王鑫 張顯 呂建婷

摘要目前，我國(guó)大力發(fā)展新一代人工智能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”“中國(guó)制造2025”等國(guó)家重大戰(zhàn)略目標(biāo)。在此背景下，本文以“線性系統(tǒng)理論”研究生課程為對(duì)象，將先進(jìn)人工智能理論方法融入課程思政建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和授課方法中，同時(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)中的工程案例研究和仿真實(shí)驗(yàn)操作等活動(dòng)，培養(yǎng)研究生能夠融合掌握經(jīng)典系統(tǒng)控制理論與人工智能方法，進(jìn)一步提高學(xué)生科研創(chuàng)新能力和自主解決工程應(yīng)用中實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞 線性系統(tǒng)理論 課程改革 人工智能方法 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 數(shù)字孿生技術(shù)

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.21.047

Exploration on Teaching Reform of Linear System Theory Graduate Course under the Background of Artificial Intelligence

WANG Xin， ZHANG Xian， LV Jianting

（College of Mathematical Sciences， Heilongjiang University， Harbin， Heilongjiang 150080）

AbstractAt present， China is vigorously developing a new generation of artificial intelligence technology to achieve majornationalstrategic goalssuchas "industry4.0" and"Made in China2025".In thiscontext，takingthe graduatecourse of linear system theory as the object， this paper integrates the advanced artificial intelligence theory and methods into the ideological and political construction， teaching content and teaching methods of the course. At the same time， combined with the engineering case study and simulation experiment operation in the practical teaching， the graduate students are trained to master the classical system control theory and artificial intelligence methods， further improve the students’ scientific research and innovation ability and the ability to solve practical problems in engineering application.

Keywordslinear system theory；course reform；artificial intelligence method；virtual simulation experiment platform； digital twin technology

在科技高速發(fā)展的今天，以互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信為紐帶，人類群體、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛和深度的互聯(lián)，使得人類群體智能在萬(wàn)物互聯(lián)的信息環(huán)境中日益發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。國(guó)務(wù)院于2017年7月印發(fā)并實(shí)施《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出群體智能的研究方向，對(duì)于推動(dòng)新一代人工智能發(fā)展意義重大。特別是基于互聯(lián)網(wǎng)的群體智能理論和方法是新一代人工智能的核心研究領(lǐng)域之一，對(duì)人工智能的其他研究領(lǐng)域有著基礎(chǔ)性和支撐性的作用。當(dāng)前，我國(guó)正大力加強(qiáng)以“人工智能+大數(shù)據(jù)”為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展，培養(yǎng)出更多掌握新一代人工智能技術(shù)的創(chuàng)新型人才，以適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前科技進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切人才需求，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域解決“卡脖子問題”，實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”等重大國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)。

人工智能所涉及的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)涵蓋了數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)、控制科學(xué)、機(jī)械工程、電氣工程等傳統(tǒng)的理工學(xué)科，要求將經(jīng)典的基礎(chǔ)理論知識(shí)與先進(jìn)的技術(shù)方法相互融合，更加有效的解決工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活、智能制造等領(lǐng)域的應(yīng)用問題。在此背景下，高等院校在人才培養(yǎng)過程中，要打破原有學(xué)科的壁壘，充分發(fā)揮大學(xué)中不同學(xué)科之間知識(shí)易于擴(kuò)展傳播的優(yōu)勢(shì)，相互融會(huì)貫通不斷推進(jìn)以人工智能為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科發(fā)展。值得注意的是，作為數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)以及信息與控制等學(xué)科研究生的學(xué)位專業(yè)課程，“線性系統(tǒng)理論”也是人工智能科學(xué)的理論基礎(chǔ)，很大一部分的先進(jìn)智能學(xué)習(xí)方法都是以“線性系統(tǒng)理論”中的思想與方法為核心基礎(chǔ)發(fā)展得到的。因此，如何在“線性系統(tǒng)理論”課程中融入對(duì)先進(jìn)人工智能方法、智能學(xué)習(xí)技術(shù)的理論講解和案例實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)研究生掌握更多先進(jìn)人工智能理論和方法，是當(dāng)下理工科研究生培養(yǎng)過程中值得探索的一個(gè)關(guān)鍵問題。

