應(yīng)用型本科院校智能控制課程教學(xué)改革探索

胡楊 劉娣 錢奎

摘 ?要 針對當(dāng)前人工智能專業(yè)教育的要求和應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需求，探討南京工程學(xué)院智能控制課程在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上存在的問題，針對這些問題，提出一系列教學(xué)改革措施。依照此措施對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性，激發(fā)學(xué)生的興趣，在教學(xué)實(shí)踐中取得很好的效果。

關(guān)鍵詞 人工智能;智能控制;應(yīng)用型本科;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）18-0089-03

Teaching Reform of Intelligent Control Courses in Applied Under-

graduate Colleges//HU Yang， LIU Di， QIAN Kui

Abstract In view of current requirement of talents cultivation in current artificial intelligence major and applied undergraduate， this

paper discusses the problems existed in the teaching content and me-

thod of intelligent control courses of Nanjing Institute of Technology.

To deal with these problems， this paper proposes a series of teaching reform measures. After reforming this course following these mea-

sures， the learning purpose of students is enhanced， students learning

interest is stimulated， and good results are achieved in teaching prac-

tices.

Key words artificial intelligence; intelligent control; applied under-graduate; teaching reform

1 前言

近年來，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能在提高生產(chǎn)效率、推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展上表現(xiàn)出巨大潛力。為抓住人工智能發(fā)展的機(jī)遇，構(gòu)筑我國在人工智能發(fā)展上的優(yōu)勢，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出人工智能將是我國經(jīng)濟(jì)未來發(fā)展的新引擎，將主導(dǎo)我國未來的產(chǎn)業(yè)變革。人才是人工智能技術(shù)形成經(jīng)濟(jì)推動力的關(guān)鍵，隨著人工智能技術(shù)向各行業(yè)輻射，各行業(yè)形成巨大人工智能人才缺口。2018年，我國各行業(yè)的人工智能人才需求量已出現(xiàn)超過500萬的缺口，相比于2017年，人工智能人才的需求成倍增長。目前人工智能技術(shù)還在蓬勃發(fā)展時期，按此趨勢，未來人工智能人才的需求將至少是千萬級別。

為了應(yīng)對未來各行業(yè)對人工智能人才的需求，各大高校相繼在各專業(yè)開設(shè)人工智能相關(guān)課程，更新各專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，為傳統(tǒng)專業(yè)注入符合時代發(fā)展的新內(nèi)容，培養(yǎng)社會需要的人才。智能控制課程作為人工智能與控制技術(shù)相結(jié)合的一門基礎(chǔ)課程，在自動化專業(yè)的研究生階段和本科階段均有開設(shè)。本科階段的智能控制課程承擔(dān)了智能控制思想及原理的傳遞、多種智能控制算法理論的介紹、智能控制應(yīng)用能力的培養(yǎng)等多方面的任務(wù)，具有內(nèi)容繁多、理論復(fù)雜、體系性差、應(yīng)用性弱等特點(diǎn)，在教學(xué)中存在很大的難度，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果較差[1-3]。尤其在應(yīng)用型本科高校，智能控制課程由于理論性過強(qiáng)，缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，教學(xué)效果較差，無法達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求[4-5]。因此，如何對智能控制課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，是應(yīng)用型高校亟待解決的問題。

2 智能控制課程教學(xué)中存在的問題

教學(xué)內(nèi)容多且雜，缺乏系統(tǒng)性 ?智能控制課程的內(nèi)容主要涵蓋模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和智能優(yōu)化算法三個部分，每部分內(nèi)容均可以延伸為一整門課程，課程內(nèi)容相當(dāng)豐富。但由于課時的限制，要在有限的時間內(nèi)完整地介紹每類智能控制的內(nèi)容，在教學(xué)內(nèi)容安排上十分困難，容易導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容雜亂拼湊，缺乏邏輯性，增加學(xué)生理解的難度，造成教學(xué)質(zhì)量的急劇下降。更為嚴(yán)重的是，課程的三個部分缺乏內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致課程缺乏內(nèi)在的系統(tǒng)性，不僅增加了教學(xué)難度，而且學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶的效果很差。在實(shí)際的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)完第三部分內(nèi)容后，學(xué)生已經(jīng)基本遺忘前兩部分所學(xué)的內(nèi)容。

