智能控制教学设计与指导_李士勇、李研_9787302643678

《智能控制》（第2版）（ISBN为9787302581611）是全国工程硕士专业学位教育指导委员会推荐教材，全面涵盖模糊控制、神经控制、专家控制、仿人智能控制、递阶智能控制、学习控制、**智能控制及其工程应用实例。本书配套于该教材，为智能控制研究生课程教学提供全面而系统的教学设计与指导，包括学习理论、指导教学的系统科学、思维科学、科学方法论，教学文件、教学手段、教学方法、教学重点难点及教学课件设计。

智能控制是自动化及相关专业研究生的一门重要学位课或专业必修课。智能控制的任课教师怎样讲好这门课程，应该具备哪些指导教学的基础科学知识，怎样进行教学文件和教学方法设计，怎样设计教学内容的重点、难点，怎样设计教学课件内容等正是本书要回答的问题。

写作背景

《智能控制》（ISBN 9787302436560）自2016年由清华大学出版社出版以来，有不少任课教师希望能提供配套的教学课件。该书于2021年10月再版之际，责任编辑一再建议编制配套课件。作者始终认为，讲好一门课不能完全依赖教学课件，因为教学课件只是课堂教学的一种辅助手段。

多媒体PPT教学课件对图形、公式的展现快捷、清晰、直观，也便于某些课程内容的动态演示。但是，PPT教学课件最大的弊端是，在有些情况下，教师和学生在课堂上都把它作为教与学课程的唯一载体。师生在课堂上易被PPT所牵引，致使部分老师讲课离不开PPT；学生把PPT复制下来，助长了学生不买书、不读书的不良风气。其结果是：既不利于教师深入钻研教材认真备课，又不利于学生认真读书，把课程内容学深学透；不利于大面积提高课堂教学质量，造成教育资源的浪费。

如何提高智能控制这门既重要，又有难度的新兴课程的教学质量？本书作者李士勇教授作为哈尔滨工业大学教学名师奖获得者，近40年来，先后从事过自动控制原理、微机控制系统设计实践、模糊控制、智能控制、智能优化算法、非线性科学、复杂系统、模糊数学和科技论文写作等多门本科生、研究生课程的教学、科研及研究生指导工作，并作为校、院两级研究生、本科生教学督导专家长期参加课堂听课、教师资格认证、教学质量评估、教学竞赛点评、试卷质量检查等教学研究实践活动。

作者在长期的教学和教学督导实践中积累了较丰富的教学经验，将这些经验通过书的形式总结出来，期望对智能控制及相关专业课程的教师提高课堂教学质量有所帮助。

教师应具备的教学指导理论

教师无论从事哪门课程的教学工作，除了掌握好本门课程的内容外，还应领悟教学的宗旨在于训练学生的思维，提高他们的思维能力，培养与训练学生的创新性思维、系统性思维和辩证性思维能力；更需要学习、掌握一些思维科学、系统科学、科学方法论的基本概念和理论，并用它们来指导教学工作。

思维科学是研究人们认识客观世界的思维规律和思维方法的科学,又称为逻辑学、认知科学。思维是指人们对客观事物的间接反映,它反映事物的本质属性和事物之间的联系。为了通过教学实践训练学生的思维，教师就要掌握思维科学的基本概念和原理，并用于指导教学实践。

系统科学是以系统为研究对象的基础理论及其应用学科群组成的科学。系统是由相互联系、相互作用的组件(元素)组成的具有一定结构和功能的有机整体。智能控制系统是由相互联系、相互作用的智能控制器和被控对象等环节组成的具有控制功能的整体。运用系统科学来分析智能控制系统有利于抓住影响控制性能的主要矛盾。

科学方法论是指导人们从事科学研究工作中普遍使用的思想方法或哲学思想。科学方法论内容丰富,作者认为首要的是掌握自然辩证法中的对立统一规律。矛盾是辩证法的核心概念,矛盾就是对立统一。任何事物都包含着矛盾,矛盾分主要矛盾和非主要矛盾,二者在一定条件下可转化,矛盾双方既对立又统一,由此推动着事物发展。

思维科学和科学方法论在系统的范畴内都是相通的。系统的辩证的思维方法论为我们正确认识事物，分析矛盾，解决问题，搞好教学、科研及发明创造等提供了强有力的思想武器。因此,在教学工作中以系统的辩证思维的科学方法论作指导,才能收到事半功倍的效果。

智能控制教学设计与指导

教学手段与教学方法

教学手段是指教师向学生传授知识采用的方式，目前的课堂教学方式主要采用讲述、板书、PPT课件、智慧教室、教具及模型等。其中最主要的教学方式是讲述、板书和PPT课件3种形式。

讲述、板书、PPT课件3种形式相配合是值得提倡的教学方式。教师在充分备好课之后，在课堂上讲述的思路、内容、讲法等都已存储在自己的脑子里。因此，课堂教学应由教师的授课思路驱动，以讲述为主，当需要板书配合时就在黑板上写或画，需要PPT时就播放PPT 课件。

