虛實融合的“智能控制”課程教學(xué)改革

武曉莉 介婧 侯北平 周樂 李津蓉

[摘 要] 針對“智能控制”課程現(xiàn)有教學(xué)方式不能滿足教學(xué)需求的現(xiàn)狀，對以“能力導(dǎo)向、虛實融合”為核心的“智能控制”課程教學(xué)進行了改革及實踐。設(shè)計開發(fā)了基于實際項目案例的移動機器人虛擬仿真實驗，將課程知識點與實驗內(nèi)容充分結(jié)合;協(xié)調(diào)安排培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的前導(dǎo)課程與實踐環(huán)節(jié)，使認知實習(xí)實踐教學(xué)、課程理論教學(xué)、虛擬仿真實驗教學(xué)有機融合。該教學(xué)改革為“智能控制”課程理論聯(lián)系實踐提供了新的教學(xué)方式，有利于更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強化學(xué)生的創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 智能控制;教學(xué)改革;虛擬仿真實驗;虛實融合

[基金項目] 2019年度浙江省高等教育“十三五”第二批教學(xué)改革研究項目“‘能力導(dǎo)向、虛實融合——新工科建設(shè)背景下的智能控制課程教學(xué)改革研究”（JG20190310）;2019年度浙江省高等教育“十三五”第二批教學(xué)改革研究項目“基于OBE理念和工程教育認證要求的‘自動控制原理課程教學(xué)改革研究”（JG20190315）

[作者簡介] 武曉莉（1974—），女，河北平山人，博士，浙江科技學(xué)院自動化與電氣工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事智能控制和人工智能算法研究;介 婧（1972—），女，山西臨猗人，博士，浙江科技學(xué)院自動化與電氣工程學(xué)院教授，主要從事智能計算及優(yōu)化領(lǐng)域研究;侯北平（1976—），男，山東日照人，博士，浙江科技學(xué)院自動化與電氣工程學(xué)院教授，主要從事機器視覺及其工程應(yīng)用研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）42-0061-04? ?[收稿日期] 2021-08-18

一、引言

2017年以來，教育部積極推進新工科建設(shè)。新工科首先是指新興工科如人工智能等，也包括新型工科，即對傳統(tǒng)工科專業(yè)（如自動化專業(yè)）的改造、轉(zhuǎn)型和升級[1]。2018年教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》的通知，要求完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系，加強人工智能與計算機、控制等相關(guān)學(xué)科的交叉融合;積極開展新工科研究與實踐，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式[2]。

在人工智能新熱潮和新工科建設(shè)大背景下，自動化類相關(guān)專業(yè)（包括其衍生出的新工科專業(yè)機器人工程專業(yè)）及課程需要開展新的教學(xué)改革。智能控制課程是自動化類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，在本校已開設(shè)十余年，由于其課程內(nèi)容與人工智能學(xué)科知識交叉性強，成為控制類相關(guān)課程教學(xué)改革的重點。而如何開發(fā)和利用先進的教學(xué)手段、更新教學(xué)模式，是智能控制課程教學(xué)改革的難點。

教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，提出重點解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難、高成本、大型綜合訓(xùn)練等問題[3]。2019年，教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》[4]，提出實施一流本科課程“雙萬計劃”，其中要認定的五類一流課程就包括虛擬仿真實驗教學(xué)課程。上述教育部的系列引導(dǎo)舉措，為課程教學(xué)改革提供了一種新的思路。

二、智能控制課程特點與現(xiàn)狀分析

智能控制代表了控制理論和技術(shù)的發(fā)展方向和最高層次，智能控制課程結(jié)合了人工智能和控制理論。本文總結(jié)該課程具有三大特點。

第一，從學(xué)科專業(yè)的角度看，該課程的知識內(nèi)容銜接了人工智能學(xué)科與控制學(xué)科、人工智能專業(yè)和自動化類相關(guān)專業(yè)，是學(xué)生學(xué)習(xí)把人工智能技術(shù)在自動化工程領(lǐng)域落地實現(xiàn)的關(guān)鍵課程環(huán)節(jié)。

