智能控制课程设计教学改革研究*

刘文艺王曦

1 江苏师范大学机电工程学院 江苏徐州 221116

2 江苏师范大学管理学院 江苏徐州 221100

智能控制课程设计教学改革研究*

刘文艺1王曦2

1 江苏师范大学机电工程学院 江苏徐州 221116

2 江苏师范大学管理学院 江苏徐州 221100

智能控制课程设计是智能控制课程的一次实践过程，是对课程知识的巩固和加强。其目的是总结和检验课程的学习效果，使学生熟悉和掌握基本的智能控制知识，提高理论水平，增强编程及调试能力，深化已有的知识，拓宽新的知识，掌握几种常见的智能控制方法。但是，由于课程设计的时间一般只有一周，而课程的内容理论性又太强，难度较大，使得设计过程中出现一些问题。对智能控制课程设计的内容特点及现有问题进行深入分析，并从精简理论内容、增加实例分析、强化实验指导、改革教学方法、注重答辩环节等方面给出相应的对策。

课程设计；智能控制；教学改革；教学方法

Author’s address

1 School of Mechanical and Elect rical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China 221116

2 School of Management, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China 221116

智能控制是机械电子方向的专业课，涉及的理论知识较多[1-2]，课程设计时间一般为一周，1学分。课程设计的目的是总结和检验课程的学习效果，使学生熟悉和掌握基本的智能控制知识，提高理论水平，增强编程及调试能力，深化已有的知识，拓宽新的知识，掌握几种常见的智能控制方法。同时，课程设计可以将智能控制课程中涉及的大量的、零散的、独立的观点和资料，按照设计任务书的要求，经过演绎和归纳、分析和综合、抽象和具体的逻辑结合，完成整体的任务设计方案，达到培养和提高学生的逻辑思维能力和创造性思维能力的目的。

课程设计的提交形式是设计说明书，该说明书是对本课程设计结果的解释和说明的书面材料，是一种技术性文件。设计者通过对软件的操作，对程序的编程，对结果的调试，对内容的总结和分析，最后通过科技写作的方式进行锻炼，培养科技写作的能力。但是，由于课程设计的时间一般只有1周，而本课程的内容理论性又太强，难度较大，使得很多设计题目不能按时按质完成，出现一些问题[3-4]。笔者根据在教学改革实践中遇到的一些问题，对该门课程设计的特点、难点和教学目的进行分析，介绍和探讨一些具体的解决方法和措施。

1 课程设计的内容特点

智能控制课程设计是智能控制课程的一次实践过程，是对课程知识的巩固和加强。智能控制是近20年来发展的新兴学科，涉及的内容较多，包含模糊控制、神经网络控制、专家控制系统、仿人智能控制和遗传算法等智能控制技术。可以说，智能控制是人工智能与控制理论相结合的产物，借助于计算机技术的快速发展而得以实现，它是传统控制理论发展的高级阶段。智能控制属交叉学科，它的发展得益于人工智能、认知科学、模糊集理论、计算机科学、人工神经网络和生物控制论等许多学科的发展，同时也促进了相关学科的发展[5-6]。

智能控制课程设计是教学内容的提升，是教学实践环节的一次锻炼。课程设计的题目包含了课程对应的各部分教学内容，如基于遗传算法的函数极值优化方法是对遗传算法知识的巩固和加强，水箱供水模糊控制方法是采用模糊控制理论实现控制设计，基于BP神经网络的函数逼近设计是对神经网络知识的学习过程。可以说，课程设计的题目紧跟教材，不脱离教材，但又比教材的难度要大，难点要多、要具体。

2 课程设计的现有问题

2.1 理论性太强，且较为深奥

由于智能控制课程课时量相对较少，而理论知识较多，覆盖面涉及多个学科，像神经网络、模糊控制、仿人人工智能等都是单独的一门专业课程，现在通过短短的几十个学时把这些知识讲透彻是不可能的。同时，在进行本科生教学时，难以找到合适的教材，很多智能控制教材是针对博士生、硕士生的研究生教材，此类教材多注重理论公式的推导，具体的实例较少，较为简单，概念很抽象，课程各分支之间的联系不够紧密。因而，智能控制课程的广泛性就决定了各种知识学习的泛泛性，教师教学过程中感觉难度很大，学生学习也很吃力，很难理解较为深刻的理论知识。而学生的预备知识不足，对教材中的例题又不能够很好地理解，对后续的课程设计就带来很大的问题。而课程设计的题目又是一个具体的大问题，比教材中的例题难度要大，内容要多，这样学生在进行课程设计时就感觉很吃力，很难运用较为深奥的理论知识指导其具体的课程设计。甚至有的学生在进行完课程设计后连自己做的什么东西都不知道，达不到课程设计应有的效果。

2.2 教学方法单一，且缺乏变动

由于课程的特点，教师在教学过程中大多按部就班地讲述教材内容，而此类内容多是以理论知识、概念和公式推导为主，学生在预习和复习过程中存在很多困难，导致后面的课程设计时很难将理论知识和实践内容联系起来。此外，有的教师采用多媒体课件授课，课堂教学方法单一，一味地演示文稿，对复杂的知识不能够细致地推导，缺乏与学生的互动和交流，致使教学效果难以达到理想的要求。

