面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程教學(xué)改革研究

李伯群 范璇 姜冠杰

摘? 要：《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》是控制領(lǐng)域研究生的重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)選修課程，在自動(dòng)化領(lǐng)域中占有十分重要的地位。此課程在建立應(yīng)用型研究生研究理論問(wèn)題的邏輯思維模式和提升碩士研究生的學(xué)術(shù)水平及應(yīng)用能力等方面具有積極作用。文章結(jié)合對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求及《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程的實(shí)際特點(diǎn)，提出了明確的教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)課程團(tuán)隊(duì)精英化，教學(xué)內(nèi)容模塊化、案例化，教學(xué)方法多元化，考核方式細(xì)致化等途徑，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生控制理論思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力，從而切實(shí)改善教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)辨識(shí);自適應(yīng)控制;教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）30-0138-03

Abstract： System Identification and Adaptive Control is a key professional elective course for graduate students in the field of control. At the same time， it plays a very important role in the field of automation. This course plays an active role in establishing the logical thinking mode of applied graduate students' theoretical problems and improving their academic level and application ability. Based on the training requirements for application-oriented talents and the actual characteristics of the course process identification and adaptive control， this paper puts forward a clear teaching goal. Through the ways of course team elite， teaching content modularization， case study， teaching method diversification and examination method meticulous， it further inspires students to control theoretical thinking， and cultivate students' innovation ability and practical application ability， so as to improve the teaching effect.

Keywords： system identification; adaptive control; teaching reform

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”和工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的提出體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的高度重視，其目的是打造更多具備專(zhuān)業(yè)化知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)踐背景的工業(yè)化發(fā)展急需的應(yīng)用型人才，要求該類(lèi)人才具有充分的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，能夠在生產(chǎn)一線解決重要的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)，也對(duì)其設(shè)計(jì)和研發(fā)方面的綜合能力提出嚴(yán)格要求，從而能夠使高校學(xué)生與企業(yè)充分有效對(duì)接[1]。

《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程是融合了“系統(tǒng)辨識(shí)”與“自適應(yīng)控制”兩個(gè)新的學(xué)術(shù)方向的科目，其均屬于現(xiàn)代控制理論范圍的自動(dòng)化學(xué)科，對(duì)學(xué)生分析動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)特性和解決工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)方面，具有十分重要的作用。本文在培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的背景下，遵循該課程基本教學(xué)規(guī)律，在教學(xué)隊(duì)伍、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)載體等方面不斷完善與革新，使本課程的理論與應(yīng)用方法能夠在研究生的科研活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)中得以廣泛應(yīng)用。

一、《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程特點(diǎn)及教學(xué)情況

《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程，我校開(kāi)設(shè)于2000年，是控制工程專(zhuān)業(yè)研究生的專(zhuān)業(yè)選修課程。本課程重點(diǎn)在于將系統(tǒng)研究的對(duì)象模型化，能夠自主論述建立模型的理論和方法，并建立能夠描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。自適應(yīng)控制的對(duì)象是不確定的系統(tǒng)，即其過(guò)程動(dòng)態(tài)特性、被控對(duì)象、數(shù)學(xué)模型具有不確定性，是經(jīng)常變化的，因此，可用自適應(yīng)控制來(lái)解決其常規(guī)反饋控制效果不佳的動(dòng)態(tài)問(wèn)題[2]。該課程覆蓋內(nèi)容廣泛，理論教學(xué)和實(shí)際分析、應(yīng)用性極強(qiáng)，要求具有良好的學(xué)科基礎(chǔ)，這對(duì)教學(xué)造成了一定程度上的困難，只有將理論吃透并可獨(dú)立分析實(shí)際案例，才可逐漸領(lǐng)悟本課程的精髓和控制邏輯思維。目前，該課程存在的較為突出問(wèn)題如下：

1. 作為控制工程專(zhuān)業(yè)研究生的重要選修課程，《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程應(yīng)更加突出在專(zhuān)業(yè)研究與實(shí)踐領(lǐng)域的應(yīng)用。長(zhǎng)期存在的“重理論，輕應(yīng)用”的問(wèn)題解決得還不夠理想。盡管在這方面已經(jīng)做了許多探索，但在實(shí)際應(yīng)用仍然是薄弱的方面，這主要受限于教學(xué)大綱設(shè)定、課時(shí)有限以及考核方式側(cè)重點(diǎn)，此問(wèn)題有待在教學(xué)改革中進(jìn)一步加強(qiáng)。

