问题教学法驱动的智能控制与计算智能课程教学研究

李中华　林柏顶　李晓东

摘 要：文章聚焦智能控制与计算智能的教学创新，通过分析教学目的、教学任务以及面临的机遇和挑战，从教师、学生以及师生互动等方面分别引入问题教学方法，增强智能控制与计算智能的课堂教学效果，提高学生学习积极性和创造性，从广度和深度两个方面挖掘学生的知识学习潜力，使得智能控制与计算智能课程的教学模式从枯燥走向有趣、从难懂变为易用，为后续的毕业设计、科学研究、技术创新、就业创业打下坚实的专业基础。

关键词：智能控制、计算智能、问题教学法、教学改革

1 背 景

伴随全球新技术浪潮的兴起，人工智能正推动信息技术领域发生颠覆性、革命性变化，带动传统产业创新升级和新兴产业孕育发展，越来越多的高校将人工智能相关课程建设做为适应社会需求、提高人才培养质量、提升办学实力的重要举措。智能控制与计算智能是自动控制、智能科学与技术领域的前沿课程，是自动控制、人工智能、计算机科学、运筹学等多学科融合汇聚的专业扩展课程，具有理论性强、实践性突出、涵盖范围广等特点，在电子信息类、计算机类专业教学体系中具有十分重要的地位[1]。国内大多数综合类高校尤其是理工科院校，都纷纷将智能控制与计算智能课程开设为专业必修课或者专业限选课。智能控制自1960年代发展以来，广泛应用工业控制、智能家居控制、智能机器人控制、智能制造控制、航天航空控制、交通运输系统、绿色环保与新能源系统等诸多领域。对于选修智能控制与计算智能课程的学生，需要熟练掌握智能控制的基本定义、系统内涵、工作原理、应用实践以及涉及的计算智能算法，才能适应当前创新创业国策和新兴产业对专业技术人才的现实需求[2]。然而，当前的智能控制与计算智能课程教学中仍然存在一些问题或者不利因素，需要与时俱进的改革勇气来进行教学创新，方可在教师的教学质量和学生的学习效果上取得实效。这主要体现在：智能控制和计算智能的理论分支较多、课程内容复杂、概念抽象、入门较难。同时，智能控制与计算智能课程所涵盖的前沿技术、最新应用、发展趋势也处于不断演化之中，这本身也对该课程教学过程及效果带来挑战性影响。显然，开展智能控制与计算智能教学改革与创新是十分必要的，更是培养卓越创新人才的当务之急。

2 智能控制与计算智能课程的教学目的和教学任务

智能控制与计算智能的教学目的是以智能控制方法和计算智能算法为主线，使学生学习和掌握智能控制的基本理论、常用方法和典型应用，从而为控制问题的解决提供计算智能算法理论，为智能控制技术在智能机器人、工业控制、智能制造、新能源系统中的应用提供基础理论和工程应用实践知识，为其他相关课程学习以及后续的毕业设计、工程技术开发、科学研究打下坚实的专业基础。因此，智能控制与计算智能课程的教学任务需要从理论和应用两个角度引导学生[1]：①了解智能控制的基本定义、内涵、发展历程、主要分支、功能特点、研究工具和典型应用；②掌握专家系统的基本构成、专家控制的基本原理和专家PID控制应用；③掌握模糊数学中模糊集合、隶属函数、模糊关系、模糊推理等基础理论；④掌握模糊控制的基本原理、模糊控制器设计、模糊自适应PID控制、洗衣机模糊控制应用、单级倒立摆模糊控制应用以及模糊控制发展趋势；⑤掌握简单、间接、直接自适应模糊控制器设计及其适用问题、机器人关节自适应模糊控制方法；⑥掌握人工神经网络基本原理、分类、学习规则、特征要素及研究领域；⑦掌握两类基本的人工神经网络及其应用：BP网络和RBF网络；⑧掌握三类高级神经网络：模糊RBF网络、CMAC神经网络、Hopfield网络；⑨掌握神经网络控制结构分类、針对不同应用问题的RBF神经网络设计；⑩掌握典型计算智能算法的基本原理、构成要素、参数设置、基本流程以及典型应用；?掌握迭代学习控制的基本原理、基本控制算法、机器人手臂迭代学习控制仿真和线性时变系统迭代学习控制仿真。从教学目的和教学任务看，智能控制与计算智能课程具有理论性强（每个智能控制分支都有独立的理论支持）、实践性突出（以应用问题为中心的智能控制设计）、涵盖范围广（从定常系统到时变系统、从家电控制到机器人控制）等特点。如何让学生在学习智能控制专业理论知识的同时，又能扎实地掌握智能控制应用系统的设计技能，成为智能控制与计算智能课程教学亟待解决的问题。

