工程教育理念下的智能控制課程教學策略探討

摘要：在工程教育理念下，為貫徹落實國家卓越工程師培養計劃，提高“智能控制”課程的教學質量，在回顧智能控制發展歷程和理論體系的基礎上，以安徽工程大學智能控制課程建設為例，對理論教學、實踐教學以及考核方式等方面的一些做法和經驗進行了探討和總結。

關鍵詞：智能控制；教學策略；卓越工程師；模糊控制；神經網絡

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0029-02

智能控制作為自動化類專業的一門專業課程，要求學生了解控制學科發展的方向和前沿，熟悉智能控制的主要理論分支、數學基礎以及發展趨勢等，掌握基本智能控制方法的結構和算法，為未來實際工程應用奠定一定的基礎。當前，在國內外備受關注的CDIO模式即把“構思（Conceive）—設計（Design）—執行（Implement）—運作（Operate）”作為工程教育的環境背景，按照產品生命周期構建課程體系，以課堂和項目相結合的方式進行主動學習，使學生達到預想的學習目標。

考慮到安徽工程大學（以下簡稱“我?！保┳詣踊瘜I被確定為教育部“卓越計劃”試點專業，如何通過智能控制課程教學改革來提高教學質量，充分借鑒CDIO先進的教育理念，推行卓越工程師培養計劃，提高大學生的創新技能、實踐技能，協調課程體系對培養目標支撐力不強以及與我國產業發展和結構的調整不相適應的矛盾，創建適應新形式發展需要的課程教學體系，同時促進我國智能控制學科發展，是我校授課老師所面臨和亟待解決的問題。

一、智能控制課程分析

1.智能控制發展歷程

智能控制是一種新型自動控制技術，代表了自動控制的最新發展階段。[1]20世紀90年代中期之后，智能控制日益成熟，在工業、農業、家用、軍事等領域得到了廣泛的應用，據統計，2012年全球智能控制市場規模接近6800億美元，而我國智能控制行業規模也已經達到4200億元。

智能控制思潮第一次出現于20世紀60年代由Leonaes等人首次正式提出，[2]到了1987年，IEEE控制系統學會和計算機學會在美國費城聯合召開了智能控制國際學術討論會，智能控制正式作為一門新學科，登上歷史舞臺，而“智能控制”課程是在智能控制學科建立之后開設的。

國內首部“智能控制”教材，是在1990年由中南大學蔡自興教授編寫電子工業出版社出版，蔡教授把遞階控制、專家控制、模糊控制、神經控制、學習控制作為智能控制課程的初步框架和主要研究分支。[1]隨后，王耀南、李士勇、李人厚、孫增圻等專家也編寫了智能控制相關教材。這些教材出版對我國智能控制課程教學發揮了積極的作用，為智能控制學科建設和人材培養做出突出貢獻。[3]

近年來，國內學者對智能控制的研究十分活躍，舉行各種與智能控制有關的學術討論會，如全球智能控制與自動化大會（World Congress on Intelligent Control and Automation，WCICA）、中國智能自動化會議（Chinese Intelligent Automation Conference，CIAC）、中國控制會議（Chinese Control Conference，CCC）、中國控制與決策會議（Chinese Control and Decision Conference，CCDC）等，這標志我國智能控制作為獨立學科已正形成。[2]

2.智能控制理論體系

隨著科學技術的發展，智能控制理論和技術得到不斷的發展和完善，受到越來越多科研工作者的關注。常規的智能控制方法主要包括：模糊控制、神經網絡控制、分級遞階控制、專家系統控制以及其他仿人智能控制等。[3，4]

（1）模糊控制：將人類專家對特定對象的控制經驗，運用模糊集理論進行量化，轉化為可數學實現的控制器，從而實現對被控對象的控制，其主要包括輸入模糊化、模糊規則庫、模糊推理以及輸出逆模糊化四個部分。

（2）神經網絡控制：是人工智能、認知科學、神經生理學、非線性動力學等學科的交叉熱點，它利用大量的人工神經元按一定的拓撲結構互連，構建具有仿人控制的功能。神經網絡雖然不善于顯式表達知識，但具有很強的學習能力和自適應能力，能夠任意逼近復雜的非線性系統，對高度非線性和嚴重不確定性系統的控制方面具有良好效果。

（3）分級遞階控制：是從工程控制論的角度總結人工智能與自適應、自學習和自組織的關系之后逐漸形成的，主要由組織級、協調級和執行級構成。其中組織級起主導作用，涉及知識的表示與處理，主要應用人工智能；協調級在組織級和執行級間起連接作用，涉及決策方式及其表示，采用人工智能及運籌學實現控制；執行級是底層，具有很高的控制精度，采用常規自動控制。

