自动化专业选修课教学的改进和实践

樊 渊

自动化专业选修课教学的改进和实践

樊 渊

自动化作为一门理论与实践紧密联系的学科，其专业选修课担负着学生基础知识进阶和综合能力培养的任务，其教学方法的改进对实现培养目标具有重要作用。以安徽大学为例，提出了自动化专业选修课的教学内容应注重跟踪前沿知识，突出应用背景。教学过程中应善于利用物理系统和仿真平台相结合来向学生展示传统控制方法与先进控制方法的联系与区别。课程考核可通过开展多样化的实验和项目设计来检验学生的学习效果。

自动化专业选修课；教学方法；教学改革

最优控制、智能控制、系统辨识等课程是自动化学科专业课的重要组成部分，是对自动控制原理、现代控制理论和计算机控制等专业基础课的进阶和补充［1］。为了拓展学生知识面，深化学生对控制科学的理解，最优控制、智能控制、系统辨识等课程作为自动化专业选修课已在安徽大学高年级本科生中开设了多年。前几年，教学工作主要以课堂讲授理论知识为主，考核方式均采用传统闭卷考试。然而，与自动控制原理和现代控制理论等专业基础课相比，专业选修课中包含了很多新的概念、计算方法和推理法则，以及一系列不同的控制律设计方法等。在课程内容上，尤其是极小值原理、模糊集合和模糊推理、线性最优估计等内容较为抽象，其相关概念和推导方式理解起来并不容易。在授课过程中，学生缺乏对理论知识的直观印象，接受知识较缓慢。另外，在课上和课下缺乏互动讨论环节，学生参与度低。可见，以往的教学工作缺乏合理的课程内容、教学方法、考核方式，进而导致学生学习兴趣不高，教学效果不佳。针对上述问题，安徽大学近年来对自动化专业选修课教学进行改革，通过课堂演示和课下实践环节引入仿真平台和实验平台，大大提高了学生的参与程度和互动积极性；通过课程设计替代传统考试来检验学生的学习成绩，取得了较好的教学效果。

一、教学内容和教学方法的改进

最优控制、智能控制、系统辨识等课程作为安徽大学自动化专业高年级本科生选修课，安排在自动控制原理、现代控制理论、计算机控制课程之后。这些选修课包含了较多新的理论和方法，有些内容对学生的数学基础尤其是对抽象概念的理解有较高要求，如极小值原理、贝尔曼动态设计、模糊关系、模糊逻辑和推理、最小二乘法等较为晦涩难懂［2］。为了帮助学生理解相应概念和方法，提高学习效果，对教学内容和教学方法的优化显得尤为重要。安徽大学在课程教学过程中引入了一些课本上没有的新内容，采用生动且有新意的教学方法来吸引学生学习兴趣，激发学生学习主动性，取得了较好的效果。

（一）跟踪行业和科研前沿

自动化专业的培养目标是造就一批高素质的科研人才和专业技术人才。自动化专业高年级本科生已经完成了一系列的专业基础课程学习，因此开设的专业选修课应做到让学生了解更多的本专业前沿知识、应用领域和发展前景，增强学生学好专业知识的自信心。同时，在一定程度上承担起培养学生综合能力的任务。在教学过程中，应突出知识的专业性和应用性，为学生就业或未来继续深造打下一定基础，培养学生的创新思维能力和综合分析能力。安徽大学自动化专业选修课开设在大四第一学期。此前学生已经学习了较多的数学知识，如微积分、线性代数和复变函数等课程，同时也通过计算机相关课程的学习，对计算机软件的使用有了较多了解。由于大三阶段的控制类相关专业基础课程，如自动控制原理、计算机控制基础、现代控制理论等课程的授课方式强调理论教学，容易使学生认为课程知识点陈旧、实用性差，难以跟上时代步伐。为了避免这些问题的产生，在专业选修课教学中，注重介绍当前工业领域中使用到的最优控制、模糊控制和系统辨识技术，并结合介绍日常生活中的实例，如模糊控制电饭煲、洗衣机等工作原理，采用数据表、图片和视频等形式从多角度展示实际使用效果。同时，从科研角度来看，注重介绍目前控制科学领域中国际学术界比较热门的前沿问题，如复杂网络化系统的最优控制、切换系统的模糊控制、混沌系统辨识等。让学生分小组讨论，使学生通过思维碰撞提出问题并研讨解决方案，提升学生的参与意识。通过前沿内容的介绍，不仅开拓了学生的视野，还增强了学生学好本专业知识的信心和决心，激发了学生学习的热情和对科学研究的兴趣。同时，为学生明确毕业后的发展方向，选择合适的岗位打下了一定的基础。