1將“人工智能與思政教育”相結(jié)合，融入“線性系統(tǒng)理論”課程，建立研究生全方位培養(yǎng)新格局

引入“人工智能與課程思政”內(nèi)容的關(guān)鍵是深入挖掘“線性系統(tǒng)理論”課堂教學(xué)內(nèi)容，將線性系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、人工智能先進(jìn)方法與課程思政充分融合，制定以“立德樹人、服務(wù)國(guó)家”為主旨，包含基礎(chǔ)理論與先進(jìn)技術(shù)的教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)大綱。在講授內(nèi)容中，一方面可以介紹以錢學(xué)森、鄧稼先為代表的老一輩科學(xué)家在解放初期克服萬(wàn)難回國(guó)工作，完成了“兩彈一星”等偉大工作，彰顯出中國(guó)控制科學(xué)家至深至誠(chéng)的家國(guó)情懷和重道義、勇?lián)?dāng)?shù)纳鐣?huì)責(zé)任。另一方面，通過介紹我國(guó)在高鐵列車安全控制、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同組網(wǎng)、智能汽車無(wú)人駕駛等領(lǐng)域取得的矚目成就，激勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)基礎(chǔ)系統(tǒng)控制理論知識(shí)和先進(jìn)智能方法，弘揚(yáng)愛國(guó)主義情懷和民族自豪感。專業(yè)課教師在傳授理論知識(shí)的同時(shí)，將人工智能與課程思政內(nèi)容融會(huì)貫通，使研究生樹立敢于挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，更加堅(jiān)定的為中華民族偉大復(fù)興而努力奮斗。

2“線性系統(tǒng)理論”課程中應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)控制領(lǐng)域先進(jìn)人工智能方法的認(rèn)知和理解

眾所周知，研究生教育的根本目的是培養(yǎng)具有獨(dú)立科學(xué)研究能力的創(chuàng)新型專業(yè)人才。因此，傳統(tǒng)的老師講-學(xué)生聽“填鴨式”的教學(xué)模式不能適應(yīng)當(dāng)下的研究生培養(yǎng)模式。授課老師可以把“線性系統(tǒng)理論”重要章節(jié)中的核心問題進(jìn)行提煉，將核心問題的關(guān)鍵技術(shù)與邏輯證明方法與學(xué)生深入討論研究，進(jìn)而通過翻轉(zhuǎn)課堂方法，讓研究生將自己對(duì)知識(shí)內(nèi)容的理解進(jìn)行歸納和介紹，充分挖掘研究生的獨(dú)立思維能力。具體地，在“線性系統(tǒng)理論”課程講授過程中，主講教師可以將線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵問題的描述分析進(jìn)行主要講解，把系統(tǒng)控制科學(xué)中的基于人工智能的先進(jìn)控制方法總結(jié)分類進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。然后，給研究生分組布置任務(wù)，每組針對(duì)不同類別的人工智能學(xué)習(xí)方法，在課下經(jīng)過“理解學(xué)習(xí)、小組討論、總結(jié)歸納，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”后，在課堂上再由研究生將人工智能具體理論方法進(jìn)行全面分析介紹，將討論中遇到的問題與老師和同學(xué)進(jìn)行深入探討加以解決，讓學(xué)生全方位的參與到課堂教學(xué)活動(dòng)中來(lái)。同時(shí)，專業(yè)課教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生善于利用慕課等豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，通過線上學(xué)習(xí)+線下交流的方式，去了解人工智能和系統(tǒng)控制領(lǐng)域內(nèi)最新的理論方法和應(yīng)用技術(shù)，學(xué)習(xí)歸納后補(bǔ)充的線下的知識(shí)體系內(nèi)容中。

3科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究生自主研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的科研能力

