自動控制理論課程思政的教學(xué)設(shè)計

楊匯軍，孫麗穎

自動控制理論課程思政的教學(xué)設(shè)計

楊匯軍，孫麗穎

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

為適應(yīng)自動控制理論課程思政的改革需要，研究了自動控制理論課程思政的教學(xué)模式與案例，針對建模、時域分析、穩(wěn)定性分析、頻域三頻段分析四個知識點，挖掘思政元素，并按課程培養(yǎng)目標對其進行教學(xué)設(shè)計。分析各思政元素的恰當切入點，采用問題導(dǎo)向或引入小故事、典故及小視頻等途徑引入思政元素，為課程教學(xué)添加適宜的“催化劑”，既可培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計和創(chuàng)新能力，又可提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，推動專業(yè)基礎(chǔ)課程思政的改革與創(chuàng)新。

教學(xué)模式；思政元素；教學(xué)設(shè)計

習(xí)近平總書記指出，“思想政治理論課是落實立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵課程”，思想政治理論課改革創(chuàng)新要堅持“八個相統(tǒng)一”，其中包括“要堅持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和教學(xué)方式中蘊含的思想政治教育資源，實現(xiàn)全員全程全方位育人”[1]。為適應(yīng)高?，F(xiàn)階段“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程”的教學(xué)需求，同時遵循高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性的要求，深挖自動控制理論課程的思政教育元素，尋找思政教育的切入點，將社會主義核心價值觀融入課程內(nèi)容，實現(xiàn)課程思政與教學(xué)內(nèi)容的多元化教學(xué)設(shè)計，具有重大現(xiàn)實意義。

一、基于OBE的課程思政模式

適應(yīng)公共問責制的興起，高等工程教育更加關(guān)注教育投入與實際產(chǎn)出的現(xiàn)實需要。成果導(dǎo)向教育理念（Outcome Based Education，OBE）是以終為始、以學(xué)生為中心的教育，其強調(diào)以下四個問題[2]：學(xué)生應(yīng)該達到的學(xué)習(xí)效果是什么？為什么能取得這樣的學(xué)習(xí)效果？通過什么方法達到學(xué)習(xí)效果？如何評價學(xué)習(xí)成效？按照OBE的教育理念，有必要設(shè)計基于成果導(dǎo)向的自動控制理論課程思政教學(xué)模式。

（一）教學(xué)模式

自動控制理論課程采用以學(xué)習(xí)成果（OBE）為導(dǎo)向，以學(xué)生為主體，以行業(yè)企業(yè)用人需求為考核標準，確定教學(xué)目標，并實現(xiàn)思政目標與教學(xué)內(nèi)容融合，達到“如鹽入水”的思政育人效果。按企業(yè)用人需求設(shè)計知識、能力及素養(yǎng)多維度的考核指標，核驗學(xué)生的綜合培養(yǎng)成果，及時調(diào)整教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法，形成閉環(huán)的教學(xué)監(jiān)控模式，具體教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 教學(xué)模式設(shè)計

（二）教學(xué)設(shè)計

自動控制理論課程可融入的思政元素源于社會主義核心價值觀：規(guī)則意識——立德樹人、價值塑造；行為意識——能力培養(yǎng)、價值塑造、愛國精神、工匠精神、創(chuàng)新精神以及家國情懷。按照授課知識主線：數(shù)學(xué)建模、時域分析、根軌跡法、頻域分析、系統(tǒng)校正與設(shè)計、采樣控制系統(tǒng)分析與設(shè)計，教學(xué)設(shè)計思路如圖2所示。結(jié)合用人單位對畢業(yè)生的綜合能力及素養(yǎng)要求，設(shè)定每章的知識目標、能力目標及素質(zhì)目標；深入思考、挖掘知識點的思政元素，并將思政元素以小故事、短視頻、問題導(dǎo)向、線上MOOC討論等不同形式融入課程的教學(xué)。思政元素的切入為枯燥的理論授課增添了“催化劑”，使課堂充滿趣味性。明確各知識點的成果考核方式。課程考核分別從線上MOOC平臺、實驗課堂、實驗技能測試及期末測試四方面開展。每種考核途徑均體現(xiàn)各知識點所支撐的學(xué)生素養(yǎng)和能力。

