教學(xué)控制論視閾下的自動(dòng)化類專業(yè)人才培養(yǎng)模式
——以智能汽車競(jìng)賽為例

程 磊，張 東，宋 鏢

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

教學(xué)控制論視閾下的自動(dòng)化類專業(yè)人才培養(yǎng)模式
——以智能汽車競(jìng)賽為例

程 磊，張 東，宋 鏢

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

目前，高等教育依然以應(yīng)試教育為主，考核學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)主要是應(yīng)試能力，忽視學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)造力的培養(yǎng)。高校的教學(xué)模式依然是以課堂面授為主，強(qiáng)調(diào)理論的理解，忽視理論的應(yīng)用。這種模式不利于學(xué)生的全面發(fā)展。因此提高大學(xué)生的實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展變的十分重要。本文采用一種將“控制論”引入競(jìng)賽管理的人才培養(yǎng)模式，為高等院校自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)及教學(xué)方案，進(jìn)而推動(dòng)高等院校電類類專業(yè)的健康發(fā)展。

控制論；競(jìng)賽；學(xué)生；培養(yǎng)模式

如今，高校的教學(xué)模式依然是以課堂面授為主，強(qiáng)調(diào)理論的理解，忽視理論的應(yīng)用，這種模式不利于學(xué)生的全面發(fā)展。高校教研改革的目的，就是要不斷探索有益的教學(xué)模式，以與時(shí)俱進(jìn)地適應(yīng)國(guó)家對(duì)高等教育人才培養(yǎng)的發(fā)展要求。

將控制論應(yīng)用于在高校教學(xué)管理，以之為基礎(chǔ)構(gòu)建人才培養(yǎng)模式[1]，是一種新的研究思路。智能汽車競(jìng)賽是自動(dòng)化專業(yè)本科生所從事的主要綜合賽事，也是具有全國(guó)性影響的工科大賽。本文結(jié)合智能汽車競(jìng)賽活動(dòng)[2]，通過(guò)提出一種將“控制論”引入競(jìng)賽管理的人才培養(yǎng)模式，為高等院校自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)及教學(xué)方案，推動(dòng)高等院校電類專業(yè)的健康發(fā)展。

這種思路的基本原理是：在競(jìng)賽管理中引入控制論的基本原理，這些基本觀點(diǎn)是：系統(tǒng)的觀點(diǎn)，反饋的觀點(diǎn)，調(diào)控的觀點(diǎn)以及最優(yōu)的觀點(diǎn)。即把整個(gè)競(jìng)賽培養(yǎng)模式看做一個(gè)系統(tǒng)，把學(xué)生當(dāng)做被控對(duì)象，通過(guò)目標(biāo)設(shè)定，控制環(huán)節(jié)，執(zhí)行環(huán)節(jié)，檢測(cè)環(huán)節(jié)，建立控制系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽結(jié)果的最優(yōu)化。

一、控制論與教學(xué)控制系統(tǒng)

1.控制論的基本原理。維納于1948年提出了《控制論》，自此之后，控制論的思想和方法得到廣泛的應(yīng)用。控制論的核心就是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過(guò)將控制論引入到教學(xué)改革中以達(dá)到最佳模式下的人才培養(yǎng)；在控制論中，需要將控制設(shè)備進(jìn)行組合，組建控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)施對(duì)被控對(duì)象的反饋控制。

經(jīng)由不斷比對(duì)設(shè)定輸入量與輸出量差值的方法，借助反饋控制器作用，使得輸出量逐漸地趨向于設(shè)定值，直至差值為零，反饋控制器的作用過(guò)程如圖1所示。

圖1 反饋控制系統(tǒng)框圖

由圖1可以看到，反饋控制系統(tǒng)通常有五個(gè)部件構(gòu)成，它們的功能分別是：（1）比較器：用來(lái)比較輸入量與輸出量，并計(jì)算出輸入量與輸出量之間的偏差。（2）控制裝置：根據(jù)輸入量與輸出量之間的偏差和控制策略得出控制量。（3）被控對(duì)象：指控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行控制的對(duì)象。（4）測(cè)量元件：檢測(cè)被控對(duì)象的輸出信號(hào)，并將該信號(hào)輸送至比較環(huán)節(jié)。

利用控制論思想研究教學(xué)活動(dòng)的主體思路是：通過(guò)分析教學(xué)環(huán)節(jié)的各個(gè)過(guò)程，找到優(yōu)勢(shì)和不足；同時(shí)設(shè)定教學(xué)指標(biāo)，對(duì)教學(xué)全過(guò)程進(jìn)行掌控，以期達(dá)到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。顯然，通過(guò)實(shí)現(xiàn)控制論下的教學(xué)指導(dǎo)模式可以提高整體教學(xué)的質(zhì)量[3]。

