摘要：為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展對(duì)自動(dòng)化類工程技術(shù)人才的迫切需求，增強(qiáng)學(xué)生解決工程系統(tǒng)控制問題的綜合能力，許多高校開設(shè)了智能控制課程。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，分析、改進(jìn)智能控制課程的教學(xué)方法，對(duì)于提升學(xué)習(xí)效果，增進(jìn)學(xué)生對(duì)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的理解與應(yīng)用能力，具有重要意義。為提升課堂學(xué)習(xí)效果，本文提出了幾點(diǎn)改進(jìn)教學(xué)的措施：啟發(fā)式教學(xué)、強(qiáng)化課堂實(shí)踐教學(xué)、增加跟經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制的聯(lián)系、翻轉(zhuǎn)課堂、結(jié)合智能控制發(fā)展前沿。

關(guān)鍵詞：智能控制；課堂學(xué)習(xí)效果；教學(xué)方法；教學(xué)內(nèi)容

1概述

人工智能的產(chǎn)生與發(fā)展，促進(jìn)了自動(dòng)控制向智能化方向發(fā)展。智能控制是自動(dòng)控制的最新發(fā)展階段，也是應(yīng)用人工智能模擬人類腦力勞動(dòng)和體力勞動(dòng)自動(dòng)化的一個(gè)重要領(lǐng)域。自動(dòng)控制在發(fā)展過程中既面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)又存在良好發(fā)展機(jī)遇，計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路、通信工程等領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)自動(dòng)控制的發(fā)展有極大的促進(jìn)作用［1］。如何將人類智能思維引入自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能化行為，是自動(dòng)控制發(fā)展中極具挑戰(zhàn)性的問題，也具有重要的理論意義與實(shí)際價(jià)值。為了解決該問題，一方面要推進(jìn)控制硬件、軟件和智能技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化；另一方面要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科的交叉融合，為自動(dòng)控制提供新思想、新技術(shù)，創(chuàng)立自動(dòng)控制相關(guān)的交叉學(xué)科——智能控制。21世紀(jì)以來，智能控制在更高水平上進(jìn)一步發(fā)展，取得了豐碩的理論和應(yīng)用研究成果，并實(shí)現(xiàn)了與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的深度融合。

近年來，世界各先進(jìn)工業(yè)國家相繼提出人工智能、智能制造和智能機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略，智能控制迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇?！吨袊圃?025》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2016—2020》等國家重大發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，為智能控制的基礎(chǔ)理論研究及其在智能制造、智能駕駛、智能機(jī)器人等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用注入活力。在此背景下，針對(duì)本科生開設(shè)“智能控制”課程，不僅使學(xué)生具備利用智能控制方法綜合解決自動(dòng)化領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的能力，而且對(duì)于幫助學(xué)生建立從經(jīng)典控制到現(xiàn)代控制、智能控制的理論體系，梳理控制理論發(fā)展各階段主要關(guān)注的對(duì)象及問題，具有重要作用。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法的實(shí)踐性較強(qiáng)，從學(xué)生學(xué)習(xí)效果以及工程技術(shù)人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，探索智能控制課程的教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容，具有重要的實(shí)際意義。

2教學(xué)方法與內(nèi)容分析

智能控制的主要教學(xué)內(nèi)容包括智能控制的發(fā)展歷程與背景、模糊控制的理論基礎(chǔ)、模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。

智能控制的發(fā)展歷程與背景，主要介紹從智能控制概念提出至今的發(fā)展歷程、智能控制主要關(guān)注什么類型系統(tǒng)的控制問題、主要的智能控制方法（如專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制等）、智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)［2］。模糊控制的理論基礎(chǔ)主要介紹模糊集合與運(yùn)算，及其與經(jīng)典集合的關(guān)系、隸屬度函數(shù)、模糊邏輯、模糊邏輯推理與合成。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是以模糊邏輯推理為基礎(chǔ)進(jìn)行的模糊控制設(shè)計(jì)，主要包括模糊化過程、模糊邏輯推理和精確化計(jì)算三個(gè)部分。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立主要包括單個(gè)神經(jīng)元模型的建立、由多個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hopfield反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)）、BP學(xué)習(xí)算法等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分包括系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)。

