施中學生能力的薄弱環(huán)節(jié)，并給出了今后改革方向與思路。

專業(yè)認證；智能控制；教學實踐

0 引言

工程教育專業(yè)認證是指由政府指定認可的認證機構(gòu)或社會團體對高等學校工科專業(yè)開展的認證工作。世界上許多國家和地區(qū)為促進自身工程教育發(fā)展，紛紛推行工程教育專業(yè)認證制度，并制定了相應(yīng)的認證協(xié)議，其中，簽署時間最早、知名度最高、締約方最多的工程教育國際認證協(xié)議是“華盛頓協(xié)議”[1,2]。2013年6月，我國成功加入了“華盛頓協(xié)議”，2016年6月2日，中國成為國際本科工程學位互認協(xié)議“華盛頓協(xié)議”的正式會員。最近，中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會發(fā)布了最新的“工程教育認證工作指南(2015 版)”，對比新舊版工作指南不難發(fā)現(xiàn)，無論是認證辦法、認證標準，還是規(guī)范性要求都有了較大變化，與學生培養(yǎng)及畢業(yè)、課程設(shè)置及教學等密切相關(guān)的認證標準部分變化主要體現(xiàn)在：不僅設(shè)置了通用標準，還針對不同的專業(yè)大類設(shè)置了各自的補充標準，這就要求各個高校在制定培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求、設(shè)置課程內(nèi)容和教學計劃等時要充分考慮不同專業(yè)的特點和專業(yè)認證的要求。截至2016年底，全國已有570多個專業(yè)通過了認證。

我校自動化專業(yè)于2004年正式招生，先后成為國家特色專業(yè)建設(shè)點、教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點專業(yè)、江蘇省重點類專業(yè)、教育部“十二五”本科綜合改革試點專業(yè)、江蘇省品牌專業(yè)等。2016年12月，我校自動化專業(yè)正式接受工程教育專業(yè)認證專家組進?？疾?。

作為自動化專業(yè)課程建設(shè)重要組成部分，“智能控制”課程是在經(jīng)典控制理論與方法、計算機技術(shù)與方法、自動化工具軟件開發(fā)與集成等知識點掌握基礎(chǔ)上，要求進一步掌握模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、群智能等現(xiàn)代控制方法與手段，它是一門邏輯性嚴密、適用性廣、綜合性與實踐性較強的課程。課程在建設(shè)過程中，先后經(jīng)歷了傳統(tǒng)課程教學模式、雙語教學、研究性課程雙語教學等教學模式嘗試[3-5]，教材也經(jīng)歷了從中文教材轉(zhuǎn)換至英文教材，再到自編英文教材和中文教材的過程。該課程在教學方式、教學內(nèi)容、考核方式等設(shè)計上，注重理論與實際相結(jié)合，結(jié)合學生的實際情況，以能力訓練為導向，注重學生自主學習能力與獨立思考能力培訓，將教學反思、意見反饋及時引入課堂，在提升課堂教學效果方面做了有益的探索。

結(jié)合自動化工程教育專業(yè)認證要求，2016年，“智能控制”課程教學實踐過程中，針對性作了如下設(shè)計與思考。

1 課程達成度指標體系設(shè)計

1.1我校自動化專業(yè)畢業(yè)要求

我校自動化專業(yè)定位是培養(yǎng)具有扎實自動化基礎(chǔ)知識和基本技能，具有較強的社會責任感、職業(yè)道德和人文素養(yǎng)，能在現(xiàn)代制造業(yè)中解決自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)等工程實際問題的現(xiàn)場型應(yīng)用工程師。學生在畢業(yè)時，應(yīng)達到如下關(guān)鍵要求：

(1) 工程知識：具備良好的工程知識，能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復雜工程問題。

(2) 問題分析：能夠?qū)ψ詣踊刂葡到y(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復雜工程問題，應(yīng)用數(shù)學、物理和工程科學的基本原理進行系統(tǒng)的方案分析、可行性研究，并通過文獻研究等方法提出初步設(shè)計方案。

(3) 設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠設(shè)計針對自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復雜工程問題的具體方案，設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)，包括硬件電路、程序軟件等單元設(shè)計，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。

