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课堂学习效果为导向的智能控制课程教学改革探索

2024-09-05 17 上传者：管理员

摘要：为适应社会发展对自动化类工程技术人才的迫切需求，增强学生解决工程系统控制问题的综合能力，许多高校开设了智能控制课程。根据学生的学习情况，分析、改进智能控制课程的教学方法，对于提升学习效果，增进学生对模糊控制、神经网络理论的理解与应用能力，具有重要意义。为提升课堂学习效果，本文提出了几点改进教学的措施：启发式教学、强化课堂实践教学、增加跟经典控制与现代控制的联系、翻转课堂、结合智能控制发展前沿。

关键词：
教学内容
教学方法
智能控制
翻转课堂
课堂学习效果
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1、概述

人工智能的产生与发展，促进了自动控制向智能化方向发展。智能控制是自动控制的最新发展阶段，也是应用人工智能模拟人类脑力劳动和体力劳动自动化的一个重要领域。自动控制在发展过程中既面临严峻挑战又存在良好发展机遇，计算机技术、集成电路、通信工程等领域的发展对自动控制的发展有极大的促进作用[1]。如何将人类智能思维引入自动控制，实现自动控制系统的智能化行为，是自动控制发展中极具挑战性的问题，也具有重要的理论意义与实际价值。为了解决该问题，一方面要推进控制硬件、软件和智能技术的结合，实现控制系统的智能化；另一方面要实现自动控制与人工智能、运筹学等学科的交叉融合，为自动控制提供新思想、新技术，创立自动控制相关的交叉学科——智能控制。21世纪以来，智能控制在更高水平上进一步发展，取得了丰硕的理论和应用研究成果，并实现了与国民经济发展的深度融合。

近年来，世界各先进工业国家相继提出人工智能、智能制造和智能机器人的发展战略，智能控制迎来了前所未有的发展机遇。《中国制造2025》《新一代人工智能发展规划》和《机器人产业发展规划2016—2020》等国家重大发展战略的实施，为智能控制的基础理论研究及其在智能制造、智能驾驶、智能机器人等领域的产业化应用注入活力。在此背景下，针对本科生开设“智能控制”课程，不仅使学生具备利用智能控制方法综合解决自动化领域的复杂工程问题的能力，而且对于帮助学生建立从经典控制到现代控制、智能控制的理论体系，梳理控制理论发展各阶段主要关注的对象及问题，具有重要作用。模糊控制、神经网络控制等智能控制方法的实践性较强，从学生学习效果以及工程技术人才培养的角度出发，探索智能控制课程的教学方法与教学内容，具有重要的实际意义。

2、教学方法与内容分析

智能控制的主要教学内容包括智能控制的发展历程与背景、模糊控制的理论基础、模糊控制系统设计、神经网络模型、神经网络控制方法。

智能控制的发展历程与背景，主要介绍从智能控制概念提出至今的发展历程、智能控制主要关注什么类型系统的控制问题、主要的智能控制方法(如专家控制、模糊控制、神经网络控制、学习控制等)、智能控制系统的结构和特点[2]。模糊控制的理论基础主要介绍模糊集合与运算，及其与经典集合的关系、隶属度函数、模糊逻辑、模糊逻辑推理与合成。模糊控制系统设计则是以模糊逻辑推理为基础进行的模糊控制设计，主要包括模糊化过程、模糊逻辑推理和精确化计算三个部分。神经网络模型的建立主要包括单个神经元模型的建立、由多个神经元构成的神经网络(如多层前向神经网络、Hopfield反馈神经网络、自组织网络)、BP学习算法等。神经网络控制部分包括系统的神经网络辨识和神经网络控制器的设计。

其中，模糊控制的理论基础和神经网络模型的理论性较强，而模糊控制系统设计和神经网络控制方法的实践性较强。一味地采用教师课堂讲授的方式，学生对于理论性强的部分可能无法高效地跟踪理解；缺乏动手与自主思考环节，学生对智能控制方法的掌握与运用能力就得不到锻炼。因此，根据本课程各部分的特点，设计适当的教学方式，有助于提升学生课堂学习效果。

3、教学措施改进

教学中，通常根据课时量和教学内容安排每节课的授课内容，保证一学期能讲完全部内容。而充分全面的授课内容，不一定等于学生掌握情况好，学生课堂学习中收获了多少、学习了多少新的知识技能才是学习效果，因此要采取以学生课堂收获为导向的教学方式。为了达到这个目的，在授课时应关注学生课堂学习效果，比如，进行课堂提问，以此直接有效地反馈学生学习效果。对于复杂深入的知识点，可以采取课堂检测、随堂练习、课堂提问的方式等反馈学生的学习效果。授课教师针对重点与难点进行点拨，这样由学生主动参与的学习，效果更好。课堂检测与随堂练习会占用一些课堂时间，但学生在课堂上收获更多。整个教学过程中，教师课堂上讲授的时间变短了，但是学生一学期的课堂学习的收获增加了，这就提升了教学效果。因此有必要探索从学生学习效果角度出发设计教学内容与方法，引导学生主动参与课堂、主动参与到新知识的探索之中，在自主学习与实践中理解新知识[3-4]。

