虚实融合的“智能控制”课程教学改革

武晓莉 介婧 侯北平 周乐 李津蓉

[摘 要] 针对“智能控制”课程现有教学方式不能满足教学需求的现状，对以“能力导向、虚实融合”为核心的“智能控制”课程教学进行了改革及实践。设计开发了基于实际项目案例的移动机器人虚拟仿真实验，将课程知识点与实验内容充分结合;协调安排培养环节中的前导课程与实践环节，使认知实习实践教学、课程理论教学、虚拟仿真实验教学有机融合。该教学改革为“智能控制”课程理论联系实践提供了新的教学方式，有利于更好地激发学生学习兴趣，强化学生的创新能力。

[关键词] 智能控制;教学改革;虚拟仿真实验;虚实融合

[基金项目] 2019年度浙江省高等教育“十三五”第二批教学改革研究项目“‘能力导向、虚实融合——新工科建设背景下的智能控制课程教学改革研究”（JG20190310）;2019年度浙江省高等教育“十三五”第二批教学改革研究项目“基于OBE理念和工程教育认证要求的‘自动控制原理课程教学改革研究”（JG20190315）

[作者简介] 武晓莉（1974—），女，河北平山人，博士，浙江科技学院自动化与电气工程学院副教授（通信作者），主要从事智能控制和人工智能算法研究;介 婧（1972—），女，山西临猗人，博士，浙江科技学院自动化与电气工程学院教授，主要从事智能计算及优化领域研究;侯北平（1976—），男，山东日照人，博士，浙江科技学院自动化与电气工程学院教授，主要从事机器视觉及其工程应用研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）42-0061-04   [收稿日期] 2021-08-18

一、引言

2017年以来，教育部积极推进新工科建设。新工科首先是指新兴工科如人工智能等，也包括新型工科，即对传统工科专业（如自动化专业）的改造、转型和升级[1]。2018年教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知，要求完善人工智能领域人才培养体系，加强人工智能与计算机、控制等相关学科的交叉融合;积极开展新工科研究与实践，探索“人工智能+X”的人才培养模式[2]。

在人工智能新热潮和新工科建设大背景下，自动化类相关专业（包括其衍生出的新工科专业机器人工程专业）及课程需要开展新的教学改革。智能控制课程是自动化类相关专业的一门重要的专业课，在本校已开设十余年，由于其课程内容与人工智能学科知识交叉性强，成为控制类相关课程教学改革的重点。而如何开发和利用先进的教学手段、更新教学模式，是智能控制课程教学改革的难点。

教育部《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，提出重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难、高成本、大型综合训练等问题[3]。2019年，教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》[4]，提出实施一流本科课程“双万计划”，其中要认定的五类一流课程就包括虚拟仿真实验教学课程。上述教育部的系列引导举措，为课程教学改革提供了一种新的思路。

二、智能控制课程特点与现状分析

智能控制代表了控制理论和技术的发展方向和最高层次，智能控制课程结合了人工智能和控制理论。本文总结该课程具有三大特点。

第一，从学科专业的角度看，该课程的知识内容衔接了人工智能学科与控制学科、人工智能专业和自动化类相关专业，是学生学习把人工智能技术在自动化工程领域落地实现的关键课程环节。

第二，從课程体系的角度看，该课程衔接了传统控制理论和创新的控制理论。与传统控制理论课程自动控制原理和现代控制理论相比，智能控制除了自己独有的理论与方法之外，其模糊控制和神经网络控制等多种理论方法均可与传统控制方法相结合，形成更新更优的控制方法，使学生学后对整个控制理论课程体系有融会贯通之感。

第三，从培养学生创新创业能力的角度看，传统控制理论目前已基本发展成熟，但智能控制理论还在蓬勃发展和不断拓展，在新方法、新应用的研究上，为学生的深入钻研、培养创新能力提供了广阔空间;在创业能力培养上，可提升学生对自动化类创业项目创新性的鉴别能力及前瞻性意识，为高水平的创新创业做好知识储备。

因此，建设好智能控制课程这个关键环节，可更好地培养人工智能技术在自动化控制领域落地实现的高素质应用人才，符合自动化类相关专业的发展潮流，适应当前社会经济发展的需求。

目前智能控制课程在高校的教学现状，其开课情况随着人工智能新热潮在控制类相关专业呈扩增趋势，但其授课形式仍普遍以理论讲授为主、并辅以MATLAB软件编程进行算法的实现和研讨教学。这种传统的教学形式，可以满足基本的教学要求，但在新时代高校教育打造具有高阶性、创新性、挑战度“金课”[5]的背景下，存在现有MATLAB仿真实验缺乏实物应用对象，学生缺乏实物感和现场感的问题，需要打造更能呈现先进性和互动性的教学形式。

由于课程建设乃至专业建设的经费有限，且实体设备更新换代较快，连年多批采购实体的控制对象并不现实。即使带学生到智能控制项目应用现场参观，也通常无法让学生实现实操。种种现实制约导致目前的教学现状不利于学生理论联系实践能力的培养。