圖2 教學(xué)設(shè)計思路

二、機理建模與實驗建模的思政教學(xué)設(shè)計

（一）思政元素解析

自動控制理論課程旨在介紹自動控制系統(tǒng)分析和綜合的基本原理及方法，需要明確被控對象的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型可采用機理建模和實驗建模兩種方法。引用老子《道德經(jīng)》觀點：天下難事必作于易，天下大事必作于細，在實驗教學(xué)中融入大局意識和創(chuàng)新精神。在機理建模中，針對復(fù)雜的工業(yè)對象，如何能相對準確地獲得數(shù)學(xué)模型，這就要求必要時忽略一些次要因素，抽象出簡化的數(shù)學(xué)模型，而引申到我們工作與學(xué)習(xí)中，就在于突出主要因素、樹立大局意識。同時，在同一對象建立模型中，選擇不同的輸入量和輸出量，得到的數(shù)學(xué)模型是不同的，以此引導(dǎo)學(xué)生增強創(chuàng)新意識，引入多元視角，看到不同的情境，產(chǎn)生截然不同的想法與感受，從而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

在實驗建模中，“學(xué)起于思，思源于疑”[2]，帶著疑問進實驗課堂，將細心及創(chuàng)造意識融入實驗教學(xué)。在實驗教學(xué)中，搭建工業(yè)典型對象的模擬電路，鼓勵學(xué)生改變電路參數(shù)、多次重復(fù)測試曲線，然后細心分析測試數(shù)據(jù)，將創(chuàng)新設(shè)計與細心操作結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。同時，在實驗電路特性的測試中，必然存在各種各樣的干擾，抗干擾能力至關(guān)重要，此時引入“孟母三遷”典故，借指選擇適宜的環(huán)境會達到事半功倍的效果。

（二）教學(xué)設(shè)計

機理建模和實驗建模旨在培養(yǎng)學(xué)生分析工業(yè)對象特性的能力，是實現(xiàn)系統(tǒng)分析與設(shè)計的基礎(chǔ)。

1. 采用以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向的方法導(dǎo)入思政元素。在水箱液位對象的建模中，首先分別為學(xué)生設(shè)置以下問題：輸入變量、輸出變量、中間變量各是什么，如何列各變量方程；然后如何化簡消除中間變量；最后獲得對象模型的標準化形式。此部分內(nèi)容可引入大局意識。提示學(xué)生水箱對象作為一階單容自衡對象的特點，分析輸入量與輸出量，針對工程實際中的水箱對象，按水箱的儲水能量守恒的原理，由學(xué)生帶著如何選取變量、模型的階次以及是否具有慣性等問題，分析各變量、列取微分方程、化簡、模型標準化。隨機抽取學(xué)生提交答案并分享體會。教師對學(xué)生提交的答案進行解析：說明以進水量為輸入、以液位為輸出，中間變量為排水量，嚴格來說排水閥門的流體阻力并非常數(shù)，它與液位、流出量為非線性關(guān)系，那么在液位范圍變化不大時，可以忽略非線性的影響，近似認為線性關(guān)系。這樣處理以后，很容易得到液位對象的數(shù)學(xué)模型，自然地讓同學(xué)們聯(lián)想到忽略次要因素、體現(xiàn)大局意識。此時，讓學(xué)生思考：在分析工程實際問題中，尋找從眾多因素提煉出核心問題的途徑，逐步形成大局意識。這種大局觀是一種實踐能力，也是一種基本的素養(yǎng)。

2. 在理論和實驗建模方法講解中，強調(diào)簡單的實驗也需要細心、耐心和好奇心，常懷揣問號走進實驗室。在等同于水箱一階慣性環(huán)節(jié)的RC電路時域響應(yīng)分析中，每名同學(xué)預(yù)習(xí)并自己設(shè)定問題，通過實驗測試響應(yīng)曲線，測試時間常數(shù)T和放大倍數(shù)K等相關(guān)數(shù)據(jù)，以得到RC電路的數(shù)學(xué)模型。在實驗數(shù)據(jù)的測試中，T與K經(jīng)過多次測量才能準確。同時，讓學(xué)生改變輸入輸出變量，測試不同的階躍響應(yīng)曲線，構(gòu)建不同的測試環(huán)境，得到不同的數(shù)學(xué)模型。通過“進實驗室像一個問號，出實驗室是一個句號”的過程，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。在理論建模與實驗建模中，均采用問題導(dǎo)向的方式實施思政策略，在MOOC平臺上發(fā)布討論話題，來檢驗學(xué)生機理建模與實驗建模環(huán)節(jié)所得。從學(xué)生討論核心看，大多數(shù)學(xué)生能樹立大局意識，并掌握了建模的基本方法。