(4) 數(shù)據(jù)分析與研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

(5) 使用現(xiàn)代工具：在解決自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中復雜工程問題的過程中，能夠選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、現(xiàn)代儀器儀表、系統(tǒng)仿真與設(shè)計軟件等技術(shù)工具，包括對復雜工程問題解決效果的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。

(6) 工程與社會：能夠?qū)ψ詣踊こ踢M行合理分析，評價專業(yè)工程實踐和自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)所涉及的復雜工程問題的解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔的責任。

(7) 環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展：能夠理解和評價針對自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中復雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

(8) 職業(yè)規(guī)范：具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行相應(yīng)的責任。

(9) 個人和團隊：能夠在多學科背景下的團隊中理解并擔當個體、團隊成員及負責人的角色。

(10) 溝通：能夠就自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

(11) 項目管理：理解并掌握工程方面工程管理原理與經(jīng)濟決策的基本知識和基本方法，并能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于多學科環(huán)境的工程實踐中。

1.2課程支撐畢業(yè)要求指標點設(shè)計

“智能控制”課程作為自動化專業(yè)畢業(yè)要求支撐課程之一，除了上節(jié)所述的自動化專業(yè)畢業(yè)要求(6)、(7)、(8)、(10)四項在這門課程中支撐較少之外，對于其他七項畢業(yè)要求分解為如下的達成度評價指標點：

指標點1：對應(yīng)畢業(yè)要求(1)，能夠選擇恰當?shù)臄?shù)學模型，用于描述自動化系統(tǒng)或者過程，對模型進行推理和求解。

學生能夠針對控制系統(tǒng)的實際需求，通過運用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、群智能技術(shù)等相關(guān)理論知識，選擇恰當?shù)闹悄芸刂品椒▉斫⒈豢叵到y(tǒng)的數(shù)學模型，并對模型進行推理和求解。

達成途徑：根據(jù)被控對象的實際特性，設(shè)計模糊規(guī)則建立模糊控制器模型，或根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，或通過群智能建立基于問題的決策模型，通過對實際問題數(shù)據(jù)進行程序仿真與應(yīng)用。

指標點2：對應(yīng)畢業(yè)要求(2)和(3)，理解系統(tǒng)的概念及其在控制領(lǐng)域的體現(xiàn)，能對自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復雜工程問題的解決方案進行分析，并嘗試改進。

學生能夠綜合運用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、群智能算法進行智能控制系統(tǒng)的解決方案分析，并根據(jù)系統(tǒng)運行情況進行方案改進。

達成途徑：給定實際工程項目，按照指標要求通過文獻研究分析，設(shè)計解決方案，根據(jù)系統(tǒng)運行結(jié)果分析方案合理性，并提出改進措施。

指標點3：對應(yīng)畢業(yè)要求(4)、(9)、(11)，能識別和判斷自動化控制系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成復雜工程問題中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)。

學生能夠針對實際問題運用智能控制方法及其參數(shù)選擇對控制系統(tǒng)的實際效果進行分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷影響因素并識別關(guān)鍵參數(shù)。

達成途徑：通過課題項目團隊形式，實行項目負責人制，根據(jù)研究對象的特性，通過應(yīng)用智能控制方法進行多途徑實驗，根據(jù)實驗結(jié)果識別并判斷其關(guān)鍵因素及影響參數(shù)，并通過改善參數(shù)來提高算法性能。

指標點4：對應(yīng)畢業(yè)要求(5)，能夠使用自動化先進技術(shù)、現(xiàn)代儀器儀表和信息技術(shù)工具，掌握一門外語應(yīng)能用于溝通，了解國際本行業(yè)發(fā)展動態(tài)，關(guān)注本專業(yè)國際熱點問題。

學生能夠熟練運用Matlab、C++、LabVIEW等工具軟件并能對各種智能控制方法進行仿真并與傳統(tǒng)控制方法進行比較；學生具有一定的本專業(yè)外文書籍和文獻資料的閱讀能力，具有良好的國際視野，通過閱讀文獻跟蹤國際上智能控制的發(fā)展趨勢與應(yīng)用現(xiàn)狀。

達成途徑：通過指定專題的外文書籍及文獻閱讀，以及以外文進行作答的作業(yè)與實驗來培養(yǎng)學生外文應(yīng)用與團隊溝通能力，總結(jié)智能控制算法的研究現(xiàn)狀，關(guān)注并跟蹤新興的各種智能算法。