課程理論性強(qiáng)，理論難度較大，學(xué)生難以掌握 ?智能控制課程理論性強(qiáng)，課程的主體內(nèi)容涉及大量的公式推導(dǎo)，且推導(dǎo)過程繁復(fù)，消耗大量的時間，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以長時間集中注意力，難以掌握相關(guān)內(nèi)容，教學(xué)效果較差。課程中模糊邏輯運(yùn)算以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP學(xué)習(xí)算法的推導(dǎo)需要消耗一個課時，長時間的理論推導(dǎo)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果較差。在教學(xué)實(shí)踐中通過課后考核發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生完全沒有掌握。此外，作為目前控制領(lǐng)域的前沿技術(shù)，智能控制技術(shù)的理論相比于經(jīng)典控制理論難度更大，每種智能控制算法都有不同的理論框架，這給學(xué)生理解增加了難度，最終導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

教學(xué)手段單一，缺乏實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié) ?目前，智能控制課程采用的教學(xué)手段主要是以多媒體結(jié)合板書的課堂教學(xué)方式，有利于集中地、高密度地傳授理論知識。然而由于純粹的理論講解不利于學(xué)生對知識的深入理解以及融會貫通，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)“知其然而不知其所以然”的情況。智能控制技術(shù)本身是一種在各大產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用的先進(jìn)控制技術(shù)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景，純粹的理論講解不利于學(xué)生對技術(shù)本身的理解，且違背應(yīng)用型本科教育的目標(biāo)。然而，由于課時的限制，在原本的教學(xué)計劃中插入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)會極大擠壓理論教學(xué)課時，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容不能完成。因此，迫切需要對當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)計劃進(jìn)行全面改革。

課程內(nèi)容體系特殊，學(xué)生難以形成知識體系 ?在自動化專業(yè)控制類專業(yè)課程體系中，幾乎所有課程都按照被控對象數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型分析方法、數(shù)學(xué)模型控制設(shè)計方法這一體系構(gòu)建，課程內(nèi)容體系邏輯性清晰，目標(biāo)明確，屬于應(yīng)用驅(qū)動的課程內(nèi)容體系，學(xué)生容易理解，并與前置課程構(gòu)建聯(lián)系，在已構(gòu)建的知識體系中確定課程位置。然而，智能控制課程從控制算法開始，而后在控制算法理論講解的基礎(chǔ)上用案例說明算法的使用。此種內(nèi)容體系屬于理論驅(qū)動的課程內(nèi)容體系，與控制類專業(yè)課程體系中其他課程存在極大差別。這就導(dǎo)致學(xué)生雖然能理解智能控制課程的內(nèi)容，但很難了解該課程與其他課程間的聯(lián)系，自然很難在已有知識體系中納入智能控制課程的內(nèi)容。

3 智能控制課程教學(xué)改革措施

針對以上智能控制課程教學(xué)中存在的多方面問題，提出“剪裁課程內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，構(gòu)建知識體系”的教學(xué)改革措施，力圖通過這些措施，改革教學(xué)內(nèi)容和方法，提升智能控制課程的教學(xué)質(zhì)量。具體的改革措施包含以下四個方面。

圍繞課程目標(biāo)，合理裁剪課程內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu) ?目前的智能控制教材包含的內(nèi)容豐富，對每種智能控制算法介紹十分全面。然而，針對應(yīng)用型本科階段的智能控制課程有其自身特點(diǎn)，課程目標(biāo)是掌握智能控制方法的原理及思想，對智能控制方法的理論并無太高要求。太過豐富的理論內(nèi)容往往使課程結(jié)構(gòu)變得繁雜，學(xué)生不易理清思路。因此，在教學(xué)改革中需要緊緊圍繞課程目標(biāo)，突出原理及思想，保留智能控制方法的主干內(nèi)容，刪除過于繁雜的理論，并進(jìn)一步根據(jù)課程的內(nèi)在邏輯將課程內(nèi)容進(jìn)行加工，保證課程的完整性，使課程內(nèi)容清晰易學(xué)，進(jìn)而形成適應(yīng)于本科階段的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)。