（二）突出知识的应用背景

自动化专业选修课的内容，尤其是极小值原理、模糊逻辑、正交投影定理等相关部分比较抽象难懂，这是导致学生认为课程内容与工程实际脱节、学习兴趣不足的原因。在教学中，根据授课内容安排了较多的对比和背景介绍环节。例如，在讲授模糊集合时，首先带学生回顾普通集合的概念和相关计算，并通过举例反应如何将现实生活中模糊性的概念利用模糊集合来数学化和精确化，进而从已有的理论和生活知识逐步引导到新的模糊数学知识上；在讲授模糊关系时，以数据结构课程的关系数据库作为引申来介绍，通过对比讲授两者之间的联系和差异，让学生深入理解关系的数学概念并举一反三；在讲授正交投影定理时，利用几何空间中的图示帮助学生构建直观的图解模型，并介绍投影反应的空间最小距离等概念。通过对比和背景知识交互介绍，使学生更容易理解新的概念。另外，着重关注了如何把概念和计算方法运用到实践中，利用理论知识解释实际现象，并通过若干实例来展示理论内容在工程领域中的应用，不断引导学生思考，激发学生主动学习意识。例如，在讲授模糊逻辑时，引入日常生活中存在的大量模糊性概念，展示模糊化语言在描述事物性质方面的优势；在讲授模糊推理时，注意结合生产和生活中的例子来说明模糊逻辑如何通过模糊数学中定义的运算方式来精确地表达模糊系统的演化。这些例子涵盖了多个学科领域，包括化工、农业、生物、金融甚至社会学领域，大大拓展了学生的视野，激发了学生将新知识运用于生产和生活实践的积极性。

（三）运用多媒体网络技术和仿真实验平台

近年来，信息技术的发展推动了整个教育技术的革新，使教学现代化水平不断提高。很多学生希望通过专业选修课的学习，了解新颖、实用的系统控制和建模方法，而对于具体的理论推导并不是特别关心。为了更好地引导学生学习，采用多种手段相结合，通过多实例展示更为具体的、看得见、摸得着的控制技术和建模方法。在教学中，采用板书、PPT、网络资料、视频展示等多种媒体相结合的方式来进行讲解。板书着重于新概念的定义、理论推导、计算方法和定理的呈现，以方便学生跟上教学进度。PPT、网络资料和视频等着重于展现种类繁多、图文并茂、声像结合的教学内容，可用来展示大量的背景知识和实例，呈现最优控制、模糊控制和最小二乘辨识的应用范围，控制和建模的实际效果等多方面的内容。教师可以结合生动的内容对晦涩的概念进行边讲解边演示，提高教学效率，激发学生主动思考的积极性。

除此以外，在教学中还引入了MATLAB软件及相关工具箱［3］。利用仿真平台，能够使抽象复杂的内容变得直观易懂，很多难以解释的设计过程可以在MATLAB和SIMULINK中进行可视化的分析与设计，有助于学生理解和掌握教学内容。相对于以往的控制类课程教学，在专业选修课教学中全程使用了MATLAB平台，包括课堂教学的计算、推导环节、课后例题的求解环节等。同时在授课过程中，对于课本中的定义、定理以及有关的推导计算过程等，都会补充介绍其在MATLAB中相关的函数及使用方法。具体算例的MATLAB仿真，使得学生能够快速、直观地看到教学内容的实际效果，也有利于培养学生应用计算机进行辅助分析和设计控制系统的能力。在不同的教学内容中引入若干实际控制对象，能够取得较好的教学效果。如倒立摆系统和球杆系统由于非线性强、耦合度高、干扰复杂，通常难以建立精确的解析模型，非常适用于在最优控制和模糊控制中作为典型的控制对象来进行讲解。在课程中根据算法需要，首先采用半机理的方法建立倒立摆系统和球杆系统的非线性数学模型；再根据最优控制和模糊控制方法设计系统的控制律；然后通过MATLAB仿真来验证算法的有效性并查看其控制效果；最后在实体倒立摆系统和球杆系统上应用控制律，让学生观察控制效果，判断控制品质，并提出改进建议。仿真实验平台看得见、摸得着，又富于趣味性，有利于学生加深对所学内容的理解和掌握。同时，还能通过对不同控制算法的比较，帮助学生更加深入地理解各种不同控制方法的适用范围、使用方式和优缺点。