第二，從課程體系的角度看，該課程銜接了傳統(tǒng)控制理論和創(chuàng)新的控制理論。與傳統(tǒng)控制理論課程自動控制原理和現(xiàn)代控制理論相比，智能控制除了自己獨有的理論與方法之外，其模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種理論方法均可與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合，形成更新更優(yōu)的控制方法，使學(xué)生學(xué)后對整個控制理論課程體系有融會貫通之感。

第三，從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的角度看，傳統(tǒng)控制理論目前已基本發(fā)展成熟，但智能控制理論還在蓬勃發(fā)展和不斷拓展，在新方法、新應(yīng)用的研究上，為學(xué)生的深入鉆研、培養(yǎng)創(chuàng)新能力提供了廣闊空間;在創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)上，可提升學(xué)生對自動化類創(chuàng)業(yè)項目創(chuàng)新性的鑒別能力及前瞻性意識，為高水平的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)做好知識儲備。

因此，建設(shè)好智能控制課程這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可更好地培養(yǎng)人工智能技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域落地實現(xiàn)的高素質(zhì)應(yīng)用人才，符合自動化類相關(guān)專業(yè)的發(fā)展潮流，適應(yīng)當(dāng)前社會經(jīng)濟發(fā)展的需求。

目前智能控制課程在高校的教學(xué)現(xiàn)狀，其開課情況隨著人工智能新熱潮在控制類相關(guān)專業(yè)呈擴增趨勢，但其授課形式仍普遍以理論講授為主、并輔以MATLAB軟件編程進行算法的實現(xiàn)和研討教學(xué)。這種傳統(tǒng)的教學(xué)形式，可以滿足基本的教學(xué)要求，但在新時代高校教育打造具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度“金課”[5]的背景下，存在現(xiàn)有MATLAB仿真實驗缺乏實物應(yīng)用對象，學(xué)生缺乏實物感和現(xiàn)場感的問題，需要打造更能呈現(xiàn)先進性和互動性的教學(xué)形式。

由于課程建設(shè)乃至專業(yè)建設(shè)的經(jīng)費有限，且實體設(shè)備更新?lián)Q代較快，連年多批采購實體的控制對象并不現(xiàn)實。即使帶學(xué)生到智能控制項目應(yīng)用現(xiàn)場參觀，也通常無法讓學(xué)生實現(xiàn)實操。種種現(xiàn)實制約導(dǎo)致目前的教學(xué)現(xiàn)狀不利于學(xué)生理論聯(lián)系實踐能力的培養(yǎng)。

三、教學(xué)改革方案設(shè)計

虛擬仿真實驗為課程理論聯(lián)系實踐提供了創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法，可較好的解決智能控制課程教學(xué)中存在的缺乏實物應(yīng)用對象問題。本文作者及團隊成員及早認識到虛擬仿真實驗對課程教學(xué)改革的重要意義，并開展了相關(guān)建設(shè)工作。

面臨的一個關(guān)鍵問題，就是如何尋找和選擇智能控制實際應(yīng)用項目，設(shè)計開發(fā)內(nèi)容適合的虛擬仿真實驗教學(xué)案例。經(jīng)過大量調(diào)研和走訪本地企業(yè)，本文作者及團隊成員選擇了菜鳥速遞某管理區(qū)總部的智能倉儲移動機器人分揀投遞系統(tǒng)作為背景應(yīng)用案例，于2019年設(shè)計開發(fā)了《智能倉儲移動機器人控制虛擬仿真實驗》，并獲批浙江省“十三五”高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目，為后續(xù)課程教學(xué)改革打下了良好的基礎(chǔ)。

經(jīng)過前期的積累，本文作者及團隊成員提出“能力導(dǎo)向、虛實融合”為核心的智能控制課程教學(xué)改革方案。具體方案可分以下四方面介紹。

第一，“能力導(dǎo)向”，指在設(shè)計和實施教學(xué)過程中，始終以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，以立德樹人為根本。結(jié)合課程案例、仿真實驗、課程作業(yè)和討論，貫徹OBE（Outcome-based Education）教學(xué)理念;設(shè)計和安排需要學(xué)生自主學(xué)習(xí)及分組討論合作學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié);要求實驗報告和大作業(yè)需要有調(diào)研論證資料以培養(yǎng)創(chuàng)新性;結(jié)合課程思政，厚植愛國情懷，培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞娜瞬拧?/p>