在高校中，從事科研教學(xué)工作的研究生導(dǎo)師和專業(yè)課教師在研究生培養(yǎng)過程中起到至關(guān)重要的作用。一方面，教師所承擔(dān)的科研項(xiàng)目都是他們研究領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題，在“線性系統(tǒng)理論”課程中，將主講教師所研究的系統(tǒng)控制領(lǐng)域前沿問題引入到講授內(nèi)容里，不僅能讓研究生擴(kuò)展科學(xué)研究視野，還可以讓研究生更加明確書本上的理論知識(shí)、技術(shù)方法與實(shí)際中的應(yīng)用問題之間的緊密聯(lián)系。另一方面，專業(yè)課教師可以把自己的科研項(xiàng)目中與“線性系統(tǒng)理論”課程關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的一些內(nèi)容（如系統(tǒng)建模、控制分析與綜合、優(yōu)化控制方法設(shè)計(jì)等），提煉成多組不同的科學(xué)問題，同時(shí)將研究生分組針對(duì)某一類問題展開深入研究與探索，使學(xué)生把學(xué)得的理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際項(xiàng)目中的具體科學(xué)問題?？蒲许?xiàng)目驅(qū)動(dòng)方法應(yīng)用于“線性系統(tǒng)理論”研究生課程教學(xué)中，相比于傳統(tǒng)的師生研討性教學(xué)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，首先教師在授課講解中起到教引領(lǐng)帶的作用，將項(xiàng)目子問題拆分給不同的研究小組。然后，由組內(nèi)同學(xué)共同學(xué)習(xí)、分析、設(shè)計(jì)、總結(jié)、交流形成解決方案，反饋課堂進(jìn)行介紹歸納。最后，在老師指導(dǎo)和相互交流中，嘗試將人工智能學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的控制算法中去，改善設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而提升系統(tǒng)的控制品質(zhì)。把項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方法融入“線性系統(tǒng)理論”課程中，同時(shí)鼓勵(lì)研究生自主學(xué)習(xí)先進(jìn)人工智能算法去改進(jìn)優(yōu)化控制系統(tǒng)性能，不僅能讓研究生通過解決具體科研項(xiàng)目中的子問題來(lái)鞏固所學(xué)的理論知識(shí)與先進(jìn)技術(shù)，而且教師也可以在開展項(xiàng)目研究的同時(shí)，培養(yǎng)訓(xùn)練研究生獨(dú)立分析問題和解決問題的科研能力。

4增加實(shí)踐教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的比重，訓(xùn)練研究生掌握人工智能技術(shù)，提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決工程應(yīng)用中實(shí)際問題的能力

“線性系統(tǒng)理論”不僅是數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)專業(yè)研究生的一門理論基礎(chǔ)課，同時(shí)也是信息、控制、計(jì)算機(jī)以及航空航天等學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，它包含了系統(tǒng)控制科學(xué)中最重要的基本理論知識(shí)和最核心的控制設(shè)計(jì)方法，是一門理論與應(yīng)用同等重要的研究生學(xué)位課。尤其是對(duì)于理科類研究生講授“線性系統(tǒng)理論”的過程中，更應(yīng)該加大仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比例，強(qiáng)化理科生從理論公式推導(dǎo)擴(kuò)展到解決工程應(yīng)用問題的學(xué)習(xí)中來(lái)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，研究生應(yīng)該學(xué)習(xí)和應(yīng)用Matlab仿真軟件，了解系統(tǒng)控制相關(guān)工具箱的工作機(jī)理。對(duì)于學(xué)到的每一章節(jié)理論知識(shí)，研究生都能夠利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)值仿真算法和解決應(yīng)用工程實(shí)例。在此過程中，應(yīng)采用循序漸進(jìn)，逐步推進(jìn)的訓(xùn)練模式。實(shí)踐教學(xué)的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容：第一階段：利用Matlab仿真軟件計(jì)算工具箱驗(yàn)證系統(tǒng)的能控性、能觀性、穩(wěn)定性；第二階段：針對(duì)不同類型線性系統(tǒng)，完成極點(diǎn)配置任務(wù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)反饋控制器，狀態(tài)觀測(cè)器以及濾波器等；第三階段：研究生利用計(jì)算機(jī)完成最優(yōu)控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)控制、軌跡跟蹤控制等算法編程；第四階段：研究生在理論研究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，將典型的工程控制案例（如四旋翼無(wú)人機(jī)控制，智能輪式機(jī)器人編隊(duì)控制、流程工業(yè)過程系統(tǒng)優(yōu)化控制等）進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，理論上得到控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，再用Matlab軟件將理論算法加以實(shí)現(xiàn)，利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所提出理論方法的有效性。第五階段：引導(dǎo)研究生將人工智能理論中機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到更新控制器設(shè)計(jì)和提升系統(tǒng)性能優(yōu)化問題中，同時(shí)比較人工智能方法和原有方法的結(jié)果，運(yùn)用仿真結(jié)果歸納總結(jié)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果中進(jìn)一步理解人工智能方法的有效性和優(yōu)越性。在“線性系統(tǒng)理論”的講授過程中，采用理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的方式，強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，在仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果中理解理論問題方法。同時(shí)，注重系統(tǒng)控制基本理論與先進(jìn)人工智能方法相結(jié)合，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中認(rèn)識(shí)到人工智能學(xué)習(xí)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決工程應(yīng)用中實(shí)際問題的能力。