2.3 设计题目固定，且缺乏自主创新

由于教材中的例题固定，而课程设计题目多是根据例题改编，就导致课程设计的题目固定，缺乏自主创新。很多教师在制定好教学大纲和设计题目后，多年都不进行修订和更新，对题目也不进行更改。就算更改，也有不少题目是换汤不换药，内容大同小异。这就缺乏自主创新性，容易脱离实际，更容易导致学生在课程设计过程中，仅仅通过参考往年的课程设计就可以完成要求，达不到应有的效果。

2.4 学生设计积极性不高，且易出现抄袭

由于开设课程大多是针对本科三年级或四年级的学生，很多学生课程设计积极性不高，上课听讲时也不够认真。在设计过程中，大部分教师是对学生进行分组，每组一个大的题目进行课程设计。此举本意是增强学生之间讨论的积极性，但同时也带来一些副作用，容易使他们相互抄袭。甚至，有的学生照搬照抄往年的课程设计，更有甚者，从网上下载类似的课程设计上交充当任务。

2.5 答辩环节流于形式，且学生无法提高

由于设计过程中出现的各种问题，在答辩环节多是走形式。对于一些复杂的问题，平时设计较为认真的学生可以较为完整地回答出来，但大部分设计不认真的学生由于种种原因不能很好地理解课程设计的题意，甚至对自己所做的内容不了解，使得答辩质量相对不高。在这种情况下，学生的知识提高有限。

3 课程设计教学改革的思路及措施

针对课程设计过程中出现的问题，结合课程特点和其他课程教学改革的优秀经验，笔者提出几点思路和措施。

3.1 精简理论内容，提高教学质量

智能控制课程具有前沿性、抽象性和理论性强等特点，不适于大三的本科生，讲授内容相对广泛。因而教师在教学过程中应该兼顾基础知识和新兴技术两个方面，选择合适的教材，并充分结合自身与相关研究组在智能控制方面所取得的科研成果，对教材进行细致的整理，精简较为复杂的理论知识和大量冗余的公式，根据教学对象的特点选择合适的理论知识进行教学，提高教学质量。同时，教师可以查阅校内外专家在本领域的报告、相关视频材料，针对社会的需要以及学生的具体情况进行内容筛选，加强学生的工程意识和对实际问题的认识，提高他们分析处理工程问题的能力。如对模糊控制的教学过程中，可以对模糊集合等基本的数学知识进行讲解，通过实例和课堂作业巩固学生的学习。在过渡到模糊控制的时候，要注意结合实例讲解，如通过小费推理系统实例，讲解模糊控制系统的设计步骤：模糊化模块设计、规则库的建立、推理方法的确定、精确化模块的设计。通过形象的图片、图表等可以有效地加深学生的印象，这种效果比单纯的公式推导要强得多。

3.2 增加实例分析，详细理解实例

由于课程的特点，导致课程内实例相对较少。教师在教学过程中应该根据课程设计的题目要求，自主创新，增加一些实例并进行详细的分析，使得学生在学习过程中能够详细地理解实例。如在模糊控制设计中，选择隶属度函数时，如果教师仅仅是把各种不同隶属度函数的公式写出来，则显得枯燥乏味；如果教师把各种不同隶属度函数的图象显示出来，如三角函数、梯形函数、高斯函数，则效果会明显的不同。

例如，图1是一个两输入单输出控制系统的输出结果图，从图中可以明显地观察出误差和变化量两个输入量对控制量的影响，根据其模糊控制规则，不同的输入配置对输出的影响是不同的，其控制规则可以通过规则库来查看或者编辑。教师在这些课程实例的基础上，应该有针对性地提示学生进行深入思考，为进行课程设计做准备。如针对图1的例子，教师可以引导学生更改模糊规则，根据个人经验或者其他控制理论调整控制规则，观察控制结果的不同，以达到巩固知识的目的。

图1 两输入单输出控制结果示意

3.3 强化实验指导，注重示范作用

在课程的实验过程中，教师应该注重示范作用，对每一个实验，应该有一个类似的演示例题，给学生加深印象。在实验过程中，教师应该注意观察学生的实验过程，针对其出现的问题进行针对性的指导，及时地分析问题、解决问题，锻炼学生的实践能力。在后续的课程设计过程中，教师应该加强实践指导，指导学生对课程设计的题目进行仔细的分析，理解题意，并根据题意进行相关的设计。

表1是笔者在教学过程中设计的课程实验项目的设置和内容。这些实验中，实验一是对模糊控制理论的应用学习，实验二是对神经网络知识的直观表述，实验三是对遗传算法理论的映像，实验四是对故障分类方法的前期知识积累。通过这些实验，可以巩固相应的专业知识，增强学生对相应知识的理解过程。同时，可以进一步提高学生的理论层次，增强学生的动手实践能力，增强教学效果。