（4）專家系統控制：是指具有模糊專家智能的功能，采用專家系統技術與控制理論相結合的方法設計的控制策略，它是人工智能應用領域最成功的分支之一，由知識庫、推理機、解釋機制、知識獲取系統以及綜合數據庫五個部分組成。在工業過程控制中主要呈現直接專家控制和間接專家控制兩種形式。

二、智能控制課程教學改革

1.理論教學

UNESCO在2010年的工程學報告中指出，工程是人類面臨的最大挑戰和機遇，為了滿足卓越工程師培養計劃要求，我校重新修訂課程教學大綱，調整了各知識點的學時分配，擴大了知識面的覆蓋范圍，并提高了實驗內容所占學時比例，注重實踐環節內容設置。在課程建設考慮理論與實踐的均衡，避免理論與實踐用脫節，教材選用為王耀南主編、機械工業出版社出版的《智能控制理論及應用》，[5]總共設計30個學時，具體如圖1所示。概述部分為2個學時，主要講解智能控制理論的歷史背景、研究現狀以及未來的發展趨勢；模糊控制與神經網絡控制是本課程主要講解部分，分別安排9個學時；分級遞階控制與專家系統控制部分要求學生以了解為主，因此分別安排4個學時；最后，剩余2個學時講解當前最新的一些智能控制方法，目的為擴展學生的視野。

考慮到“智能控制”課程涉及的知識面較為廣泛，因此，在教學過程中，教師主要擔負組織者、引導者的職責，課堂上注重采用啟發式的教學模式，并增加案例講解，讓學生明確課程教學服務于國家戰略需要和行業需要，如：液浮陀螺儀溫控系統的模糊控制策略設計、單級倒立擺系統的神經網絡PID控制器的設計、數控機床專家系統設計等。鼓勵學生自由探討，實現教學環節中的互動，提高學生的認知能力。

2.實踐教學

本課程專業性很強，學生缺少對智能控制方法的感性認識，且受學時數的限制，因此鼓勵學生自主學習，充分利用課余時間。[6]每次課后，有針對性地預留課外作業，引導學生復習、預習，這有利于老師教學內容的精練講解，學生對智能控制的熟悉掌握，引導學生注重工程能力和自主學習能力的提高。

另外，在“智能控制”教學計劃中，安排6個學時作為實驗課，讓學生獨自設計相關智能控制器，培養學生的實踐動手能力，增加對模糊控制系統、神經網絡控制系統分析和設計的熟練程度。實驗采用先講解、后實驗、再總結的方式進行。為了保證實踐教學質量，每20位學生安排1名指導教師。實驗前，要求學生實驗之前完成預習報告；實驗中學生每人一臺機，獨立記錄實驗過程和實驗結果，教師全程答疑輔導；實驗后學生及時上交實驗報告，其內容包括：實驗名稱、內容、方法、步驟、結果及個人心得、體會。

3.教學手段

為了適應時代的發展，授課借助先進的教學軟件。在相關理論知識點展開前，可通過實例模擬讓學生初步了解相關方法，再切換到理論知識的講解，以幫助學生做到思維的自然過渡。

課堂還采用多媒體教學，以提高學生獲取信息的效率。多媒體課件制作過程中，力求圖文并茂，能吸引學生的注意力，這有利于實現情景式的教學，充分調動學生的主觀能動性，變被動教育為主動教育，使學生加深對知識的理解。[7，8]

4.考核方式

本課程理論性較強，為避免“一張試卷定乾坤”帶來的弊端，課程成績采用多元化考核制度，主要包括：平時成績（30%）、實驗成績（30%）和期末考試成績（40%）。

三、結束語

綜上所述，我國的智能控制教育已取得了可喜成績，我校在研究專業培養目標和現有教學資源基礎上，借鑒國內相關高校成功教學經驗，并不斷完善智能控制學科教學的方法、手段、策略，研究制訂新的大綱，開發設計多媒體課件，與時俱進，緊密圍繞“卓越工程師培養計劃”的重點和目標，為培養敢創新、會創造的高質量人才不斷努力。

參考文獻：

[1]蔡自興，張鐘俊.智能控制的理論與實踐[J].中南礦冶學院學報，1989，（6）：644-650.

[2]陳愛斌，肖曉明，魏世勇，等.智能控制的學科發展與學科教育[J].現代大學教育，2006，（3）：102-105.

[3]涂象初.關于智能控制的幾個問題[J].科學通報，1991，（7）：481-485.

[4]張德江.智能控制技術現狀與展望[J].長春工業大學學報，2002，

（S1）：58-61.

[5]王耀南，孫煒.智能控制理論及應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]朱建紅，張蔚，顧菊平，等.基于卓越工程師目標的教學策略改進研究[J].中國電力教育，2013，（5）：90-91.

[7]林健.卓越工程師教育培養計劃專業培養方案研究[J].清華大學教育研究，2011，32（2）：47-55.

[8]龔克.關于卓越工程師培養的思考與探索[J].中國大學教學，

2010，（8）：4-5.

（責任編輯：王意琴）