2. 該課程教學(xué)方式較為傳統(tǒng)且單一，如按部就班地依照指定教材進(jìn)行灌輸式教育，非但學(xué)生無(wú)法學(xué)會(huì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立，更無(wú)法領(lǐng)略控制方法的精髓及如何選用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。同時(shí)，這種傳統(tǒng)的灌輸式教育會(huì)對(duì)學(xué)生和教師產(chǎn)生雙重負(fù)面影響。學(xué)生方面，弱化學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和理解能力，從而導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣降低、主觀學(xué)習(xí)動(dòng)力不足;教師方面，將傳授知識(shí)的過(guò)程程式化，導(dǎo)致課堂氣氛缺乏活力，很難使學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力得到真正的鍛煉。由于以上多方面因素的影響，致使傳統(tǒng)的、單一的、灌輸式教育方式無(wú)法達(dá)到該課程的預(yù)期效果。

3. 本課程要求將課堂教學(xué)、理論研討和案例分析相結(jié)合，組織課程論文的公開(kāi)討論。在目前課時(shí)有限的條件下，無(wú)法將課程全部?jī)?nèi)容進(jìn)行精講細(xì)講，故必須進(jìn)一步精簡(jiǎn)課堂講授，加強(qiáng)課外輔導(dǎo)及網(wǎng)上資源教學(xué)資源共享，充分結(jié)合線上和線下兩種教育方式開(kāi)展該課程的理論與實(shí)踐教學(xué)。

4. 通常情況下，課程的考核形式是以筆試成績(jī)來(lái)決定，此考核方式也是大多數(shù)課程的考核首選，但在一定程度上略顯僵化和片面，容易使學(xué)習(xí)模式和教學(xué)模式流于“應(yīng)試”，不過(guò)，針對(duì)純理論基礎(chǔ)的課程考核效果還是較為明顯的。然而，對(duì)于一門(mén)工程背景極強(qiáng)的《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程而言，此考核方式則不夠合理，不僅不利于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的深入理解，也不利于對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)能力的培養(yǎng)與提升，反之，很有可能使學(xué)生的學(xué)習(xí)方向產(chǎn)生偏差，誤將理論知識(shí)視為重點(diǎn)。由此，制定與該門(mén)課程相適應(yīng)的新的考核體系是體現(xiàn)課程側(cè)重點(diǎn)的方式之一，也能夠使學(xué)生進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)方向，領(lǐng)略課程精髓，達(dá)到真正意義上的教學(xué)目的。

以上四點(diǎn)是我校開(kāi)設(shè)該門(mén)課程以來(lái)較為突出的問(wèn)題，在教學(xué)改革過(guò)程中，教師團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于尋找最優(yōu)教學(xué)模式和有效的考核方式來(lái)提升課堂效果和學(xué)習(xí)成果，真正幫助學(xué)生做到學(xué)有所用，以打造出符合工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的精品課程。

二、課程教學(xué)改革思路及措施

鑒于《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程在教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文則以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才為出發(fā)點(diǎn)，從教學(xué)團(tuán)隊(duì)的打造、教學(xué)目標(biāo)的調(diào)整、教學(xué)內(nèi)容的整合、教學(xué)手段的豐富和教學(xué)效果考核等方面提出改革思路和措施，為更好地打造工程應(yīng)用型型人才提供理論與實(shí)踐的雙線支撐，逐步改革工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)方式[3]。

（一）提升教學(xué)團(tuán)隊(duì)綜合能力，優(yōu)化課程體系

加強(qiáng)本課程教師隊(duì)伍建設(shè)是提高精品課程建設(shè)質(zhì)量和水平的關(guān)鍵和根本所在，要形成以本課程的骨干教師為龍頭，雙師型教師為主體的教師團(tuán)隊(duì)。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近20年的反復(fù)磨合調(diào)整已逐步成型，并根據(jù)研究生培養(yǎng)計(jì)劃的實(shí)際需求和教學(xué)目標(biāo)的不斷提升，該教學(xué)團(tuán)隊(duì)已在理論基礎(chǔ)、實(shí)踐應(yīng)用等多層次方面吸納教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富和科研能力強(qiáng)的青年教師參與教學(xué)，并充分利用校內(nèi)、外資源，團(tuán)隊(duì)成員輪流進(jìn)修，互相交流，拓展研究視野，從而提升教學(xué)技能，現(xiàn)已形成一支穩(wěn)定、高水平、新思路的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)課程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的定位和分析，逐步調(diào)整教學(xué)大綱，制定出符合工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)方向的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)體系逐步得到完善，使《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程與研究生階段開(kāi)設(shè)的其他課程有機(jī)銜接，提供了本課程教學(xué)過(guò)程中的必備知識(shí)儲(chǔ)備、理論基礎(chǔ)及研究方向。