3.4 改革教学方法，丰富设计手段

在教学过程中，教师应该充分利用多媒体课件，但也不能仅局限于多媒体课件，可以采用启发式、讨论式教学方式，将讲授法、实验法、自学指导法、讨论法、实例教学法等优化组合，充分利用板书、录像、投影、计算机等媒体，启发学生的思维，调动学生的积极性，培养学生正确分析问题、解决问题和自主学习的能力，注重学生的个性发展，由以传授知识为主变为以培养学生能力为主。

在教学过程中，可以鼓励学生查阅相关的科技文献并进行学习，鼓励学生针对学习的科技文献进行思考和讨论。笔者在进行神经网络教学过程中，鼓励学生查找关于神经网络数据分类、曲线拟合、趋势预测等多种用途的文献，并组织学生讨论，取得良好的教学效果。可见，学生的主动性在学习过程中发挥着重要的作用。同时，在教学过程中教师可以尝试采取英语教学为辅的双语教学，对一些关键词用英语解释，适当推荐一些英文参考书和资料，让学生能够直接接触国外文献资料，加深对课堂教学内容的理解和掌握，可以更好地了解该学科的前沿动态。

在课程设计题目的选择方面，教师应该克服一劳永逸的心理，根据需要及时地调整课程设计题目和要求，增强创新性。如模糊控制相关的课程设计部分，可以调整模糊控制的对象，如家用洗衣机、水箱、热水冷水、车辆驾驶、机车控制等；也可以针对同一个控制对象，提出不同的控制要求，如针对家用洗衣机控制系统，可以选择不同的输入量控制不同的输出量，如三输入单输出控制、四输入双输出控制；还可以针对同一个控制对象调整不同的控制参数，如对车辆驾驶控制系统，可以调整控制规则要求，更改隶属度函数要求。这些创新性的更改，都可以调动学生的学习积极性，鼓励学生的自主创新性，督促其完成相应的课程设计过程，丰富课程设计的手段。

3.5 注重答辩环节，提前准备内容

答辩环节是对课程设计的一个总结和检验，是衡量学生课程设计完成度的一个标准。答辩的好坏，反应了学生对课程设计内容的掌握程度。为了能很好地完成答辩，就需要学生在设计过程中认真学习，对答辩中可能询问到的知识点进行巩固掌握，对设计的内容做到了然于胸。答辩环节不能流于形式，教师应该指导学生认真完成课程设计任务书的撰写，对任务书的格式、内容进行仔细的检查，必要时可以进行预答辩环节，考核学生对课程设计的完成程度。通过预答辩，可以及时发现问题，对不认真进行课程设计的学生加强指导，督促其完成要求的任务。

表1 智能控制部分实验项目

4 结语

智能控制是近20年来发展的新兴学科，涉及的内容较多，包含模糊控制、神经网络控制、专家控制系统、仿人智能控制和遗传算法等智能控制技术。智能控制课程设计是智能控制课程的一次实践过程，是对课程知识的巩固和加强。针对课程设计中出现的问题，如理论性太强、教学方法单一、设计题目固定、学生设计积极性不高、答辩环节流于形式等，论文从几个方面提出一些对应的措施。通过精简理论内容、增加实例分析、强化实验指导、改革教学方法、注重答辩环节等方式，完善课程设计过程，提高教学质量。

[1]蔡自兴,肖晓明,蒙祖强,等.树立精品意识，搞好人工智能课程建设[J].中国大学教学,2004(1):28-29.

[2]罗兵,甘俊英,张建民.智能控制技术[M].北京:清华大学出版社,2011.

[3]师黎,姚利娜,万红.智能控制基础双语教学的实践教学研究[J].高教探索,2007(6):88-90.

[4]李擎,苏中,李邓化.智能科学与技术专业建设的规划与思考[J].清华大学教育研究,2008(S1):21-25.

[5]孔祥强,李瑛,杨前明.太阳能热泵系统综合实验台的研制[J].实验室研究与探索,2010,29(6):18-21.

[6]陈爱斌,肖晓明,魏世勇,等.智能控制的学科发展与学科教育[J].现代大学教育,2006(3):102-105.

Educational Reform Research on Intel ligent Control Curriculum Design//

Liu Wenyi1, Wang Xi2

Intel l igent cont rol cur riculum design is a pract ice process for the cor responding curriculum, and strengthening and consolidation for curriculum knowledge. The purpose of the design is to summarize and check the teaching and learning effect, to raise the theoretical ability of the curriculum knowledge, to make the student be familiar with intel ligent control knowledge and methods. However, for some reasons such as only one week design time, theoretical knowledge too deep and the curriculum is too dif ficult, there exist some problems in the curriculum design. This paper discussed the content characteristic of the intel ligent control curriculum design and the problem in detail. Then some corresponding suggestions such as simplify theoretical content, increase example analysis, st rengthen experiment guidance, reform teaching method and pay at tention to answer l ink, etc..

curriculum design; intel l igent cont rol; educational reform; teaching method

G652

B

1671-489X(2012)21-0039-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.21.039

*本文受江苏师范大学博士学位教师科研支持项目（11XLR15）支持。

作者：刘文艺，博士，硕导，研究方向为智能诊断方法及智能控制技术。