三、教学改革方案设计

虚拟仿真实验为课程理论联系实践提供了创新多样的教学方式方法，可较好的解决智能控制课程教学中存在的缺乏实物应用对象问题。本文作者及团队成员及早认识到虚拟仿真实验对课程教学改革的重要意义，并开展了相关建设工作。

面临的一个关键问题，就是如何寻找和选择智能控制实际应用项目，设计开发内容适合的虚拟仿真实验教学案例。经过大量调研和走访本地企业，本文作者及团队成员选择了菜鸟速递某管理区总部的智能仓储移动机器人分拣投递系统作为背景应用案例，于2019年设计开发了《智能仓储移动机器人控制虚拟仿真实验》，并获批浙江省“十三五”高校虚拟仿真实验教学项目，为后续课程教学改革打下了良好的基础。

经过前期的积累，本文作者及团队成员提出“能力导向、虚实融合”为核心的智能控制课程教学改革方案。具体方案可分以下四方面介绍。

第一，“能力导向”，指在设计和实施教学过程中，始终以培养学生的自主学习和创新能力为导向，以立德树人为根本。结合课程案例、仿真实验、课程作业和讨论，贯彻OBE（Outcome-based Education）教学理念;设计和安排需要学生自主学习及分组讨论合作学习的环节;要求实验报告和大作业需要有调研论证资料以培养创新性;结合课程思政，厚植爱国情怀，培养德才兼备的人才。

第二，虚实融合中的“实”，指通过带学生实地参观智能控制应用项目，使学生更充分地了解智能控制的应用背景及基础知识。在教学安排上，可将自动化专业大一末的认识实习安排为带学生实地参观如智能仓储、智能制造等机器人应用项目，为后续自动化专业大三时智能控制课程的深入学习做准备。

第三，虚实融合中的“虚”，主要是通过设计开发对真实智能控制应用项目高还原度的虚拟仿真实验教学系统，如目前已经在实施的《智能仓储移动机器人控制虚拟仿真实验》，使学生在虚拟仿真实验环境下完成对自选对象控制方法的设计与实现;此外还包括继续建设和更新基于MATLAB软件的仿真案例库。

第四，虚实融合中的“融合”，不仅指虚拟仿真实验要与实际项目内容相结合，更是指进行全方位的课程教学设计，包括培养环节的协调、相关前导与后续课程的统筹规划、课程与实验内容的合理选择、设计与更新，使认知实习实践教学、课程理论教学、虚拟仿真实验教学三者有机的融合，为学生将课上的理论知识与实际项目中的应用融会贯通提供保障。

四、教学改革实践

本教学改革方案的实施重点为虚拟仿真实验、仿真案例的设计与开发，以及如何更好地与教学环节融合、以提升学生的自主学习能力与创新能力。

（一）虚拟仿真实验开发

虚拟仿真实验是本次教学改革的核心环节。在最初设计虚拟仿真实验时，主要基于专业人才培养要求、课程知识点结合情况、实际应用项目支持三方面考虑。首先，我校自动化专业主要定位于为移动机器人、工业自动化等领域培养人才，课程的设置和内容的选择都将围绕此目标进行，因此选择移动机器人控制作为虚拟仿真对象符合本专业人才培养要求。其次，智能控制课程虽然涵盖内容较多，但在本科阶段授课时，一般将模糊控制、专家系统、智能优化等内容作为优选[6] ，以上主要知识点均可与移动机器人的控制与优化等实际应用相结合。最后，本学院与本地知名机器人生产公司建立了良好产学研合作，获得了企业实习实践基地的支持，校企合作建立了工业机器人产业学院，企业的实际项目菜鸟速递某管理区总部的智能仓储移动机器人分拣投递系统可以作为虚拟仿真实验的背景应用案例。

在此背景及设计思路下开发的《智能仓储移动机器人控制虚拟仿真实验》，高还原度的模拟了智能仓储环境下，多个移动机器人AGV（Automated Guided Vehicle）对送达传输带的包裹实现全自动分拣投递的系统运行全过程。实验包含AGV、传输带、上料机、下料口、收料网、地标二维码等多项设备及其运行模型;设计有六大实验模块：系统学习、AGV运动控制、AGV智能路径规划、多AGV协同调度、故障与处理、考核与评价;设计了15个实验步骤：智能仓储场景学习、AGV结构学习及装配、AGV功能演示、AGV循迹模糊控制、AGV避障运动控制、静态路径规划参数配置、路径规划算法对比分析、AGV实时路径规划、协同调度场景配置、多AGV协同路径规划、多AGV人工调度、多AGV智能调度、故障分析与处理、测试考核、成绩反馈及建议;实验涉及的知识点覆盖了智能控制基础课程的模糊控制、专家系统和智能优化的内容，对课程内容覆盖度高，融合性好。实验过程中需要进行多项参数的选择和算法的设计，观察对比不同情况下的实验效果并在实验报告中进行分析。

根据学生反馈，该虚拟仿真实验能够较好地激发学习兴趣，使学生更好地体会到理论方法在典型应用场景下的综合运用。作为一项结课前的综合实验，该虚拟实验能较好地体现高阶性、创新性和挑战度，并具有较强的开放性、扩展性，可以随课程知识的更新继续不断完善。

