“智能控制”課程建設(shè)與教學(xué)改革的初步探討*

闞 秀，曹 樂，羅 曉，姚 煒

（上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

21世紀(jì)以來，隨著信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，全球自動(dòng)化相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。十九屆五中全會(huì)公報(bào)明確指出：“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展。”國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》更是明確了我國未來制造業(yè)的發(fā)展方向。而在全球發(fā)展多元化、一體化的趨勢(shì)下，專業(yè)人才的多少和優(yōu)劣在很大程度上決定了國際競(jìng)爭(zhēng)的成敗?！爸悄芸刂啤弊鳛楫?dāng)今世界控制理論與技術(shù)發(fā)展的重要風(fēng)向標(biāo)，融合了信息處理、反饋、通信和決策控制等學(xué)科知識(shí)與技術(shù)，是控制科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)必不可少的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課程[1]?！爸悄芸刂啤币詢?yōu)化功率為己任，節(jié)能節(jié)材為專長，以自動(dòng)化、智能化、信息化、機(jī)電一體化服務(wù)為目標(biāo)，是一門理論與實(shí)踐、方法與技術(shù)融合于一體的專業(yè)課程，智能控制理論與先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)與掌握，對(duì)學(xué)生未來的專業(yè)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也在很大程度上契合國家發(fā)展戰(zhàn)略要求。

上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院致力于電子電氣與信息類卓越工程師的培養(yǎng)，全面瞄準(zhǔn)國際工程技術(shù)前沿，對(duì)接國家發(fā)展戰(zhàn)略，服務(wù)行業(yè)企業(yè)需求，立足高端人才培養(yǎng)，不斷向社會(huì)輸送具有國際視野、理論扎實(shí)、技術(shù)過硬的高層次工程技術(shù)與工程管理人才?！爸悄芸刂啤闭n程教學(xué)符合國際信息技術(shù)飛速發(fā)展的需要，以實(shí)際行業(yè)需求研究為導(dǎo)向，合理架構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)建先進(jìn)教學(xué)環(huán)境、整合現(xiàn)代教學(xué)手段，打造理論與實(shí)際相結(jié)合、實(shí)踐與技術(shù)相銜接的專業(yè)特色課程，課程的設(shè)計(jì)理念彰顯了學(xué)院的辦學(xué)特色，為培養(yǎng)高素質(zhì)高技能的國際化專業(yè)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 課程理念與目標(biāo)設(shè)計(jì)

以突出智能控制工程背景、結(jié)合相關(guān)技術(shù)發(fā)展、更新整合課程內(nèi)容，強(qiáng)化課程與課程、課程與技術(shù)之間的知識(shí)聯(lián)系，同時(shí)跟蹤國際新技術(shù)應(yīng)用，開闊學(xué)生的視野和思路，為學(xué)生未來將所學(xué)知識(shí)在全球化發(fā)展的大背景下熟練應(yīng)用實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。

1）創(chuàng)建專業(yè)學(xué)習(xí)環(huán)境，加強(qiáng)國際知識(shí)對(duì)接，增強(qiáng)技術(shù)強(qiáng)國意識(shí)。在授課過程中有意識(shí)地創(chuàng)建專業(yè)學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生重視專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，并從國際前沿控制方法和當(dāng)前最具影響的工程問題出發(fā)構(gòu)建課程體系，加強(qiáng)直接獲取國內(nèi)外先進(jìn)專業(yè)知識(shí)的能力，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知智能控制在建設(shè)強(qiáng)國中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生成為懂智能、用智能的專業(yè)愛國人才。

2）利用軟件仿真調(diào)試，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，直觀理解專業(yè)技術(shù)與國家發(fā)展的密切關(guān)系。通過Matlab、Python等軟件仿真智能控制系統(tǒng)，幫助學(xué)生把精力從理論學(xué)習(xí)中解脫出來，使得學(xué)生更加清晰地理解專業(yè)技術(shù)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方案時(shí)在經(jīng)典控制方法和最新流行控制方法中各有偏重，使得學(xué)生明了所學(xué)知識(shí)在國家建設(shè)方面的具體應(yīng)用，把更多注意力放在知識(shí)的掌握和應(yīng)用上。

3）以學(xué)生為中心，以專業(yè)為導(dǎo)向，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，提高學(xué)生投身建設(shè)國家的信心?！爸悄芸刂啤彼璧睦碚撆c知識(shí)儲(chǔ)備較多，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中會(huì)感覺理論方法晦澀難懂，需要通過讓學(xué)生根據(jù)對(duì)不同系統(tǒng)智能控制器的設(shè)計(jì)理解搭建實(shí)際的應(yīng)用測(cè)試環(huán)境，從實(shí)際解決問題出發(fā)驗(yàn)證理論的正確性，能夠增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，鼓勵(lì)學(xué)生提高自我學(xué)識(shí)的主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用自身技術(shù)強(qiáng)國的信心[2]。