课堂上之所以要以教师讲述为主，是因为讲述过程的语言反映了教师备课的思路和内容, 具有知识的连贯性，易被学生所理解和接受。尤其是在课程开始时，教师介绍问题的背景、提出问题、分析问题、探索解决问题的来龙去脉等最适合用语言讲述。

作者倡导任课教师采用研究型教学法，要把对教学内容的备课作为研究课题来对待。要求在备课过程中循序渐进，一步一个脚印，要一个问题一个问题地抠明白，尤其要在基本概念上狠下功夫。因为一门新的课程，必然要遇到许多新的概念。遇到的新概念往往既是难点，又是重点。因此，要想讲好课必须从讲好一个概念开始。

作者在长期的课堂教学、教学研究实践的基础上，提出了三段论教学法。它的基本思想是以三要素为线索，把要讲授课程的内容、尽可能通过知识元、知识点、知识点集三要素形式联系在一起，形成一个知识链条，若干个知识链条连在一起，能够反映出相应部分知识的来龙去脉，有助于揭露知识系统的内在联系及本质特征。此外，作者还总结出搞好课堂教学的多种具体的教学方法及指导原则。

编制教学文件的内容及意义

一门课程的教学文件是否齐全以及设计质量在很大程度上反映了任课教师的科学素质、业务能力、水平及责任心。教学文件为任课教师提供了关于授课的总的指导，为教师授课提供了基本保障。

教学文件设计包括课程教学大纲设计、教学内容重点及难点设计，教学手段及教学方法设计、实验设计、考试题目设计、考试成绩设计、课堂教学质量考核指标设计等。在教学文件中，教学大纲是最重要的教学文件。它规定了课程性质与地位、课程目的及要求、课程内容及学时分配、课程实验、考核方式、教材及参考书等。

为了保证课程教学质量，必须遵循课程教学大纲的指导思想，严格按照大纲制定的课程性质、课程目的及要求、课程内容及学时分配进行授课。建议有能力的教师一定要亲自编制课程教学文件，并通过教学实践不断总结提高，以便再进行修订。

教学内容重点及难点的设计

为了讲好一门课程，必须对授课内容总体的重点、难点做到心中有数。智能控制课程的重点在模糊控制，模糊控制的重点在模糊逻辑推理，模糊逻辑中的难点在于用一个模糊集合描述一个模糊概念。神经网络控制是智能控制课程教学的又一个重点和难点，神经网络之所以为重点是因为它有别于模糊系统，具有学习能力，难点在于神经网络通过权矩阵隐含表现知识，网络种类多且学习算法复杂、抽象等。

什么是重点？重点就是主要矛盾，主要矛盾解决了，其他问题就迎刃而解了。什么是难点？难点就是难以理解和掌握的内容，包括新的概念、理论等。关于重点、难点之间的关系有3种情况：既是重点又是难点；是重点但不是难点；是难点但不是重点。例如，模糊控制是智能控制教学内容的重点，但并不是学习的难点；神经网络控制是智能控制课程教学的重点，又是难点；模糊系统和神经网络都具有万能逼近性质的证明过程是个难点问题，但并不是教学的重点。

每次授课内容的重点和难点都要进行精心设计。对于是重点又是难点的问题要给予较多的讲述时间；对于难点而不作为重点的内容，用较少时间讲清其基本思想、实质、结论及其应用范围即可。

本书的特色及写作特点

作为一门研究生专业课程的教学设计与指导书，本书立意是选题创新的一种尝试。本书的创新性表现在如下几个方面。

（1）将系统科学、思维科学和科学方法论作为指导教学的科学理论，为教师综合提高科学素质和教学质量提供了理论指导。

（2）将教学文件、教学手段、教学方法、教学内容、重点难点、教学课件、教学评价等内容融为一体，为智能控制课程教学提供了全方位、系统的指导。

（3）提出了三段论与三要素教学法。三段论教学法是指提出问题、分析问题、解决问题的教学三段模式；三要素是指常用3个维度或三元组描述事物组成的结构具有稳定性和普适性。

（4）提出把教学内容的知识元、知识点、知识点集构成知识子集（知识单元），再把若干个知识子集连接成一个知识链条，这不仅便于记忆，而且有利于揭示各部分内容之间的内在联系。

（5）在撰写方法上，由浅入深，深入浅出，辩证分析，突出重点，化解难点，富有创新性和启发性。

结束语

在人工智能蓬勃发展的时代，面临着信息化、数字化、智能化的信息革命浪潮，在世界各国都在加速培养高技术人才之际，承担研究生智能控制课程教学无疑是一项光荣而艰巨的工作。希望教师牢记教学的宗旨在于训练学生的思维，培养和训练学生的创新性思维、系统性思维和辩证性思维能力。期望教师学习和掌握系统科学、思维科学和科学方法论的基本思想，并运用它们自觉地指导教学实践活动。

最后,作者对清华大学出版社对本书出版工作的支持表示衷心感谢! 对本书所引用的国内外有关文献的作者深表谢意!

作者
2023年3月于哈尔滨工业大学

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