3 智能控制与计算智能课程教学面临的任务和挑战

近年来，教育部大力实施“双一流”建设、创新创业教育、大学生创新实验计划、卓越工程师计划、产学研合作教育计划等，为高素质、高质量专业技术人才培养注入新动能。在“中国制造2025”推动下，产业界和社会对毕业生的选拔、招聘更加注重创新思维能力、技术创新能力和工程实践能力，学生对智能控制的学习兴趣旺盛，这为智能控制和计算智能课程教学改革提供了难得的契机。许多高校通过“外引内优”创新机制，一方面引进优质师资力量、带来智能控制国际前沿技术，另一方面加大人财物投入、完善实验教学环节、建设产学研合作教育基地，努力构建鼓励学生参与智能控制工程实践、应用开发和科学创新的学习环境。尽管如此，智能控制与计算智能课程教学改革仍未完成，尚面临诸多挑战：①教学理念亟待创新。传统的智能控制与计算智能课程教学始终以教师为主体，以教材为纲要，以智能控制器设计为中心，按照基本原理—工作流程—问题描述—算法分析与设计—仿真实例的套路开展，属于典型的单向传授型教学模式。这种教学模式忽略理论和实践的双向结合、忽略教师与学生之间的双向互动、忽略课堂知识与课外应用的有机衔接，这显然违背智能控制与计算智能教学任务的内在规律，难以取得好的教学效果。②学用结合亟待加强。智能控制与计算智能涉及的控制方法和应用案例较多，过去在课程教学之后往往只是安排一些典型的验证性实验。在实验指导书和实验装置固化的前提下，绝大多数学生无需开动脑筋就可以完成智能控制实验任务。更有甚者，由于条件限制放弃了实验安排。显然，这样的实验教学效果和教学目标设计是相悖的。如何设计一些有关智能控制的创新实验，让学生最大限度地参与其中，或许不失为一条实现学用结合的参考途径。③灵活善用缺乏。智能控制，特别是计算智能课程参考资料较多，许多学生崇尚拿来主义，认为只要利用计算智能算法实现对智能控制器的最优化调节，就可以实现智能控制系统应用。确实，这对于一些比较简单的控制问题是可行的，但是绝大多数问题都并非简单控制问题。在这种情况下，如果再简单地套用智能控制方法，或许无法实现系统的智能控制理想效果。因此，如能引导学生从控制系统设计的内涵去理解智能控制方法，或许才能做到真正的灵活善用，也才能成为一名合格的控制应用工程师。endprint

4 智能控制与计算智能课程教学改革建议

根据前述的分析，针对智能控制与计算智能课程的教学任务和要求，以学生为中心、以教师为支撑，提出一种以问题为导向的教学方法：一方面，采用基于问题的教学方法（problem-based teaching，PBT），革新教师的教学理念，激发教师的教学热情和科学性；另一方面，采用基于问题的学习方法（problem-based learning，PBL）[3-4]，聚焦学生的课程学习目标，调动学生的学习积极性和主动性。PBT教学法和PBL学习法的交互作用，可以优化智能控制与计算智能课程教学内容和结构，从而更好地促进学生对智能控制应用和计算智能算法设计能力培养。

