魏利胜 邓雄峰 陆华才
摘 要:研究生课程教学对掌握专业理论知识、提高科研实践能力具有重要的意义,是研究生教育的重要构成部分。针对当前研究生“智能控制”课程教学过程中存在的问题,以安徽工程大学研究生“智能控制”课程建设为契机,从课程理论教学、实践安排以及考核方式等方面的一些经验进行了总结和分析,提出了相应的改革策略,为其他相关课程教学提供参考。
关键词:智能控制;创新人才;教学改革
中图分类号:G642 文献标识码:A
Teaching Reform of Intelligent Control Course for Postgraduates
under the Mode of Cultivating Innovative Talents
Wei Lisheng Deng Xiongfeng Lu Huacai
School of Electrical Engineering,Anhui Polytechnic University AnhuiWuhu 241000
Abstract:Graduate course teaching is an important part of graduate education,which is of great significance to master professional theory knowledge and improve scientific research practice ability.Aiming at the problems existing in the teaching process of "Intelligent Control" course for graduate students,and taking the course construction as an opportunity,the experience in the course construction such as the course theory teaching,practice arrsngements and examination mode were discussed and summarized.And the reform strategies were provided as reference for other related courses.
Keywords:Intelligent Control;Innovative talents;Teaching reform
研究生教育是更高層次的高等教育,是我国高等教育的重心所在,研究生基础理论课程学习对指导工程创新研究有着非常重要的作用,同时是锻炼研究生创新能力的关键[1]。研究生教育主要由理论课程教学、实践教学以及工程实习活动三个部分构成,其中理论课程教学是基础[23]。近年来,我国研究生招生规模正不断扩大,探讨如何提高硕士研究生的培养质量,全面、深入改革现阶段硕士研究生教学模式,实现理论教学与实际科研活动的高度结合受到越来越多高等教育人士关注。
随着被控对象的非线性化、复杂化,控制任务的多目标要求,智能控制作为一门新兴的控制理论,是继古典控制理论、现代控制理论后自动控制理论发展的高级阶段,主要用于解决传统控制策略难以解决的复杂系统控制问题,在一定程度上代表着当前国际控制理论的研究前沿,因此提高研究生“智能控制”课程教学质量具有非常重要的意义。
1 “智能控制”理论教学安排
考虑到“智能控制”课程的内容覆盖面广,知识点较为抽象,很难在教学过程中把握重点[4]。而智能控制作为控制理论发展的高级阶段,其存在多学科交叉、理论性强、方法繁多的特点[5],且选修“智能控制”课程的研究生来自不同本科专业背景,部分研究生对该课程理解非常浅显,甚至并没有接触过。如何有效地将理论知识和课题研究以及工程实践结合起来,帮助研究生在有限的课内教学时间里,最大限度地理解并掌握智能控制的精髓值得探索,也对“智能控制”课程教学提出了新要求。
为此,对本课程的理论教学内容设置与实践教学案例建设进行了思考和探索,为合理安排教学课时,通过对中国知网论文数据库以篇名调查统计,发现从2000年至2022年,篇名含有模糊控制、神经网络控制、专家系统控制、遗传优化算法年度论文发表数量图及总比例图分别如图1、图2。
