專業認證背景下 “智能控制”課程教學實踐

徐本連， 施 健， 劉 燕， 朱培逸

(常熟理工學院 電氣與自動化工程學院, 江蘇 常熟 215500)

專業認證背景下“智能控制”課程教學實踐

徐本連， 施 健， 劉 燕， 朱培逸

(常熟理工學院 電氣與自動化工程學院, 江蘇 常熟 215500)

本文針對我校自動化工程教育專業認證要求，設計了面向“智能控制”課程的畢業要求指標點及其評分標準，并以兩個自動化專業班級學生樣本為例，基于作業、實驗報告、技術報告等三個觀測點的實際數據，計算出了針對該課程的畢業要求指標點達成度，通過對教學效果的量化，找出了該課程實施中學生能力的薄弱環節，并給出了今后改革方向與思路。

專業認證；智能控制；教學實踐

0 引言

工程教育專業認證是指由政府指定認可的認證機構或社會團體對高等學校工科專業開展的認證工作。世界上許多國家和地區為促進自身工程教育發展，紛紛推行工程教育專業認證制度，并制定了相應的認證協議，其中，簽署時間最早、知名度最高、締約方最多的工程教育國際認證協議是“華盛頓協議”[1,2]。2013年6月，我國成功加入了“華盛頓協議”，2016年6月2日，中國成為國際本科工程學位互認協議“華盛頓協議”的正式會員。最近，中國工程教育專業認證協會發布了最新的“工程教育認證工作指南(2015 版)”，對比新舊版工作指南不難發現，無論是認證辦法、認證標準，還是規范性要求都有了較大變化，與學生培養及畢業、課程設置及教學等密切相關的認證標準部分變化主要體現在：不僅設置了通用標準，還針對不同的專業大類設置了各自的補充標準，這就要求各個高校在制定培養目標和畢業要求、設置課程內容和教學計劃等時要充分考慮不同專業的特點和專業認證的要求。截至2016年底，全國已有570多個專業通過了認證。

我校自動化專業于2004年正式招生，先后成為國家特色專業建設點、教育部“卓越工程師教育培養計劃”試點專業、江蘇省重點類專業、教育部“十二五”本科綜合改革試點專業、江蘇省品牌專業等。2016年12月，我校自動化專業正式接受工程教育專業認證專家組進?？疾?。

作為自動化專業課程建設重要組成部分，“智能控制”課程是在經典控制理論與方法、計算機技術與方法、自動化工具軟件開發與集成等知識點掌握基礎上，要求進一步掌握模糊控制、神經網絡、群智能等現代控制方法與手段，它是一門邏輯性嚴密、適用性廣、綜合性與實踐性較強的課程。課程在建設過程中，先后經歷了傳統課程教學模式、雙語教學、研究性課程雙語教學等教學模式嘗試[3-5]，教材也經歷了從中文教材轉換至英文教材，再到自編英文教材和中文教材的過程。該課程在教學方式、教學內容、考核方式等設計上，注重理論與實際相結合，結合學生的實際情況，以能力訓練為導向，注重學生自主學習能力與獨立思考能力培訓，將教學反思、意見反饋及時引入課堂，在提升課堂教學效果方面做了有益的探索。

結合自動化工程教育專業認證要求，2016年，“智能控制”課程教學實踐過程中，針對性作了如下設計與思考。

1 課程達成度指標體系設計

1.1我校自動化專業畢業要求

我校自動化專業定位是培養具有扎實自動化基礎知識和基本技能，具有較強的社會責任感、職業道德和人文素養，能在現代制造業中解決自動化控制系統、自動化測試系統等工程實際問題的現場型應用工程師。學生在畢業時，應達到如下關鍵要求：

(1) 工程知識：具備良好的工程知識，能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中的復雜工程問題。

(2) 問題分析：能夠對自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中的復雜工程問題，應用數學、物理和工程科學的基本原理進行系統的方案分析、可行性研究，并通過文獻研究等方法提出初步設計方案。

(3) 設計/開發解決方案：能夠設計針對自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中的復雜工程問題的具體方案，設計滿足特定需求的系統，包括硬件電路、程序軟件等單元設計，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素。

(4) 數據分析與研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論。

(5) 使用現代工具：在解決自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中復雜工程問題的過程中，能夠選擇與使用恰當的技術、現代儀器儀表、系統仿真與設計軟件等技術工具，包括對復雜工程問題解決效果的預測與模擬，并能夠理解其局限性。

(6) 工程與社會：能夠對自動化工程進行合理分析，評價專業工程實踐和自動化控制系統、自動化測試系統所涉及的復雜工程問題的解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

(7) 環境和可持續發展：能夠理解和評價針對自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中復雜工程問題的工程實踐對環境、社會可持續發展的影響。