二、课程考核方式的改进

以往专业课程的考核方式一直采用期末闭卷考试，但效果差强人意。有些学生虽然分数较高，但并没有理解相关技术和方法的本质，更谈不上在工程实践中运用所学的理论和方法。近年来，通过引入仿真实验平台，在考核阶段利用课程实验和项目设计来替代传统的考试，用于检验学生对专业知识的掌握及应用情况，取得了较好的效果。

（一）课程实验

自动化专业是有着深厚工程应用背景的专业，实验教学在课程教学中占有极其重要的地位［4］。然而，在目前自动化专业教学中，实验和实践环节教学存在明显不足［5］。近年来，安徽大学采购了若干组实验平台，其中包括倒立摆系统、球杆系统、轮式移动机器人等。引入倒立摆系统和球杆系统，在教学过程中开展了一系列控制器设计和验证等教学内容。课程结束后，为检验学生的学习效果，将基于倒立摆系统和球杆系统的课程实验作为考核的一部分。课程进入到学期中段后，可以开展课程实验环节，要求学生完成倒立摆系统和球杆系统的建模，系统分析和控制器设计等环节，并在仿真平台和实验平台上一一验证设计的控制器。平台上均具有基于MATLAB的控制模块，可以实现自行修改控制器代码，以便于学生快速、高效地构建自己的控制算法并及时进行验证。考核过程中，要求学生边演示效果，边解释出现的各种现象，对于出现的不理想情况和意外情形，给出合理的说明和优化建议。实验中，学生可以充分发挥想象力，广泛参与讨论。实验结束后，要求学生将所得的数据和结果整理成完整的实验报告。这样的考核方式为培养学生解决实际问题的能力提供了有效途径，同时也锻炼了学生的动手能力和整理数据、撰写文档的能力。

（二）项目设计

自动化专业选修课与当前产业界和学术界的联系比之前的控制类基础课程更加紧密，更容易激发学生兴趣［6］。因此，在考核中将小型项目设计作为一种备选方式，通过调研、分析，以及同学间的协作来帮助学生培养科研素养，提高团队合作意识和组织协调能力。考核设定的小型研究项目采用自选课题和自选研究方法的模式，不限制具体研究内容。学生首先通过调研搜集相关资料，选定一种或一类控制对象，了解系统建模方法和控制方法在不同领域中的应用方式和效果。再针对具体研究问题分析可解途径，并提出多种不同的解决方案进行论证，选择一种最佳方案，给出该方案的具体实施过程和详细步骤，并得出结果。最后要求学生根据所得结果分析存在的问题，提出进一步的优化方案，完成最终的项目报告。在这种方式下，学生更愿意去思考和探索，能够提高学生的文献调研、方案设计、文档和数据整理等能力，从而为学生顺利完成本科毕业论文打下较好的基础。

三、结语

自动化专业选修课教学的改进，在教学内容上应注重结合当前工程和科研前沿知识，多介绍应用背景。在教学方法上可利用多媒体技术和仿真实验平台来调动学生的积极性。在考核阶段可采用实验和小型项目相结合的方式来锻炼学生分析问题、解决问题的能力。

[1]易继锴，侯媛彬.智能控制技术（修订版）[M].北京：北京工业大学出版社，2007：177.

[2]巩敦卫，李明.关于“智能控制”模糊推理部分的教学心得[J].电气电子教学学报，2011（6）.

[3]苏东宁，赵坤，宋方臻.MATLAB教学应重视科学计算能力的培养[J].中国现代教育装备，2009（5）.

[4]王丽娜，潘伟.模糊控制课程实验体系设计与实现[J].计算机教育，2012（18）.

[5]彭熙伟，廖晓钟，冬雷.自动化专业课程教学改革的探索与实践[J].中国大学教学，2016（1）.

[6]马洁.中美名校自动化专业课程体系特色分析[J].黑龙江高教研究，2014（2）.

（编辑：刘姝）

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1673-1999（2017）07-0119-03

樊渊（1983—），男，博士，安徽大学电气工程与自动化学院副教授，研究方向为智能网络化系统控制和机器人控制。

2017-04-15