本文所提出的教学方法改进措施对学生学习效果的影响如下图所示。

教学方法改进措施对学生学习效果的影响图

3.1 启发式教学

启发式教学是引导学生自主思考、启发学生思维、培养学生主动学习能力的教学方式。例如，对于模糊集合，学生第一次接触这个概念，可以举一些实际的例子，让学生感受模糊集合的概念，并与经典集合进行对比，形成对模糊集合的初步认识。如“天气热”这一概念。生活中，35℃的气温我们认为是天气热，那30℃是不是“天气热” 28℃是不是“天气热”?我们似乎无法给出确定性的答案，30℃是或不是“天气热”,28℃是或不是“天气热”。引导学生思考，“天气热”这个集合跟经典集合不同，使学生明白，经典集合包含哪些元素是确定的，一个元素属不属于该集合是明确的。而“天气热”这个集合就不同，30℃是否属于该集合、28℃是否属于该集合，不是明确的，从而引导学生形成对模糊性概念的认识。此外，教学过程中，还应引导学生对所学知识点多问“为什么”,在探索“为什么”的过程中深入理解并整理归纳相关知识。例如，在神经网络控制中，不仅设计神经网络控制器，还要设计神经网络辨识器，要求学生思考这是为什么。学生思考为什么要设计神经网络辨识器的过程，就是对神经网络估计与控制机理深入探索的过程。为搞清楚这个问题，学生需要梳理什么是神经网络控制，控制器网络、辨识器网络的输入输出分别是什么，控制器网络、辨识器网络的权值如何更新，若能找到控制器网络跟辨识器网络的关系就清楚为什么要设计辨识器网络。这个探索的过程，即使学生最终没有明白设计辨识器网络的原因，也完成了对控制器网络、辨识器网络设计的梳理，包括神经网络结构与学习方式、神经网络控制闭环系统框架等，加深了对神经网络和神经网络控制的理解。可以看出，学生自主思考的过程，比直接告诉学生答案的效果好。这样启发学生自主思考、自主探索的过程，不仅能促进学生对新知识的理解，还能增强学生的学习兴趣、吸引学生课堂上的注意力。这个过程中还包含了引导学生对新旧知识之间区别与联系的探索，即模糊集合与经典集合的关系。所以，启发式教学有助于引导学生自主学习，提升学习效果。

3.2 强化课堂实践教学

一方面，模糊逻辑推理、模糊控制设计、神经网络BP学习算法等理论内容较为抽象，需要学生以具体的例子为载体练习、消化；另一方面，从工程技术人才培养的角度，学习智能控制课程最直接的目的是，能利用模糊控制、神经网络方法等智能控制方法解决实际工程控制问题。因此，可以从这两方面强化实践教学，以提升学生对理论知识的理解水平和应用能力。对于模糊逻辑推理、神经网络BP学习算法，理论知识讲解完之后，可以布置对应的练习题，让学生做针对性训练。在做练习的过程中，梳理理论知识以加深理解，达到熟练掌握的程度。对于模糊控制设计方法，针对一个具体的控制问题，如倒立摆系统控制等，要求学生完成完整的模糊控制设计过程，使学生在具体的模糊控制设计过程中，加深对模糊控制方法与设计的理解。此外，可以要求学生在Matlab等计算机仿真软件中，对所设计的智能控制方法进行数值仿真验证，或在实验平台上进行实验验证。仿真与实验验证过程，能促进学生对智能控制方法的深度理解及其在工程问题中的运用能力。由学生自主完成实践任务，使学生由被动接受知识转变为主动汲取知识，有助于调动学生自主思考和探索的积极性，还能加强课堂学习氛围，促进学生参与课堂学习，提升教学班学生整体学习效果[5]。

3.3 增加跟经典控制、现代控制的联系

引导学生思考智能控制所关注的控制问题类型，结合学生学习过的经典控制、现代控制，学生就更加明确了智能控制的学习内容，以及经典控制、现代控制和智能控制之间的联系。学习了经典控制理论，学生清楚了经典控制主要关注的控制对象是单变量常系数线性系统，且只适用于单输入—单输出控制系统。而数字计算机技术的发展，为解决复杂多维系统控制问题提供了技术支持，因此，以卡尔曼线性滤波与估计理论、贝尔曼动态规划、庞特里亚金极大值原理为基础的现代控制理论得到发展，产生了面向多输入—多输出线性系统的最优控制、自适应控制、系统辨识与最优估计等分析设计方法。随着控制系统越来越复杂，基于数学模型的分析设计方法难以解决复杂系统的控制问题，如高度非线性系统、不确定性系统及复杂任务的控制需求等，因而催生了智能控制方法，以解决诸如上述复杂系统的控制任务。通过梳理控制理论的发展历程能帮助学生构建宏观的知识体系，清楚经典控制、现代控制、智能控制主要关注的控制对象及相应的控制方法。这一教学方法有助于吸引学生的学习兴趣与热情，增强学生学习的自信心与主动性[6]。

