朱培逸 徐本連 施健

摘 要： “智能控制”研究性課程旨在將教師的科研成果分層次、分塊地融入到原有課程知識(shí)體系之中，通過采用探究式、討論式、專題式、成果展示式等多種教學(xué)方式，將智能控制研究領(lǐng)域最新的成果有效地轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。課程建設(shè)過程中注重學(xué)生的實(shí)踐與動(dòng)手，圍繞“理論、實(shí)驗(yàn)、課題項(xiàng)目”進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，提升了課程內(nèi)涵，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)智能控制的興趣，提高了學(xué)生研究問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生后續(xù)實(shí)際工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 研究性課程； 智能控制； 教學(xué)研究； 工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）02-57-02

Construction and exploration on research curriculum intelligent control

Zhu Peiyi， Xu Benlian， Shi Jian

（School of Electrical and Automation Engineering， Changshu Institute of technology， Changshu， Jiangsu 215500， China）

Abstract： The research curriculum is aimed at integrating the teacher's scientific research into a customary knowledge system with hierarchical and different module. The latest intelligent control research achievement is transferred into the teaching resources effectively by adopting enquiry-based， discussion-based， project-based and display-based teaching approaches. The students' practical ability is focused on in the teaching process. Concentrating on "theory， experiment， research project"， the curriculum is designed to arouse the students' interest in learning， enhance the connotation of curriculum and improve the students' ability of research problems and innovation consciousness. It lays a solid foundation for subsequent engineering practice.

Key words： research curriculum； intelligent control； teaching research； engineering applications

0 引言

研究性教學(xué)就是引導(dǎo)學(xué)生在一定的情境中，通過主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題而獲得知識(shí)、形成能力、發(fā)展個(gè)性的教學(xué)方法。它的實(shí)質(zhì)就是讓學(xué)生在教學(xué)過程中體驗(yàn)科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用科學(xué)原理解決實(shí)際問題等不同類型的研究過程[1]。早在2005年，在《教育部關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》 中明確提出了“積極推動(dòng)研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力”的要求[2]。如何在專業(yè)課程教學(xué)中實(shí)施研究性教學(xué)，提高本科生的科學(xué)研究能力，是高校理工科教學(xué)改革面臨的重要課題[3-5]。

“智能控制”是我校一門理論性與應(yīng)用性結(jié)合非常強(qiáng)的專業(yè)課程，它不僅涉及自動(dòng)化技術(shù)，同時(shí)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科門類交叉[6]。作為應(yīng)用型本科高校，我們將該課程直接面向自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、機(jī)械制造及自動(dòng)化等本科生和碩士研究生，在注重理論知識(shí)傳授的同時(shí)，直接面向具體工程應(yīng)用實(shí)例。通過雙語研討式教學(xué)方式，以項(xiàng)目應(yīng)用為紐帶，闡述模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能計(jì)算在工程中的應(yīng)用與原理，讓學(xué)生直接感觸理論對(duì)應(yīng)用的支撐，應(yīng)用需要理論指導(dǎo)這一基本工程邏輯。

1 研究性課程設(shè)計(jì)理念

“智能控制”研究性課程旨在將教師的科研成果分層次、分塊地融入到原有課程知識(shí)體系之中，通過采用探究式、討論式、專題式、成果展示式等多種教學(xué)方式，將智能控制研究領(lǐng)域最新的成果有效地轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，它不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且更有利于課程內(nèi)涵提升。較一般的課程更強(qiáng)調(diào)教學(xué)的研究性和有效性，是一種強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，注重過程教學(xué)的開放式教學(xué)方式，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將結(jié)合自身及國(guó)內(nèi)外學(xué)者在智能控制領(lǐng)域的最新研究成果和教學(xué)思想確定課程內(nèi)容，課程采用先進(jìn)的知識(shí)內(nèi)容和分析方法，采用英文教材，實(shí)行雙語教學(xué)，動(dòng)態(tài)地補(bǔ)充和更新教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過程中充分展示創(chuàng)新給智能控制帶來的無窮生命力，同時(shí)創(chuàng)造多機(jī)會(huì)來培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，例如實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程的小論文、學(xué)術(shù)論壇和綜合設(shè)計(jì)等，提高他們的綜合科學(xué)素質(zhì)以及在工程實(shí)踐中分析、解決實(shí)際問題的能力。重視理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，突出實(shí)踐性教學(xué)的時(shí)效性和可觀測(cè)性，在課程內(nèi)增加討論課，增加小設(shè)計(jì)和小論文，充分激勵(lì)學(xué)生探索和研究的熱情，讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)研究的方法，把能力的培養(yǎng)落在實(shí)處。