以實(shí)際控制問題為牽引，串聯(lián)課程內(nèi)容，強(qiáng)化課程系統(tǒng)性 ?智能控制課程各章節(jié)間聯(lián)系性弱，是導(dǎo)致課程缺乏系統(tǒng)性的主要原因。在教學(xué)改革過程中，根據(jù)教研室現(xiàn)有教學(xué)資源，提出以倒立擺控制問題為牽引，分別在不同智能控制方法講解中落腳到倒立擺的控制問題上。一方面通過同一控制問題的求解來聯(lián)系不同控制方法，使學(xué)生形成記憶錨點(diǎn)，產(chǎn)生對課程整體的記憶;另一方面通過同一控制問題的不同求解方法，在不同智能控制方法間進(jìn)行有機(jī)對比，強(qiáng)化學(xué)生對不同方法的理解。

理論與實(shí)踐相結(jié)合，提升教學(xué)效率 ?從原來的理論教學(xué)計劃中劃出四學(xué)時作為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。相應(yīng)地，在不改變智能控制算法理論體系完整性的基礎(chǔ)上，對原來理論教學(xué)中較為復(fù)雜的理論和方法進(jìn)行刪減。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，與課程教學(xué)中重點(diǎn)講授的實(shí)際控制問題一致，安排倒立擺控制實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以把課程中的各種控制方法用于倒立擺控制實(shí)踐中。通過結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)和課程上對倒立擺控制問題的講解，增強(qiáng)學(xué)生把理論知識用于工程實(shí)踐的能力，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對各種智能控制方法的理解，提升課程教學(xué)效率。

以實(shí)際問題為基點(diǎn)，縱向發(fā)散，促使學(xué)生構(gòu)建知識體系 ?智能控制課程的前置核心課程有自動控制原理和現(xiàn)代控制理論。為促使學(xué)生將智能控制課程內(nèi)容納入已有知識體系，在課程講授過程中以倒立擺控制問題為基點(diǎn)，進(jìn)行縱向發(fā)散，聯(lián)系自動控制原理和現(xiàn)代控制理論中的控制方法，對比不同課程所涉及控制方法的設(shè)計思路，重點(diǎn)分析不同課程所涉及控制方法所解決問題的形式，劃定不同控制算法的能力范圍。在課程中控制算法講解完成后，以倒立擺控制問題為例，總結(jié)歸納各類控制方法使用方法、使用條件和性能限制，以此促使學(xué)生在控制類課程中找到智能控制算法所處的位置，幫助學(xué)生構(gòu)建控制類課程的統(tǒng)一知識體系，增強(qiáng)學(xué)生面對實(shí)際控制問題的實(shí)踐能力。

4 結(jié)語

本文探討了應(yīng)用型本科教學(xué)中智能控制課程在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上存在的諸多問題，根據(jù)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出“剪裁課程內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，構(gòu)建知識體系”的教學(xué)改革措施，有效激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生對課程的理解，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力，在教學(xué)實(shí)踐中取得很好的效果。教學(xué)改革措施主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）提出圍繞應(yīng)用型本科智能控制的課程目標(biāo)，合理剪裁課程內(nèi)容，去除較難較深的理論部分，并進(jìn)一步根據(jù)課程內(nèi)容邏輯，整理課程結(jié)構(gòu)，形成適應(yīng)本科階段學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的課程內(nèi)容，保證課程目標(biāo)與課程內(nèi)容的高度一致，使學(xué)生學(xué)習(xí)思路更清晰，學(xué)習(xí)更有目的性，更容易達(dá)成本課程的目標(biāo)。

2）以實(shí)際控制問題為牽引，串聯(lián)課程內(nèi)容，強(qiáng)化課程系統(tǒng)性，為學(xué)生在聯(lián)系性弱的各章節(jié)間構(gòu)建記憶錨點(diǎn)，使學(xué)生形成對課程的整體記憶。同時通過實(shí)際控制問題對比各章節(jié)的不同控制方法，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對不同智能控制方法的理解，強(qiáng)化解決實(shí)際控制問題的能力。

3）參照課程所講授的實(shí)際控制問題，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，促使學(xué)生把各類控制方法應(yīng)用于實(shí)踐中，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。同時通過再次強(qiáng)化不同控制方法的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生對課程內(nèi)容的進(jìn)一步理解。

4）以實(shí)際問題為基點(diǎn)，縱向發(fā)散，聯(lián)系控制類專業(yè)課程體系中的其他課程，通過縱向?qū)Ρ龋庇^地講解同一專業(yè)課程體系中不同課程間的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，促使學(xué)生找到智能控制課程在課程體系中的位置，幫助學(xué)生建立統(tǒng)一的控制類專業(yè)課程知識體系。

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