（二）轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，整合教學(xué)內(nèi)容

理念的正確定位是課程改革過(guò)程中的方向標(biāo)，直接決定著改革的成功與否。針對(duì)《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程的改革，教學(xué)團(tuán)隊(duì)決定以工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求為依托，融入以學(xué)生發(fā)展為中心，以學(xué)生能力提升為導(dǎo)向的OBE理念，將培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力置于教學(xué)首位[4]。OBE理念教學(xué)模式完全打破了傳統(tǒng)教育模式的局限性，第一點(diǎn)，制定教學(xué)目標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)不同，傳統(tǒng)模式關(guān)注Input，即教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)的時(shí)間、學(xué)分和學(xué)習(xí)的過(guò)程，而OBE教育模式的焦點(diǎn)聚集在Output，即如何取得和評(píng)估學(xué)習(xí)成果;第二點(diǎn)，課程主體不同，由以教師、教科書(shū)為中心的被動(dòng)學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為中心的主動(dòng)學(xué)習(xí)，前者主要是以教師的個(gè)性為驅(qū)動(dòng)，表現(xiàn)更多的是教師的主觀臆斷，故缺乏連續(xù)性，后者則以學(xué)生的不斷反饋為驅(qū)動(dòng)，可使教學(xué)和過(guò)程可持續(xù)性改進(jìn);第三點(diǎn)，傳統(tǒng)教育模式以考試分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)學(xué)生專(zhuān)業(yè)能力的唯一依據(jù)，而新的教育模式可實(shí)現(xiàn)基于學(xué)習(xí)結(jié)果的多種評(píng)估，并實(shí)現(xiàn)在多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行學(xué)習(xí)、輔修，具有靈活性。由此可知，OBE教育理念的引入完全打破了傳統(tǒng)教育模式，更進(jìn)一步符合工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

隨著教學(xué)模式的改革，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)與學(xué)生的交流反饋，精心設(shè)計(jì)并調(diào)整了符合當(dāng)代學(xué)生特點(diǎn)、適應(yīng)時(shí)代需求的教學(xué)內(nèi)容，使課程教學(xué)更加完善，符合培養(yǎng)控制領(lǐng)域應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的需求。本課程的教材選用方面，更加突出了教學(xué)內(nèi)容的針對(duì)性和實(shí)用性，由單一性教材選用轉(zhuǎn)向融合性教材選擇，本課程選用清華大學(xué)方崇智教授主編的《系統(tǒng)辨識(shí)》教材、北京科技大學(xué)舒迪前主編《自適應(yīng)控制》教材。以劉金琨教授2016年主編的《先進(jìn)PID控制技術(shù)及MATLAB仿真》為輔助教材，書(shū)中的自考題， 例題和案例分析均為學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的開(kāi)展提供了資料清單。同時(shí)，將北京科技大學(xué)孫一康教授《冷熱軋板帶軋機(jī)的模型與控制》一書(shū)作為擴(kuò)展性資料使用，結(jié)合鞍鋼1700ASP熱軋現(xiàn)場(chǎng)，做到理論與實(shí)際相結(jié)合。通過(guò)合理整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將《系統(tǒng)辨識(shí)》與《自適應(yīng)控制》兩門(mén)課程有效融合。

《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程具有強(qiáng)理論性、強(qiáng)應(yīng)用性、理論內(nèi)容繁多，算法難等特點(diǎn)。為打破該課程教學(xué)的瓶頸，使學(xué)生掌握課程基本理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、設(shè)計(jì)思路和控制策略的正確選用等，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)反復(fù)實(shí)踐與思考，決定通過(guò)實(shí)驗(yàn)，初步采用系統(tǒng)辨識(shí)建立過(guò)程模型的方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制的基本概念、系統(tǒng)的構(gòu)成原理，掌握模型參考自適應(yīng)和自校正自適應(yīng)控制這兩類(lèi)主要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)例了解自適應(yīng)控制在工藝過(guò)程控制的應(yīng)用等[5]。該課程重點(diǎn)主要有最小二乘法建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、PID參數(shù)整定、模型階次確定及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值的選擇等。在授課過(guò)程中，將課堂基礎(chǔ)理論和方法的講授與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際講解相結(jié)合，課堂教學(xué)與學(xué)生的實(shí)踐相結(jié)合。在實(shí)踐教學(xué)方面，不斷完善課程團(tuán)隊(duì)的師資力量，更新教學(xué)案例，加強(qiáng)案例討論內(nèi)容和過(guò)程管理，注重模型計(jì)算與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分析相結(jié)合，要求學(xué)生課后要查閱大量資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，形成課程論文。通過(guò)課程論文的寫(xiě)作培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用過(guò)程辨識(shí)分析方法解決實(shí)際自控問(wèn)題的能力，論文經(jīng)授課教學(xué)指導(dǎo)與修改投向國(guó)內(nèi)外主流雜志進(jìn)行發(fā)表，成效顯著。真正做到從課堂中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)例分析能力、工程問(wèn)題解決能力以及系統(tǒng)科學(xué)與控制思維，尤其是在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，提高學(xué)生的適應(yīng)能力和創(chuàng)新能力[6]。

