李莉莉，葛新，申麗然，趙穎

(1.大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

控制理論與應(yīng)用前沿課程是控制學(xué)科碩士研究生的專業(yè)選修課程之一，是介紹控制理論與應(yīng)用前沿的引導(dǎo)性課程，共32 學(xué)時(shí)，每周4 學(xué)時(shí)。主要內(nèi)容基本覆蓋與控制科學(xué)與技術(shù)科學(xué)密切相關(guān)、應(yīng)用面最廣的重要研究領(lǐng)域，包括網(wǎng)絡(luò)控制、多智能體理論、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、信息物理系統(tǒng)和模式識(shí)別等。作為引導(dǎo)性課程，控制理論與應(yīng)用前沿課程主要面向控制學(xué)科一年級(jí)研究生，通過該課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解控制學(xué)科的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)要求、專業(yè)特色、發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢；引導(dǎo)學(xué)生了解控制學(xué)科的前沿領(lǐng)域與最新進(jìn)展，掌握控制學(xué)科的理論體系、方法與技術(shù)，了解其工程應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)拓展視野、立足前沿、展望未來以及為深入學(xué)習(xí)本專業(yè)的知識(shí)奠定必要的基礎(chǔ)的教學(xué)目標(biāo)。

一 控制理論與應(yīng)用前沿課程特點(diǎn)

1)理論知識(shí)點(diǎn)多，涉及的知識(shí)面廣?？刂评碚撆c應(yīng)用前沿是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，涉及的相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)多且全面，大部分知識(shí)點(diǎn)概念抽象、晦澀難懂，而且要求掌握一定的工程技術(shù)知識(shí)[1]。除模式識(shí)別、非線性切換等傳統(tǒng)的控制學(xué)科理論知識(shí)體系，還涉及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等前沿知識(shí)，實(shí)際上部分內(nèi)容已經(jīng)超出本科階段學(xué)習(xí)范圍[2]。本課程所面向的研究生一年級(jí)學(xué)生來自不同院校，對(duì)控制理論相關(guān)專業(yè)知識(shí)掌握程度不一。

2)強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合運(yùn)用。控制理論與應(yīng)用前沿課程強(qiáng)調(diào)綜合知識(shí)的理解與運(yùn)用，在實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目中，往往是多學(xué)科、多技術(shù)的交叉融合，如果只是局限于本學(xué)科、本門課程的知識(shí)，很難對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)有深入了解。例如在集群控制問題中，往往需要采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的若干算法。如何在有限的課時(shí)內(nèi)向?qū)W生普及這些跨領(lǐng)域內(nèi)容對(duì)本門課程提出了不小的挑戰(zhàn)。

3)關(guān)注前沿應(yīng)用?？刂评碚撆c應(yīng)用前沿課程在強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，聚焦學(xué)科發(fā)展前沿，對(duì)理論知識(shí)、技術(shù)工具的理解和運(yùn)用，尤其是最新的應(yīng)用成果。因此，以往那種為了做題和考試的應(yīng)試學(xué)習(xí)方式不再適用。此外，為結(jié)合筆者所在學(xué)校及學(xué)院特色，課程引入船舶控制相關(guān)內(nèi)容，例如無人船的集群控制與避碰問題，這些內(nèi)容對(duì)于大部分學(xué)生來說是相對(duì)陌生的領(lǐng)域，這就要求學(xué)生具備一定的自主探究精神及研究方法，如基本的文獻(xiàn)資料查閱能力。

二 教學(xué)內(nèi)容改革

傳統(tǒng)教學(xué)為了突出控制理論的先進(jìn)性，在教學(xué)過程中常常脫離學(xué)生所熟知的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)而使專業(yè)教學(xué)不具有連貫性和邏輯性，亦或是理論與應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生無法學(xué)以致用[3]。教學(xué)過程應(yīng)緊密聯(lián)系現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論，在教學(xué)內(nèi)容講解中兼顧傳統(tǒng)知識(shí)與前沿知識(shí)、基礎(chǔ)理論實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)現(xiàn)代控制理論概念的深入理解，且能夠更全面地了解控制方法的主流應(yīng)用，鑒于此，從以下三個(gè)方面對(duì)教學(xué)內(nèi)容加以調(diào)整優(yōu)化(圖1)。