1.3畢業(yè)要求指標點達成評分設(shè)計

為客觀評價每一個指標點的達成度，達成度評價分析設(shè)計內(nèi)容上主要包括考核方式、評價依據(jù)、分值及其評分標準四個方面。

“智能控制”課程全面實施過程考核，通過作業(yè)、實驗、技術(shù)報告、答辯等多種形式，對學生在智能控制知識能力掌握方面進行連續(xù)、系統(tǒng)、全面評價。其畢業(yè)要求指標點達成評分設(shè)計示于文末附表之表1。

2 案例實施

本節(jié)以我校自動化專業(yè)“專轉(zhuǎn)本”兩個班(ZB02151和ZB62151)為例，結(jié)合畢業(yè)要求達成度指標點評分標準，將“智能控制”課程考核分成如下3個觀測點逐一比對與分析。

2.1作業(yè)觀測點

“智能控制”課程的平時作業(yè)主要由四個知識點構(gòu)成，分別是智能控制技術(shù)的發(fā)展、模糊控制基本概念與方法應(yīng)用、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本概念與特點、群智能方法基本概念與一般應(yīng)用等，主要考察學生的英文寫作能力與歸納綜合能力(作業(yè)一)，對模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本概念和不同類型理解能力(作業(yè)二和作業(yè)三)，對群智能方法的基本應(yīng)用能力(作業(yè)四)。這四個知識點對應(yīng)的是畢業(yè)要求指標點1、3、4。

作業(yè)一主要考察學生對智能控制概念、內(nèi)容、研究的現(xiàn)狀與前沿的掌握與理解程度，對應(yīng)的是畢業(yè)要求指標點4。由表2平均分可知，兩個班級對這一概念的掌握都比較好；由標準偏差可知，ZB62151班級同學應(yīng)該比ZB02151同學更加穩(wěn)定一些，即在ZB02151班中，有些同學知識點掌握程度并不理想。作業(yè)二主要考察學生建立數(shù)學模型(模糊模型為例)的能力，對應(yīng)畢業(yè)要求指標點1?？梢钥闯?，兩個班級整體掌握程度都比較好，此外，無論是平均分還是標準偏差，ZB62151班級同學比ZB02151班級同學表現(xiàn)得好一些。作業(yè)三和四(也包括作業(yè)二)主要考察對影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)的識別能力，對應(yīng)畢業(yè)要求指標點3?？梢钥闯觯瑑蓚€班級對模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)知識點掌握都較好，但對群智能技術(shù)對應(yīng)的知識點掌握比較差。在進行問題分析時，該情況可能由于群智能技術(shù)所涉及參數(shù)多，對系統(tǒng)性能影響大等原因所致。

由此可見，對于畢業(yè)要求指標1、4，兩個班級均能達到要求，對于畢業(yè)要求指標點3，兩個班級普遍掌握比較差，特別是ZB62151班級，平均分出現(xiàn)了未達標情況。

表2 作業(yè)知識點掌握情況統(tǒng)計表

2.2實驗報告觀測點

“智能控制”課程實驗包括模糊控制應(yīng)用實驗、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實驗、群智能中的蟻群和粒子群兩個應(yīng)用實驗，主要考察學生對上述知識點理解與應(yīng)用能力、軟件編程能力和系統(tǒng)測試能力等。這4個實驗對應(yīng)的是畢業(yè)要求指標點1和3。

實驗報告一主要考察的是針對某個控制系統(tǒng)，建立其模糊控制系統(tǒng)模型，并能給出實驗結(jié)果，對應(yīng)畢業(yè)要求指標點1。由表3可以看出，兩個班級均能在一定程度上掌握方法，并能初步實現(xiàn)結(jié)果，ZB02151班級學生的表現(xiàn)相對好一些。實驗報告二、三、四主要考察學生對系統(tǒng)的重要參數(shù)的識別與分析能力，從表中可知，兩個班級均能較好地掌握實驗要求，且掌握程度相差不大，但是，兩班學生對于粒子群的掌握并不是太理想，從實驗報告完成內(nèi)容來看，主要是由于沒有理解實驗報告要求所致。

