“智能控制”教学方法探索与思考

摘要:文章是对过去三年时间面向智能科学与技术专业本科生开设“智能控制”这门课的教学经验总结以及对一些具体问题的探索和思考,内容主要涉及教学内容的组织与取舍、如何通过各智能控制系统之间的联系贯穿整个教学内容以及教学方法方面要注意的几个问题。

关键词:智能控制;教学方法;教学改革;探索与思考

西安电子科技大学从2005年9月开始在智能科学与技术专业招收本科生,在大三开设智能控制限选课,至今已经有三届本科生上过智能控制这门课。这三年是从开始选择教材、准备教学内容、制作PPT、研究教学方法等从无到有的三年,也是通过辛勤劳动对“智能控制”教学不断探索的三年。三年过去了,现在正是对这门课有关教学的方方面面进行总结,对还存在的一些问题进行思考的时机。这种总结和思考一方面有利于提高自己在未来教学工作中的水平,另一方面,这些在教学工作中的心得体会也可供兄弟院校负责“智能控制”教学的老师参考。

1教材的选择

教材的选择从某种意义上说也是对教学内容、教学目标以及教学方法的选择。考虑到教学对象是智能科学与技术专业的本科生,他们没有自动控制方面的专业基础,我们选择了中南大学蔡自兴教授编著,清华大学出版社2007年出版的《智能控制原理与应用》[1]。这本书是国家精品课程“智能控制”立体配套教材,是蔡自兴教授自1990年出版我国第一部《智能控制》教材后[2],根据智能控制学科在最近十多年间的新发展,又推出的一部适应时代与教学发展趋势的新教材。

该教材对智能控制的基本概念、工作原理、控制方法的介绍循序渐进、由浅入深,条理非常清楚,内容涵盖了所有经典的智能控制方法,也对一些新的正在发展时期的智能控制方法进行了简要介绍。虽然这本书的编写目的是智能控制的研究生教材,但它同样适合作为本科生教材,只是在教学过程中应对内容做适当的取舍,有些智能控制的教材是适合自动化专业使用的[3]。

2教学内容的组织

由于所选用的教材本身是作为研究生教材编写的,只有对其内容进行合理的取舍才能适合本科教学,我们对教学内容的组织和取舍主要从以下几个方面考虑。

2.1基本概念、原理、方法

每种智能控制系统的基本概念、原理以及控制方法都是教学的重点,是要详细讲述的内容,对所涉及的数学公式的推导过程对本科生则可以不讲或少讲。

2.2与学生所学其他课程的关系

智能控制包括多种不同的智能控制系统,分别与不同的其他课程有紧密关系,如图1所示。例如专家控制系统与专家系统、模糊控制系统与模糊系统、神经控制系统与神经网络、学习控制系统与机器学习、进化控制与进化计算、免疫控制与免疫计算、基于多真体的控制与多真体系统(MAS),等等。如果学生对相应的其他课程有较多的了解,则相应的智能控制系统在内容上可以讲的稍微深入一点。例如,我校对智能科学技术专业的本科生开设了算法设计的课程,较深入地讲述了基于进化和免疫的算法,则进化控制和免疫控制就可讲的深入一些。人工智能课程讲述了专家系统、神经网络、模糊系统、机器学习、分布式人工智能与多真体系统的基本知识,则专家控制系统、神经控制系统、模糊控制、学习控制及基于多真体的控制系统就可以与人工智能所讲述的内容相呼应,做相应的取舍。

2.3恰当的智能控制系统实例

就智能控制的教学内容而言,它具有如下的特点:内容范围广、与其他课程紧密相关、抽象不宜理解。这样在教学上仅仅通过对基本内容的讲述,很难让学生比较深入地理解相关的教学内容,而一个好的、恰当的、简单而又容易理解的智能控制系统实例往往可以起到意想不到的教学效果,可使学生把所学的基本概念和控制方法生动地联系起来,加深对教学内容的理解。蔡自兴教授编写的教材就有许多很好的控制实例,我们还可根据实际的教学情况,自己找一些有代表性的实例。例如,我们在讲述基于多真体的智能控制系统的时候,就拿基于多真体的无线传感器网络的频谱分配问题作实例,它既是一个典型的智能控制问题,又很容易理解,每个带嵌入式处理器的传感器就是一个真体,控制目标就是对各个传感器使用的频谱进行分配而不产生干扰。这个问题的解决既可用神经控制系统[4-5],又可以用进化控制系统[6],还可以用基于多真体的系统[7]。

3教学方法

作为一门本科生专业课程,教学方法非常重要。根据这门课的特点,并总结过去几年的经验,以下几个方面需要注意:

3.1合理运用PPT及动画演示工具

复旦大学的陈天平教授来我校进行学术交流的时候曾经作了一个报告,内容是关于多真体系统的牵制控制问题,这正好也是一个智能控制的问题。给我留下深刻印象的是,陈教授在讲萤火虫同步闪烁的时候,他播放了一个动画,开始在一个正方的黑板上均匀规则地分布了许多萤火虫,起初没有规则的闪烁,后来逐渐按照他讲的控制协议同步闪烁起来。他用一个动画生动地演示了智能控制的过程,加深了大家对分布式多真体系统智能控制的理解,使人久久不能忘怀。后来我们也制作了类似的动画用于课堂教学,果然收到了很好的效果。

3.2注意智能控制教学与其他课程的联系

正如在“教学内容组织与取舍”中讲到的,智能控制与其他多种课程都有紧密联系,有些是本专业学生已学过的,或正在学习的内容,有些则不学。要了解哪些知识是学生已掌握的,如果是已学过的,在讲课时要加强与所学内容的联系,形成知识的升华;如果是没学的内容,则要作相应的知识补充,避免形成老师以为学生有这样的基础,按照自己的思路讲自己的,造成学生很难理解,上课效率低下。对我校而言,人工智能和智能控制两门课都安排在大三的第一学期,但人工智能在9月份刚开学就开课,每周两次课,11月中旬结束。人工智能课程结束后,智能控制开始上课,这样就形成两门相关的课程前后紧密衔接,相互配合的效果。但我校的学生没有自动控制方面的理论基础,这是在教学中应当要注意的问题。

3.3注意体现各个智能控制系统之间的内在联系

各种智能控制系统之间也有内在的紧密联系,比如神经控制系统和模糊控制系统之间的联系、神经控制系统和学习控制系统之间的联系、进化控制和免疫控制的联系、进化控制和神经控制之间的联系、进化控制和基于分布式多真体智能控制系统之间的联系,等等。正是由于这些内在联系的存在,在教学中不一定要平均分配课时到各个章节,可以有主有次,老师可根据自己对教学内容理解深度的不同,选择某些章节重点讲述,使学生通过这一章的内容对智能控制系统有一个深刻的认识和理解,然后依据它与其他章节的联系,展开其他章节的教学。这样可以收到举一反三、提纲挈领的效果。

3.4课外阅读与翻译

由于智能控制的教学内容与多种学科都有密切联系,而且目前仍然是很活跃的一个研究领域,每年都有许多新的研究成果在国内外的期刊或国际会议上公开发表。选择其中一部分非常优秀且与教学内容紧密相关的文章作为课外作业让学生阅读或翻译,对加深学生理解教学内容很有帮助。但是,文章的选择很重要,这个需要老师把关。老师在平时的科研和教学中注意积累一部分文章,供学生选择,同时,有兴趣的学生也可以自己找文章阅读和翻译。

4结语

智能控制这门课程本身的特点,决定了本科生教学在满足教学大纲的要求下具有相对的灵活性,这体现在教学内容的选择、重点讲述内容的选择以及讲课方式等方面。根据教学内容适当调整教学方法,会收到较好的教学效果。

参考文献:

[1] 蔡自兴. 智能控制原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社,2007.

[2] 蔡自兴. 智能控制[M]. 北京:电子工业出版社,1990.

[3] 周德俭. 智能控制:自动化专业本科系列教材[M]. 重庆:重庆大学出版社,2005.

[4] David W. Gassen and Jo Dale Carothers,Graph Color Minimization Using Neural Networks[C]//Proceedings of 1993 International Joint Conference on Neural Networks. Nagoya:IJCNN'93,1993:1541-1544.

[5] Phllippe Galinier,Jin-Kao Hao. Hybrid Evolutionary Algorithms for Graph Coloring[J]. Journal of Combinatorial Optimization,1999(3):379C397.

[6] Fathelalem F.Ali,Zensho Nakao,Richard B.Tan,et al. An Evolutionary Approach for Graph Coloring[C]//IEEE SMC '99 Conference Proceedings.Tokyo:1999:527-532.

[7] Jing Liu,Weicai Zhong,Licheng Jiao. A Multiagent Evolutionary Algorithm for Constraint

Satisfaction Problems[J]. IEEE transactions on SMC part-B,2006(36):54-73.

Exploring and Thinking about the Teaching of Intelligent Control

WU Jian-she, YU Xin, JIAO Li-cheng

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

Abstract: In the past three years, we have been teaching the course Intelligent Control to under graduated students. The paper presents a summarization about our experience of teaching the course; the exploring and thinking about several important problems about the course are also discussed. Specifically, in this paper, we discuss how to organize and make one’s choice from all the contents of intelligent control; how to bring forth the relations among all the Intelligent Control systems; and problems about the skill of teaching the course.

Key words: Intelligent Control; teaching method; teaching innovation; exploring and thinking