教学控制论视阈下的自动化类专业人才培养模式——以智能汽车竞赛为例

程 磊，张 东，宋 镖

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

教学控制论视阈下的自动化类专业人才培养模式
——以智能汽车竞赛为例

程 磊，张 东，宋 镖

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

目前，高等教育依然以应试教育为主，考核学生的标准主要是应试能力，忽视学生动手能力、创造力的培养。高校的教学模式依然是以课堂面授为主，强调理论的理解，忽视理论的应用。这种模式不利于学生的全面发展。因此提高大学生的实践能力，促进学生全面发展变的十分重要。本文采用一种将“控制论”引入竞赛管理的人才培养模式，为高等院校自动化专业的教学创新提供科学依据及教学方案，进而推动高等院校电类类专业的健康发展。

控制论；竞赛；学生；培养模式

如今，高校的教学模式依然是以课堂面授为主，强调理论的理解，忽视理论的应用，这种模式不利于学生的全面发展。高校教研改革的目的，就是要不断探索有益的教学模式，以与时俱进地适应国家对高等教育人才培养的发展要求。

将控制论应用于在高校教学管理，以之为基础构建人才培养模式[1]，是一种新的研究思路。智能汽车竞赛是自动化专业本科生所从事的主要综合赛事，也是具有全国性影响的工科大赛。本文结合智能汽车竞赛活动[2]，通过提出一种将“控制论”引入竞赛管理的人才培养模式，为高等院校自动化专业的教学创新提供科学依据及教学方案，推动高等院校电类专业的健康发展。

这种思路的基本原理是：在竞赛管理中引入控制论的基本原理，这些基本观点是：系统的观点，反馈的观点，调控的观点以及最优的观点。即把整个竞赛培养模式看做一个系统，把学生当做被控对象，通过目标设定，控制环节，执行环节，检测环节，建立控制系统模型，实现竞赛结果的最优化。

一、控制论与教学控制系统

1.控制论的基本原理。维纳于1948年提出了《控制论》，自此之后，控制论的思想和方法得到广泛的应用。控制论的核心就是对整个系统实现最优化控制，通过将控制论引入到教学改革中以达到最佳模式下的人才培养；在控制论中，需要将控制设备进行组合，组建控制系统，进而实施对被控对象的反馈控制。

经由不断比对设定输入量与输出量差值的方法，借助反馈控制器作用，使得输出量逐渐地趋向于设定值，直至差值为零，反馈控制器的作用过程如图1所示。

图1 反馈控制系统框图

由图1可以看到，反馈控制系统通常有五个部件构成，它们的功能分别是：（1）比较器：用来比较输入量与输出量，并计算出输入量与输出量之间的偏差。（2）控制装置：根据输入量与输出量之间的偏差和控制策略得出控制量。（3）被控对象：指控制系统中需要进行控制的对象。（4）测量元件：检测被控对象的输出信号，并将该信号输送至比较环节。

利用控制论思想研究教学活动的主体思路是：通过分析教学环节的各个过程，找到优势和不足；同时设定教学指标，对教学全过程进行掌控，以期达到预定的教学目标。显然，通过实现控制论下的教学指导模式可以提高整体教学的质量[3]。

2.教学控制系统。控制论在教学管理中的应用[4]主要是构建人才培养模式。控制器就是教学管理的一系列规章制度，尤其是人才培养模式，同时控制器具有约束性，鲁棒性。在控制论视角下，教学控制过程可以看成一个控制系统，由教师、学生、反馈、比较等主要环节组成，其教学反馈系统框图如图2所示。

图2 教学反馈系统框图

（1）教学目标：即教学要达到的效果，教学目标由各学院协助教务处设定。

（2）信息反馈：在教育过程中，通过一定方式将学生的教育结果进行采集，并输送至控制器环节。通常是由老师通过答疑、作业、问卷调查、测试等方法从学生群体中获取有关教学效果的信息。

（3）教师（控制器）：教师通过接收来自比较器的差模信号，对学生进行教学调控。教师通过授课、布置作业、讲评等方式进行教学调控，引导学生到有吸引力的事物上来，激发学习兴趣，从而提高教学质量。

（4）扰动：即由老师的教学状态、学生的学习状态、社会环境、学生的心理因素等引起的教学效果不确定。老师通过长时间的经验积累，可以抑制降低扰动发生的频率，提高教学效率。

（5）比较器：比较器的作用是获得反馈信息，并与教学目标进行比较，获得差值，并把差模信号传给控制器，通常是由系（教研室）执行。

根据上述原理，首先由教务处及学院制定教学目标，通过教师对学生进行一系列教学活动，从学生那里获取相应的教学效果反馈信息；了解学生的学习情况，并与教学目标进行比较，及时有效的调整教学方法，以达到教学效果最优化；在运用教学控制系统时必须确定教学反馈信息的准确性、及时性；反馈要及时，反馈不及时会错过教学调控时机，也会影响教学成果。

教学控制系统建立的意义：从控制论的视角下进行分析教学过程，可让我们用更科学的观点量化的提高教学质量，重视参与过程的反省性，以循环控制思想为基础，通过提出问题，看待问题的方式达到循环过程的再认识[5，6]，而不是过去粗放的、宏观的、定性的认识教学质量，有助于提高教学效果。

二、教学控制论竞赛培养模式

组织自动化专业学生参加智能汽车竞赛，是培养该专业本科生综合能力非常有效的教学手段，该竞赛全面涵盖了自动化专业教学大纲的主干课程系列；实施智能汽车竞赛，对改善自动化专业教与学两方面的效能都大有裨益。