（三）豐富教學(xué)手段，制定多種考核方式

《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程在以往教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，不斷改革創(chuàng)新，采用理論研討、案例精講、探究與協(xié)作多方結(jié)合的模式進(jìn)行授課，有效地將理論教學(xué)延伸至實(shí)踐環(huán)節(jié)。根據(jù)不同時(shí)代的學(xué)生特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容整合與規(guī)劃以及教學(xué)目標(biāo)的完善，采用形式靈活、效果最佳的教學(xué)方法，例如，針對(duì)理論性難點(diǎn)內(nèi)容，如辨識(shí)與估計(jì)等內(nèi)容，重點(diǎn)進(jìn)行精講、精讀，充分研討，案例剖析等教學(xué)形式。對(duì)一些理論及實(shí)踐中爭(zhēng)議和質(zhì)疑較多的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究，前沿引領(lǐng)。并結(jié)合其他研究生方法論課程，進(jìn)一步探討其核心思想。具體教學(xué)手段如下：

1. 傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合。從多媒體教學(xué)模式的自身優(yōu)勢(shì)來(lái)看，多媒體模式講授《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》，一方面，有效擴(kuò)充課堂的信息承載量，另一方面，使課堂教學(xué)由刻板、單一化變得形象化、生動(dòng)化。同時(shí)，適時(shí)地、有選擇性地運(yùn)用板書(shū)教學(xué)，做到重、難點(diǎn)內(nèi)容精講、細(xì)講，使學(xué)生更加透徹、精確的掌握課堂內(nèi)容。

2. 討論教學(xué)。在保證正常教學(xué)的基礎(chǔ)上，穿插四分之一的課時(shí)進(jìn)行討論模式教學(xué)，使教學(xué)方式徹底打破傳統(tǒng)的“灌輸式”，轉(zhuǎn)變多種教學(xué)形式有機(jī)結(jié)合，例如：精講、案例、討論等方式。學(xué)生由被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主觀學(xué)習(xí)，重視學(xué)習(xí)成果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3. 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，將教學(xué)課件、作業(yè)詳解、教案、案例分析、現(xiàn)場(chǎng)視頻等傳至校園網(wǎng)，方便學(xué)生有針對(duì)性的課下復(fù)習(xí)、自學(xué)，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。同步建立網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺(tái)，可暢通師生之間的溝通，提供隨時(shí)解決學(xué)生提出問(wèn)題的便捷通道。

該課程改變以往的專(zhuān)注理論知識(shí)的考核模式，打破傳統(tǒng)考核的單一化模式，將學(xué)生能力的培養(yǎng)作為該門(mén)課程的終極考核目標(biāo)。改革后的課程考核體系由筆試成績(jī)、課程研討成績(jī)及論文成績(jī)?nèi)糠纸M成，其中分別占50%、30%和20%，在考核學(xué)生理論知識(shí)掌握程度的同時(shí)，著重考察了學(xué)生的應(yīng)用能力，為培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，題型方面也要做出相應(yīng)的調(diào)整，題型設(shè)計(jì)多樣化，拓寬題目覆蓋專(zhuān)業(yè)面，例如：?jiǎn)渭冇洃浶约兝碚擃}目的減少，增加案例分析等實(shí)際應(yīng)用型的考題，尤其是針對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和實(shí)際工程問(wèn)題解決方面的考察方面，應(yīng)給予側(cè)重。由此，課堂知識(shí)傳授方式的多樣性和考核模塊的合理化組合，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得以有效提高， 并對(duì)如何進(jìn)行實(shí)證分析在專(zhuān)業(yè)的角度有了更好的理解。

三、結(jié)束語(yǔ)

《系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制》課程在教學(xué)改革過(guò)程中，緊密跟蹤現(xiàn)有理論的新發(fā)展，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，與國(guó)際接軌;在基本理論體系完整的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持“重思想、重方法、重思維訓(xùn)練”的原則，能快速地提高本課程在國(guó)內(nèi)同類(lèi)課程中的水平。目前，本文所提出的教改意見(jiàn)已逐步在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中實(shí)施，將“成果為導(dǎo)向、學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)”的教學(xué)理念深入到教學(xué)和實(shí)踐中去，做到理論與實(shí)際相結(jié)合，使學(xué)生能在實(shí)際工作中，完成系統(tǒng)辨識(shí)工作，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。本次教學(xué)改革提高了該課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，使系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制課程向著培養(yǎng)高質(zhì)量工程應(yīng)用型人才的方向持續(xù)發(fā)展。

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