2 研究性課程理論教學(xué)

2.1 課程定位

針對(duì)我校本二學(xué)生實(shí)際和自動(dòng)化專業(yè)對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的基本要求，本課程的基本定位如下。

⑴ 理論引入與應(yīng)用感受相并重。為此，在課程安排時(shí)，將理論與實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排相等，讓更多學(xué)生通過相應(yīng)的實(shí)踐鍛煉來體會(huì)人工智能技術(shù)的奧妙。

⑵ 科研最新成果及時(shí)向教學(xué)資源轉(zhuǎn)化。對(duì)于“智能控制”的三大知識(shí)模塊，均有不同程度的研究成果轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的教學(xué)資源，如群智能在圖像信息處理中的應(yīng)用、模糊控制在倒立擺控制中的應(yīng)用等等。

⑶ 教學(xué)方法與手段與教學(xué)內(nèi)容同步更新。研究性課程的一個(gè)重要特征是教學(xué)內(nèi)容的不斷更新，為此，課程組一直致力于研究行之有效的雙語教學(xué)手段。以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)，做好成果展示、課題研討、自我實(shí)現(xiàn)的三段教學(xué)新方法。

針對(duì)上述課程定位，我們確定了課程建設(shè)最終形成的目標(biāo)：按照研究性雙語課程要求與規(guī)律進(jìn)行全面設(shè)計(jì)與整體建設(shè)；自主出版一套符合我校學(xué)生實(shí)際的英文版“智能控制”教材；通過豐富的實(shí)驗(yàn)科研項(xiàng)目，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)方式體驗(yàn)人工智能技術(shù)及其新進(jìn)展；融合科學(xué)與科研團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)教師培養(yǎng)與學(xué)生培養(yǎng)雙贏。

2.2 課程重難點(diǎn)及解決思路

教學(xué)內(nèi)容組織方式上主要采取“三個(gè)相結(jié)合”，即理論與實(shí)際相結(jié)合、課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相結(jié)合、常規(guī)課堂教學(xué)與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合，體現(xiàn)“讓學(xué)生在系統(tǒng)中學(xué)習(xí)系統(tǒng)”的教學(xué)。智能控制的重點(diǎn)主要圍繞模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算三大塊展開系統(tǒng)地理論與實(shí)踐并重雙語教學(xué)。要求學(xué)生重點(diǎn)掌握如下內(nèi)容。

第一模塊主要圍繞模糊控制中模糊集合與模糊關(guān)系，模糊邏輯與模糊推理及其應(yīng)用。

第二模塊主要圍繞基本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型結(jié)構(gòu)，監(jiān)督式與非監(jiān)督式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法及其應(yīng)用。

第三模塊主要圍繞進(jìn)化計(jì)算中遺傳算法，蟻群算法和粒子群算法，講述這些算法的原理及其應(yīng)用思想。

該教學(xué)思想是通過本課程的學(xué)習(xí)，不僅掌握三個(gè)模塊知識(shí)，而且還能將三大模塊知識(shí)合成一個(gè)體系或系統(tǒng)，使學(xué)生全面掌握“智能控制與系統(tǒng)”這一自動(dòng)化專業(yè)的精髓，既樹立“智能”理念，又能培養(yǎng)具有“系統(tǒng)”理念，能將智能控制技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)過程控制、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域，且應(yīng)用得好。

