劉文藝王曦

1 江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

2 江蘇師范大學(xué)管理學(xué)院 江蘇徐州 221100

智能控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革研究*

劉文藝1王曦2

1 江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

2 江蘇師范大學(xué)管理學(xué)院 江蘇徐州 221100

智能控制課程設(shè)計(jì)是智能控制課程的一次實(shí)踐過程，是對課程知識的鞏固和加強(qiáng)。其目的是總結(jié)和檢驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生熟悉和掌握基本的智能控制知識，提高理論水平，增強(qiáng)編程及調(diào)試能力，深化已有的知識，拓寬新的知識，掌握幾種常見的智能控制方法。但是，由于課程設(shè)計(jì)的時(shí)間一般只有一周，而課程的內(nèi)容理論性又太強(qiáng)，難度較大，使得設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)一些問題。對智能控制課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容特點(diǎn)及現(xiàn)有問題進(jìn)行深入分析，并從精簡理論內(nèi)容、增加實(shí)例分析、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、改革教學(xué)方法、注重答辯環(huán)節(jié)等方面給出相應(yīng)的對策。

課程設(shè)計(jì)；智能控制；教學(xué)改革；教學(xué)方法

Author’s address

1 School of Mechanical and Elect rical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China 221116

2 School of Management, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China 221116

智能控制是機(jī)械電子方向的專業(yè)課，涉及的理論知識較多[1-2]，課程設(shè)計(jì)時(shí)間一般為一周，1學(xué)分。課程設(shè)計(jì)的目的是總結(jié)和檢驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生熟悉和掌握基本的智能控制知識，提高理論水平，增強(qiáng)編程及調(diào)試能力，深化已有的知識，拓寬新的知識，掌握幾種常見的智能控制方法。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)可以將智能控制課程中涉及的大量的、零散的、獨(dú)立的觀點(diǎn)和資料，按照設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，經(jīng)過演繹和歸納、分析和綜合、抽象和具體的邏輯結(jié)合，完成整體的任務(wù)設(shè)計(jì)方案，達(dá)到培養(yǎng)和提高學(xué)生的邏輯思維能力和創(chuàng)造性思維能力的目的。

課程設(shè)計(jì)的提交形式是設(shè)計(jì)說明書，該說明書是對本課程設(shè)計(jì)結(jié)果的解釋和說明的書面材料，是一種技術(shù)性文件。設(shè)計(jì)者通過對軟件的操作，對程序的編程，對結(jié)果的調(diào)試，對內(nèi)容的總結(jié)和分析，最后通過科技寫作的方式進(jìn)行鍛煉，培養(yǎng)科技寫作的能力。但是，由于課程設(shè)計(jì)的時(shí)間一般只有1周，而本課程的內(nèi)容理論性又太強(qiáng)，難度較大，使得很多設(shè)計(jì)題目不能按時(shí)按質(zhì)完成，出現(xiàn)一些問題[3-4]。筆者根據(jù)在教學(xué)改革實(shí)踐中遇到的一些問題，對該門課程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和教學(xué)目的進(jìn)行分析，介紹和探討一些具體的解決方法和措施。

1 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容特點(diǎn)

智能控制課程設(shè)計(jì)是智能控制課程的一次實(shí)踐過程，是對課程知識的鞏固和加強(qiáng)。智能控制是近20年來發(fā)展的新興學(xué)科，涉及的內(nèi)容較多，包含模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制系統(tǒng)、仿人智能控制和遺傳算法等智能控制技術(shù)?？梢哉f，智能控制是人工智能與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而得以實(shí)現(xiàn)，它是傳統(tǒng)控制理論發(fā)展的高級階段。智能控制屬交叉學(xué)科，它的發(fā)展得益于人工智能、認(rèn)知科學(xué)、模糊集理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物控制論等許多學(xué)科的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[5-6]。

