应用型本科院校智能控制课程教学改革探索

胡杨 刘娣 钱奎

摘  要 针对当前人工智能专业教育的要求和应用型本科人才培养的需求，探讨南京工程学院智能控制课程在教学内容和教学方法上存在的问题，针对这些问题，提出一系列教学改革措施。依照此措施对教学内容和教学方法进行改革，增强学生学习的目的性，激发学生的兴趣，在教学实践中取得很好的效果。

关键词 人工智能;智能控制;应用型本科;教学改革

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）18-0089-03

Teaching Reform of Intelligent Control Courses in Applied Under-

graduate Colleges//HU Yang， LIU Di， QIAN Kui

Abstract In view of current requirement of talents cultivation in current artificial intelligence major and applied undergraduate， this

paper discusses the problems existed in the teaching content and me-

thod of intelligent control courses of Nanjing Institute of Technology.

To deal with these problems， this paper proposes a series of teaching reform measures. After reforming this course following these mea-

sures， the learning purpose of students is enhanced， students learning

interest is stimulated， and good results are achieved in teaching prac-

tices.

Key words artificial intelligence; intelligent control; applied under-graduate; teaching reform

1 前言

近年来，随着人工智能技术的快速发展，人工智能在提高生产效率、推进经济发展上表现出巨大潜力。为抓住人工智能发展的机遇，构筑我国在人工智能发展上的优势，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，指出人工智能将是我国经济未来发展的新引擎，将主导我国未来的产业变革。人才是人工智能技术形成经济推動力的关键，随着人工智能技术向各行业辐射，各行业形成巨大人工智能人才缺口。2018年，我国各行业的人工智能人才需求量已出现超过500万的缺口，相比于2017年，人工智能人才的需求成倍增长。目前人工智能技术还在蓬勃发展时期，按此趋势，未来人工智能人才的需求将至少是千万级别。

为了应对未来各行业对人工智能人才的需求，各大高校相继在各专业开设人工智能相关课程，更新各专业的人才培养方案，为传统专业注入符合时代发展的新内容，培养社会需要的人才。智能控制课程作为人工智能与控制技术相结合的一门基础课程，在自动化专业的研究生阶段和本科阶段均有开设。本科阶段的智能控制课程承担了智能控制思想及原理的传递、多种智能控制算法理论的介绍、智能控制应用能力的培养等多方面的任务，具有内容繁多、理论复杂、体系性差、应用性弱等特点，在教学中存在很大的难度，学生学习的效果较差[1-3]。尤其在应用型本科高校，智能控制课程由于理论性过强，缺乏实践环节，采用传统教学方法，教学效果较差，无法达到应用型人才培养目标的要求[4-5]。因此，如何对智能控制课程的教学内容和教学方法进行改革，是应用型高校亟待解决的问题。

2 智能控制课程教学中存在的问题

教学内容多且杂，缺乏系统性  智能控制课程的内容主要涵盖模糊控制、神经网络控制和智能优化算法三个部分，每部分内容均可以延伸为一整门课程，课程内容相当丰富。但由于课时的限制，要在有限的时间内完整地介绍每类智能控制的内容，在教学内容安排上十分困难，容易导致教学内容杂乱拼凑，缺乏逻辑性，增加学生理解的难度，造成教学质量的急剧下降。更为严重的是，课程的三个部分缺乏内在联系，导致课程缺乏内在的系统性，不仅增加了教学难度，而且学生学习和记忆的效果很差。在实际的教学中发现，在学习完第三部分内容后，学生已经基本遗忘前两部分所学的内容。

课程理论性强，理论难度较大，学生难以掌握  智能控制课程理论性强，课程的主体内容涉及大量的公式推导，且推导过程繁复，消耗大量的时间，学生在学习过程中难以长时间集中注意力，难以掌握相关内容，教学效果较差。课程中模糊逻辑运算以及神经网络BP学习算法的推导需要消耗一个课时，长时间的理论推导导致学习效果较差。在教学实践中通过课后考核发现，大部分学生完全没有掌握。此外，作为目前控制领域的前沿技术，智能控制技术的理论相比于经典控制理论难度更大，每种智能控制算法都有不同的理论框架，这给学生理解增加了难度，最终导致教学效果不理想。

教学手段单一，缺乏实践教学环节  目前，智能控制课程采用的教学手段主要是以多媒体结合板书的课堂教学方式，有利于集中地、高密度地传授理论知识。然而由于纯粹的理论讲解不利于学生对知识的深入理解以及融会贯通，导致学生出现“知其然而不知其所以然”的情况。智能控制技术本身是一种在各大产业广泛应用的先进控制技术，具有很强的应用背景，纯粹的理论讲解不利于学生对技术本身的理解，且违背应用型本科教育的目标。然而，由于课时的限制，在原本的教学计划中插入实践教学环节会极大挤压理论教学课时，导致教学内容不能完成。因此，迫切需要对当前的教学内容和教学计划进行全面改革。

课程内容体系特殊，学生难以形成知识体系  在自动化专业控制类专业课程体系中，几乎所有课程都按照被控对象数学模型、数学模型分析方法、数学模型控制设计方法这一体系构建，课程内容体系逻辑性清晰，目标明确，属于应用驱动的课程内容体系，学生容易理解，并与前置课程构建联系，在已构建的知识体系中确定课程位置。然而，智能控制课程从控制算法开始，而后在控制算法理论讲解的基础上用案例说明算法的使用。此种内容体系属于理论驱动的课程内容体系，与控制类专业课程体系中其他课程存在极大差别。这就导致学生虽然能理解智能控制课程的内容，但很难了解该课程与其他课程间的联系，自然很难在已有知识体系中纳入智能控制课程的内容。

