控制科學與工程研究生《智能控制》課程的案例教學探索

萬佑紅 樊春霞 徐豐羽 周映江

摘? ?要：《智能控制》課程是控制科學與工程學科研究生開設的一門重要的學位課。本文從傳統《智能控制》課程教學存在的問題出發，探索研究生《智能控制》課程的案例教學，提出了案例教學的設計與實施方式。通過案例教學，不僅能夠加強學生對理論基礎知識的理解，而且可以將本課程教學與科研實踐緊密結合，有效地提高研究生的自主學習與創新思維能力。

關鍵詞：智能控制? 控制科學與工程? 碩士研究生? 案例教學

中圖分類號：TP13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0187-02

《智能控制》課程既包括了抽象的理論基礎知識，又具有很強的工程應用性。我國1998年公布的《授予博士碩士學位和培養研究生的學科專業簡介》就已經將《智能控制》列入控制理論與控制工程的課程設置中。目前國內控制科學與工程專業研究生都開設了《智能控制》課程，主要講授智能控制的幾個重要分支[1]：專家控制、模糊控制、人工神經網絡控制、智能優化算法等內容為主，具有教學內容繁多、理論知識較抽象、信息覆蓋面廣等特點。在研究生課程教學過程中如何讓學生在有限的學時內既能夠扎實掌握相關基本理論，又能夠結合本專業的特色與背景進行智能控制方法的應用，同時了解智能控制研究的進展，是亟待解決的問題。如何將本課程教學與科研實踐緊密結合，有效提高研究生的自主學習與創新思維能力，大力促進研究生的科研與實踐能力，值得我們深入研究和探討。

案例教學[2]是以加深學生理論認識、培養學生實踐能力為目的，以現實場景中的典型案例為依托，以學生為中心的一種新型教學方式。探索研究生《智能控制》課程的案例教學改革，突出以實際應用中的問題為驅動，以促進研究生在專業理論知識學習過程中能夠積極探索復雜控制問題，激發學生自身的學習動機和創新思維，提高學生利用理論知識來解決實際問題的能力。

1? 《智能控制》課程教學內容的整合與優化

在傳統教材和教學大綱中《智能控制》課程的各主題模塊表現為相互較為獨立，容易造成學生接受的知識信息零散，課程體系結構上缺乏主線貫穿，學生在學習完理論知識后不能與實際應用很好地聯系在一起，亟需對課程教學內容進行整合與優化[3]，在對各主題模塊進行劃分的基礎上，以案例貫穿課程教學內容，體現出各主題模塊的相互區別與聯系，同時引進和整合國外著名智能控制相關教材的內容，將前沿智能控制的研究成果與技術有機地融入課程教學中，保證課程內容的先進性與前沿性。譬如，針對現有的研究生智能控制教學內容的遺傳算法部分中，可以考慮將遺傳算法（1975年提出）等經典教學內容與粒子群算法（1995年提出）、蟻群算法（1992年提出）等近20年內的科研成果為基礎的新知識點相結合，并在教學內容中以科研成果為導向、以科研成果的應用為主線，兼顧理論知識和應用實踐。根據所確定的課程教學內容、知識重點和難點，通過國內外經典教材、實驗室科研項目、工程實踐等多種途徑，收集與整理案例素材，基于單一案例、一題多解案例和綜合應用案例等多種形式的教學案例我們嘗試在各智能分支模塊教學中引入機器人的路徑規劃問題，在此過程中，還引導學生查閱科技文獻，促使學生主動接觸學科發展的前沿，鼓勵學生大膽嘗試與創新，指導學生撰寫報告、總結乃至論文，進一步提高學生的綜合能力。

2? 設計開發課程教學案例

結合學校控制學科的優勢方向與背景，充分利用本學科所擁有的實驗室的資源和條件，充分發揮高水平科研平臺優勢[4]。通過將科研實驗平臺資源轉化為教學實踐平臺，我們嘗試以機器人為載體開展案例教學，將機器人的姿態控制、路徑規劃、自主避障及多機器人編隊控制等問題引入到課程教學中，引導學生利用智能控制技術的相關原理與方法解決上述問題。結合《智能控制》課程的教學模塊以及重點和難點，重點確定三個方面的案例：模糊控制的教學案例、神經網絡控制的教學案例、遺傳算法的教學案例，在理論授課時，適當弱化純理論的內容，而將其融于典型案例的分析之中，理論的具體應用可幫助學生加深對智能控制基本原理的理解，并可激發學生的學習興趣及積極性。

3? 以學生為中心的案例教學模式探索

針對各知識模塊所設計的教學案例，改變傳統的單一講授式教學方式，采用教師講授理論知識、案例分析、分組討論、課堂匯報、評述總結的多樣化教學方式。首先，根據課程內容將教學過程分解，模糊控制和神經網絡控制的基本理論及新技術的主要原理部分由教師講解，并結合提出的問題與研究生共同討論。在基本理論和新技術原理的講授中，結合典型的教學案例，進行更深入的剖析。在案例設計形式上，采取單一案例、一題多解案例及綜合應用案例相結合的方式，譬如針對機器人的姿態控制可以分別利用模糊控制與神經網絡控制的方法來實現，在機器人的軌跡規劃中，可以涉及到神經網絡、模糊控制及優化算法的交叉應用。在案例講授中，引導研究生思考目前案例中采用的智能控制技術存在哪些問題、分析應該如何進行改進等，培養研究生的批判性和創新性思維。將一部分強調理論應用的課程內容，布置給研究生，要求分組討論完成，最終以小組匯報的形式在課堂中展示研究性學習的成果。教師明確要求匯報報告中所涵蓋的內容。比如：利用模糊PID控制實現機器人的避障，由研究生分組在課后完成算法設計，在課堂上進行匯報，匯報應包括：控制算法的原理、實現過程、實驗結果、算法的優缺點及評價等。研究生匯報后，教師與其他學生要對其講解內容和評述觀點進行提問，最后由教師進行歸納總結。當然，在整個教學過程中，教師必須及時了解學生的信息反饋，并做出相應的調整和改進。通過對案例的調查閱讀、思考分析、討論和交流等活動，加深學生對基本原理和概念的理解，引導學生學會分析問題和解決問題，進而提高學生研究能力及創新能力。通過以案例貫穿教學過程的研討式教學方式，使得抽象復雜的理論知識具體化、生動化，可以促進研究生的自主學習，使研究生既掌握了現有知識，又努力去發現新知識。不僅讓研究生學會分析問題，更讓他們通過對所研究問題的歸納和比較，尋找解決問題的突破口，激發探索知識的好奇心，提高創新能力。

4? 結語

在當今人工智能時代，《智能控制》課程對于培養研究生的科研能力和創新思維具有更重要的作用和地位。本文基于案例教學探索研究生《智能控制》課程的教學改革，通過案例教學進一步夯實研究生對《智能控制》課程的理論與技術的理解，以有效地鍛煉和培養研究生的科研實踐創新能力，推進研究生的創新能力培養與社會需求相接軌。

參考文獻

[1] 劉金琨.智能控制[M].4版.北京：電子工業出版社，2017.

[2] 傅偉鋒，唐賢清.美國研究生案例教學及啟示[J].湖南師范大學教育科學學報，2016，15（5）：124-128.

[3] 胡蓉，錢斌，祝曉紅.研究生“智能控制”課程教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2015，37（5）：33-34，50.

[4] 李昌祖，馮雯.大學“科研反哺教學”及其實施[J].教育發展研究，2009（19）：71-74.