圖1 基于前沿引領(lǐng)的課程內(nèi)容更新優(yōu)化

1)與時(shí)俱進(jìn)，聚焦前沿專題。課程的核心內(nèi)容經(jīng)過重新安排，根據(jù)最新的文獻(xiàn)資料挖掘整理其中的前沿?zé)狳c(diǎn)問題，結(jié)合本校特色專業(yè)及“十四五”發(fā)展規(guī)劃，將主要內(nèi)容劃分為“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”“多智能體系統(tǒng)”及“船舶智能控制”三個(gè)前沿專題；同時(shí)，由于學(xué)時(shí)有限，基礎(chǔ)內(nèi)容不再面面俱到，根據(jù)專題需要選取最具應(yīng)用價(jià)值的理論及技術(shù)深入講解，例如在“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”專題中，重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采樣控制、量化控制和延時(shí)控制。此外，每個(gè)專題按照研究背景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基本問題和關(guān)鍵研究問題四個(gè)章節(jié)循序漸進(jìn)展開，在不同專題之間建立聯(lián)系。在研究背景部分引出問題的起源，并通過技術(shù)的發(fā)展演變史，了解前沿技術(shù)的來龍去脈，幫助學(xué)生認(rèn)清科學(xué)的發(fā)展邏輯，從而深刻理解理論與應(yīng)用之間的關(guān)系。

2)提綱挈領(lǐng)，抓住關(guān)鍵問題。不同的前沿專題應(yīng)用背景不盡相同，但在基礎(chǔ)理論、研究方法上具有共性，通過梳理三個(gè)專題關(guān)鍵科學(xué)問題和主要技術(shù)手段之間的相互支撐關(guān)系，提煉出具有共性的三個(gè)關(guān)鍵問題：“事件觸發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)”“安全控制”和“集群控制”。一方面，這是三個(gè)專題均要涉及的核心問題；另一方面，也是前沿應(yīng)用必須要考慮的三個(gè)重要問題。

3)因地制宜，基于案例實(shí)踐。得益于大連海事大學(xué)“藍(lán)信”號(hào)智能高速無人水面艇項(xiàng)目的實(shí)施，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。作為綜合應(yīng)用及實(shí)踐案例，無人船是一個(gè)龐雜的系統(tǒng)，控制理論與應(yīng)用前沿課程從前述關(guān)鍵問題及前沿專題出發(fā)，重點(diǎn)介紹無人船中的“船舶信息系統(tǒng)”“自主航行導(dǎo)航”“集群編隊(duì)”三個(gè)典型子系統(tǒng)。這樣完成了從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵問題、前沿課題到系統(tǒng)應(yīng)用的全鏈條教學(xué)內(nèi)容。

三 教學(xué)方法改革

研究生課程教學(xué)應(yīng)以科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，應(yīng)將理論知識(shí)的傳授與相關(guān)研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)前沿及先進(jìn)技術(shù)緊密結(jié)合。如前所述，本課程內(nèi)容經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，教師講解為主、學(xué)生聽課為輔的傳統(tǒng)教學(xué)方法已經(jīng)不再適用。因此在教學(xué)方法改革上，采用問題導(dǎo)向(Problem-based learning，PBL)模式[4]，依托大連海事大學(xué)控制學(xué)科的研究特色，選取“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”“多智能體系統(tǒng)”及“船舶智能控制”三個(gè)專題作為課程的核心內(nèi)容，梳理三個(gè)專題關(guān)鍵科學(xué)問題和主要技術(shù)手段之間的相互支撐關(guān)系，圍繞其中的事件觸發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)、安全控制和船舶編隊(duì)等前沿?zé)狳c(diǎn)問題，結(jié)合學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)的方式，在教師的引領(lǐng)和指導(dǎo)下，實(shí)施了本次課程的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和教學(xué)方法改革。將知識(shí)傳授與探究問題相結(jié)合，使學(xué)生在研讀學(xué)術(shù)前沿文獻(xiàn)的過程中獲取、更新并應(yīng)用知識(shí)，在協(xié)作學(xué)習(xí)中提高科研素養(yǎng)。