智能控制課程設(shè)計(jì)是教學(xué)內(nèi)容的提升，是教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的一次鍛煉。課程設(shè)計(jì)的題目包含了課程對應(yīng)的各部分教學(xué)內(nèi)容，如基于遺傳算法的函數(shù)極值優(yōu)化方法是對遺傳算法知識的鞏固和加強(qiáng)，水箱供水模糊控制方法是采用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)控制設(shè)計(jì)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近設(shè)計(jì)是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識的學(xué)習(xí)過程。可以說，課程設(shè)計(jì)的題目緊跟教材，不脫離教材，但又比教材的難度要大，難點(diǎn)要多、要具體。

2 課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)有問題

2.1 理論性太強(qiáng)，且較為深?yuàn)W

由于智能控制課程課時(shí)量相對較少，而理論知識較多，覆蓋面涉及多個(gè)學(xué)科，像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、仿人人工智能等都是單獨(dú)的一門專業(yè)課程，現(xiàn)在通過短短的幾十個(gè)學(xué)時(shí)把這些知識講透徹是不可能的。同時(shí)，在進(jìn)行本科生教學(xué)時(shí)，難以找到合適的教材，很多智能控制教材是針對博士生、碩士生的研究生教材，此類教材多注重理論公式的推導(dǎo)，具體的實(shí)例較少，較為簡單，概念很抽象，課程各分支之間的聯(lián)系不夠緊密。因而，智能控制課程的廣泛性就決定了各種知識學(xué)習(xí)的泛泛性，教師教學(xué)過程中感覺難度很大，學(xué)生學(xué)習(xí)也很吃力，很難理解較為深刻的理論知識。而學(xué)生的預(yù)備知識不足，對教材中的例題又不能夠很好地理解，對后續(xù)的課程設(shè)計(jì)就帶來很大的問題。而課程設(shè)計(jì)的題目又是一個(gè)具體的大問題，比教材中的例題難度要大，內(nèi)容要多，這樣學(xué)生在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)就感覺很吃力，很難運(yùn)用較為深?yuàn)W的理論知識指導(dǎo)其具體的課程設(shè)計(jì)。甚至有的學(xué)生在進(jìn)行完課程設(shè)計(jì)后連自己做的什么東西都不知道，達(dá)不到課程設(shè)計(jì)應(yīng)有的效果。

2.2 教學(xué)方法單一，且缺乏變動

由于課程的特點(diǎn)，教師在教學(xué)過程中大多按部就班地講述教材內(nèi)容，而此類內(nèi)容多是以理論知識、概念和公式推導(dǎo)為主，學(xué)生在預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)過程中存在很多困難，導(dǎo)致后面的課程設(shè)計(jì)時(shí)很難將理論知識和實(shí)踐內(nèi)容聯(lián)系起來。此外，有的教師采用多媒體課件授課，課堂教學(xué)方法單一，一味地演示文稿，對復(fù)雜的知識不能夠細(xì)致地推導(dǎo)，缺乏與學(xué)生的互動和交流，致使教學(xué)效果難以達(dá)到理想的要求。

2.3 設(shè)計(jì)題目固定，且缺乏自主創(chuàng)新

由于教材中的例題固定，而課程設(shè)計(jì)題目多是根據(jù)例題改編，就導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)的題目固定，缺乏自主創(chuàng)新。很多教師在制定好教學(xué)大綱和設(shè)計(jì)題目后，多年都不進(jìn)行修訂和更新，對題目也不進(jìn)行更改。就算更改，也有不少題目是換湯不換藥，內(nèi)容大同小異。這就缺乏自主創(chuàng)新性，容易脫離實(shí)際，更容易導(dǎo)致學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中，僅僅通過參考往年的課程設(shè)計(jì)就可以完成要求，達(dá)不到應(yīng)有的效果。

2.4 學(xué)生設(shè)計(jì)積極性不高，且易出現(xiàn)抄襲

由于開設(shè)課程大多是針對本科三年級或四年級的學(xué)生，很多學(xué)生課程設(shè)計(jì)積極性不高，上課聽講時(shí)也不夠認(rèn)真。在設(shè)計(jì)過程中，大部分教師是對學(xué)生進(jìn)行分組，每組一個(gè)大的題目進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。此舉本意是增強(qiáng)學(xué)生之間討論的積極性，但同時(shí)也帶來一些副作用，容易使他們相互抄襲。甚至，有的學(xué)生照搬照抄往年的課程設(shè)計(jì)，更有甚者，從網(wǎng)上下載類似的課程設(shè)計(jì)上交充當(dāng)任務(wù)。