为提高智能汽车竞赛在自动化专业人才培养中的作用，本文了一类将教学控制论的观点引入竞赛管理的人才培养模式，通过构建竞赛管理控制体系来管理竞赛过程。

1.竞赛管理控制体系。竞赛管理控制体系就是依据反馈控制系统建立的，其示意图如图3所示。

图3 竞赛管理控制体系示意图

竞赛质量控制环节是根据竞赛中出现的问题及时进行调节。通过学校、学院开设的“智能汽车设计与实践”选修课及相应的招新活动，最大限度地向同学们宣传竞赛及其所需技术知识，吸引学生参与竞赛初选，再经过训练、观察和比较进行复选，优秀者才能进入下一轮[7]。

2.智能汽车竞赛比较环节模块。将采集的智能汽车竞赛实际值与竞赛质量设定值进行比较，来发现智能汽车竞赛过程中存在的问题。

3.智能汽车竞赛质量信息采集模块。信息采集模块是非常重要的。采集模块的功能就是及时采集竞赛过程的信息，为竞赛管理提供及时的信息。通过定时向学生发放竞赛信息采集表在上述管控体系中，被控对象是竞赛的进程。根据控制论对竞赛过程进行控制，通过比较环节的到竞赛质量实际值与设定值的偏差，通过竞赛质量控制环节和执行机构校正偏差，从而实现竞赛过程最优化。整个竞赛管理控制系统是由竞赛质量设定环节，竞赛质量控制环节，执行机构，竞赛质量信息采集环节构成。（1）智能汽车竞赛质量设定的确定。为了保证智能汽车竞赛的质量，学校、学院两级制定了一系列的竞赛质量标准：指导老师的研究水平和时间保证；参赛队员的技术能力、学习能力及合作能力；参赛单位的实验测试场地和经费支持。（2）智能汽车竞赛质量控制环，收集竞赛进程的信息。

2.智能汽车竞赛控制系统。智能汽车竞赛控制系统在教务处的指导下运行，教师、学生收集竞赛信息，并按照竞赛质量标准分析竞赛中发现的问题借助智能汽车竞赛培养自动化专业人才，这种培育模式取得了良好的教学效果：2007—2013年以来，我校共获得“全国大学生智能汽车竞赛”全国特等奖2项，全国一等奖多项。实践证明，基于教学控制论的竞赛培养模式有利于检验教师的课堂授课水平；提高学生的学习兴趣，促进他们的主动学习习惯养成，并提升其创新意识，适应新形势下国家和社会对工科本科生的能力素质要求。参考文献，及时进行调控，实现竞赛结果最优化[8]。

对于智能汽车竞赛的参赛队员，他们必须学习《控制理论》、《控制系统》等自动化专业知识，这些知识点主要包括：PID控制算法及其参数自调整技术、模糊智能控制算法、稳定性与动态特性分析、数字离散控制系统设计法、传感器与检测技术、数字电机技术等，综合利用这些方法来控制驱动电机及转向舵机，进而设计出可自主控制的智能车。随着竞赛的开展，参赛者可以更加深刻的了解自动化控制的核心理论和实用技术。

3.建立智能汽车竞赛控制体系的意义。在教学控制论的视角下，竞赛管理过程是一个可控系统，分析竞赛管理也就是分析一个反馈控制系统，因此会让我们用更科学的观点量化提高竞赛管理。建立竞赛管理控制系统是提高竞赛质量的有效途径，对提高竞赛质量有突出作用，对学生的全面发展有重要意义[9]。

三、结论

借助智能汽车竞赛培养自动化专业人才，这种培育模式取得了良好的教学效果：2007—2013年以来，我校共获得“全国大学生智能汽车竞赛”全国特等奖2项，全国一等奖多项。实践证明，基于教学控制论的竞赛培养模式有利于检验教师的课堂授课水平；提高学生的学习兴趣，促进他们的主动学习习惯养成，并提升其创新意识，适应新形势下国家和社会对工科本科生的能力素质要求。

[1]孟梅.控制论在高校教学管理中的应用[J].中国环境管理干部学院学报，2001，（3，4）：66-69.

[2]程磊，吴怀宇.结合智能汽车竞赛活动的自动化专业教学改革[J].电气电子教学学报，2009，31（S2）：116-119.

[3]赵丹梅.控制论视角下高级人才培养模式的构建初探[J].东北农业大学学报，2013，11（3）：133-136.

[4]吴建国，控制论在教学管理中的应用[Z].江苏省系统工程学会第十届学术年会.

[5]杜锋.控制论系统观在健美操教学中的应用[J].山西师大体育学院学报，2006，21（S2）：67-69.

[6]曹玉华，郭晓燕，高锐涛.“控制论系统观”视阀下人才培养模式的构建[J].黑龙江高教研究，2011，3（203）：134-136.

[7]于金霞.基于机器人竞赛的大学生创新素质教育[J].计算机教育，2010，（19）：58-60.

[8]曹科才，高翔.从智能车模竞赛谈大学生创新能力培养[J].中国科教创新导刊，2009，（19）：156-157.

[9]曾文波，劳有兰.搞好电子设计竞赛深化实践教学改革[J].电气电子教学学报，2000，22（1）：61-62.

G642.41

A

1674-9324（2014）28-0274-03

湖北省教育科学“十二五”规划2011年度专项资助重点课题（2011A109）；湖北省高等教育学会“十二五”规划首批专项资助重点课题（10）；湖北省高等学校省级教学研究项目（2013220）。

程磊（1976-），男，湖北武汉人，副教授，研究方向：机器人与机器感知、物联网技术、嵌入式系统设计、演化博弈与智能控制。