智能控制理论课程的教学分析与改革

刘成林

江南大学自动化研究所 江苏无锡 214122

作者：刘成林，博士，副教授，研究方向为多自主体智能协调控制。

近30年来，智能控制引起众多控制界学者的关注，现已发展成为控制理论中的一门新兴学科[1]。由于智能控制在社会生产中所体现出的巨大研究价值和广阔应用前景，智能控制基础这门原先只在研究生阶段才开设的课程，现在已经出现在众多高校自动化相关专业的高年级本科生的教学计划中，从而本科智能控制课程教学也引起越来越多的重视。本文根据笔者在本科智能控制基础课程中的教学实践，对该门课程的特点、难点和教学目的进行深入分析，介绍一些具体的解决办法与途径。

1 课程特点及教学目的

智能控制基础是工科自动化相关专业的重要选修课程之一，其目的是使学生在学习自动控制原理和现代控制理论等基础理论课程之后，对控制理论前沿发展方向有所了解和学习。作为专业提升课程之一，智能控制基础课程特点是：理论性偏强、过于抽象；内容丰富、涉及广泛，包括模糊数学与模糊控制、人工神经网络与神经网络控制以及遗传算法等前沿学科理论。

对于大学本科生而言，通过本课程的学习应该使学生能够掌握：智能控制理论的基本概念，主要智能控制分支及其特点，如模糊控制理论基础、神经网络模型及控制、遗传算法，以及智能控制系统设计的仿真工具、原理和实现方法[1]。

2 本科智能控制教学的特点及存在问题

目前，选修智能控制课程的主要是自动化相关专业。在完成自动控制原理、现代控制理论、微型计算机原理等基础专业课程之后，开设智能控制基础课程，使本科高年级学生了解本专业的先进理论、应用前景和发展方向。因此，教学过程中要注意内容的应用性、实践性和专业性。

同时，为了使本科高年级学生在就业和考研等的选择方面做出正确决断，教师在教学过程中要适时进行科研指引，使学生保持对科学研究的兴趣，选择适合自己发展的就业岗位，并为继续攻读研究生的学生打下进一步深入研究的坚定基础。

然而，在当前的本科生智能控制教学中，还普遍存在一些亟待解决的问题。

2.1 教材和教学内容的选择不适当

目前，很少有针对自动化相关专业的本科生而专门编订的智能控制教材，现有教材都是针对控制理论专业的硕士和博士研究生，其特点主要有：教材仅注重理论概念和公式推导，具体设计示例偏少；概念抽象，公式复杂，与本科选修课教学要求不符；智能控制分支之间联系不够紧密。在教学中，教师在课堂上按部就班地讲述教材内容，而学生对教师所选教材很难理解，在预习和复习方面都存在困难，所以往往导致学生对智能控制知识的理解不够牢固和深刻。

2.2 课堂气氛沉闷

由于智能控制课程具有理论性强和内容抽象的特点，大部分教师把精力都放在讲授理论知识、概念和公式推导上，并把完成教学内容作为教学目标，忽视对学生创新能力和实践能力的培养，进而导致学生很难将智能控制应用于实际系统设计中。此外，很多教师都采用多媒体课件进行教学，课堂上一味地演示文稿，缺乏与学生的交流和互动，致使课堂气氛沉闷、教学效果差。

2.3 教学脱离专业基础知识

自动化相关专业学生对自动控制原理、现代控制理论、模拟电路、计算方法、概率等专业知识掌握比较牢固，理解比较深刻。许多教师在进行智能控制教学过程中，为了突出该课程的新颖性和独特性，往往脱离学生所掌握的专业基础知识，致使学生感觉完全在学习一门彻头彻尾的新理论和新方法，掌握起来非常困难。

2.4 学生对仿真设计软件陌生

在本科教学过程中，智能控制系统的设计主要基于仿真软件（如Matlab软件[2]、LabView软件[3]等）来展示，学生通过仿真实验来掌握智能控制方法，进而加深对智能控制理论的理解。然而，大多数本科生对这些仿真软件都比较陌生，很难对智能控制进行仿真研究，所以无法完成教师所要求的实验内容。

3 教学改革措施与途径

由于课程的复杂性和理论性偏强、教学对象自身特点、教学过程中存在的问题，大学本科学生学习过程中重点存在难以理解、枯燥无味、兴趣不足等问题。然而，智能控制理论与方法将在自动化相关专业的本科生培养计划中占据越来越重要的位置，智能控制的教学改革已经受到越来越多高校教育工作者的关注，也提出相应的改善方法[4-10]。笔者结合自身在教学实践中的实际情况，介绍一些具体的智能控制课程教学改革的解决措施和途径。