PBL模式的具體實(shí)施過程分為三個(gè)階段(圖2)。

圖2 PBL 的實(shí)施過程

第一階段：確定基本規(guī)則。由任課教師詳細(xì)介紹PBL模式的基本規(guī)則，讓學(xué)生明確流程及目標(biāo)，做好參與PBL的準(zhǔn)備。按照學(xué)生研究生階段科研方向與三個(gè)專題的關(guān)聯(lián)程度將學(xué)生分為三組，每小組自行選出一名小組長，作為具體負(fù)責(zé)人。任課教師立足學(xué)生的未來研究方向，結(jié)合每個(gè)專題中的前沿?zé)狳c(diǎn)，指導(dǎo)每位學(xué)生選擇一個(gè)小課題，并提供適當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)資料作為入門引導(dǎo)。為起到入門指導(dǎo)作用，授課教師在該階段會(huì)帶領(lǐng)學(xué)生閱讀相關(guān)專題中國內(nèi)外最新的綜述性論文，以幫助學(xué)生掌握其所選課題的基本理論、研究方法和發(fā)展趨勢，接下來以每個(gè)專題中的一至兩個(gè)具體的前沿問題為主線，具體講解問題研究背景、研究現(xiàn)狀、解決過程以及未來發(fā)展趨勢。例如，針對(duì)“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”專題，選擇講解Networked Control Systems：A Survey of Trends and Techniques，這篇綜述文獻(xiàn)介紹了網(wǎng)絡(luò)控制相關(guān)的最新研究進(jìn)展，通過教師講解，一方面幫助學(xué)生學(xué)會(huì)如何研讀文獻(xiàn)，為后面的任務(wù)打下基礎(chǔ)；另一方面，使學(xué)生了解該領(lǐng)域的前沿進(jìn)展。

第二階段：自主探究、合作學(xué)習(xí)。經(jīng)過第一階段的引導(dǎo)，通過梳理三個(gè)專題中前沿問題之間的相互支撐和促進(jìn)關(guān)系，確定了分組文獻(xiàn)研讀、小組間合作討論的教學(xué)范式。在小組內(nèi)，學(xué)生對(duì)課題任務(wù)進(jìn)行分解和分工?？紤]到學(xué)生本科階段來自不同院校，專業(yè)基礎(chǔ)有差異，在本階段教師為每個(gè)小組提供一到兩篇講解、討論文獻(xiàn)，與第一階段不同，這些文獻(xiàn)教師不再講解，由學(xué)生自己研讀，文獻(xiàn)內(nèi)容也不再是綜述性質(zhì)，而是聚焦于領(lǐng)域內(nèi)某一個(gè)專題，旨在幫助學(xué)生有針對(duì)性地深入研究。學(xué)生也可以根據(jù)自己的課題自行查找文獻(xiàn)，經(jīng)老師同意后繼續(xù)開展后續(xù)任務(wù)。接下來是組內(nèi)合作學(xué)習(xí)，以小組為單位閱讀相關(guān)專題中國內(nèi)外最新的綜述性論文，掌握該課題的基本理論、研究方法和發(fā)展趨勢；接著，以每個(gè)專題中的一至兩個(gè)具體的前沿問題為主線，具體講解問題研究背景、研究現(xiàn)狀、解決過程以及未來發(fā)展趨勢，并在課堂上展示課題進(jìn)展，與授課教師討論解決疑難問題；課下，小組成員圍繞課題的關(guān)鍵點(diǎn)展開深入討論，按課程要求形成課程報(bào)告。