2.教學(xué)控制系統(tǒng)。控制論在教學(xué)管理中的應(yīng)用[4]主要是構(gòu)建人才培養(yǎng)模式。控制器就是教學(xué)管理的一系列規(guī)章制度，尤其是人才培養(yǎng)模式，同時(shí)控制器具有約束性，魯棒性。在控制論視角下，教學(xué)控制過(guò)程可以看成一個(gè)控制系統(tǒng)，由教師、學(xué)生、反饋、比較等主要環(huán)節(jié)組成，其教學(xué)反饋系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 教學(xué)反饋系統(tǒng)框圖

（1）教學(xué)目標(biāo)：即教學(xué)要達(dá)到的效果，教學(xué)目標(biāo)由各學(xué)院協(xié)助教務(wù)處設(shè)定。

（2）信息反饋：在教育過(guò)程中，通過(guò)一定方式將學(xué)生的教育結(jié)果進(jìn)行采集，并輸送至控制器環(huán)節(jié)。通常是由老師通過(guò)答疑、作業(yè)、問(wèn)卷調(diào)查、測(cè)試等方法從學(xué)生群體中獲取有關(guān)教學(xué)效果的信息。

（3）教師（控制器）：教師通過(guò)接收來(lái)自比較器的差模信號(hào)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)調(diào)控。教師通過(guò)授課、布置作業(yè)、講評(píng)等方式進(jìn)行教學(xué)調(diào)控，引導(dǎo)學(xué)生到有吸引力的事物上來(lái)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

（4）擾動(dòng)：即由老師的教學(xué)狀態(tài)、學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、社會(huì)環(huán)境、學(xué)生的心理因素等引起的教學(xué)效果不確定。老師通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，可以抑制降低擾動(dòng)發(fā)生的頻率，提高教學(xué)效率。

（5）比較器：比較器的作用是獲得反饋信息，并與教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行比較，獲得差值，并把差模信號(hào)傳給控制器，通常是由系（教研室）執(zhí)行。

根據(jù)上述原理，首先由教務(wù)處及學(xué)院制定教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行一系列教學(xué)活動(dòng)，從學(xué)生那里獲取相應(yīng)的教學(xué)效果反饋信息；了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并與教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行比較，及時(shí)有效的調(diào)整教學(xué)方法，以達(dá)到教學(xué)效果最優(yōu)化；在運(yùn)用教學(xué)控制系統(tǒng)時(shí)必須確定教學(xué)反饋信息的準(zhǔn)確性、及時(shí)性；反饋要及時(shí)，反饋不及時(shí)會(huì)錯(cuò)過(guò)教學(xué)調(diào)控時(shí)機(jī)，也會(huì)影響教學(xué)成果。

教學(xué)控制系統(tǒng)建立的意義：從控制論的視角下進(jìn)行分析教學(xué)過(guò)程，可讓我們用更科學(xué)的觀點(diǎn)量化的提高教學(xué)質(zhì)量，重視參與過(guò)程的反省性，以循環(huán)控制思想為基礎(chǔ)，通過(guò)提出問(wèn)題，看待問(wèn)題的方式達(dá)到循環(huán)過(guò)程的再認(rèn)識(shí)[5，6]，而不是過(guò)去粗放的、宏觀的、定性的認(rèn)識(shí)教學(xué)質(zhì)量，有助于提高教學(xué)效果。

二、教學(xué)控制論競(jìng)賽培養(yǎng)模式

組織自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生參加智能汽車競(jìng)賽，是培養(yǎng)該專業(yè)本科生綜合能力非常有效的教學(xué)手段，該競(jìng)賽全面涵蓋了自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)大綱的主干課程系列；實(shí)施智能汽車競(jìng)賽，對(duì)改善自動(dòng)化專業(yè)教與學(xué)兩方面的效能都大有裨益。

為提高智能汽車競(jìng)賽在自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用，本文了一類將教學(xué)控制論的觀點(diǎn)引入競(jìng)賽管理的人才培養(yǎng)模式，通過(guò)構(gòu)建競(jìng)賽管理控制體系來(lái)管理競(jìng)賽過(guò)程。

1.競(jìng)賽管理控制體系。競(jìng)賽管理控制體系就是依據(jù)反饋控制系統(tǒng)建立的，其示意圖如圖3所示。

圖3 競(jìng)賽管理控制體系示意圖

競(jìng)賽質(zhì)量控制環(huán)節(jié)是根據(jù)競(jìng)賽中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)學(xué)校、學(xué)院開(kāi)設(shè)的“智能汽車設(shè)計(jì)與實(shí)踐”選修課及相應(yīng)的招新活動(dòng)，最大限度地向同學(xué)們宣傳競(jìng)賽及其所需技術(shù)知識(shí)，吸引學(xué)生參與競(jìng)賽初選，再經(jīng)過(guò)訓(xùn)練、觀察和比較進(jìn)行復(fù)選，優(yōu)秀者才能進(jìn)入下一輪[7]。

2.智能汽車競(jìng)賽比較環(huán)節(jié)模塊。將采集的智能汽車競(jìng)賽實(shí)際值與競(jìng)賽質(zhì)量設(shè)定值進(jìn)行比較，來(lái)發(fā)現(xiàn)智能汽車競(jìng)賽過(guò)程中存在的問(wèn)題。