其中，模糊控制的理論基礎(chǔ)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的理論性較強(qiáng)，而模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法的實(shí)踐性較強(qiáng)。一味地采用教師課堂講授的方式，學(xué)生對(duì)于理論性強(qiáng)的部分可能無法高效地跟蹤理解；缺乏動(dòng)手與自主思考環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)智能控制方法的掌握與運(yùn)用能力就得不到鍛煉。因此，根據(jù)本課程各部分的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式，有助于提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果。

3教學(xué)措施改進(jìn)

教學(xué)中，通常根據(jù)課時(shí)量和教學(xué)內(nèi)容安排每節(jié)課的授課內(nèi)容，保證一學(xué)期能講完全部內(nèi)容。而充分全面的授課內(nèi)容，不一定等于學(xué)生掌握情況好，學(xué)生課堂學(xué)習(xí)中收獲了多少、學(xué)習(xí)了多少新的知識(shí)技能才是學(xué)習(xí)效果，因此要采取以學(xué)生課堂收獲為導(dǎo)向的教學(xué)方式。為了達(dá)到這個(gè)目的，在授課時(shí)應(yīng)關(guān)注學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果，比如，進(jìn)行課堂提問，以此直接有效地反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果。對(duì)于復(fù)雜深入的知識(shí)點(diǎn)，可以采取課堂檢測、隨堂練習(xí)、課堂提問的方式等反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。授課教師針對(duì)重點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)撥，這樣由學(xué)生主動(dòng)參與的學(xué)習(xí)，效果更好。課堂檢測與隨堂練習(xí)會(huì)占用一些課堂時(shí)間，但學(xué)生在課堂上收獲更多。整個(gè)教學(xué)過程中，教師課堂上講授的時(shí)間變短了，但是學(xué)生一學(xué)期的課堂學(xué)習(xí)的收獲增加了，這就提升了教學(xué)效果。因此有必要探索從學(xué)生學(xué)習(xí)效果角度出發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與課堂、主動(dòng)參與到新知識(shí)的探索之中，在自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐中理解新知識(shí)［34］。

本文所提出的教學(xué)方法改進(jìn)措施對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響如下圖所示。

教學(xué)方法改進(jìn)措施對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響圖

3.1啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生自主思考、啟發(fā)學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力的教學(xué)方式。例如，對(duì)于模糊集合，學(xué)生第一次接觸這個(gè)概念，可以舉一些實(shí)際的例子，讓學(xué)生感受模糊集合的概念，并與經(jīng)典集合進(jìn)行對(duì)比，形成對(duì)模糊集合的初步認(rèn)識(shí)。如“天氣熱”這一概念。生活中，35℃的氣溫我們認(rèn)為是天氣熱，那30℃是不是“天氣熱”？28℃是不是“天氣熱”？我們似乎無法給出確定性的答案，30℃是或不是“天氣熱”，28℃是或不是“天氣熱”。引導(dǎo)學(xué)生思考，“天氣熱”這個(gè)集合跟經(jīng)典集合不同，使學(xué)生明白，經(jīng)典集合包含哪些元素是確定的，一個(gè)元素屬不屬于該集合是明確的。而“天氣熱”這個(gè)集合就不同，30℃是否屬于該集合、28℃是否屬于該集合，不是明確的，從而引導(dǎo)學(xué)生形成對(duì)模糊性概念的認(rèn)識(shí)。此外，教學(xué)過程中，還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)多問“為什么”，在探索“為什么”的過程中深入理解并整理歸納相關(guān)知識(shí)。例如，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中，不僅設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，還要設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器，要求學(xué)生思考這是為什么。學(xué)生思考為什么要設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的過程，就是對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)與控制機(jī)理深入探索的過程。為搞清楚這個(gè)問題，學(xué)生需要梳理什么是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，控制器網(wǎng)絡(luò)、辨識(shí)器網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出分別是什么，控制器網(wǎng)絡(luò)、辨識(shí)器網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值如何更新，若能找到控制器網(wǎng)絡(luò)跟辨識(shí)器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系就清楚為什么要設(shè)計(jì)辨識(shí)器網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)探索的過程，即使學(xué)生最終沒有明白設(shè)計(jì)辨識(shí)器網(wǎng)絡(luò)的原因，也完成了對(duì)控制器網(wǎng)絡(luò)、辨識(shí)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的梳理，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)方式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制閉環(huán)系統(tǒng)框架等，加深了對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的理解。可以看出，學(xué)生自主思考的過程，比直接告訴學(xué)生答案的效果好。這樣啟發(fā)學(xué)生自主思考、自主探索的過程，不僅能促進(jìn)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解，還能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、吸引學(xué)生課堂上的注意力。這個(gè)過程中還包含了引導(dǎo)學(xué)生對(duì)新舊知識(shí)之間區(qū)別與聯(lián)系的探索，即模糊集合與經(jīng)典集合的關(guān)系。所以，啟發(fā)式教學(xué)有助于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果。