2 教學(xué)條件與環(huán)境設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有教學(xué)條件和教學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)在高速發(fā)展的信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)全球化進(jìn)程，呼應(yīng)現(xiàn)在國家政策、社會(huì)需求和學(xué)校發(fā)展，從教授課程的教師自身提升出發(fā)，以學(xué)習(xí)課程的學(xué)生快速掌握為落腳，并重視使用現(xiàn)有的通信交流手段。

2.1 教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有4人，全部具有工學(xué)博士學(xué)位，并計(jì)劃從兩方面進(jìn)一步提高團(tuán)隊(duì)的英語教學(xué)水平，一是大力引進(jìn)英語水平高、學(xué)科知識(shí)強(qiáng)的復(fù)合型教師，從多個(gè)方面進(jìn)一步加強(qiáng)知識(shí)技術(shù)儲(chǔ)備；二是大力支持教師走出校園，走出國門，走進(jìn)實(shí)際問題，走進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，從多個(gè)角度進(jìn)一步提升專業(yè)實(shí)踐能力。建設(shè)成高水準(zhǔn)高素質(zhì)的師資隊(duì)伍，實(shí)現(xiàn)教學(xué)水平和專業(yè)能力的雙發(fā)展，為課程建設(shè)的良性發(fā)展提供有力基礎(chǔ)。

2.2 實(shí)踐教學(xué)方案

由于“智能控制”為理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，這使得實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)在課程學(xué)習(xí)過程中顯得尤為重要。因此，課程建設(shè)的主要目標(biāo)之一就是改進(jìn)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真與計(jì)算機(jī)新技術(shù)結(jié)合，采用經(jīng)典仿真軟件的同時(shí)補(bǔ)充流行實(shí)踐軟件，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，采用靈活多樣的形式和豐富多樣的內(nèi)容，以期達(dá)到最好的學(xué)習(xí)效果，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況與學(xué)生動(dòng)態(tài)反饋，不斷調(diào)整并及時(shí)更新仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容。

2.3 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境

基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)搭建“智能控制”課程教學(xué)專欄，提供課程簡(jiǎn)介、教學(xué)大綱、多媒體課件、參考文獻(xiàn)、作業(yè)習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、電子教案、授課視頻等部分服務(wù)內(nèi)容，供學(xué)生下載學(xué)習(xí)使用。同時(shí)開放學(xué)生作業(yè)、報(bào)告和資料上傳分享接口，提升課程建設(shè)過程中學(xué)生的參與度，并構(gòu)建線上課程學(xué)習(xí)交流平臺(tái)，使得師生、生生能夠保持暢通的互動(dòng)交流，及時(shí)解決學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的困難。促使學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3 教學(xué)思路與方法設(shè)計(jì)

教學(xué)過程中采用以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)的總思路，從課程安排、課堂設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)需求出發(fā)，以解決問題為最終學(xué)習(xí)目的，以啟發(fā)式教學(xué)和引導(dǎo)式學(xué)習(xí)為主要方法，實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)的有的放矢和師生學(xué)習(xí)的教學(xué)相長[3]。

3.1 “任務(wù)驅(qū)動(dòng)”安排教學(xué)內(nèi)容

教師在課堂教學(xué)中圍繞教材內(nèi)容組織教學(xué)，以課程的專業(yè)內(nèi)容為基礎(chǔ)設(shè)置具體教學(xué)任務(wù)，注意教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間的信息差。采用在“任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)”中較為普遍應(yīng)用的是“解決問題”方式。使學(xué)生切實(shí)感到課堂學(xué)和實(shí)際用之間的關(guān)系，從國際化和實(shí)用化的角度完成職業(yè)技術(shù)與專業(yè)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的積極性，幫助學(xué)生制定有效的學(xué)習(xí)策略。

3.2 “以學(xué)生為中心”設(shè)計(jì)課堂活動(dòng)

根據(jù)實(shí)際的職業(yè)導(dǎo)向和后續(xù)專業(yè)培養(yǎng)需求，以“做中學(xué)”的形式有針對(duì)性地設(shè)計(jì)課程交流學(xué)習(xí)活動(dòng)，提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力和合作參與能力。從專業(yè)實(shí)際技術(shù)應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)知識(shí)掌握程度，設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況的多形式教學(xué)活動(dòng)。注重學(xué)生的獨(dú)立思考、互動(dòng)討論和動(dòng)手實(shí)踐等能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)學(xué)習(xí)、深入分析、實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的好習(xí)慣。