三、二階系統(tǒng)時域響應(yīng)分析的思政教學(xué)設(shè)計

（一）思政元素解析

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)大多可以近似為二階系統(tǒng)，而對二階系統(tǒng)在各種阻尼情況下的響應(yīng)分析可知：在單位階躍信號作用下，隨著阻尼比的變化，響應(yīng)曲線由單調(diào)無超調(diào)、衰減振蕩到等幅振蕩等形式變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度不同。因此，思政元素可以設(shè)置為：內(nèi)因是事物發(fā)展變化的決定因素，可規(guī)定事物發(fā)展的基本趨勢和方向，同時外因的作用無論多大，也必須通過內(nèi)因才能起作用，以此引入弘揚民族與愛國精神的思政元素。

（二）教學(xué)設(shè)計

二階系統(tǒng)響應(yīng)分析采用短視頻導(dǎo)入“一只螞蟻”的故事。授課課件中引入內(nèi)因與外因的關(guān)系，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；針對溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定值為相對量1的時候，分析其階躍響應(yīng)曲線，不同阻尼下的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線

輸入信號是對溫度系統(tǒng)的期望值，該系統(tǒng)的阻尼比在大于等于1時，時域響應(yīng)曲線為單調(diào)上升過程；當阻尼比為大于零而小于1時，時域響應(yīng)曲線為衰減振蕩過程；而阻尼比接近等于0時，時域響應(yīng)曲線處于臨界穩(wěn)定的等幅振蕩過程。顯然阻尼比在大于0的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，且不同曲線的峰值時間、超調(diào)量各不相同，互相制約。若要滿足指標要求，均衡考慮平穩(wěn)性和快速性，阻尼比必須為恰當?shù)囊粋€值。在系統(tǒng)的階躍響應(yīng)指標分析中，既要協(xié)調(diào)平穩(wěn)性和快速性的性能指標外因，也需調(diào)整內(nèi)因阻尼比。而阻尼比由二階系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)特點決定，由此引發(fā)學(xué)生思考，要取得事情的成功，關(guān)鍵在于主觀努力?！按蜩F還需自身硬”，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)工作及生活中，勇于擔當、及時修正自己，進而引導(dǎo)學(xué)生愛國、強國，將來投身于中華民族復(fù)興的偉大事業(yè)中；同時外因的約束也非常重要，需要學(xué)生充分重視外在的環(huán)境影響，客觀地評價自己，讓自己成為有用之才。

二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的分析，以短視頻方式導(dǎo)入，增加了課堂的趣味性。在實驗技能測試環(huán)節(jié)中，A類試題設(shè)置二階系統(tǒng)的電路設(shè)計，并測試不同階躍輸入下的響應(yīng)。與前一教學(xué)周期相比，選A類試題學(xué)生增加了20%，二階系統(tǒng)電路設(shè)計的創(chuàng)新性和正確性考核知識目標、能力目標及素質(zhì)目標均較好實現(xiàn)。

四、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的思政教學(xué)設(shè)計

穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的首要條件，在時域分析、根軌跡分析及頻域分析中均有相應(yīng)的評價方法，是學(xué)生分析與設(shè)計系統(tǒng)必須掌握的理論知識。

（一）思政元素解析

在穩(wěn)定性概念闡述中，引用“天下之本在國，國之本在家”[3]，家和萬事興。從各種工業(yè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引申到每個小家庭的和睦團結(jié)，也聯(lián)想到社會、國家的穩(wěn)定性意義。從我們國家的安定團結(jié)、國泰民安、致力于發(fā)展經(jīng)濟，到新冠肺炎疫情下，以中國速度抑制疫情，一方有難八方支援的中國風，國民才有幸福感。引導(dǎo)學(xué)生對自律重新認識，在低谷時，不墮落，發(fā)憤圖強；而在巔峰時，實時警戒自己，以此形成自己正確的人生觀。

（二）教學(xué)設(shè)計

在講述穩(wěn)定性概念之前，以隨堂小實驗的方法，介紹小球在光滑凹面的底部和光滑凸面的頂部兩種運動之后的狀態(tài)，引發(fā)學(xué)生思考穩(wěn)定性的含義和同班同學(xué)、同寢室同學(xué)團結(jié)的重要性；同時以PPT列出航天員在太空行走的圖片、煉油裝置的實時工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、2022年北京冬奧會中國隊員出場的畫面以及武漢疫情后解封的激動時刻，既引導(dǎo)學(xué)生思考穩(wěn)定的深層次意義，也讓師生共同體驗愛國情懷。最后讓學(xué)生分享在遇到難題時該如何做，在學(xué)業(yè)、職場非常得意時該如何做，就像凹面中底部的小球，搖擺中慢慢平衡下來，而在頂部的小球，沖到了頂部，視野寬闊，但稍有不慎就會前功盡棄，因此需要實時警戒自己。