（二）虚实融合在教学环节中的体现

借助近年我校自动化专业实施工程教育专业认证、学校增设新工科专业机器人工程专业及建设工业机器人产业学院的机遇，于2019年启动修改和制定新的专业培养计划及相关课程教学大纲，重新梳理理论与实践课程体系。在智能控制课程之前增设了人工智能基础作为前导课程，以保证后续的智能控制课程有更充足的学时用于控制对象的研讨。对接本地知名机器人生产公司，新建企业实习实践基地，使得从自动化专业2018级开始，可以保证培养计划中大一末的认识实习内容，与大三智能控制课程的虚拟仿真实验内容一实一虚、前后呼应、互相支撑。

通过优化课程体系，围绕智能控制课程形成了全新的学习链：移动机器人生产及应用认识实习、人工智能基础前导理论课、自动控制原理前导理论课、智能控制理论课、智能仓储移动机器人控制虚拟仿真实验。新的课程体系结构合理，理论与实践环节有机融合，更符合层层深入的学习规律。

（三）能力导向在教学环节中的体现

在智能控制课内教学中，为提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，针对每种理论方法都设计多个应用实例，特别是结合移动机器人控制的实例。例如模糊控制中的单输入单输出、两输入单输出问题，分别用水槽液位控制、洗衣机控制进行举例及编程实现，同时启发学生思考如果将模糊控制应用于移动机器人的循迹控制和避障控制中，如何选取输入输出量并设计模糊控制算法。为后续虚拟仿真实验做准备的同时，提升学生举一反三、灵活运用的能力。

在虚拟仿真实验中，通过对多种智能控制方法的不同参数及模型的自由设置和搭建，使学生进行反复实验对比和分析，可实现以学生为中心的自主探究式学习。例如AGV智能路径规划实验模块中，可选用两种优化方法、三种距离计算方式任意组合，此外上貨位置和投放点位置在全场景中均任意位置可选，路径平滑度参数在0～100%范围内任意可选。由此每个独立实验的学生设置和搭建的规划方法会各不相同，不同的方案操作后的三维仿真结果也不相同，学生需要对实验现象深入探索并对比分析，在此过程中培养对设计方案进行优选并获得有效结论的能力。

在培养学生创新能力方面，充分挖掘虚拟仿真实验平台的潜力。除了可作为自动化专业人工智能培养方向的模块化教学实验，虚拟仿真实验平台还可供学有余力的学生开展创新控制算法的研究，并为各种创新创业项目如“春萌计划”“新苗人才计划”“互联网+”大学生创新创业大赛项目等提供算法研习平台支撑。

针对教育的根本任务立德树人，需要在知识传授中注重强调价值引领，将思想政治教育融入课程教学全过程。具体实施时主要抓住课堂的导入过程，以及案例分析中的互动讨论部分。例如在导入移动机器人案例时，结合前期本地机器人企业项目现场认知实习，深化学生对我国机器人产业的了解，强化学生对“中国智造”和“工匠精神”的认知，培养学生的社会责任感。

五、结语

本文聚焦人工智能新热潮和新工科建设背景下的智能控制课程教学改革，强化人才培养质量意识，以学生能力培养为导向，以虚拟仿真实验为抓手，充分挖掘虚拟仿真实验在智能控制课程中的实践潜力，推动现代信息技术与教学深度融合，改革教学方法与模式，优化课程体系与内容，丰富了实验实践教学形式，并带动控制类相关课程的升级改造，更好地与人工智能时代和新工科建设接轨。

参考文献

[1]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[2]周全.关于高校人工智能人才培养的思考与探索[J].教育教学论坛，2019（16）：131-132.

[3]熊宏齊.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020，37（5）：1-4+

16.

[4]教育部.关于一流本科课程建设的实施意见[J].中华人民共和国国务院公报，2020（5）：57-62.

[5]刘斯文，程晋宽.大学“金课”的建构逻辑：起点、过程与走向[J].高校教育管理，2020，14（6）：117-124.

[6]刘金琨.智能控制[M].4版.北京：电子工业出版社，2017：34.

Teaching Reform of Intelligent Control Course Based on the Combination of Virtuality and Reality

WU Xiao-li， JIE Jing， HOU Bei-ping， ZHOU Le， LI Jin-rong

（School of Automation and Electrical Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou， Zhejiang 310023， China）

Abstract： Aiming at the current situation that the existing teaching methods of intelligent control course cannot meet the teaching needs， teaching reform is conducted in the Intelligent Control course with “ability orientation， virtuality and reality combination” as the core. Mobile robot virtual simulation experiment is developed based on actual project case， and knowledge points in the course are fully combined with experimental contents. The pre-course and practical links are coordinated in the curriculum system， so that cognition practice， course theory teaching， and virtual simulation experimental teaching are organically integrated. The teaching reform provides a new teaching method for integrating theory with practice in the course， which is beneficial to better stimulate students interest in learning and strengthen students innovation ability.

Key words： Intelligent Control course; teaching reform; virtual simulation experiment; combination of virtuality and reality