从图中可知,近些年神经网络控制方面的论文一直居高不下,模糊控制和遗传算法也保持着一定的研究热度,专家系统方面的研究相对较低,为此,在课程建设考虑理论与实际研究的均衡,理论教学总学时安排为32个学时,教材选用湖南大学王耀南、孙炜主编《智能控制理论及应用》,主要讲授模糊控制、神经网络、专家控制技术等方面内容。其中:(1)模糊控制是由美国Zadeh教授于1965年首次提出,将人类专家对特定对象的控制经验,运用模糊集理论,实现对被控对象的控制;(2)神经网络由McCulloch教授和Pitts教授于1943年最先建立MP模型为基础,利用人工神经元按一定的拓扑结构互连,实现仿人控制;(3)专家系统是由Feigenbaum教授及其研究小组于1968年研制,DENDRAL系统标志着专家系统的诞生,通过模拟人类专家推理思维过程,由知识库、数据库、推理机、解释器以及知识获取器五个部分组成;(4)遗传算法由美国Holland教授提出,借鉴生物进化规律,实现自行组织搜索的优化方法[6]。具体课时安排如图3所示。
课程教学内容是实现理论教学目标的重要载体,在一定程度上决定了该课程教学质量的高低[7]。为了实现整体培养目标,课程教学内容需要不断优化更新,既要体现“系统”性,也得反映“前沿”性。因此,硕士研究生“智能控制”教学内容需不受学科传统知识局限,时刻关注国际研究动态,跟踪发展趋势,适当介绍当前发展迅速的深度学习理论及其应用,拓展研究生的视野。
2 “智能控制”实践教学改革
强化实践教学环节,对实践内容进行优化调整,培养研究生的创新能力和动手能力。同时,针对研究生缺少对“智能控制”课程的感性认识的问题,鼓励研究生自主学习,充分利用课余时间复习、预习,并有针对性地预留课外作业,以巩固研究生理论知识的掌握。
为了提升研究生的实践创新能力,开展针对不同研究对象的智能控制仿真实验是非常有必要的[8]。为此,对常用控制对象进行了相关调研,结果如下图所示。
从上图可知,近些年以四旋翼无人机、无人艇以及电机为控制对象的研究越来越受到科研工作者的青睐和关注,传统倒立摆作为被控对象的研究逐渐减少,为此,教学大纲中增加无人机/无人艇模糊控制及仿真、四旋翼无人机BP神经网络建模仿真以及基于神经网络模型的磁滞同步电机预测控制等,这种以贴近实际工程应用对象,将实际工程案例引入实践教学中,帮助研究生提高对智能控制方法的理性认识,可有效激发研其学习兴趣,培养其解决实际工程问题能力,便于日后就业。
3 “智能控制”考核方式改革
实施合理的课程考核方式不仅能体现教学效果的优劣,且能构建完善的教学实施和管理体系,有效提高课程教学质量[9]。因此,注重“智能控制”课程教学过程考核,对考核方式进行改进,拟采用多元化、开放性考核模式[10]。同时考虑到智能控制理论性较强,为避免“一张试卷定乾坤”带来的弊端,“智能控制”课程考核成绩采用多元化方式,包括:项目汇报与讨论成绩(30%)、仿真实验成绩(30%)和期末考试成绩(40%)。其中:项目汇报和讨论考查研究生对相关学术论文的理解和消化能力;仿真实验则考查研究生运用所学智能控制方法,根据不同被控对象,编写程序解决其实际动手能力;期末考试则考查研究生对基本理论的掌握程度,运用所学知识解决问题的能力。这种考核方式和比例的改革,强化了学习过程考核,提高了平时成绩所占比重,有效避免了研究生轻平时重期末的心理,给研究生一定的学习压力,调动了研究生的学习主动性,有意识地培养其创新思维。
结语
综上,智能控制是人工智能、控制论、系统论和信息论等多学科综合与集成的新兴交叉前沿学科[11]。我们在借鉴国内相关高校“智能控制”成功教学经验,研究制定新的大纲,不断开发新的实验案例,让研究生通过本课程的学习,掌握有关模糊系统、神经网络、专家控制技术以及优化算法等的基本原理和基本方法,以及用以解决实际问题的基本思路与方法,同时让学生了解智能控制学科发展的方向和前沿,培养学生形成明确的科研探究的能力,为培养敢创新、会创造的高质量人才对“智能控制”课程教学改革和实践做了有益探索。
参考文献:
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[11]李莹,于水娟,趙佰亭.智能控制基础课程教学改革与探讨[J].科技视界,2019(10):130131+142.
资金资助:本文得到安徽工程大学研究生教学改革与研究重点项目(项目编号:2021jyxm001);安徽省高等学校省级质量工程项目(项目编号:2022jyxm137)的资助
作者简介:魏利胜(1978— ),男,汉族,安徽巢湖人,博士后,安徽工程大学电气工程学院教授;邓雄峰(1986— ),男,汉族,安徽宿县人,安徽工程大学副教授;陆华才(1975— ),男,汉族,安徽天长人,安徽工程大学教授。