2.5 答辯環(huán)節(jié)流于形式，且學(xué)生無法提高

由于設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的各種問題，在答辯環(huán)節(jié)多是走形式。對于一些復(fù)雜的問題，平時(shí)設(shè)計(jì)較為認(rèn)真的學(xué)生可以較為完整地回答出來，但大部分設(shè)計(jì)不認(rèn)真的學(xué)生由于種種原因不能很好地理解課程設(shè)計(jì)的題意，甚至對自己所做的內(nèi)容不了解，使得答辯質(zhì)量相對不高。在這種情況下，學(xué)生的知識提高有限。

3 課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的思路及措施

針對課程設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題，結(jié)合課程特點(diǎn)和其他課程教學(xué)改革的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，筆者提出幾點(diǎn)思路和措施。

3.1 精簡理論內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量

智能控制課程具有前沿性、抽象性和理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，不適于大三的本科生，講授內(nèi)容相對廣泛。因而教師在教學(xué)過程中應(yīng)該兼顧基礎(chǔ)知識和新興技術(shù)兩個(gè)方面，選擇合適的教材，并充分結(jié)合自身與相關(guān)研究組在智能控制方面所取得的科研成果，對教材進(jìn)行細(xì)致的整理，精簡較為復(fù)雜的理論知識和大量冗余的公式，根據(jù)教學(xué)對象的特點(diǎn)選擇合適的理論知識進(jìn)行教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，教師可以查閱校內(nèi)外專家在本領(lǐng)域的報(bào)告、相關(guān)視頻材料，針對社會的需要以及學(xué)生的具體情況進(jìn)行內(nèi)容篩選，加強(qiáng)學(xué)生的工程意識和對實(shí)際問題的認(rèn)識，提高他們分析處理工程問題的能力。如對模糊控制的教學(xué)過程中，可以對模糊集合等基本的數(shù)學(xué)知識進(jìn)行講解，通過實(shí)例和課堂作業(yè)鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)。在過渡到模糊控制的時(shí)候，要注意結(jié)合實(shí)例講解，如通過小費(fèi)推理系統(tǒng)實(shí)例，講解模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：模糊化模塊設(shè)計(jì)、規(guī)則庫的建立、推理方法的確定、精確化模塊的設(shè)計(jì)。通過形象的圖片、圖表等可以有效地加深學(xué)生的印象，這種效果比單純的公式推導(dǎo)要強(qiáng)得多。

3.2 增加實(shí)例分析，詳細(xì)理解實(shí)例

由于課程的特點(diǎn)，導(dǎo)致課程內(nèi)實(shí)例相對較少。教師在教學(xué)過程中應(yīng)該根據(jù)課程設(shè)計(jì)的題目要求，自主創(chuàng)新，增加一些實(shí)例并進(jìn)行詳細(xì)的分析，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠詳細(xì)地理解實(shí)例。如在模糊控制設(shè)計(jì)中，選擇隸屬度函數(shù)時(shí)，如果教師僅僅是把各種不同隸屬度函數(shù)的公式寫出來，則顯得枯燥乏味；如果教師把各種不同隸屬度函數(shù)的圖象顯示出來，如三角函數(shù)、梯形函數(shù)、高斯函數(shù)，則效果會明顯的不同。

例如，圖1是一個(gè)兩輸入單輸出控制系統(tǒng)的輸出結(jié)果圖，從圖中可以明顯地觀察出誤差和變化量兩個(gè)輸入量對控制量的影響，根據(jù)其模糊控制規(guī)則，不同的輸入配置對輸出的影響是不同的，其控制規(guī)則可以通過規(guī)則庫來查看或者編輯。教師在這些課程實(shí)例的基礎(chǔ)上，應(yīng)該有針對性地提示學(xué)生進(jìn)行深入思考，為進(jìn)行課程設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。如針對圖1的例子，教師可以引導(dǎo)學(xué)生更改模糊規(guī)則，根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或者其他控制理論調(diào)整控制規(guī)則，觀察控制結(jié)果的不同，以達(dá)到鞏固知識的目的。