第二，虛實融合中的“實”，指通過帶學(xué)生實地參觀智能控制應(yīng)用項目，使學(xué)生更充分地了解智能控制的應(yīng)用背景及基礎(chǔ)知識。在教學(xué)安排上，可將自動化專業(yè)大一末的認識實習(xí)安排為帶學(xué)生實地參觀如智能倉儲、智能制造等機器人應(yīng)用項目，為后續(xù)自動化專業(yè)大三時智能控制課程的深入學(xué)習(xí)做準備。

第三，虛實融合中的“虛”，主要是通過設(shè)計開發(fā)對真實智能控制應(yīng)用項目高還原度的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，如目前已經(jīng)在實施的《智能倉儲移動機器人控制虛擬仿真實驗》，使學(xué)生在虛擬仿真實驗環(huán)境下完成對自選對象控制方法的設(shè)計與實現(xiàn);此外還包括繼續(xù)建設(shè)和更新基于MATLAB軟件的仿真案例庫。

第四，虛實融合中的“融合”，不僅指虛擬仿真實驗要與實際項目內(nèi)容相結(jié)合，更是指進行全方位的課程教學(xué)設(shè)計，包括培養(yǎng)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)、相關(guān)前導(dǎo)與后續(xù)課程的統(tǒng)籌規(guī)劃、課程與實驗內(nèi)容的合理選擇、設(shè)計與更新，使認知實習(xí)實踐教學(xué)、課程理論教學(xué)、虛擬仿真實驗教學(xué)三者有機的融合，為學(xué)生將課上的理論知識與實際項目中的應(yīng)用融會貫通提供保障。

四、教學(xué)改革實踐

本教學(xué)改革方案的實施重點為虛擬仿真實驗、仿真案例的設(shè)計與開發(fā)，以及如何更好地與教學(xué)環(huán)節(jié)融合、以提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力。

（一）虛擬仿真實驗開發(fā)

虛擬仿真實驗是本次教學(xué)改革的核心環(huán)節(jié)。在最初設(shè)計虛擬仿真實驗時，主要基于專業(yè)人才培養(yǎng)要求、課程知識點結(jié)合情況、實際應(yīng)用項目支持三方面考慮。首先，我校自動化專業(yè)主要定位于為移動機器人、工業(yè)自動化等領(lǐng)域培養(yǎng)人才，課程的設(shè)置和內(nèi)容的選擇都將圍繞此目標進行，因此選擇移動機器人控制作為虛擬仿真對象符合本專業(yè)人才培養(yǎng)要求。其次，智能控制課程雖然涵蓋內(nèi)容較多，但在本科階段授課時，一般將模糊控制、專家系統(tǒng)、智能優(yōu)化等內(nèi)容作為優(yōu)選[6] ，以上主要知識點均可與移動機器人的控制與優(yōu)化等實際應(yīng)用相結(jié)合。最后，本學(xué)院與本地知名機器人生產(chǎn)公司建立了良好產(chǎn)學(xué)研合作，獲得了企業(yè)實習(xí)實踐基地的支持，校企合作建立了工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)學(xué)院，企業(yè)的實際項目菜鳥速遞某管理區(qū)總部的智能倉儲移動機器人分揀投遞系統(tǒng)可以作為虛擬仿真實驗的背景應(yīng)用案例。