3.1 简化教学内容，注重理论思想，简易示例演示

智能控制基础作为自动化相关专业的专业提升课程，教材和教学内容的适当选择对教学效果有至关重要的影响。智能控制课程具有前沿性、抽象性和理论性强等特点，相关内容极其广泛。然而，作为一门本科生选修课，教师在教学内容的选取方面应该做到：注重控制思想的融会贯通，减少繁琐公式的推导和采取简易示例演示，从而提高学生的学习兴趣。在实际教学中，可以采用一些具体的简易示例来展示智能控制器的设计，如二阶线性系统的控制器设计，使学生了解智能控制设计的思想内涵，如模糊控制PID控制器的设计思想为自适应调节控制参数，BP神经网络的设计思想为逆向迭代算法，等等。

3.2 紧密联系专业基础知识和工程应用

智能控制基础课程是在经典控制理论（自动控制原理）和现代控制理论等传统控制理论基础上加强和提升学生控制思想和方法，其更注重实践应用。教师在教学过程中应该将智能控制紧密联系专业基础知识，不时将两者进行对比、对照（模糊数学理论与概率论进行对比，神经元模型和控制系统框图中的综合点对照，遗传算法与寻优计算方法对比等），从而加深学生对智能控制基本概念的理解。同时，为了巩固学生对智能控制理论的理解和增强学生的学习兴趣，教师应该更注重从工程应用角度来引出智能控制概念，并通过具体实例来说明智能控制如何应用，如模糊控制在家用电器中的应用，这样更能激发学生的学习积极性。

3.3 综合各种教学方法，活跃课堂气氛

众所周知，采用适当的教学方法和手段来活跃课堂气氛也可以获得比较好的教学效果。根据智能控制课程的特点，达到良好教学效果的前提是授课者要深刻理解教学内容、充分备课。同时，授课时要注重教学方法的改进，不能一味地演示文稿或抄写板书，应综合各种教学方法来活跃课堂气氛和调动学生的学习积极性：课堂上提出适当问题激发学生思考、讨论和回答，通过互动来活跃课堂气氛；采用多媒体教学，不能局限于播放幻灯片，应该积极运用其他形式的多媒体，如动画、音响和录像，通过生动的教学内容来引起学生的关注和兴趣；适当采用双语教学，中文教学为主，英语教学为辅，使学生具有独立学习国外先进理论知识的基础，了解智能控制理论的发展动态[9-10]。

3.4 加强仿真软件学习，重视实验教学

对于工科院校的自动化相关专业，智能控制基础课程除了要求学生了解理论知识外，还要求学生掌握智能控制系统的设计方法，为本科毕业设计和研究生学习打下良好基础，所以智能控制教学必须配备相应的实验教学。目前，智能控制的仿真实验平台有很多，应用相对比较广泛的有Matlab和LabView仿真软件[2,3]。运用Matlab和LabView软件包含的智能控制工具箱和库函数，如模糊控制工具箱，可以轻松设计智能控制器，并将其应用到系统控制中，使学生直观感受智能控制的优越控制效果；同时，为了让学生更深入了解智能控制算法的实质，鼓励学生利用Matlab软件的M语言和LabView软件的G语言自行编写智能控制算法程序，如BP神经网络的程序编写，进一步加深对理论的理解，激发学生创新性和主动性。

4 结束语

通过分析智能控制课程的特点和教学目的，并结合自身教学实践，笔者指出本科教学中存在的问题，并提出具体的教学改革措施与途径，实践证明取得较好的教学效果。随着本科智能控制理论课程的教学改革不断进行，本科高年级学生对智能控制的学习兴趣越来越浓，能较好地掌握智能控制的基本概念与设计方法，为学生进一步学习先进控制理论知识打下良好基础。

[1]李人厚.智能控制理论和方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007

[2]孙祥,徐流美,吴清.Matlab 7.0基础教程[M].北京:清华大学出版社,2005

[3]陈锡辉,张银鸿.LabView 8.20程序设计:从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007

[4]王建国,丁祖军.智能控制课程教学改革探讨[J].科技信息,2009(36):15

[5]李世华.智能控制概论课程的仿真实验系统的设计与实现[J].电气电子教学学报,2006(2):65-68

[6]孙晓娟.智能控制课程教学的几点思考[J].中国教育技术装备,2010(9):54-55

[7]李新君,伍铁斌.智能控制课程教学改革探讨[J].电脑知识与技术,2009(31):8760,8767

[8]毛玉蓉.Matlab在智能控制课程教学中的应用[J].仪器仪表与分析监测,2008(2):8-9

[9]师黎,姚利娜,万红.智能控制基础双语教学的实践教学研究[J].高教探索,2007(6):88-90

[10]李世华.智能控制概论课程的双语教学改革探讨[J].电气电子教学学报,2009(4):8-9