在智能控制课程教学中培养学生的综合能力
摘要： 在智能控制课程教学中应优化教学目标和教学内容，强调内容的新颖性和实用性，并突出现代化教学手段的运用。通过物理系统和仿真平台相结合开展课程实验，并通过小型项目设计检验学生的学习效果，使该课程在一定程度上承担起培养学生综合能力的作用。
关键词： 智能控制 教学方法 教学改革
1.引言
智能控制是自动化及相关专业的一门重要专业课程。该课程作为自动控制原理的后续课程原先只在研究生阶段才开设。近年来，很多高等院校已经开始在本科高年级开设，并开展了多年的教学实践。本科阶段该课程通常需要学生掌握智能控制的基本概念和基本方法，包括专家控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法的基本原理及相应的控制器设计方法。然而，由于该课程内容较为抽象、学科交叉性强、知识点难度较深等原因，学生在学习过程中通常存在兴趣不足、难以理解等问题，课程学完以后无论知识层次还是个人能力等方面都未能得到应有的提升。因此，如何在教学改革中提高该课程的教学质量，调动学生的学习积极性和主动性，帮助学生提升专业知识和能力是非常重要的。近几年，我结合自身的教学实践，针对该课程的特点提出了以培养学生综合能力为核心的教学目标和内容的优化方式及具体的综合能力培养方法，并取得了较好的成效。
2.教学目标和课程内容的优化
智能控制课程的内容十分丰富。该课程通常在先修自动控制原理、现代控制理论、计算机控制等自动化专业基本课程的基础上，作为专业选修课或本硕贯通课程来修习。从课程的性质来讲，该课程属于偏理论的专业课程，其多学科交叉性质明显，涉及内容广泛，主要涵盖了专家控制系统、模糊数学与模糊控制、人工神经网络、遗传算法和其他优化算法等多门相关学科理论[1]。由于课程内容在数学基础上有较高要求，使得课程的具体知识点比较抽象，例如模糊控制、神经网络、专家系统等章节涉及的理论性都比较强，尤其是模糊数学与模糊逻辑、神经网络的调节原理等部分较为枯燥难懂。为了在课程教学过程中培养学生综合能力，该课程的教学目标和教学内容的优化显得尤为重要。
2.1通过分析学生知识结构和专业特点优化教学目标
作为自动化及相关专业的选修课程，智能控制教学通常在大四第一学期开展。此前学生已经学习了微积分、矩阵分析和复变函数等课程，对专业课程中需要的基本数学知识已较为熟悉。同时，控制类相关专业基础课程如自动控制原理、计算机控制基础、现代控制理论等课程也已完成学习，这使得学生在自动化领域的基础知识方面有了一定的积累，初步建立起了系统、稳定性、采样、反馈等概念，并一定程度上掌握了系统建模、稳定性判别、控制律设计等方法。在大四开设智能控制课程，能够使学生了解本专业的前沿知识、应用背景和领域、发展前景等。同时，由于本科高年级学生通常面临就业和继续深造等多种选择，在教学中不单要注重知识的灌输，更要适时进行行业技能和科研素养的引导，使学生能够保持学习的热情和对科学研究的兴趣，为学生选择适合自己发展的岗位和科研领域打下一定的基础。因此，本课程的教学目标可以总结为三点，即积累知识、培养兴趣、锻炼能力。结合智能控制课程本身的特点和综合能力培养的目的，具体来说该课程的教学目标为：（1）使学生学习智能控制的基本知识，掌握智能控制分支及其特点，包括专家控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法等，并通过认识其在控制科学与工程中的地位和作用进一步了解自动化学科的发展前沿，培养学习自动化领域知识的热情和兴趣；（2）使学生初步掌握运用智能控制知识分析和设计系统的方法，能够设计简单的智能控制系统，并据此培养学生解决实际工程问题的能力；（3）使学生综合已学的数学、计算机、控制等课程的相关知识，理解学科交叉的一般规律，并通过实验和项目设计将所学知识融会贯通，培养分析、解决问题的能力和动手能力，建立正确的科研观念和方法，促进素质的全面提升。
2.2通过突出应用背景优化教学内容