在此背景及設(shè)計思路下開發(fā)的《智能倉儲移動機器人控制虛擬仿真實驗》，高還原度的模擬了智能倉儲環(huán)境下，多個移動機器人AGV（Automated Guided Vehicle）對送達傳輸帶的包裹實現(xiàn)全自動分揀投遞的系統(tǒng)運行全過程。實驗包含AGV、傳輸帶、上料機、下料口、收料網(wǎng)、地標二維碼等多項設(shè)備及其運行模型;設(shè)計有六大實驗?zāi)K：系統(tǒng)學(xué)習(xí)、AGV運動控制、AGV智能路徑規(guī)劃、多AGV協(xié)同調(diào)度、故障與處理、考核與評價;設(shè)計了15個實驗步驟：智能倉儲場景學(xué)習(xí)、AGV結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)及裝配、AGV功能演示、AGV循跡模糊控制、AGV避障運動控制、靜態(tài)路徑規(guī)劃參數(shù)配置、路徑規(guī)劃算法對比分析、AGV實時路徑規(guī)劃、協(xié)同調(diào)度場景配置、多AGV協(xié)同路徑規(guī)劃、多AGV人工調(diào)度、多AGV智能調(diào)度、故障分析與處理、測試考核、成績反饋及建議;實驗涉及的知識點覆蓋了智能控制基礎(chǔ)課程的模糊控制、專家系統(tǒng)和智能優(yōu)化的內(nèi)容，對課程內(nèi)容覆蓋度高，融合性好。實驗過程中需要進行多項參數(shù)的選擇和算法的設(shè)計，觀察對比不同情況下的實驗效果并在實驗報告中進行分析。

根據(jù)學(xué)生反饋，該虛擬仿真實驗?zāi)軌蜉^好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地體會到理論方法在典型應(yīng)用場景下的綜合運用。作為一項結(jié)課前的綜合實驗，該虛擬實驗?zāi)茌^好地體現(xiàn)高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，并具有較強的開放性、擴展性，可以隨課程知識的更新繼續(xù)不斷完善。

（二）虛實融合在教學(xué)環(huán)節(jié)中的體現(xiàn)

借助近年我校自動化專業(yè)實施工程教育專業(yè)認證、學(xué)校增設(shè)新工科專業(yè)機器人工程專業(yè)及建設(shè)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)學(xué)院的機遇，于2019年啟動修改和制定新的專業(yè)培養(yǎng)計劃及相關(guān)課程教學(xué)大綱，重新梳理理論與實踐課程體系。在智能控制課程之前增設(shè)了人工智能基礎(chǔ)作為前導(dǎo)課程，以保證后續(xù)的智能控制課程有更充足的學(xué)時用于控制對象的研討。對接本地知名機器人生產(chǎn)公司，新建企業(yè)實習(xí)實踐基地，使得從自動化專業(yè)2018級開始，可以保證培養(yǎng)計劃中大一末的認識實習(xí)內(nèi)容，與大三智能控制課程的虛擬仿真實驗內(nèi)容一實一虛、前后呼應(yīng)、互相支撐。

通過優(yōu)化課程體系，圍繞智能控制課程形成了全新的學(xué)習(xí)鏈：移動機器人生產(chǎn)及應(yīng)用認識實習(xí)、人工智能基礎(chǔ)前導(dǎo)理論課、自動控制原理前導(dǎo)理論課、智能控制理論課、智能倉儲移動機器人控制虛擬仿真實驗。新的課程體系結(jié)構(gòu)合理，理論與實踐環(huán)節(jié)有機融合，更符合層層深入的學(xué)習(xí)規(guī)律。

（三）能力導(dǎo)向在教學(xué)環(huán)節(jié)中的體現(xiàn)

在智能控制課內(nèi)教學(xué)中，為提高學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，針對每種理論方法都設(shè)計多個應(yīng)用實例，特別是結(jié)合移動機器人控制的實例。例如模糊控制中的單輸入單輸出、兩輸入單輸出問題，分別用水槽液位控制、洗衣機控制進行舉例及編程實現(xiàn)，同時啟發(fā)學(xué)生思考如果將模糊控制應(yīng)用于移動機器人的循跡控制和避障控制中，如何選取輸入輸出量并設(shè)計模糊控制算法。為后續(xù)虛擬仿真實驗做準備的同時，提升學(xué)生舉一反三、靈活運用的能力。