表3 實驗報告知識點掌握與理解情況統(tǒng)計表

2.3技術(shù)報告觀測點

技術(shù)報告是本課程考核中最重要的一個環(huán)節(jié)，從課題的確定至最后分組答辯，耗時近一個月。圍繞智能控制概念，導師與學生共同協(xié)商確定技術(shù)報告的題目，在項目實施過程中，保證導師與學生之間信息溝通順暢，確保學生有問題能即時與導師交流。每個小組一般由3-4人組成，實行項目組長負責制，小組成員進行分工。合作確保項目順利完成。在答辯過程中，主要觀測學生技術(shù)報告和答辯過程中的思路、方案合理性、結(jié)果可信度、技術(shù)報告完成質(zhì)量等四個要素。技術(shù)報告對應(yīng)的是畢業(yè)要求指標點2和4。表4給出了兩個班級的技術(shù)報告考核的結(jié)果，在技術(shù)報告方案、思路清晰度、完成質(zhì)量方案等方面較為滿意，同時，ZB02151班級學生的完成質(zhì)量要相對好一些。

表4 技術(shù)報告知識點掌握情況統(tǒng)計表

2.4畢業(yè)要求指標點達成度

根據(jù)表1規(guī)定，對4個畢業(yè)要求指標點進行了達成度計算，由于每個指標點是由多個觀測點支撐的，每個觀測點按百分制計算，其比重除了表1規(guī)定外，其它均按觀測點數(shù)目平均分配比重。

表5示出其達成度設(shè)計表，由表5可以看出，各項指標點達成度均在74%以上；綜合各指標點達成度計算結(jié)果，ZB02151班級學生的整體表現(xiàn)要好于ZB62151班級；需要注意的是，學生對問題提出技術(shù)方案的能力，即指標點2，是最薄弱的環(huán)節(jié)。

表5畢業(yè)要求指標點達成度統(tǒng)計表

畢業(yè)要求指標點ZB02151班級ZB62151班級指標點1(86.36*50%+72.50*50%)%=79.43%(90.95*50%+68.81*50%)%=79.88%指標點279.84%74.50%指標點3{(86.36+80.23+67.95)*50%/3+(84.32+81.59+73.64)*50%/3}%=79.02%{(90.95+86.90+56.19)*50%/3+(81.90+80.71+74.29)*50%/3}%=78.49%指標點4(85.68*30%+71.64*20%+83.41*50%)%=81.74%(75.71*30%+74.05*20%+82.86*50%)%=78.95%平均達成度:80.01%平均達成度:77.96%

3 課程持續(xù)改進措施

按照我校自動化工程教育專業(yè)認證要求，對“智能控制”課程教學方式、考查方式進行了改革與探索。根據(jù)畢業(yè)要求指標點，結(jié)合我校自動化專業(yè)專轉(zhuǎn)本兩個班(ZB02151和ZB62151)樣本，計算了各指標點的達成度，進一步明確了該課程教學改革方向：

3.1以技術(shù)報告為重點，提高學生綜合素質(zhì)

技術(shù)報告所考察的能力要素比較全面，如團隊合作、語言表達、方案的設(shè)計與實施、結(jié)果討論與答辯等，在一定程度上調(diào)動了學生主動學習的積極性，增加了教師與學生互動的機會，同時，增強了學生的專業(yè)自信。技術(shù)報告在實施的過程中，應(yīng)做到時間節(jié)點明確、任務(wù)明確、分工明確、考核方式明確，也進一步確保技術(shù)報告完成質(zhì)量。

3.2以項目為導向，鼓勵學生自主學習

積極探索與智能控制技術(shù)相關(guān)的研究前沿與實際應(yīng)用案例，這是提高學生學習這門課程興趣與效果的關(guān)鍵所在。以項目為導向，一方面，可以讓學生從已知的經(jīng)典案例中尋找基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、群智能技術(shù)的解決方案，另一方面，針對生活的實際應(yīng)用案例與需求，應(yīng)用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、群智能等技術(shù)手段，讓學生選擇問題，解決問題，總結(jié)與歸納問題，把學習權(quán)交給學生，真正提高學生自主學習能力。