在授課中，以課堂小實驗和時事熱點問題，引發(fā)學(xué)生思政話題的思考，學(xué)生很容易接受，教化于無形；期末考試試卷中的穩(wěn)定性分析，學(xué)生答題情況較好，同時在實驗課堂授課環(huán)節(jié)的自律方面以及實驗報告的提交過程中，都有明顯改觀，達到了思政與理論知識巧妙融合的目的。

五、三頻段分析的思政教學(xué)設(shè)計

（一）思政元素解析

在頻域分析中，開環(huán)幅相頻率特性曲線按低頻、中頻和高頻三頻段分析，由此可折射人生要過好三個階段。人生每個不同的階段都要實現(xiàn)不同的目標，國家發(fā)展各階段也有規(guī)劃目標，引導(dǎo)學(xué)生要有規(guī)劃意識，自覺規(guī)劃各階段目標。

（二）教學(xué)設(shè)計

在講述開環(huán)頻率特性中，針對低頻、中頻及高頻三頻段分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、暫態(tài)性能及抗干擾性能，引用孔子“君子有三戒：少之時，血氣未定，戒之在色；及其壯也，血氣方剛，戒之在斗；及其老也，血氣既衰，戒之在得?！盵4]引導(dǎo)學(xué)生思考，宏觀上映射人生的三個階段：不同年齡階段要求不同，不同階段要做好規(guī)劃，有不同的努力目標；微觀來講，映射大學(xué)生不同年級的心態(tài)、規(guī)劃重點。當代大學(xué)生要打好根基、厚積薄發(fā)，勿陶醉于愛情，需要長知識、增閱歷；同時對今后的學(xué)習(xí)工作做好規(guī)劃。要抵制名利、財富的誘惑，不要在奮斗中迷失自己，做到“時時勤拂拭、莫讓塵掩蓋”[4]。引發(fā)學(xué)生對大學(xué)學(xué)習(xí)生涯的思考（小組討論）：（1）大一（初入學(xué)）——牢固搭建基礎(chǔ)“地基”；（2）大二（脫離稚嫩）——創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊創(chuàng)新能力培養(yǎng)；（3）大三（成長期）——升學(xué)或職業(yè)技能儲備；（4）大四（成熟期）——職業(yè)選擇。每個階段的需求不同，制定的目標不同，但都有一定的底線約束。

時域指標在三頻段展現(xiàn)的三種不同性能，引出學(xué)生對人生不同階段的思考，進而對大學(xué)學(xué)習(xí)生活的規(guī)劃，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中感受規(guī)劃的重要性?？梢詮腗OOC平臺發(fā)布小調(diào)查——關(guān)于學(xué)生對考研與就業(yè)的職業(yè)規(guī)劃選擇,調(diào)查較好地展示了學(xué)生理論知識與思政素養(yǎng)的結(jié)合實效。

六、結(jié)束語

本課程分別對自動化、測控、電氣19級學(xué)生實施了思政教學(xué)改革，從MOOC平臺線上討論、實驗課堂實時效果、實驗技能測試成績及期末考試成績等方面考核，學(xué)生的總體評價均有一定程度的提升。2021/2022-1學(xué)期對測控專業(yè)51名同學(xué)進行問卷調(diào)查，通過MOOC平臺以匿名形式開展，有10.5%的學(xué)生對是否加入思政保持中立態(tài)度；3.9%的同學(xué)認為沒必要、占用時間；85.6%的學(xué)生認為需要并能接受，而該課程思政的總體滿意度也達到98%。從調(diào)查問卷結(jié)果來看，教師也需要不斷改進融入策略和方式，盡可能達到“鹽與食材相溶”的效果，增加課堂“滋味”，培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)和創(chuàng)新意識，逐步增進專業(yè)基礎(chǔ)課程的思政實效性。

[1] 習(xí)近平. 用新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人貫徹黨的教育方針落實立德樹人根本任務(wù)[N]. 人民日報，2019-03-19(01).

[2] 朱婕, 徐剛. 基于OBE理念的自動控制原理實驗課堂教學(xué)改革與實踐[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2019, 35(12): 149-151.

[3] 習(xí)近平. 在2018年春節(jié)團拜會上的講話[N]. 新華社，2018-02-14(01).

[4] 李莉. 論語的智慧[M]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社，2001: 143-153.

10.15916/j.issn1674-327x.2022.06.034

G642.0

B

1674-327X (2022)06-0128-04

2022-01-28

遼寧工業(yè)大學(xué)課程思政示范課程項目(2021)

楊匯軍(1970-)，女，遼寧凌海人，副教授。

(責任編輯：付春玲)