3.2強(qiáng)化課堂實(shí)踐教學(xué)

一方面，模糊邏輯推理、模糊控制設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP學(xué)習(xí)算法等理論內(nèi)容較為抽象，需要學(xué)生以具體的例子為載體練習(xí)、消化；另一方面，從工程技術(shù)人才培養(yǎng)的角度，學(xué)習(xí)智能控制課程最直接的目的是，能利用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等智能控制方法解決實(shí)際工程控制問題。因此，可以從這兩方面強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，以提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解水平和應(yīng)用能力。對(duì)于模糊邏輯推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP學(xué)習(xí)算法，理論知識(shí)講解完之后，可以布置對(duì)應(yīng)的練習(xí)題，讓學(xué)生做針對(duì)性訓(xùn)練。在做練習(xí)的過程中，梳理理論知識(shí)以加深理解，達(dá)到熟練掌握的程度。對(duì)于模糊控制設(shè)計(jì)方法，針對(duì)一個(gè)具體的控制問題，如倒立擺系統(tǒng)控制等，要求學(xué)生完成完整的模糊控制設(shè)計(jì)過程，使學(xué)生在具體的模糊控制設(shè)計(jì)過程中，加深對(duì)模糊控制方法與設(shè)計(jì)的理解。此外，可以要求學(xué)生在Matlab等計(jì)算機(jī)仿真軟件中，對(duì)所設(shè)計(jì)的智能控制方法進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證，或在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)智能控制方法的深度理解及其在工程問題中的運(yùn)用能力。由學(xué)生自主完成實(shí)踐任務(wù)，使學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)汲取知識(shí)，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生自主思考和探索的積極性，還能加強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)氛圍，促進(jìn)學(xué)生參與課堂學(xué)習(xí)，提升教學(xué)班學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果［5］。

3.3增加跟經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制的聯(lián)系

引導(dǎo)學(xué)生思考智能控制所關(guān)注的控制問題類型，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過的經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制，學(xué)生就更加明確了智能控制的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以及經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制和智能控制之間的聯(lián)系。學(xué)習(xí)了經(jīng)典控制理論，學(xué)生清楚了經(jīng)典控制主要關(guān)注的控制對(duì)象是單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)，且只適用于單輸入—單輸出控制系統(tǒng)。而數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為解決復(fù)雜多維系統(tǒng)控制問題提供了技術(shù)支持，因此，以卡爾曼線性濾波與估計(jì)理論、貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃、龐特里亞金極大值原理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論得到發(fā)展，產(chǎn)生了面向多輸入—多輸出線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)與最優(yōu)估計(jì)等分析設(shè)計(jì)方法。隨著控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，基于數(shù)學(xué)模型的分析設(shè)計(jì)方法難以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，如高度非線性系統(tǒng)、不確定性系統(tǒng)及復(fù)雜任務(wù)的控制需求等，因而催生了智能控制方法，以解決諸如上述復(fù)雜系統(tǒng)的控制任務(wù)。通過梳理控制理論的發(fā)展歷程能幫助學(xué)生構(gòu)建宏觀的知識(shí)體系，清楚經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制主要關(guān)注的控制對(duì)象及相應(yīng)的控制方法。這一教學(xué)方法有助于吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心與主動(dòng)性［6］。