第三階段：課題進(jìn)展匯報(bào)及答辯。每位學(xué)生按照所在小組課題進(jìn)行匯報(bào)，匯報(bào)人同時(shí)也是答辯人，小組之間有討論和答辯環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生以各小組選題為依托，向答辯小組提問；在此環(huán)節(jié)中，教師通過設(shè)置答辯問題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的事件觸發(fā)、安全控制等關(guān)鍵前沿問題在智能船舶協(xié)同控制領(lǐng)域中的應(yīng)用與實(shí)踐，以及智能船舶的協(xié)同控制需求為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究提出了哪些新的課題等，從而達(dá)到鞏固所學(xué)知識(shí)，促進(jìn)知識(shí)運(yùn)用、鍛煉發(fā)現(xiàn)問題解決問題能力的目的；此外，教師通過點(diǎn)評(píng)學(xué)生匯報(bào)中涉及的前沿學(xué)術(shù)問題的探索歷程，展現(xiàn)科學(xué)家們的求真品格和創(chuàng)新精神，通過講解前沿技術(shù)的應(yīng)用范例，展現(xiàn)科學(xué)研究中的人文情懷和社會(huì)責(zé)任，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國家重大需求和關(guān)鍵技術(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生以科技創(chuàng)新報(bào)效祖國。

由于課堂學(xué)時(shí)有限，作為補(bǔ)充，授課團(tuán)隊(duì)為每個(gè)學(xué)習(xí)小組在雨課堂創(chuàng)建專屬內(nèi)容討論及資源共享區(qū)，以配合PBL 模式的有效實(shí)施。每位小組成員可以在指定的討論區(qū)圍繞課程項(xiàng)目展開討論、交流經(jīng)驗(yàn)、分享資源及展示成果。學(xué)生遇到問題可以在討論區(qū)及時(shí)和任課教室交流溝通。任課教師則可進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，獲取學(xué)生的探究過程并答疑解惑。

為配合教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法，課程考核方式也需要相應(yīng)調(diào)整[5]，改變試卷為主的傳統(tǒng)考核方式，采取學(xué)生報(bào)告為主，教師點(diǎn)評(píng)、批改為輔的考核方式。在小組合作學(xué)習(xí)的過程中，教師需對(duì)每名學(xué)生在組內(nèi)合作學(xué)習(xí)和組間討論答辯中的表現(xiàn)情況進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生需對(duì)該過程的學(xué)習(xí)形成總結(jié)報(bào)告。總成績由研究方向概述、文獻(xiàn)研討、課程總結(jié)報(bào)告三部分構(gòu)成，各占10%、40%、50%。具體環(huán)節(jié)、分值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例見表1。

表1 考核環(huán)節(jié)及得分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例

四 效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，課程改革基本取得預(yù)期效果，主要效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)期末考評(píng)成績良好。根據(jù)得分標(biāo)準(zhǔn)的客觀評(píng)價(jià)，學(xué)生得分成績是教學(xué)效果最直接的體現(xiàn)。2021—2022 學(xué)年，共有選課學(xué)生37人，及格率100%，平均分87.8分，最高分96分，最低分75分，其中90 分以上21人，占56.7%；80～89 分11人，占29.7%；70～79 分5人，占13.5%。因?yàn)樵赑BL 第一階段已經(jīng)向?qū)W生詳細(xì)介紹各個(gè)環(huán)節(jié)及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生能夠按照要求完成任務(wù)。半數(shù)以上的學(xué)生能夠以優(yōu)秀的成績完成課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，符合學(xué)生及任課教師的預(yù)期。

2)學(xué)習(xí)過程積極主動(dòng)。絕大部分學(xué)生能夠根據(jù)研究生階段研究方向及各自興趣，選擇合適的研究課題開展研究工作。在具體內(nèi)容上，涵蓋了車隊(duì)自適應(yīng)巡航、船舶編隊(duì)、容錯(cuò)控制、網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)、智能船舶避碰和無人機(jī)協(xié)同搜索等前沿應(yīng)用課題。根據(jù)學(xué)生反饋，在PBL 第二階段，自主探究和組間、組內(nèi)、師生交流討論，使大家獲益匪淺，為下一階段任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從最終的課程論文來看，有三分之二的學(xué)生沒有選擇任課教師提供的參考資料，根據(jù)自己興趣及所在小組的任務(wù)安排自主查找文獻(xiàn)作為研究課題。例如，專題一小組結(jié)合學(xué)院特色，整體上以海事應(yīng)用為大的方向，小組成員根據(jù)大方向自主探究相應(yīng)的課題，有人負(fù)責(zé)水下圖像增強(qiáng)技術(shù)，有人關(guān)注潛水器姿態(tài)控制技術(shù)，有人研究水下網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，凡此種種，不一而足。