在虛擬仿真實驗中，通過對多種智能控制方法的不同參數(shù)及模型的自由設(shè)置和搭建，使學(xué)生進行反復(fù)實驗對比和分析，可實現(xiàn)以學(xué)生為中心的自主探究式學(xué)習(xí)。例如AGV智能路徑規(guī)劃實驗?zāi)K中，可選用兩種優(yōu)化方法、三種距離計算方式任意組合，此外上貨位置和投放點位置在全場景中均任意位置可選，路徑平滑度參數(shù)在0～100%范圍內(nèi)任意可選。由此每個獨立實驗的學(xué)生設(shè)置和搭建的規(guī)劃方法會各不相同，不同的方案操作后的三維仿真結(jié)果也不相同，學(xué)生需要對實驗現(xiàn)象深入探索并對比分析，在此過程中培養(yǎng)對設(shè)計方案進行優(yōu)選并獲得有效結(jié)論的能力。

在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面，充分挖掘虛擬仿真實驗平臺的潛力。除了可作為自動化專業(yè)人工智能培養(yǎng)方向的模塊化教學(xué)實驗，虛擬仿真實驗平臺還可供學(xué)有余力的學(xué)生開展創(chuàng)新控制算法的研究，并為各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目如“春萌計劃”“新苗人才計劃”“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項目等提供算法研習(xí)平臺支撐。

針對教育的根本任務(wù)立德樹人，需要在知識傳授中注重強調(diào)價值引領(lǐng)，將思想政治教育融入課程教學(xué)全過程。具體實施時主要抓住課堂的導(dǎo)入過程，以及案例分析中的互動討論部分。例如在導(dǎo)入移動機器人案例時，結(jié)合前期本地機器人企業(yè)項目現(xiàn)場認知實習(xí)，深化學(xué)生對我國機器人產(chǎn)業(yè)的了解，強化學(xué)生對“中國智造”和“工匠精神”的認知，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

五、結(jié)語

本文聚焦人工智能新熱潮和新工科建設(shè)背景下的智能控制課程教學(xué)改革，強化人才培養(yǎng)質(zhì)量意識，以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，以虛擬仿真實驗為抓手，充分挖掘虛擬仿真實驗在智能控制課程中的實踐潛力，推動現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，改革教學(xué)方法與模式，優(yōu)化課程體系與內(nèi)容，豐富了實驗實踐教學(xué)形式，并帶動控制類相關(guān)課程的升級改造，更好地與人工智能時代和新工科建設(shè)接軌。

參考文獻

[1]林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017，38（2）：26-35.

[2]周全.關(guān)于高校人工智能人才培養(yǎng)的思考與探索[J].教育教學(xué)論壇，2019（16）：131-132.

[3]熊宏齊.虛擬仿真實驗教學(xué)助推理論教學(xué)與實驗教學(xué)的融合改革與創(chuàng)新[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（5）：1-4+

16.

[4]教育部.關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見[J].中華人民共和國國務(wù)院公報，2020（5）：57-62.

[5]劉斯文，程晉寬.大學(xué)“金課”的建構(gòu)邏輯：起點、過程與走向[J].高校教育管理，2020，14（6）：117-124.

[6]劉金琨.智能控制[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2017：34.

Teaching Reform of Intelligent Control Course Based on the Combination of Virtuality and Reality

WU Xiao-li， JIE Jing， HOU Bei-ping， ZHOU Le， LI Jin-rong

（School of Automation and Electrical Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou， Zhejiang 310023， China）

Abstract： Aiming at the current situation that the existing teaching methods of intelligent control course cannot meet the teaching needs， teaching reform is conducted in the Intelligent Control course with “ability orientation， virtuality and reality combination” as the core. Mobile robot virtual simulation experiment is developed based on actual project case， and knowledge points in the course are fully combined with experimental contents. The pre-course and practical links are coordinated in the curriculum system， so that cognition practice， course theory teaching， and virtual simulation experimental teaching are organically integrated. The teaching reform provides a new teaching method for integrating theory with practice in the course， which is beneficial to better stimulate students interest in learning and strengthen students innovation ability.

Key words： Intelligent Control course; teaching reform; virtual simulation experiment; combination of virtuality and reality