(8) 職業規范：具有人文社會科學素養、社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業道德和規范，履行相應的責任。

(9) 個人和團隊：能夠在多學科背景下的團隊中理解并擔當個體、團隊成員及負責人的角色。

(10) 溝通：能夠就自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中的復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

(11) 項目管理：理解并掌握工程方面工程管理原理與經濟決策的基本知識和基本方法，并能夠將其應用于多學科環境的工程實踐中。

1.2課程支撐畢業要求指標點設計

“智能控制”課程作為自動化專業畢業要求支撐課程之一，除了上節所述的自動化專業畢業要求(6)、(7)、(8)、(10)四項在這門課程中支撐較少之外，對于其他七項畢業要求分解為如下的達成度評價指標點：

指標點1：對應畢業要求(1)，能夠選擇恰當的數學模型，用于描述自動化系統或者過程，對模型進行推理和求解。

學生能夠針對控制系統的實際需求，通過運用模糊邏輯、神經網絡、群智能技術等相關理論知識，選擇恰當的智能控制方法來建立被控系統的數學模型，并對模型進行推理和求解。

達成途徑：根據被控對象的實際特性，設計模糊規則建立模糊控制器模型，或根據系統輸入輸出建立神經網絡模型，或通過群智能建立基于問題的決策模型，通過對實際問題數據進行程序仿真與應用。

指標點2：對應畢業要求(2)和(3)，理解系統的概念及其在控制領域的體現，能對自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成中的復雜工程問題的解決方案進行分析，并嘗試改進。

學生能夠綜合運用模糊控制、神經網絡、群智能算法進行智能控制系統的解決方案分析，并根據系統運行情況進行方案改進。

達成途徑：給定實際工程項目，按照指標要求通過文獻研究分析，設計解決方案，根據系統運行結果分析方案合理性，并提出改進措施。

指標點3：對應畢業要求(4)、(9)、(11)，能識別和判斷自動化控制系統、自動化測試系統開發或集成復雜工程問題中的關鍵環節和參數。

學生能夠針對實際問題運用智能控制方法及其參數選擇對控制系統的實際效果進行分析，根據分析結果判斷影響因素并識別關鍵參數。

達成途徑：通過課題項目團隊形式，實行項目負責人制，根據研究對象的特性，通過應用智能控制方法進行多途徑實驗，根據實驗結果識別并判斷其關鍵因素及影響參數，并通過改善參數來提高算法性能。

指標點4：對應畢業要求(5)，能夠使用自動化先進技術、現代儀器儀表和信息技術工具，掌握一門外語應能用于溝通，了解國際本行業發展動態，關注本專業國際熱點問題。

學生能夠熟練運用Matlab、C++、LabVIEW等工具軟件并能對各種智能控制方法進行仿真并與傳統控制方法進行比較；學生具有一定的本專業外文書籍和文獻資料的閱讀能力，具有良好的國際視野，通過閱讀文獻跟蹤國際上智能控制的發展趨勢與應用現狀。

達成途徑：通過指定專題的外文書籍及文獻閱讀，以及以外文進行作答的作業與實驗來培養學生外文應用與團隊溝通能力，總結智能控制算法的研究現狀，關注并跟蹤新興的各種智能算法。

1.3畢業要求指標點達成評分設計

為客觀評價每一個指標點的達成度，達成度評價分析設計內容上主要包括考核方式、評價依據、分值及其評分標準四個方面。

“智能控制”課程全面實施過程考核，通過作業、實驗、技術報告、答辯等多種形式，對學生在智能控制知識能力掌握方面進行連續、系統、全面評價。其畢業要求指標點達成評分設計示于文末附表之表1。

2 案例實施

本節以我校自動化專業“專轉本”兩個班(ZB02151和ZB62151)為例，結合畢業要求達成度指標點評分標準，將“智能控制”課程考核分成如下3個觀測點逐一比對與分析。

2.1作業觀測點

“智能控制”課程的平時作業主要由四個知識點構成，分別是智能控制技術的發展、模糊控制基本概念與方法應用、神經網絡基本概念與特點、群智能方法基本概念與一般應用等，主要考察學生的英文寫作能力與歸納綜合能力(作業一)，對模糊控制、神經網絡基本概念和不同類型理解能力(作業二和作業三)，對群智能方法的基本應用能力(作業四)。這四個知識點對應的是畢業要求指標點1、3、4。

