面向应用型人才培养的《系统辨识与自适应控制》课程教学改革研究

李伯群 范璇 姜冠杰

摘  要：《系统辨识与自适应控制》是控制领域研究生的重点专业选修课程，在自动化领域中占有十分重要的地位。此课程在建立应用型研究生研究理论问题的逻辑思维模式和提升硕士研究生的学术水平及应用能力等方面具有积极作用。文章结合对应用型人才的培养要求及《系统辨识与自适应控制》课程的实际特点，提出了明确的教学目标，通过课程团队精英化，教学内容模块化、案例化，教学方法多元化，考核方式细致化等途径，进一步启发学生控制理论思维，培养学生的创新能力和实践应用能力，从而切实改善教学效果。

关键词：系统辨识;自适应控制;教学改革

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）30-0138-03

Abstract： System Identification and Adaptive Control is a key professional elective course for graduate students in the field of control. At the same time， it plays a very important role in the field of automation. This course plays an active role in establishing the logical thinking mode of applied graduate students' theoretical problems and improving their academic level and application ability. Based on the training requirements for application-oriented talents and the actual characteristics of the course process identification and adaptive control， this paper puts forward a clear teaching goal. Through the ways of course team elite， teaching content modularization， case study， teaching method diversification and examination method meticulous， it further inspires students to control theoretical thinking， and cultivate students' innovation ability and practical application ability， so as to improve the teaching effect.

Keywords： system identification; adaptive control; teaching reform

“卓越工程师教育培养计划”和工程教育专业认证的提出体现了我国对工程应用型人才培养的高度重视，其目的是打造更多具备专业化知识结构和实践背景的工业化发展急需的应用型人才，要求该类人才具有充分的实践经验积累，能够在生产一线解决重要的技术问题，同时，也对其设计和研发方面的综合能力提出严格要求，從而能够使高校学生与企业充分有效对接[1]。

《系统辨识与自适应控制》课程是融合了“系统辨识”与“自适应控制”两个新的学术方向的科目，其均属于现代控制理论范围的自动化学科，对学生分析动态控制系统特性和解决工程问题的能力培养方面，具有十分重要的作用。本文在培养工程应用型人才的背景下，遵循该课程基本教学规律，在教学队伍、教学内容、教学实践、教学载体等方面不断完善与革新，使本课程的理论与应用方法能够在研究生的科研活动和生产活动中得以广泛应用。

一、《系统辨识与自适应控制》课程特点及教学情况

《系统辨识与自适应控制》课程，我校开设于2000年，是控制工程专业研究生的专业选修课程。本课程重点在于将系统研究的对象模型化，能够自主论述建立模型的理论和方法，并建立能够描述系统动态特性的数学模型。自适应控制的对象是不确定的系统，即其过程动态特性、被控对象、数学模型具有不确定性，是经常变化的，因此，可用自适应控制来解决其常规反馈控制效果不佳的动态问题[2]。该课程覆盖内容广泛，理论教学和实际分析、应用性极强，要求具有良好的学科基础，这对教学造成了一定程度上的困难，只有将理论吃透并可独立分析实际案例，才可逐渐领悟本课程的精髓和控制逻辑思维。目前，该课程存在的较为突出问题如下：

1. 作为控制工程专业研究生的重要选修课程，《系统辨识与自适应控制》课程应更加突出在专业研究与实践领域的应用。长期存在的“重理论，轻应用”的问题解决得还不够理想。尽管在这方面已经做了许多探索，但在实际应用仍然是薄弱的方面，这主要受限于教学大纲设定、课时有限以及考核方式侧重点，此问题有待在教学改革中进一步加强。

2. 该课程教学方式较为传统且单一，如按部就班地依照指定教材进行灌输式教育，非但学生无法学会动态系统的数学模型建立，更无法领略控制方法的精髓及如何选用适当的控制策略对系统进行有效控制。同时，这种传统的灌输式教育会对学生和教师产生双重负面影响。学生方面，弱化学生对知识的掌握和理解能力，从而导致学生的学习兴趣降低、主观学习动力不足;教师方面，将传授知识的过程程式化，导致课堂气氛缺乏活力，很难使学生的创新性思维能力得到真正的锻炼。由于以上多方面因素的影响，致使传统的、单一的、灌输式教育方式无法达到该课程的预期效果。

3. 本课程要求将课堂教学、理论研讨和案例分析相结合，组织课程论文的公开讨论。在目前课时有限的条件下，无法将课程全部内容进行精讲细讲，故必须进一步精简课堂讲授，加强课外辅导及网上资源教学资源共享，充分结合线上和线下两种教育方式开展该课程的理论与实践教学。