3.智能汽車競(jìng)賽質(zhì)量信息采集模塊。信息采集模塊是非常重要的。采集模塊的功能就是及時(shí)采集競(jìng)賽過(guò)程的信息，為競(jìng)賽管理提供及時(shí)的信息。通過(guò)定時(shí)向?qū)W生發(fā)放競(jìng)賽信息采集表在上述管控體系中，被控對(duì)象是競(jìng)賽的進(jìn)程。根據(jù)控制論對(duì)競(jìng)賽過(guò)程進(jìn)行控制，通過(guò)比較環(huán)節(jié)的到競(jìng)賽質(zhì)量實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，通過(guò)競(jìng)賽質(zhì)量控制環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)校正偏差，從而實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽過(guò)程最優(yōu)化。整個(gè)競(jìng)賽管理控制系統(tǒng)是由競(jìng)賽質(zhì)量設(shè)定環(huán)節(jié)，競(jìng)賽質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，競(jìng)賽質(zhì)量信息采集環(huán)節(jié)構(gòu)成。（1）智能汽車競(jìng)賽質(zhì)量設(shè)定的確定。為了保證智能汽車競(jìng)賽的質(zhì)量，學(xué)校、學(xué)院兩級(jí)制定了一系列的競(jìng)賽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：指導(dǎo)老師的研究水平和時(shí)間保證；參賽隊(duì)員的技術(shù)能力、學(xué)習(xí)能力及合作能力；參賽單位的實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)支持。（2）智能汽車競(jìng)賽質(zhì)量控制環(huán)，收集競(jìng)賽進(jìn)程的信息。

2.智能汽車競(jìng)賽控制系統(tǒng)。智能汽車競(jìng)賽控制系統(tǒng)在教務(wù)處的指導(dǎo)下運(yùn)行，教師、學(xué)生收集競(jìng)賽信息，并按照競(jìng)賽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分析競(jìng)賽中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題借助智能汽車競(jìng)賽培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)人才，這種培育模式取得了良好的教學(xué)效果：2007—2013年以來(lái)，我校共獲得“全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽”全國(guó)特等獎(jiǎng)2項(xiàng)，全國(guó)一等獎(jiǎng)多項(xiàng)。實(shí)踐證明，基于教學(xué)控制論的競(jìng)賽培養(yǎng)模式有利于檢驗(yàn)教師的課堂授課水平；提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們的主動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣養(yǎng)成，并提升其創(chuàng)新意識(shí)，適應(yīng)新形勢(shì)下國(guó)家和社會(huì)對(duì)工科本科生的能力素質(zhì)要求。參考文獻(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽結(jié)果最優(yōu)化[8]。

對(duì)于智能汽車競(jìng)賽的參賽隊(duì)員，他們必須學(xué)習(xí)《控制理論》、《控制系統(tǒng)》等自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)，這些知識(shí)點(diǎn)主要包括：PID控制算法及其參數(shù)自調(diào)整技術(shù)、模糊智能控制算法、穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)特性分析、數(shù)字離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)法、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字電機(jī)技術(shù)等，綜合利用這些方法來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)及轉(zhuǎn)向舵機(jī)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出可自主控制的智能車。隨著競(jìng)賽的開(kāi)展，參賽者可以更加深刻的了解自動(dòng)化控制的核心理論和實(shí)用技術(shù)。

3.建立智能汽車競(jìng)賽控制體系的意義。在教學(xué)控制論的視角下，競(jìng)賽管理過(guò)程是一個(gè)可控系統(tǒng)，分析競(jìng)賽管理也就是分析一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，因此會(huì)讓我們用更科學(xué)的觀點(diǎn)量化提高競(jìng)賽管理。建立競(jìng)賽管理控制系統(tǒng)是提高競(jìng)賽質(zhì)量的有效途徑，對(duì)提高競(jìng)賽質(zhì)量有突出作用，對(duì)學(xué)生的全面發(fā)展有重要意義[9]。

三、結(jié)論

借助智能汽車競(jìng)賽培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)人才，這種培育模式取得了良好的教學(xué)效果：2007—2013年以來(lái)，我校共獲得“全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽”全國(guó)特等獎(jiǎng)2項(xiàng)，全國(guó)一等獎(jiǎng)多項(xiàng)。實(shí)踐證明，基于教學(xué)控制論的競(jìng)賽培養(yǎng)模式有利于檢驗(yàn)教師的課堂授課水平；提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們的主動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣養(yǎng)成，并提升其創(chuàng)新意識(shí)，適應(yīng)新形勢(shì)下國(guó)家和社會(huì)對(duì)工科本科生的能力素質(zhì)要求。

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G642.41

A

1674-9324（2014）28-0274-03

湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2011年度專項(xiàng)資助重點(diǎn)課題（2011A109）；湖北省高等教育學(xué)會(huì)“十二五”規(guī)劃首批專項(xiàng)資助重點(diǎn)課題（10）；湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（2013220）。

程磊（1976-），男，湖北武漢人，副教授，研究方向：機(jī)器人與機(jī)器感知、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、演化博弈與智能控制。