作業一主要考察學生對智能控制概念、內容、研究的現狀與前沿的掌握與理解程度，對應的是畢業要求指標點4。由表2平均分可知，兩個班級對這一概念的掌握都比較好；由標準偏差可知，ZB62151班級同學應該比ZB02151同學更加穩定一些，即在ZB02151班中，有些同學知識點掌握程度并不理想。作業二主要考察學生建立數學模型(模糊模型為例)的能力，對應畢業要求指標點1?？梢钥闯?，兩個班級整體掌握程度都比較好，此外，無論是平均分還是標準偏差，ZB62151班級同學比ZB02151班級同學表現得好一些。作業三和四(也包括作業二)主要考察對影響系統性能的關鍵參數的識別能力，對應畢業要求指標點3?？梢钥闯?，兩個班級對模糊控制與神經網絡的相應知識點掌握都較好，但對群智能技術對應的知識點掌握比較差。在進行問題分析時，該情況可能由于群智能技術所涉及參數多，對系統性能影響大等原因所致。

由此可見，對于畢業要求指標1、4，兩個班級均能達到要求，對于畢業要求指標點3，兩個班級普遍掌握比較差，特別是ZB62151班級，平均分出現了未達標情況。

表2 作業知識點掌握情況統計表

2.2實驗報告觀測點

“智能控制”課程實驗包括模糊控制應用實驗、神經網絡應用實驗、群智能中的蟻群和粒子群兩個應用實驗，主要考察學生對上述知識點理解與應用能力、軟件編程能力和系統測試能力等。這4個實驗對應的是畢業要求指標點1和3。

實驗報告一主要考察的是針對某個控制系統，建立其模糊控制系統模型，并能給出實驗結果，對應畢業要求指標點1。由表3可以看出，兩個班級均能在一定程度上掌握方法，并能初步實現結果，ZB02151班級學生的表現相對好一些。實驗報告二、三、四主要考察學生對系統的重要參數的識別與分析能力，從表中可知，兩個班級均能較好地掌握實驗要求，且掌握程度相差不大，但是，兩班學生對于粒子群的掌握并不是太理想，從實驗報告完成內容來看，主要是由于沒有理解實驗報告要求所致。

表3 實驗報告知識點掌握與理解情況統計表

2.3技術報告觀測點

技術報告是本課程考核中最重要的一個環節，從課題的確定至最后分組答辯，耗時近一個月。圍繞智能控制概念，導師與學生共同協商確定技術報告的題目，在項目實施過程中，保證導師與學生之間信息溝通順暢，確保學生有問題能即時與導師交流。每個小組一般由3-4人組成，實行項目組長負責制，小組成員進行分工。合作確保項目順利完成。在答辯過程中，主要觀測學生技術報告和答辯過程中的思路、方案合理性、結果可信度、技術報告完成質量等四個要素。技術報告對應的是畢業要求指標點2和4。表4給出了兩個班級的技術報告考核的結果，在技術報告方案、思路清晰度、完成質量方案等方面較為滿意，同時，ZB02151班級學生的完成質量要相對好一些。

表4 技術報告知識點掌握情況統計表

2.4畢業要求指標點達成度

根據表1規定，對4個畢業要求指標點進行了達成度計算，由于每個指標點是由多個觀測點支撐的，每個觀測點按百分制計算，其比重除了表1規定外，其它均按觀測點數目平均分配比重。

表5示出其達成度設計表，由表5可以看出，各項指標點達成度均在74%以上；綜合各指標點達成度計算結果，ZB02151班級學生的整體表現要好于ZB62151班級；需要注意的是，學生對問題提出技術方案的能力，即指標點2，是最薄弱的環節。

表5畢業要求指標點達成度統計表

畢業要求指標點ZB02151班級ZB62151班級指標點1(86.36*50%+72.50*50%)%=79.43%(90.95*50%+68.81*50%)%=79.88%指標點279.84%74.50%指標點3{(86.36+80.23+67.95)*50%/3+(84.32+81.59+73.64)*50%/3}%=79.02%{(90.95+86.90+56.19)*50%/3+(81.90+80.71+74.29)*50%/3}%=78.49%指標點4(85.68*30%+71.64*20%+83.41*50%)%=81.74%(75.71*30%+74.05*20%+82.86*50%)%=78.95%平均達成度:80.01%平均達成度:77.96%

3 課程持續改進措施

按照我校自動化工程教育專業認證要求，對“智能控制”課程教學方式、考查方式進行了改革與探索。根據畢業要求指標點，結合我校自動化專業專轉本兩個班(ZB02151和ZB62151)樣本，計算了各指標點的達成度，進一步明確了該課程教學改革方向：

3.1以技術報告為重點，提高學生綜合素質

技術報告所考察的能力要素比較全面，如團隊合作、語言表達、方案的設計與實施、結果討論與答辯等，在一定程度上調動了學生主動學習的積極性，增加了教師與學生互動的機會，同時，增強了學生的專業自信。技術報告在實施的過程中，應做到時間節點明確、任務明確、分工明確、考核方式明確，也進一步確保技術報告完成質量。