（1）适用于教师的问题PBT教学法。PBT教学法主要致力于强化教师在教学活动中的科学调控作用，教师不仅仅是教学内容的传授者，更是教学活动的总导演。鉴于智能控制与计算智能课程多学科交叉、知识点新颖、概念抽象、应用广泛，这就需要教师从资料收集、教材选定、教学方案设计、备课讲授、课堂互动、作业辅导、教学反馈等教学链条上注重问题提炼、问题引导和问题解剖，始终做到有的放矢，牢牢把握课堂教学节奏。对于单一章节（如模糊控制）的教学，教师注重阐述应用问题或者理论问题的缘起和背景，通过收集、整理和分析大量的背景资料，列出从现实背景到应用问题或者理论问题的过渡知识路线，有助于激发学生思维走向问题中央。对于前后关联章节（如神经网络）的教学，注意在问题设计上进行分解，使得每章的问题设计既有区别又有关联，这样有利于学生在解读问题时形成自然过渡思维。

（2）适用于学生的PBL学习法。PBL学习法主要致力于学生以解決问题为目标的主动学习和内生动力的构建。实际上，在教师的主导下，从阅读预习、课堂思考、作业练习到复习提高都涉及一个又一个问题，这都需要学生去分析问题和解决问题。在这个分析、解决问题的过程中，学生实现了基于智能控制与计算智能课程教学内容的文献资料查阅、分析思考和交流讨论，进而增强课程学习的目标性、自觉性和主动性。需要指出的是，学生在问题学习法中需要注意对智能控制问题和计算智能算法拟解决问题进行归并排序和分解细化，这有利于学生能力与课程教学不同阶段、不同深度相适应，从而有利于构建完整的课程知识学习体系。

（3）融合PBT和PBL的教学互动法。在上述PBT教学法和PBL学习法的基础上，通过教师与学生的有效互动，可以加快课程知识和问题诱导从教师向学生的快速迁移，从而大幅度提高教学成效。如教师要求学生以小组为单位，在给定的问题列表范围内开展自主选题，并在有限的时间内确定解答方案、陈述解答过程，不仅锻炼学生小组与教师之间的教学互动能力，还促进学生之间的学习互补能力。又如教师要求学生以个人为单位，在课程教学内容范围内自主选定主题，通过收集资料、消化、分析资料，在给定的时间内完成与其他更多学生之间的主题分享并接受教师的点评，这极大地锻炼了学生的自主钻研能力和师生互动能力。再如在课程教学结束时，要求每一位学生运用智能控制与计算智能课程中的方法或者算法，独立完成一项课程设计。教师在课程设计选题、方案确定、理论分析、实验开展、设计报告撰写等环节逐一地与学生进行互动讨论，有条不紊地引导学生沿着课程设计拟解决的问题由浅入深地进行下去，实现真正意义上的教学互动。通过PBT教学法和PBL学习法的交互渗透，有利于学生对课程教学内容高效地理解、消化、吸收，有利于促进学生创新性思维和智能控制工程实践能力的形成。

5 结 语

实践表明，这种新型教学改革方案，提高了学生的学习主动性和教师的教学积极性，取得了十分积极的教学效果，为后续的课程学习和就业乃至创新创业打下坚实的专业技术基础。

参考文献：

[1] 刘金琨. 智能控制： 第4版[M]. 北京： 电子工业出版社， 2016.

[2] 谢敏， 卫东， 高坚， 等. 智能控制课程教学的改革与实践[J]. 学周刊， 2012（7）： 5.

[3] 张允， 侯丽华， 张运波， 等. PBL教学法在“智能控制技术”课程教学中的应用[J]. 中国电力教育， 2013（34）： 77-78.

[4] 齐晓慧， 王永川， 董海瑞. 问题教学法在智能控制教学中的应用研究[J]. 工业和信息化教育， 2013（8）： 35-38.

（编辑：史志伟）endprint