“智能控制”課程的難點(diǎn)在于模糊推理的方法、模糊控制器的設(shè)計(jì)、監(jiān)督式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)原理、遺傳算法原理和蟻群算法原理、各種智能控制器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。智能控制多為仿生或擬人控制，其控制機(jī)理存在于自然界和生物界。因此，對(duì)各種控制機(jī)理的介紹要從有趣的生物和自然現(xiàn)象入手，引人入勝地介紹智能控制原理。通過深入淺出、形象比喻、并結(jié)合多媒體技術(shù)進(jìn)行講解。

針對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，首先在備課時(shí)對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容做到心中有數(shù)，在講授時(shí)花較多的時(shí)間以較慢的節(jié)奏進(jìn)行重點(diǎn)介紹與討論，提醒學(xué)生把注意力集中在這些問題上，并特別關(guān)注學(xué)生對(duì)問題的理解情況。其次在課堂上進(jìn)行啟發(fā)式、研討式，并布置課外思考題，引導(dǎo)學(xué)生把復(fù)習(xí)重點(diǎn)放在重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容上，有針對(duì)性地建議學(xué)生訪問與本課程配套使用的智能控制網(wǎng)絡(luò)課程。同時(shí)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課和綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐，加深對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解。要經(jīng)常了解與收集學(xué)生對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容的聽講意見，及時(shí)進(jìn)行答疑，必要時(shí)在課堂上進(jìn)行集體解答與討論。

3 研究性課程實(shí)踐教學(xué)

3.1 實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)思想

“智能控制”課程實(shí)踐性教學(xué)的主要目的是使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮主動(dòng)性，研究探討智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)過程，提出思路并積極驗(yàn)證和探索自己的思路，從而更好地理解人工智能，培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際能力和創(chuàng)新能力，逐步培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力。

實(shí)踐性教學(xué)的設(shè)計(jì)思想我們歸納為四個(gè)體現(xiàn)。

⑴ 理論性：通過基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生加深對(duì)理論的理解。如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含模糊控制系統(tǒng)的推理。

⑵ 系統(tǒng)性：通過綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生加深對(duì)控制系統(tǒng)的理解。開設(shè)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有：溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。

⑶ 研究性：通過激勵(lì)式鼓勵(lì)教師將最新的研究成果引入實(shí)踐教學(xué)中，讓學(xué)生體驗(yàn)新技術(shù)帶來的樂趣，如將蟻群算法應(yīng)用在生物信息圖像處理與信息融合領(lǐng)域。

⑷ 工程性：讓學(xué)生在一個(gè)與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相符合的環(huán)境下完成實(shí)踐環(huán)節(jié)，從而增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，如模糊控制技術(shù)在機(jī)器人避障中的應(yīng)用。

通過實(shí)踐性教學(xué)的這四個(gè)體現(xiàn)，學(xué)生不僅有相對(duì)扎實(shí)的智能控制知識(shí)，而且還具備一定的智能控制思想并應(yīng)用至具體控制對(duì)象設(shè)計(jì)中去。

3.2 實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排重點(diǎn)

課程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)是智能控制教學(xué)任務(wù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，在抓住主要三大知識(shí)模塊的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和將來學(xué)生從事工作實(shí)際，在課程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容安排上注重以下幾點(diǎn)。

⑴ 貼切應(yīng)用。實(shí)踐內(nèi)容的安排絕大多數(shù)來自生活或生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問題，通過建模、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試，逐步驗(yàn)證方法的正確性等等，讓學(xué)生從系統(tǒng)中學(xué)會(huì)了應(yīng)用，從應(yīng)用中找到人工智能應(yīng)用的強(qiáng)大功能。

⑵ 貼切學(xué)生實(shí)際。針對(duì)本二學(xué)生，所關(guān)心的重點(diǎn)是如何將理論轉(zhuǎn)化成實(shí)際的效果。在實(shí)踐內(nèi)容安排上，強(qiáng)調(diào)的是目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，而不是問題的優(yōu)化，讓絕大多數(shù)學(xué)生能完成實(shí)踐任務(wù)與目標(biāo)，從實(shí)踐中體驗(yàn)知識(shí)帶頭的快樂。