4. 通常情况下，课程的考核形式是以笔试成绩来决定，此考核方式也是大多数课程的考核首选，但在一定程度上略显僵化和片面，容易使学习模式和教学模式流于“应试”，不过，针对纯理论基础的课程考核效果还是较为明显的。然而，对于一门工程背景极强的《系统辨识与自适应控制》课程而言，此考核方式则不够合理，不仅不利于学生对课程内容的深入理解，也不利于对学生综合素质能力的培养与提升，反之，很有可能使学生的学习方向产生偏差，误将理论知识视为重点。由此，制定与该门课程相适应的新的考核体系是体现课程侧重点的方式之一，也能够使学生进一步明确学习方向，领略课程精髓，达到真正意义上的教学目的。

以上四点是我校开设该门课程以来较为突出的问题，在教学改革过程中，教师团队长期致力于寻找最优教学模式和有效的考核方式来提升课堂效果和学习成果，真正帮助学生做到学有所用，以打造出符合工程应用型人才培养的精品课程。

二、课程教学改革思路及措施

鉴于《系统辨识与自适应控制》课程在教学过程中存在的问题，本文则以培养工程应用型人才为出发点，从教学团队的打造、教学目标的调整、教学内容的整合、教学手段的丰富和教学效果考核等方面提出改革思路和措施，为更好地打造工程应用型型人才提供理论与实践的双线支撑，逐步改革工程应用型人才培养方式[3]。

（一）提升教学团队综合能力，优化课程体系

加强本课程教师队伍建设是提高精品课程建设质量和水平的关键和根本所在，要形成以本课程的骨干教师为龙头，双师型教师为主体的教师团队。课程教学团队经过近20年的反复磨合调整已逐步成型，并根据研究生培养计划的实际需求和教学目标的不断提升，该教学团队已在理论基础、实践应用等多层次方面吸纳教学经验丰富和科研能力强的青年教师参与教学，并充分利用校内、外资源，团队成员轮流进修，互相交流，拓展研究视野，从而提升教学技能，现已形成一支稳定、高水平、新思路的教学团队。同时，经过对课程关键环节的定位和分析，逐步调整教学大纲，制定出符合工程应用型人才培养方向的教学目标，教学体系逐步得到完善，使《系统辨识与自适应控制》课程与研究生阶段开设的其他课程有机衔接，提供了本课程教学过程中的必备知识储备、理论基础及研究方向。

（二）转变教学模式，整合教学内容

理念的正确定位是课程改革过程中的方向标，直接决定着改革的成功与否。针对《系统辨识与自适应控制》课程的改革，教学团队决定以工程应用型人才培养的要求为依托，融入以学生发展为中心，以学生能力提升为导向的OBE理念，将培养学生的实践应用能力置于教学首位[4]。OBE理念教学模式完全打破了传统教育模式的局限性，第一点，制定教学目标的侧重点不同，传统模式关注Input，即教学内容、学习的时间、学分和学习的过程，而OBE教育模式的焦点聚集在Output，即如何取得和评估学习成果;第二点，课程主体不同，由以教师、教科书为中心的被动学习，转变成以学生为中心的主动学习，前者主要是以教师的个性为驱动，表现更多的是教师的主观臆断，故缺乏连续性，后者则以学生的不断反馈为驱动，可使教学和过程可持续性改进;第三点，传统教育模式以考试分数作为评价学生专业能力的唯一依据，而新的教育模式可实现基于学习结果的多种评估，并实现在多個专业领域进行学习、辅修，具有灵活性。由此可知，OBE教育理念的引入完全打破了传统教育模式，更进一步符合工程应用型人才的培养要求。

随着教学模式的改革，教学团队通过与学生的交流反馈，精心设计并调整了符合当代学生特点、适应时代需求的教学内容，使课程教学更加完善，符合培养控制领域应用型和创新型人才的需求。本课程的教材选用方面，更加突出了教学内容的针对性和实用性，由单一性教材选用转向融合性教材选择，本课程选用清华大学方崇智教授主编的《系统辨识》教材、北京科技大学舒迪前主编《自适应控制》教材。以刘金琨教授2016年主编的《先进PID控制技术及MATLAB仿真》为辅助教材，书中的自考题， 例题和案例分析均为学生的研究性学习和自主学习的开展提供了资料清单。同时，将北京科技大学孙一康教授《冷热轧板带轧机的模型与控制》一书作为扩展性资料使用，结合鞍钢1700ASP热轧现场，做到理论与实际相结合。通过合理整合优化教学内容，将《系统辨识》与《自适应控制》两门课程有效融合。