学生在学习智能控制的过程中，往往认为课本内容过于抽象，无法同实际工程问题建立起联系，这也是导致学习兴趣不足的一个重要原因。因此，教师在教学过程中必须注意灌输所讲授内容的背景知识，以及如何运用这些理论知识解释实际现象，并通过实例展示所教授的内容在工程领域中的应用，以此引导学生对未知领域的理解。例如在讲授模糊数学和模糊逻辑知识时，注意解释其表象上的含义，并利用大量生活中对应的实例说明模糊化语言和推理逻辑在描述事物性质和演化原理方面的优势；在讲授神经网络控制时，对于每种类型网络的产生原因、适用范围、优缺点等作详细说明，并通过举例体现其在社会、金融、生物、化学、工程等多领域的广泛应用，等等。此外，由于该课程的落脚点是控制科学，通过引入一个实际控制对象贯穿不同的教学内容取得了较好的教学效果。智能控制方法的引入大多是由于控制对象的非线性强、耦合度高、干扰复杂，难以建立精确的解析模型，而倒立摆作为一种不稳定的非线性、多变量的复杂系统，可以作为典型的控制对象来讲解[2]。这一教学方式具体表现为：首先根据算法需要，采用机理或非机理方法建立倒立摆适用于不同控制算法需求的非线性模型；其次根据控制算法的设计过程构建符合模型特点的控制律；再次通过仿真验证算法的有效性并查看其控制效果；最后在实体倒立摆对象上应用所设计的控制律，根据结果判断其控制品质并提出改进建议。由于倒立摆的控制技巧富于趣味性，利用它作为智能控制算法的应用对象，很适合学生验证所学的控制理论和算法，有利于加深对所学课程的理解和掌握。同时，通过对不同控制算法的效果进行比较，有助于学生深入理解各种不同控制方法的适用范围、使用方式和优缺点。这些突出应用背景知识，循环渐进的教学过程，达到了理论联系实际的目的。
3.教学方法改进和学生综合能力培养
从专业特点来看，自动化及相关专业的培养目标是造就一批高素质的专业技术人才。学生在完成专业基础课程后，智能控制课程的开设应使学生了解本专业的前沿知识、应用领域和发展前景，突出知识的应用性和专业性，为学生就业和继续深造打下坚实的基础。从这个意义上来看，教学中不仅仅要求学生掌握智能控制的理论知识，更重要的是如何通过课程的学习，进一步培养学生的综合能力和专业素养。这就要求教师根据课程特点和教学目标，采用更加生动、明了、有新意的教学方法吸引学生的注意力，调动学生主动性，达到提高学生综合能力的目的。
3.1通过生动的教学内容培养学生创新思维能力
在教学过程中我们发现，高年级学生选修智能控制课程的主要目的在于了解新颖实用的智能控制算法，而对于理论推导和技术细节并不特别关心。因此，在教学过程中应注意多种手段结合，将智能控制的应用性通过合适的方式生动展现，达到活跃学生思维、培养创新能力的目的。随着多媒体技术在辅助教学领域的深入应用，各种多媒体教学软件得到了长足发展。多媒体教室通过互联网，可以展现种类繁多、图文并茂的教学内容，使教师能够根据学生的学习进度进行交互式教学，克服了教师课堂教学条件的局限性。教师可以边操作边讲解，通过展示大量背景和实例达到更好的教学效果。我们通过合理组织和构思，利用PowerPoint制作了展示智能控制背景知识、应用范围、实际效果等多方面内容的文档。在教学中我们将倒立摆作为典型控制对象，利用动画制作工具将智能控制算法的设计、实施、效果等各方面内容进行生动展示，不但提高了教学效率，还大大增强了学生的学习兴趣，激发了他们主动思考的积极性。这些努力对于培养学生的创新思维能力有了很大的帮助。
3.2利用科学计算软件培养学生综合分析能力
MATLAB软件及其工具箱是当前公认的高性能数值运算工具。目前国外很多工科教材中都结合了MATLAB语言[3]。利用该仿真软件，能够使抽象、复杂的内容变得直观、易懂，激发学生的学习兴趣。借助于MATLAB平台，对智能控制中难以解析设计的复杂系统进行可视化分析与设计，有助于学生理解和掌握教学内容。由于学生在前期基础课程的学习过程中已经掌握了一定的MATLAB预备知识，在课堂教学中出现计算方面的问题均可采用MATLAB求解。另外，在每章理论知识讲授完毕后，我们都花费课时演示如何用MATLAB对相应的模型和算法进行控制系统分析和设计。例如在教学过程中，利用旋转倒立摆模型，采用智能控制的各种算法对其进行控制，并通过MATLAB进行仿真，使学生能够直观地看到智能控制的效果。这些做法大大激发了学生的学习热情，有利于培养学生应用计算机进行辅助分析和设计控制系统的综合能力。此外，在过去的教学中对学习效果的检验主要依靠完成课后习题，而我们在教学中借助MATLAB工具，给学生布置操作性习题，有助于培养学生应用科学计算工具解决问题的能力。总之，采用科学计算软件的辅助教学法能大大提高学生的综合分析能力，其教学方法还在进一步实践中。