5探索并開發(fā)虛擬仿真與數(shù)字孿生環(huán)境下的“講授+學(xué)習(xí)+實(shí)驗(yàn)+討論”的新型教學(xué)方式

在“線性系統(tǒng)理論”課程中，研究生利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真模擬學(xué)習(xí)方式已經(jīng)比較成熟。但是，計(jì)算機(jī)仿真模擬僅僅能讓學(xué)生驗(yàn)證理論方法的可行性，而無(wú)法讓學(xué)生看到被控物理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，也無(wú)法真正操控實(shí)際控制系統(tǒng)去完成控制目標(biāo)。同時(shí)，一些高校由于人員和資金有限，無(wú)法建立真正的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，導(dǎo)致控制方向研究生的實(shí)際動(dòng)手操作能力得不到訓(xùn)練。而伴隨著全球信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的全面提高，教師可以指導(dǎo)學(xué)生利用國(guó)內(nèi)外高校先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、日本的東京大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等高校的一些實(shí)驗(yàn)室已逐漸開放了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究生通過訪問相關(guān)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站自主利用網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，針對(duì)不同的控制對(duì)象設(shè)計(jì)控制算法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。近幾年來(lái)，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，可以將實(shí)際物理系統(tǒng)全部或部分映像到虛擬空間中進(jìn)行操控運(yùn)行，利用基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)可以在虛擬世界里模擬出被控物理系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該技術(shù)能夠解決大規(guī)模復(fù)雜物理系統(tǒng)難以進(jìn)行試驗(yàn)的問題。因此，在“線性系統(tǒng)理論”授課過程中，教師團(tuán)隊(duì)可以帶領(lǐng)研究生利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出的數(shù)字孿生虛擬機(jī)，或者針對(duì)某些實(shí)驗(yàn)物理系統(tǒng)，基于數(shù)字孿生技術(shù)自主設(shè)計(jì)和開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)的虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)上操作大規(guī)模復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。充分利用虛擬仿真與數(shù)字孿生等新技術(shù)，在“線性系統(tǒng)理論”教學(xué)過程中采用“講授+學(xué)習(xí)+實(shí)驗(yàn)+討論”的教學(xué)方式培養(yǎng)全方位創(chuàng)新型人才。

6結(jié)束語(yǔ)

在人工智能技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，對(duì)理工類研究生課程“線性系統(tǒng)理論”進(jìn)行探索性改革，包括課程思政、創(chuàng)新內(nèi)容設(shè)計(jì)、改進(jìn)教學(xué)方法、注重實(shí)踐訓(xùn)練等，能夠全方位培養(yǎng)出系統(tǒng)控制方向研究生的創(chuàng)新研究能力。特別是，將人工智能理論與機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)融入傳統(tǒng)課程內(nèi)容中，同時(shí)注重培養(yǎng)研究生動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力，能夠加快研究生培養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步推動(dòng)了人工智能相關(guān)交叉學(xué)科的持續(xù)發(fā)展。

基金項(xiàng)目：2019年黑龍江大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JGXM_YJS_2019022）；2020年黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：UNPYSCT-2020010）

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