3.4 翻转课堂

常规教学模式中以教师讲授为主，为促进学生主动学习可以考虑课堂上学生主讲的教学模式。出于加强学生理论学习效果和提升学生工程实践能力的目的，翻转课堂中可以要求学生针对工程中的实际控制问题(如轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题等),设计智能控制方法并进行仿真、实验实现，验证所设计的智能控制方法的控制效果。把控制对象与控制问题、智能控制设计、控制效果验证与分析等完整内容在课堂上展示、讲解出来。可以看出，这个过程，以解决特定控制问题为宗旨，引领学生自主分析控制对象与控制问题，深入学习具体的智能控制设计方法，在自己动手的实践中学习如何做控制系统仿真、实验，达到了理论方法设计与工程实践锻炼的目标[7,8]。此外，课堂展示的过程能锻炼学生展示自己的学习、研究成果的能力以及与同行交流、探讨等综合能力。

3.5 结合智能控制发展前沿

近年来，智能控制得到了相关研究者的广泛关注，产生了丰硕的研究成果，包括智能控制相关方法和智能控制方法的工程应用。授课过程中，若能结合国内外智能控制发展前沿，适当介绍方法、工程中的研究热点、新的应用，有助于帮助学生熟悉智能控制发展动态，拓展国际视野。例如，动态神经网络、卷积神经网络、自适应模糊控制、变论域模糊控制等前沿方法，以及上述方法在锂离子电池剩余寿命预测、地震震级测定、混凝土配料系统、无人水下机器人航向控制/无人飞行器航向控制中的应用。结合智能控制发展前沿授课，能帮助学生认识到智能控制技术相关的前沿科技产品，智能控制在其中扮演的角色以及达到的控制效果，拓展对智能控制的认识的同时激发学生学习智能控制的热情，培养学生主动学习智能控制的兴趣。

此外，还应充分利用学习通等网络教学、学习平台，为学生提供更多的教学视频、演示视频等学习资源，拓宽学生的知识面。网络学习平台建设也有助于提升学生学习效率，增进师生即时交流。教学过程中，还可以积极探索智能控制课程与其他课程、其他专业的交叉，使得学生能够熟悉涉及多个领域的综合问题。从综合问题中提炼出控制问题，并利用智能控制方法加以解决，从而增强学生分析解决实际生产中复杂工程问题的实践能力[9]。上述多种教学方式，对于引导学生高效学习吸收课程知识、利用所学知识解决实际应用中的智能控制问题、锻炼智能控制工程实践能力、扩展相关学术视野具有重要意义。实际教学过程中，根据实际情况综合采取上述几种教学方式，将有助于激发学生学习兴趣、提升课堂学习效果，并拓宽对智能控制工程应用的认识。

4、结语

自20世纪70年代智能控制的概念被提出以来，智能控制相关领域的研究已取得了丰硕的成果。目前，智能控制作为自动控制理论的第三发展阶段，正处于蓬勃发展之中。根据智能控制教学内容的特点，本文针对性地提出了一些教学措施与导向，以提升学生的课堂学习效果。为加强学生自主学习意识、引导学生主动学习，提出了启发式教学和翻转课堂的改进措施；为提升学生课堂学习效果，提出了强化课堂实践教学的措施；为帮助学生构建宏观的控制理论体系，提出了课堂教学中增加智能控制与经典控制、现代控制的联系的改进措施；为帮助学生跟踪智能控制发展动态、拓宽学术视野，提出了结合智能控制发展前沿的授课改进措施。

参考文献:

[1]韦巍.智能控制技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2015.

[2]刘金琨.智能控制[M].4版.北京:电子工业出版社,2017.

[3]黎萍,潘奇明.新工科背景下的自动控制原理课程教学改革[J].中国现代教育装备,2023(5):91-93+96.

[4]林莉,杨皆平.基于高层次应用型人才培养目标的实践教学体系建设与探索[J].大学教育,2022(3):211-213.

[5]孟琳,高阳,张嘉超,等.基于项目化教学的应用型本科院校教学方法探索[J].科教导刊,2023(4):10-13.

[6]刘炀宾.信息技术教学中的导课设计方法研究[J].信息技术教学与研究,2021(47):121-122.

[7]谢玲,陈琳琳,朱娴,等.基于应用型人才培养的数电课程教学探索与研究[J].中国教育技术装备,2019,472(22):79-81.

[8]王星,徐影.“互联网+”背景下翻转课堂教学空间的构建模式与运行逻辑[J].黑龙江高教研究,2022(2):139-144.

[9]孙尚琪,秦立光,潘海军.新工科背景下学科交叉中的问题与解决思路研究——以智能制造专业为例[J].科技风,2023(31):55-58.

基金资助:南京工程学院科研基金(编号:YKJ202113,CKJB202203); 中国高等教育学会专项课题(编号:2020 SZYB11);

文章来源:李桂璞,毕云蕊,胡杨,等.课堂学习效果为导向的智能控制课程教学改革探索[J].科技风,2024,(25):13-15.