3.4翻轉(zhuǎn)課堂

常規(guī)教學(xué)模式中以教師講授為主，為促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)可以考慮課堂上學(xué)生主講的教學(xué)模式。出于加強(qiáng)學(xué)生理論學(xué)習(xí)效果和提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的目的，翻轉(zhuǎn)課堂中可以要求學(xué)生針對(duì)工程中的實(shí)際控制問題（如輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制問題等），設(shè)計(jì)智能控制方法并進(jìn)行仿真、實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的智能控制方法的控制效果。把控制對(duì)象與控制問題、智能控制設(shè)計(jì)、控制效果驗(yàn)證與分析等完整內(nèi)容在課堂上展示、講解出來。可以看出，這個(gè)過程，以解決特定控制問題為宗旨，引領(lǐng)學(xué)生自主分析控制對(duì)象與控制問題，深入學(xué)習(xí)具體的智能控制設(shè)計(jì)方法，在自己動(dòng)手的實(shí)踐中學(xué)習(xí)如何做控制系統(tǒng)仿真、實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了理論方法設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐鍛煉的目標(biāo)［7，8］。此外，課堂展示的過程能鍛煉學(xué)生展示自己的學(xué)習(xí)、研究成果的能力以及與同行交流、探討等綜合能力。

3.5結(jié)合智能控制發(fā)展前沿

近年來，智能控制得到了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注，產(chǎn)生了豐碩的研究成果，包括智能控制相關(guān)方法和智能控制方法的工程應(yīng)用。授課過程中，若能結(jié)合國內(nèi)外智能控制發(fā)展前沿，適當(dāng)介紹方法、工程中的研究熱點(diǎn)、新的應(yīng)用，有助于幫助學(xué)生熟悉智能控制發(fā)展動(dòng)態(tài)，拓展國際視野。例如，動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)模糊控制、變論域模糊控制等前沿方法，以及上述方法在鋰離子電池剩余壽命預(yù)測、地震震級(jí)測定、混凝土配料系統(tǒng)、無人水下機(jī)器人航向控制/無人飛行器航向控制中的應(yīng)用。結(jié)合智能控制發(fā)展前沿授課，能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到智能控制技術(shù)相關(guān)的前沿科技產(chǎn)品，智能控制在其中扮演的角色以及達(dá)到的控制效果，拓展對(duì)智能控制的認(rèn)識(shí)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)智能控制的熱情，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)智能控制的興趣。

此外，還應(yīng)充分利用學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、學(xué)習(xí)平臺(tái)，為學(xué)生提供更多的教學(xué)視頻、演示視頻等學(xué)習(xí)資源，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)也有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率，增進(jìn)師生即時(shí)交流。教學(xué)過程中，還可以積極探索智能控制課程與其他課程、其他專業(yè)的交叉，使得學(xué)生能夠熟悉涉及多個(gè)領(lǐng)域的綜合問題。從綜合問題中提煉出控制問題，并利用智能控制方法加以解決，從而增強(qiáng)學(xué)生分析解決實(shí)際生產(chǎn)中復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力［9］。上述多種教學(xué)方式，對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生高效學(xué)習(xí)吸收課程知識(shí)、利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際應(yīng)用中的智能控制問題、鍛煉智能控制工程實(shí)踐能力、擴(kuò)展相關(guān)學(xué)術(shù)視野具有重要意義。實(shí)際教學(xué)過程中，根據(jù)實(shí)際情況綜合采取上述幾種教學(xué)方式，將有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升課堂學(xué)習(xí)效果，并拓寬對(duì)智能控制工程應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

結(jié)語

自20世紀(jì)70年代智能控制的概念被提出以來，智能控制相關(guān)領(lǐng)域的研究已取得了豐碩的成果。目前，智能控制作為自動(dòng)控制理論的第三發(fā)展階段，正處于蓬勃發(fā)展之中。根據(jù)智能控制教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，本文針對(duì)性地提出了一些教學(xué)措施與導(dǎo)向，以提升學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果。為加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)、引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提出了啟發(fā)式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的改進(jìn)措施；為提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果，提出了強(qiáng)化課堂實(shí)踐教學(xué)的措施；為幫助學(xué)生構(gòu)建宏觀的控制理論體系，提出了課堂教學(xué)中增加智能控制與經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制的聯(lián)系的改進(jìn)措施；為幫助學(xué)生跟蹤智能控制發(fā)展動(dòng)態(tài)、拓寬學(xué)術(shù)視野，提出了結(jié)合智能控制發(fā)展前沿的授課改進(jìn)措施。

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基金項(xiàng)目：南京工程學(xué)院科研基金（編號(hào)：YKJ202113，CKJB202203）；中國高等教育學(xué)會(huì)專項(xiàng)課題（編號(hào)：2020SZYB11）

*通訊作者：李桂璞（1991—），男，漢族，河南信陽人，博士，講師，研究方向：非線性控制、智能控制、分布式協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化。