3 智能控制课程教学改革措施

针对以上智能控制课程教学中存在的多方面问题，提出“剪裁课程内容，优化课程结构，强化实践环节，构建知识体系”的教学改革措施，力图通过这些措施，改革教学内容和方法，提升智能控制课程的教学质量。具体的改革措施包含以下四个方面。

围绕课程目标，合理裁剪课程内容，优化课程结构  目前的智能控制教材包含的内容丰富，对每种智能控制算法介绍十分全面。然而，针对应用型本科阶段的智能控制课程有其自身特点，课程目标是掌握智能控制方法的原理及思想，对智能控制方法的理论并无太高要求。太过丰富的理论内容往往使课程结构变得繁杂，学生不易理清思路。因此，在教学改革中需要紧紧围绕课程目标，突出原理及思想，保留智能控制方法的主干内容，删除过于繁杂的理论，并进一步根据课程的内在逻辑将课程内容进行加工，保证课程的完整性，使课程内容清晰易学，进而形成适应于本科阶段的课程内容结构。

以实际控制问题为牵引，串联课程内容，强化课程系统性  智能控制课程各章节间联系性弱，是导致课程缺乏系统性的主要原因。在教学改革过程中，根据教研室现有教学资源，提出以倒立摆控制问题为牵引，分别在不同智能控制方法讲解中落脚到倒立摆的控制问题上。一方面通过同一控制问题的求解来联系不同控制方法，使学生形成记忆锚点，产生对课程整体的记忆;另一方面通过同一控制问题的不同求解方法，在不同智能控制方法间进行有机对比，强化学生对不同方法的理解。

理论与实践相结合，提升教学效率  从原来的理论教学计划中划出四学时作为实践教学环节。相应地，在不改变智能控制算法理论体系完整性的基础上，对原来理论教学中较为复杂的理论和方法进行删减。在实践教学环节，与课程教学中重点讲授的实际控制问题一致，安排倒立摆控制实验，学生可以把课程中的各种控制方法用于倒立摆控制实践中。通过结合本次实验和课程上对倒立摆控制问题的讲解，增强学生把理论知识用于工程实践的能力，进一步强化学生对各种智能控制方法的理解，提升课程教学效率。

以实际问题为基点，纵向发散，促使學生构建知识体系  智能控制课程的前置核心课程有自动控制原理和现代控制理论。为促使学生将智能控制课程内容纳入已有知识体系，在课程讲授过程中以倒立摆控制问题为基点，进行纵向发散，联系自动控制原理和现代控制理论中的控制方法，对比不同课程所涉及控制方法的设计思路，重点分析不同课程所涉及控制方法所解决问题的形式，划定不同控制算法的能力范围。在课程中控制算法讲解完成后，以倒立摆控制问题为例，总结归纳各类控制方法使用方法、使用条件和性能限制，以此促使学生在控制类课程中找到智能控制算法所处的位置，帮助学生构建控制类课程的统一知识体系，增强学生面对实际控制问题的实践能力。

4 结语

本文探讨了应用型本科教学中智能控制课程在教学内容和教学方法上存在的诸多问题，根据实践教学经验，提出“剪裁课程内容，优化课程结构，强化实践环节，构建知识体系”的教学改革措施，有效激发学生的兴趣，增强学生对课程的理解，强化学生的实践能力，在教学实践中取得很好的效果。教学改革措施主要体现在以下几个方面。

1）提出围绕应用型本科智能控制的课程目标，合理剪裁课程内容，去除较难较深的理论部分，并进一步根据课程内容逻辑，整理课程结构，形成适应本科阶段学生知识结构的课程内容，保证课程目标与课程内容的高度一致，使学生学习思路更清晰，学习更有目的性，更容易达成本课程的目标。

2）以实际控制问题为牵引，串联课程内容，强化课程系统性，为学生在联系性弱的各章节间构建记忆锚点，使学生形成对课程的整体记忆。同时通过实际控制问题对比各章节的不同控制方法，进一步促进学生对不同智能控制方法的理解，强化解决实际控制问题的能力。

3）参照课程所讲授的实际控制问题，增加实践环节，促使学生把各类控制方法应用于实践中，强化学生理论联系实际的能力。同时通过再次强化不同控制方法的应用，促进学生对课程内容的进一步理解。

4）以实际问题为基点，纵向发散，联系控制类专业课程体系中的其他课程，通过纵向对比，直观地讲解同一专业课程体系中不同课程间的内在联系和区别，促使学生找到智能控制课程在课程体系中的位置，帮助学生建立统一的控制类专业课程知识体系。

参考文献

[1]万佑红，樊春霞，徐丰羽，等.控制科学与工程研究生《智能控制》课程的案例教学探索[J].科技创新导报，2020（2）：187-188.

[2]耿艳利.“智能控制”课程的项目导入混合式教学模式探究[J].教育现代化，2018（44）：265-266，274.

[3]李晓东，肖腾飞.智能控制课程在智能科学与技术专业课程体系中的地位和作用[J].计算机教育，2017（10）：57-59.

[4]王福斌，陈至坤，张瑞成.构建“智能控制”教学案例提高研究生实践技能[J].大学教育，2018（4）：78-80.

[5]魏世勇，蔡自兴.智能控制课程实验教学探讨[J].科教导刊，2017（2）：114-115.