3.2以項目為導向，鼓勵學生自主學習

積極探索與智能控制技術相關的研究前沿與實際應用案例，這是提高學生學習這門課程興趣與效果的關鍵所在。以項目為導向，一方面，可以讓學生從已知的經典案例中尋找基于模糊控制、神經網絡、群智能技術的解決方案，另一方面，針對生活的實際應用案例與需求，應用模糊控制、神經網絡、群智能等技術手段，讓學生選擇問題，解決問題，總結與歸納問題，把學習權交給學生，真正提高學生自主學習能力。

3.3重視多工具軟件教學

“智能控制”課程教學時應用軟件比較單一，最常用的是Matlab和C++，這兩種軟件相關的智能控制方法程序資源庫比較多，在相關網站上均可以下載。最近，LabVIEW工具軟件在自動化及其測試領域開始盛行，它是基于數據流的圖形化編程語言G的開發環境，是儀器控制、數據采集、圖像處理編程平臺，能快速構建實現交互控制系統的圖形用戶界面。利用LabVIEW工具軟件將一些經典案例、實際應用案例進行項目開發，不僅可以提高學生LabVIEW的編程能力，還能鍛煉學生在不同的開發環境下對模糊控制、神經網絡、群智能知識的理解與應用能力。

4 結語

本文以我校自動化工程教育專業認證要求為藍本，結合自動化專業特征，以“智能控制”課程為例，對該課程畢業要求指標點體系進行了科學設計。在構建作業、實驗報告、技術報告等多個觀測點基礎上，形成了該課程的畢業要求指標點達成度。

本文通過達成度結果分析，找出了“智能控制”課程教學過程中薄弱環節，為該課程今后的教學重點和學生能力培養指明了方向，具有一定的實際指導意義。

[1] 王孫禺，孔鋼城，雷環．華盛頓協議及其對我國工程教育的借鑒意義[J]. 北京：高等工程教育研究, 2007, 1: 10-15．

[2] 張文雪, 劉俊霞, 彭晶. 工程教育專業認證制度的構建及其對高等工程教育的潛在影響[J].北京：清華大學教育研究，2007，28(6)：60-64.

[3] 徐本連，陳慶蘭. 智能控制課程之蟻群算法教學方法探討[J]. 常熟：常熟理工學院學報, 2007, 21(12):116-118.

[4] 朱培逸，徐本連，施健. “智能控制”研究性課程建設探討[J]. 杭州：計算機時代, 2015(2):57-59.

[5] 施健，朱培逸，徐本連. 智能控制雙語教學改革的實施與探索[J]. 吉林：考試周刊, 2013(A4):4-5.

(附表表1列于下頁)

附表：

表1 畢業要求指標點達成評分設計

指標點4技術報告技術報告思路部分2016-20:答辯過程中,結合方案,思路清晰,有條理,50%以上使用英語完成。11-15:答辯過程中,結合方案,思路較清晰,條理性較好,30%以上使用英語完成。6-10:答辯過程中,結合方案,思路基本清晰,有一定條理,沒有使用英語答辯。0-5:答辯過程中,結合方案,思路模糊,沒有條理,答辯不連續。指標點4作業作業15045-50:熟練閱讀外文文獻,了解智能控制算法的研究現狀,關注并跟蹤新興的各種智能算法。40-44:通過閱讀外文文獻,了解智能控制算法的研究現狀及發展趨勢。30-39:通過閱讀外文文獻,對目前智能控制算法的發展有一定了解。0-29:閱讀外文文獻存在困難,對國際上智能控制算法的研究不太了解。

TeachingPracticeofIntelligentControlCourseintheBackgroundofProfessionalCertification

XUBen-lian,SHIJian,LIUYan,ZHUPei-yi

(SchoolofElectricalandAutomotiveEngineering，ChangshuInstituteofTechnology，Changshu215500，China)

In terms of the requirements of engineering education accreditation of automation major in our school , both the index system and the evaluation criteria of graduate admissions is designed for the course of Intelligent Control. As a sample instance of students from two classes of the same automation major, the index achievement degree of graduate admissions is obtained according to the observation statistics of assignments, experimental report and technical report. From the quantitative results of teaching, the weakness related to students′ ability is found during the implementation of this course. Finally, some positive measures and thoughts have been achieved.

major accreditation； intelligent control； teaching practice

2017-03-01;

2017-06-09

2015 年江蘇省高等教育教改研究立項重點課題( 2015JSJG040)

徐本連( 1974-) ，男，博士，教授，主要從事自動化專業的教學與科研工作，E-mail:ben-lian xu@cslg.cn

G712

A

1008-0686(2017)05-0056-06