3)理論結(jié)合應(yīng)用，研究結(jié)果質(zhì)量較高。從成果匯報(bào)及提交的課程報(bào)告來看，大部分學(xué)生的研究內(nèi)容體現(xiàn)出了一定的自主學(xué)習(xí)及科研能力，能夠根據(jù)所選課題查找、分析資料，運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和分析方法形成自己的知識(shí)體系，對(duì)前沿應(yīng)用有了進(jìn)一步的認(rèn)知。對(duì)控制理論應(yīng)用有了深刻理解。通過探究三個(gè)前沿專題及其關(guān)鍵問題，學(xué)生對(duì)控制理論及研究方法有了更加直觀的認(rèn)知，尤其是相關(guān)理論和技術(shù)在智能無人船系統(tǒng)上起到的作用。為此，課程團(tuán)隊(duì)還與部分研究生導(dǎo)師交流，征詢導(dǎo)師們的反饋意見和建議，使該門課程為學(xué)生的研究生階段科研奠定一定的基礎(chǔ)。

4)教學(xué)相長，提升教學(xué)質(zhì)量。課程團(tuán)隊(duì)教師均是首次參與此種類型的教學(xué)改革，采用PBL 教學(xué)模式不同于傳統(tǒng)的授課方式，每名學(xué)生選擇的研究內(nèi)容不盡相同，需要任課教師有針對(duì)性的指導(dǎo)，因?yàn)檫x課人數(shù)較多，講授本門課程又不同于常規(guī)的指導(dǎo)研究生，無法根據(jù)每名學(xué)生的特點(diǎn)長期細(xì)致地跟蹤指導(dǎo)。因此，授課教師在內(nèi)容上盡量安排學(xué)生們感興趣的“并集”；在教學(xué)方法上更加關(guān)注學(xué)生們遇到問題的“交集”，這就要求老師們知識(shí)面廣博，熟悉控制理論不同專題的內(nèi)容，并時(shí)刻關(guān)注技術(shù)發(fā)展的前沿及最新進(jìn)展，同時(shí)又能夠快速發(fā)現(xiàn)并解決學(xué)生在學(xué)習(xí)研究中遇到的各種困難和問題。所以，本次教學(xué)改革對(duì)任課教師來說也是一次學(xué)習(xí)和提高的過程。課程團(tuán)隊(duì)以控制理論與應(yīng)用前沿課程為基礎(chǔ)，申報(bào)“2021—2022 學(xué)年第一學(xué)期研究生優(yōu)質(zhì)教學(xué)獎(jiǎng)”。

五 結(jié)束語

本文提出了一種基于PBL 模式的研究生課程教學(xué)方法，以適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，旨在提高學(xué)生掌握理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力，使控制科學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握認(rèn)識(shí)、分析、研究和解決問題的能力，為研究生階段的學(xué)習(xí)科研工作做好準(zhǔn)備，并為培養(yǎng)符合現(xiàn)代社會(huì)需求的高素質(zhì)復(fù)合型專業(yè)人才奠定理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生和任課教師熟悉并適應(yīng)了PBL 教學(xué)模式的各個(gè)階段，能夠按照PBL 流程及標(biāo)準(zhǔn)按部就班地完成任務(wù)，從期末成績、學(xué)生反饋及報(bào)告內(nèi)容等多方面評(píng)價(jià)來看，初步達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)?？刂评碚撆c應(yīng)用前沿課程的教學(xué)改革是一個(gè)長期且持續(xù)改進(jìn)的過程，在后續(xù)工作中，我們將根據(jù)教學(xué)效果變化情況進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法。