《系统辨识与自适应控制》课程具有强理论性、强应用性、理论内容繁多，算法难等特点。为打破该课程教学的瓶颈，使学生掌握课程基本理论、动态系统建模、设计思路和控制策略的正确选用等，教学团队通过反复实践与思考，决定通过实验，初步采用系统辨识建立过程模型的方法，引导学生学习自适应控制的基本概念、系统的构成原理，掌握模型参考自适应和自校正自适应控制这两类主要的自适应控制系统，并通过实例了解自适应控制在工艺过程控制的应用等[5]。该课程重点主要有最小二乘法建模、神经网络建模、PID参数整定、模型阶次确定及神经网络初始权值的选择等。在授课过程中，将课堂基础理论和方法的讲授与现场实际讲解相结合，课堂教学与学生的实践相结合。在实践教学方面，不断完善课程团队的师资力量，更新教学案例，加强案例讨论内容和过程管理，注重模型计算与工业现场分析相结合，要求学生课后要查阅大量资料进行数据分析，形成课程论文。通过课程论文的写作培养学生应用过程辨识分析方法解决实际自控问题的能力，论文经授课教学指导与修改投向国内外主流杂志进行发表，成效显著。真正做到从课堂中培养学生的实例分析能力、工程问题解决能力以及系统科学与控制思维，尤其是在学习的过程中，提高学生的适应能力和创新能力[6]。

（三）丰富教学手段，制定多种考核方式

《系统辨识与自适应控制》课程在以往教学模式的基础上，不断改革创新，采用理论研讨、案例精讲、探究与协作多方结合的模式进行授课，有效地将理论教学延伸至实践环节。根据不同时代的学生特点、教学内容整合与规划以及教学目标的完善，采用形式灵活、效果最佳的教学方法，例如，针对理论性难点内容，如辨识与估计等内容，重点进行精讲、精读，充分研讨，案例剖析等教学形式。对一些理论及实践中争议和质疑较多的知识点进行重点研究，前沿引领。并结合其他研究生方法论课程，进一步探讨其核心思想。具体教学手段如下：

1. 传统教学与多媒体教学相结合。从多媒体教学模式的自身优势来看，多媒体模式讲授《系统辨识与自适应控制》，一方面，有效扩充课堂的信息承载量，另一方面，使课堂教学由刻板、单一化变得形象化、生动化。同时，适时地、有选择性地运用板书教学，做到重、难点内容精讲、细讲，使学生更加透彻、精确的掌握课堂内容。

2. 讨论教学。在保证正常教学的基础上，穿插四分之一的课时进行讨论模式教学，使教学方式彻底打破传统的“灌输式”，转变多种教学形式有机结合，例如：精讲、案例、讨论等方式。学生由被动式学习转为主观学习，重视学习成果，激发学生的学习兴趣。

3. 网络教学，将教学课件、作业详解、教案、案例分析、现场视频等传至校园网，方便学生有针对性的课下复习、自学，弥补课堂教学的不足。同步建立网络互动平台，可畅通师生之间的沟通，提供随时解决学生提出问题的便捷通道。

该课程改变以往的专注理论知识的考核模式，打破传统考核的单一化模式，将学生能力的培养作为该门课程的终极考核目标。改革后的课程考核体系由笔试成绩、课程研讨成绩及论文成绩三部分组成，其中分别占50%、30%和20%，在考核学生理论知识掌握程度的同时，着重考察了学生的应用能力，为培养工程应用型人才打下了基础。同时，题型方面也要做出相应的调整，题型设计多样化，拓宽题目覆盖专业面，例如：单纯记忆性纯理论题目的减少，增加案例分析等实际应用型的考题，尤其是针对动态系统建模和实际工程问题解决方面的考察方面，应给予侧重。由此，课堂知识传授方式的多样性和考核模块的合理化组合，使学生的自主学习能力得以有效提高， 并对如何进行实证分析在专业的角度有了更好的理解。

三、结束语

《系统辨识与自适应控制》课程在教学改革过程中，紧密跟踪现有理论的新发展，不断更新教学内容，与国际接轨;在基本理论体系完整的基础上，坚持“重思想、重方法、重思维训练”的原则，能快速地提高本课程在国内同类课程中的水平。目前，本文所提出的教改意见已逐步在实际教学过程中实施，将“成果为导向、学生为中心、持续改进”的教学理念深入到教学和实践中去，做到理论与实际相结合，使学生能在实际工作中，完成系统辨识工作，并在此基础上实现自适应控制。本次教学改革提高了该课程的教学效果和教学质量，使系统辨识与自适应控制课程向着培养高质量工程应用型人才的方向持续发展。

参考文献：

[1]王许云，陈克正，刘福胜，等.新工科背景下应用型人才培养改革探索[J].山东化工，2019，48（21）：171-172.

[2]王建国.《系统辩识与自适应控制》课程教学改革探讨[J].科技信息，2010（36）：11-14.

[3]王颖.基于应用型人才培养的高等数学课堂教学改革研究[J].教育进展，2019，9（02）：82-85.

[4]陈丹江，樊慧丽，杨亚萍.基于OBE理念的电气工程专业改革思路[J].电气电子教学学报，2019，41（6）：37-40.

[5]张彤，孙燕楠.《智能控制》研究生课程的教学改革方法研究[J].教育教学论坛，2019（48）：101-102.

[6]王永秀，雷建和，劉素花.“过程控制系统”教学改革研究[J].科技视界，2019（27）：113-114.