圖1 兩輸入單輸出控制結(jié)果示意

3.3 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，注重示范作用

在課程的實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)該注重示范作用，對每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該有一個(gè)類似的演示例題，給學(xué)生加深印象。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)該注意觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，針對其出現(xiàn)的問題進(jìn)行針對性的指導(dǎo)，及時(shí)地分析問題、解決問題，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)過程中，教師應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)踐指導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生對課程設(shè)計(jì)的題目進(jìn)行仔細(xì)的分析，理解題意，并根據(jù)題意進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。

表1是筆者在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)的課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置和內(nèi)容。這些實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)一是對模糊控制理論的應(yīng)用學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)二是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識的直觀表述，實(shí)驗(yàn)三是對遺傳算法理論的映像，實(shí)驗(yàn)四是對故障分類方法的前期知識積累。通過這些實(shí)驗(yàn)，可以鞏固相應(yīng)的專業(yè)知識，增強(qiáng)學(xué)生對相應(yīng)知識的理解過程。同時(shí)，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的理論層次，增強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，增強(qiáng)教學(xué)效果。

3.4 改革教學(xué)方法，豐富設(shè)計(jì)手段

在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該充分利用多媒體課件，但也不能僅局限于多媒體課件，可以采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)方式，將講授法、實(shí)驗(yàn)法、自學(xué)指導(dǎo)法、討論法、實(shí)例教學(xué)法等優(yōu)化組合，充分利用板書、錄像、投影、計(jì)算機(jī)等媒體，啟發(fā)學(xué)生的思維，調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生正確分析問題、解決問題和自主學(xué)習(xí)的能力，注重學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，由以傳授知識為主變?yōu)橐耘囵B(yǎng)學(xué)生能力為主。

在教學(xué)過程中，可以鼓勵(lì)學(xué)生查閱相關(guān)的科技文獻(xiàn)并進(jìn)行學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生針對學(xué)習(xí)的科技文獻(xiàn)進(jìn)行思考和討論。筆者在進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生查找關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分類、曲線擬合、趨勢預(yù)測等多種用途的文獻(xiàn)，并組織學(xué)生討論，取得良好的教學(xué)效果?？梢?，學(xué)生的主動性在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)，在教學(xué)過程中教師可以嘗試采取英語教學(xué)為輔的雙語教學(xué)，對一些關(guān)鍵詞用英語解釋，適當(dāng)推薦一些英文參考書和資料，讓學(xué)生能夠直接接觸國外文獻(xiàn)資料，加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，可以更好地了解該學(xué)科的前沿動態(tài)。

在課程設(shè)計(jì)題目的選擇方面，教師應(yīng)該克服一勞永逸的心理，根據(jù)需要及時(shí)地調(diào)整課程設(shè)計(jì)題目和要求，增強(qiáng)創(chuàng)新性。如模糊控制相關(guān)的課程設(shè)計(jì)部分，可以調(diào)整模糊控制的對象，如家用洗衣機(jī)、水箱、熱水冷水、車輛駕駛、機(jī)車控制等；也可以針對同一個(gè)控制對象，提出不同的控制要求，如針對家用洗衣機(jī)控制系統(tǒng)，可以選擇不同的輸入量控制不同的輸出量，如三輸入單輸出控制、四輸入雙輸出控制；還可以針對同一個(gè)控制對象調(diào)整不同的控制參數(shù)，如對車輛駕駛控制系統(tǒng)，可以調(diào)整控制規(guī)則要求，更改隸屬度函數(shù)要求。這些創(chuàng)新性的更改，都可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵(lì)學(xué)生的自主創(chuàng)新性，督促其完成相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)過程，豐富課程設(shè)計(jì)的手段。