⑶ 一切圍繞“問題”。教師在問題中教學(xué)，學(xué)生在問題中學(xué)習(xí)，尋找學(xué)習(xí)與實(shí)踐的交叉點(diǎn)，通過研討和分組，讓學(xué)生根據(jù)興趣自主選擇實(shí)踐項(xiàng)目。

⑷ 豐富與不斷更新實(shí)踐項(xiàng)目。通過將研究成果轉(zhuǎn)化教學(xué)資源，不斷更新實(shí)踐教學(xué)資源，目標(biāo)保持至少10個(gè)以上實(shí)踐項(xiàng)目供學(xué)生自主選擇。

4 研究性課程教學(xué)方法與教學(xué)手段改革

4.1 教學(xué)方法改革

本著因材施教的教學(xué)方針，我們積極引入靈活的教學(xué)方法，如探究式、討論式、專題式、成果展示式等教學(xué)方法，充分激發(fā)了學(xué)生求知的潛能和學(xué)習(xí)的主體作用。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，選用國(guó)外知名大學(xué)英文原版教材和自己編寫的智能控制基礎(chǔ)教材相結(jié)合，進(jìn)一步豐富課程內(nèi)容。適當(dāng)增加討論課，提倡小設(shè)計(jì)和小論文，充分激勵(lì)學(xué)生探索和研究的熱情，讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)研究的方法，提高解決問題的能力；實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)思想始終貫徹理論聯(lián)系實(shí)際、重視實(shí)踐、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情的指導(dǎo)方針，自行開發(fā)與引進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置相結(jié)合，提供基礎(chǔ)性、綜合性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為學(xué)生創(chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)條件，鼓勵(lì)學(xué)生自主開發(fā)智能控制系統(tǒng)，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)、控制與研究，并驗(yàn)證其效果。

4.2 教學(xué)手段改革

采用“多媒體投影+黑板”的技術(shù)手段加速了課程內(nèi)容的呈現(xiàn)，提高了課堂講解的表現(xiàn)力，如：針對(duì)該課程內(nèi)容難度大，信息涵蓋量大，知識(shí)面廣的特點(diǎn)，充分發(fā)揮現(xiàn)代教育技術(shù)的優(yōu)越性，課堂授課方法以多媒體課件為主，實(shí)現(xiàn)圖、文、聲、像并茂的視聽一體化教學(xué)，并與傳統(tǒng)教學(xué)手段有機(jī)組合，讓學(xué)生共同參與教學(xué)的全過程。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)有效地支持了自主性學(xué)習(xí)，如：雙語課程網(wǎng)站提供了智能控制課程豐富的教輔資源，網(wǎng)絡(luò)多媒體課件及學(xué)術(shù)論壇為學(xué)生提供交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)，使學(xué)生能夠在課堂學(xué)習(xí)、答疑、自由論壇等各個(gè)環(huán)節(jié)密切配合，有效地支持了學(xué)生自主性的學(xué)習(xí)。同時(shí)，利用多媒體課件可以做到教學(xué)資源共享，便于教師之間彼此交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)束語

智能控制是一門具有較強(qiáng)理論綜合性和實(shí)踐性、學(xué)科交叉及應(yīng)用廣泛的專業(yè)課程。深度發(fā)掘?qū)W生的自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)自動(dòng)化等專業(yè)智能控制課程研究性教學(xué)從課程設(shè)計(jì)理念、理論教學(xué)改革、實(shí)踐教學(xué)改革以及教學(xué)方法與教學(xué)手段改革等四個(gè)方面進(jìn)行了具體的實(shí)踐探索，取得了一定效果。通過研究性教學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)研究精神，鼓勵(lì)研究熱情，引導(dǎo)學(xué)生逐漸積累專業(yè)知識(shí)，解決實(shí)際問題，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目的。但是智能控制課程的開設(shè)一般都選擇在大四上學(xué)期，如何有效激起所有同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，以及分層次、分專業(yè)背景的授課方式將是本課程未來所研究的主要內(nèi)容。

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