3.3 “學(xué)習(xí)需要”實(shí)現(xiàn)有的放矢

根據(jù)實(shí)際行業(yè)需求出發(fā)，分析現(xiàn)在的學(xué)生未來的從業(yè)者的“學(xué)習(xí)需要”，有針對(duì)性地了解學(xué)生們所缺乏的知識(shí)和技能，梳理應(yīng)學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)體系，了解學(xué)生易接受的學(xué)習(xí)方法。在教學(xué)過程中突出教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，面向行業(yè)應(yīng)用實(shí)例，采用啟發(fā)式的教學(xué)方式引導(dǎo)學(xué)生扎實(shí)掌握所學(xué)內(nèi)容。例如，在基本概念或基本方法的理論講解結(jié)束后，通過Matlab或Python仿真能夠直觀地了解概念的內(nèi)涵和方法的應(yīng)用機(jī)理。

4 教學(xué)模式與手段設(shè)計(jì)

為激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠?qū)W有所獲，快速成長為能夠解決實(shí)際應(yīng)用問題的工程師，從實(shí)際課程教學(xué)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)合理、實(shí)用、生動(dòng)、有感染力的課程教學(xué)模式，并利用信息技術(shù)輔助設(shè)計(jì)改善教學(xué)模式。

4.1 傳統(tǒng)教法與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合

從內(nèi)容架構(gòu)體系出發(fā)，以圖文并茂的形式制作教學(xué)課件，形象具體地展現(xiàn)專業(yè)知識(shí)，同時(shí)力求從學(xué)生的角度更生動(dòng)地完成知識(shí)接收。并針對(duì)“智能控制”中的基本原理和技術(shù)參數(shù)，采用板書推導(dǎo)演算的方式讓學(xué)生充分地了解其中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)及物理等屬性。利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的分組翻轉(zhuǎn)課堂互動(dòng)的方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并提升學(xué)生的合作意識(shí)，克服傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的許多缺陷，如節(jié)奏慢，所能表現(xiàn)內(nèi)容的深度、廣度及手法極為有限等問題。

4.2 仿真軟件輔助教學(xué)

充分考慮信息化到工業(yè)化的發(fā)展規(guī)律，借助Matlab和Python等經(jīng)典和流行軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)合行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用例子，讓學(xué)生清楚地了解控制方法的工作機(jī)理和實(shí)際應(yīng)用效果，通過圖形效果更為直觀地理解所學(xué)知識(shí)，可與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容相互補(bǔ)充呼應(yīng)，對(duì)學(xué)生掌握理論并指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用具有良好的啟發(fā)作用，完成所學(xué)知識(shí)與實(shí)際行業(yè)的對(duì)接，教師亦可根據(jù)實(shí)際使用中學(xué)生的反應(yīng)進(jìn)一步修改和完善教學(xué)內(nèi)容[4]。

4.3 線下線上多種教學(xué)與互動(dòng)模式

傳統(tǒng)的線下教學(xué)可以保證師生間的主觀能動(dòng)性，是課程真實(shí)有效展現(xiàn)的經(jīng)典模式。線上教學(xué)充分利用現(xiàn)代化移動(dòng)通信環(huán)境，以微視（音）頻為交互媒介，建立起集情景化與可視化為一體的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源包。利用慕課微課等形式解決師生之間課上課下脫節(jié)的問題，促進(jìn)學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行線上自主學(xué)習(xí)和師生交流，為遠(yuǎn)程教育技術(shù)注入了新的活力，從線上和線下兩個(gè)角度拉近學(xué)生與老師與專業(yè)知識(shí)的距離。

5 結(jié)束語

“智能控制”課程著眼培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，并對(duì)后續(xù)相關(guān)課程學(xué)習(xí)起著有效的支撐作用。從國家戰(zhàn)略與工程教育背景出發(fā)，力求為學(xué)生搭建一個(gè)自我成長的平臺(tái)，將思政教育生動(dòng)融入專業(yè)課程教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)立德樹人。在潤物無聲的授課過程中，以學(xué)生為中心，以專業(yè)為導(dǎo)向，結(jié)合工程教育背景下教學(xué)理念的不斷轉(zhuǎn)變，在理論與實(shí)際、技術(shù)與思政相結(jié)合上下工夫，力求獲得更好的課程教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。