3.3开展课程实验培养学生解决实际问题能力
鉴于专业培养目标要求，实验在自动化及相关专业的教学过程中一直占有极其重要的地位。倒立摆的智能控制实验是教学重点之一，可以开展一系列复杂的控制器设计和算法验证实验。由于硬件实验实现的成本高，不易扩展，难以更新换代等原因，我们在教学过程中还建立了倒立摆系统的仿真实验平台，并充分利用互联网资源，借助虚拟现实技术来建立软件化实验平台。同时，利用仿真平台还可以对工厂生产、农业工作环境等难以进行实际操作的昂贵、复杂控制过程进行智能控制实验。学生在实验过程中可以充分发挥自己的想象力，发现实际控制系统设计中存在的问题，设计个性化的方案，并利用计算机环境完成实验系统的设计、实验结果获取和比较、实验报告填写和讨论等各环节。此外，计算机和互联网也提供了方便的渠道进行相关资料的查询，等等。这些教学方式为培养学生解决实际问题的能力提供了有效途径，有利于降低实验设备的维护与管理成本。软件化仿真实验平台的建立为教学实验的改革提供了很好的思路，为锻炼学生解决实际问题的能力提供了有效途径。
3.4通过结课项目设计培养学生良好的科研素养
高年级本科生面临着毕业后直接就业或继续求学深造的选择。因此，培养一批后备科研力量成为高年级本科教学的一项重要目标，这就需要教师在教学过程中注重科研引导，使学生具有良好的科研素养。智能控制是自动化领域非常活跃的研究课题，其中很多理论和应用问题都是当前国际热门的研究方向。因此，该课程更容易激发学生的研究兴趣，使他们通过课程学习找准研究方向，为未来的科研工作打下基础。为此我们摈弃了传统的以考试的方式评定成绩的做法，转而采用小型研究项目的形式作为结课时的考核方式。研究项目采用开放的方式，划定与智能控制相关的主题，但不限制具体研究内容。同时研究可以个人为单位进行，也可以小组方式进行，每组不超过5人。在项目进行过程中，首先让学生理解每种智能控制算法的优点和应用领域，再针对具体研究问题，引导学生搜集相关资料，并以此为基础分析问题的可解途径，提出解决方案进行论证；接着在可行性分析基础上给出方案的具体实施过程和步骤，得出结果并分析存在的问题，提出进一步的解决方案；最后总结整个项目的经验和教训，梳理思路，完成项目报告并提交。通过结课项目设计，能够启发学生思考和探索未知领域，初步理解和掌握科研工作的一般规律和途径，学习文献调研、方案设计、问题分析和解决的各种方法，达到初步培养科研素养的目标。这些研究项目也为学生顺利完成本科毕业论文和开展研究生阶段的课题研究奠定了一定的基础。
4.结语
智能控制作为高年级本科生的专业选修课，可以在一定程度上承担起培养学生综合能力的任务。这需要教师首先从教学目标和教学内容上进行改革，教学中注重内容的新颖性、实用性和介绍性。其次，为充分发挥该课程的能力培养作用，教师需要利用多媒体和科学计算软件相结合激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习积极性，培养学生的创新思维和综合分析能力。此外，仿真实验平台的运用和结课小型项目的引入为学生实践能力的锻炼和科研素养的提高起到了显著的作用。
参考文献：
[1]李少远，王景成.智能控制（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2009：3-6.
[2]王从庆，丁勇.现代控制理论课程教学改革的实践与探讨[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2004，6，（1）：72.
[3]苏东宁，赵坤，宋方臻.MATLAB教学应重视科学计算能力的培养[J].中国现代教育装备，2009，（5）：73.