3.5 注重答辯環(huán)節(jié)，提前準(zhǔn)備內(nèi)容

答辯環(huán)節(jié)是對課程設(shè)計(jì)的一個(gè)總結(jié)和檢驗(yàn)，是衡量學(xué)生課程設(shè)計(jì)完成度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。答辯的好壞，反應(yīng)了學(xué)生對課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的掌握程度。為了能很好地完成答辯，就需要學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中認(rèn)真學(xué)習(xí)，對答辯中可能詢問到的知識點(diǎn)進(jìn)行鞏固掌握，對設(shè)計(jì)的內(nèi)容做到了然于胸。答辯環(huán)節(jié)不能流于形式，教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)書的撰寫，對任務(wù)書的格式、內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)的檢查，必要時(shí)可以進(jìn)行預(yù)答辯環(huán)節(jié)，考核學(xué)生對課程設(shè)計(jì)的完成程度。通過預(yù)答辯，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，對不認(rèn)真進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的學(xué)生加強(qiáng)指導(dǎo)，督促其完成要求的任務(wù)。

表1 智能控制部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4 結(jié)語

智能控制是近20年來發(fā)展的新興學(xué)科，涉及的內(nèi)容較多，包含模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制系統(tǒng)、仿人智能控制和遺傳算法等智能控制技術(shù)。智能控制課程設(shè)計(jì)是智能控制課程的一次實(shí)踐過程，是對課程知識的鞏固和加強(qiáng)。針對課程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，如理論性太強(qiáng)、教學(xué)方法單一、設(shè)計(jì)題目固定、學(xué)生設(shè)計(jì)積極性不高、答辯環(huán)節(jié)流于形式等，論文從幾個(gè)方面提出一些對應(yīng)的措施。通過精簡理論內(nèi)容、增加實(shí)例分析、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、改革教學(xué)方法、注重答辯環(huán)節(jié)等方式，完善課程設(shè)計(jì)過程，提高教學(xué)質(zhì)量。

[1]蔡自興,肖曉明,蒙祖強(qiáng),等.樹立精品意識，搞好人工智能課程建設(shè)[J].中國大學(xué)教學(xué),2004(1):28-29.

[2]羅兵,甘俊英,張建民.智能控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[3]師黎,姚利娜,萬紅.智能控制基礎(chǔ)雙語教學(xué)的實(shí)踐教學(xué)研究[J].高教探索,2007(6):88-90.

[4]李擎,蘇中,李鄧化.智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)建設(shè)的規(guī)劃與思考[J].清華大學(xué)教育研究,2008(S1):21-25.

[5]孔祥強(qiáng),李瑛,楊前明.太陽能熱泵系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(6):18-21.

[6]陳愛斌,肖曉明,魏世勇,等.智能控制的學(xué)科發(fā)展與學(xué)科教育[J].現(xiàn)代大學(xué)教育,2006(3):102-105.

Educational Reform Research on Intel ligent Control Curriculum Design//

Liu Wenyi1, Wang Xi2

Intel l igent cont rol cur riculum design is a pract ice process for the cor responding curriculum, and strengthening and consolidation for curriculum knowledge. The purpose of the design is to summarize and check the teaching and learning effect, to raise the theoretical ability of the curriculum knowledge, to make the student be familiar with intel ligent control knowledge and methods. However, for some reasons such as only one week design time, theoretical knowledge too deep and the curriculum is too dif ficult, there exist some problems in the curriculum design. This paper discussed the content characteristic of the intel ligent control curriculum design and the problem in detail. Then some corresponding suggestions such as simplify theoretical content, increase example analysis, st rengthen experiment guidance, reform teaching method and pay at tention to answer l ink, etc..

curriculum design; intel l igent cont rol; educational reform; teaching method

G652

B

1671-489X(2012)21-0039-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.21.039

*本文受江蘇師范大學(xué)博士學(xué)位教師科研支持項(xiàng)目（11XLR15）支持。

作者：劉文藝，博士，碩導(dǎo)，研究方向?yàn)橹悄茉\斷方法及智能控制技術(shù)。