3.3重視多工具軟件教學

“智能控制”課程教學時應(yīng)用軟件比較單一，最常用的是Matlab和C++，這兩種軟件相關(guān)的智能控制方法程序資源庫比較多，在相關(guān)網(wǎng)站上均可以下載。最近，LabVIEW工具軟件在自動化及其測試領(lǐng)域開始盛行，它是基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，是儀器控制、數(shù)據(jù)采集、圖像處理編程平臺，能快速構(gòu)建實現(xiàn)交互控制系統(tǒng)的圖形用戶界面。利用LabVIEW工具軟件將一些經(jīng)典案例、實際應(yīng)用案例進行項目開發(fā)，不僅可以提高學生LabVIEW的編程能力，還能鍛煉學生在不同的開發(fā)環(huán)境下對模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、群智能知識的理解與應(yīng)用能力。

4 結(jié)語

本文以我校自動化工程教育專業(yè)認證要求為藍本，結(jié)合自動化專業(yè)特征，以“智能控制”課程為例，對該課程畢業(yè)要求指標點體系進行了科學設(shè)計。在構(gòu)建作業(yè)、實驗報告、技術(shù)報告等多個觀測點基礎(chǔ)上，形成了該課程的畢業(yè)要求指標點達成度。

本文通過達成度結(jié)果分析，找出了“智能控制”課程教學過程中薄弱環(huán)節(jié)，為該課程今后的教學重點和學生能力培養(yǎng)指明了方向，具有一定的實際指導意義。

[1] 王孫禺，孔鋼城，雷環(huán)．華盛頓協(xié)議及其對我國工程教育的借鑒意義[J]. 北京：高等工程教育研究, 2007, 1: 10-15．

[2] 張文雪, 劉俊霞, 彭晶. 工程教育專業(yè)認證制度的構(gòu)建及其對高等工程教育的潛在影響[J].北京：清華大學教育研究，2007，28(6)：60-64.

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[4] 朱培逸，徐本連，施健. “智能控制”研究性課程建設(shè)探討[J]. 杭州：計算機時代, 2015(2):57-59.

[5] 施健，朱培逸，徐本連. 智能控制雙語教學改革的實施與探索[J]. 吉林：考試周刊, 2013(A4):4-5.

(附表表1列于下頁)

附表：

表1 畢業(yè)要求指標點達成評分設(shè)計

指標點4技術(shù)報告技術(shù)報告思路部分2016-20:答辯過程中,結(jié)合方案,思路清晰,有條理,50%以上使用英語完成。11-15:答辯過程中,結(jié)合方案,思路較清晰,條理性較好,30%以上使用英語完成。6-10:答辯過程中,結(jié)合方案,思路基本清晰,有一定條理,沒有使用英語答辯。0-5:答辯過程中,結(jié)合方案,思路模糊,沒有條理,答辯不連續(xù)。指標點4作業(yè)作業(yè)15045-50:熟練閱讀外文文獻,了解智能控制算法的研究現(xiàn)狀,關(guān)注并跟蹤新興的各種智能算法。40-44:通過閱讀外文文獻,了解智能控制算法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。30-39:通過閱讀外文文獻,對目前智能控制算法的發(fā)展有一定了解。0-29:閱讀外文文獻存在困難,對國際上智能控制算法的研究不太了解。

TeachingPracticeofIntelligentControlCourseintheBackgroundofProfessionalCertification

XUBen-lian,SHIJian,LIUYan,ZHUPei-yi

(SchoolofElectricalandAutomotiveEngineering，ChangshuInstituteofTechnology，Changshu215500，China)

In terms of the requirements of engineering education accreditation of automation major in our school , both the index system and the evaluation criteria of graduate admissions is designed for the course of Intelligent Control. As a sample instance of students from two classes of the same automation major, the index achievement degree of graduate admissions is obtained according to the observation statistics of assignments, experimental report and technical report. From the quantitative results of teaching, the weakness related to students′ ability is found during the implementation of this course. Finally, some positive measures and thoughts have been achieved.

major accreditation； intelligent control； teaching practice

2017-03-01;

2017-06-09

2015 年江蘇省高等教育教改研究立項重點課題( 2015JSJG040)

徐本連( 1974-) ，男，博士，教授，主要從事自動化專業(yè)的教學與科研工作，E-mail:ben-lian xu@cslg.cn

G712

A

1008-0686(2017)05-0056-06