自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程思政建設(shè)實(shí)踐探究

張雪琴 王守峰

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)；課程思政；實(shí)踐；探究

0 引言

“教書育人”是教師的天職，思想政治教育并不只局限于思政課堂，而是貫穿于各學(xué)科教育教學(xué)活動(dòng)始終，正如習(xí)近平總書記在學(xué)校思想政治理論課教師座談會(huì)上強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)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(yùn)含的思想政治教育資源，實(shí)現(xiàn)全員全程全方位育人[1]。自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)作為電氣自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等專業(yè)的一門重要專業(yè)課，以學(xué)校立項(xiàng)重點(diǎn)課程為契機(jī)，結(jié)合課程本身的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)特點(diǎn)，從專業(yè)教學(xué)內(nèi)容找到切入點(diǎn)，有機(jī)融入思政教學(xué)環(huán)節(jié)。其中，專業(yè)內(nèi)容中思政元素的挖掘和融合是最核心和最難解決的。因此，以電氣自動(dòng)化技術(shù)類自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程為載體，根據(jù)該課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，利用讀原著、看視頻等多種方式挖掘課程中的思政元素，進(jìn)一步將家國情懷、創(chuàng)新意識(shí)、社會(huì)主義核心價(jià)值觀等以潤物細(xì)無聲的方式融入專業(yè)課教學(xué)過程中，將顯性教育與隱性教育融會(huì)貫通，同心同向，同頻共振做好青年大學(xué)生思想政治教育工作，構(gòu)建“三全育人”大格局[2]。

1 自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)教學(xué)發(fā)展趨勢

自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)融合了工程學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。它通過研究和應(yīng)用控制論、系統(tǒng)論等理論，探索如何利用反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度和魯棒性等性能指標(biāo)的優(yōu)化，原理屬性強(qiáng)，教學(xué)難度高。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，教學(xué)方法也需要不斷創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的課堂講授結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式仍然重要，但也需要在線教育、虛擬實(shí)驗(yàn)室、仿真軟件等多樣化的教學(xué)手段。學(xué)生可以通過在線平臺(tái)學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作，提高自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力。自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程側(cè)重實(shí)踐應(yīng)用，教學(xué)中越來越強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性教學(xué)。學(xué)校和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配備先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和仿真軟件，使學(xué)生能夠進(jìn)行系統(tǒng)建模、仿真和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解與運(yùn)用。為培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和解決問題的能力，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)逐漸引入自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程中。學(xué)生需要在團(tuán)隊(duì)中完成一個(gè)完整的自動(dòng)控制項(xiàng)目，從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制算法編寫到實(shí)施與調(diào)試，鍛煉學(xué)生的綜合能力和實(shí)踐操作能力。自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)是一個(gè)不斷發(fā)展和創(chuàng)新的領(lǐng)域，教學(xué)中也需要關(guān)注研究熱點(diǎn)和前沿問題。教師應(yīng)介紹最新的自動(dòng)控制理論和技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注控制系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展、智能化控制、人工智能與自適應(yīng)控制等領(lǐng)域的突破。自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，跨學(xué)科合作變得越來越重要。教學(xué)中鼓勵(lì)與電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的合作，在教學(xué)中引入相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，拓寬學(xué)生的視野和應(yīng)用能力。

自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程的教學(xué)現(xiàn)狀展現(xiàn)出教學(xué)方法多樣化、強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)、引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、數(shù)字化教學(xué)資源豐富、研究熱點(diǎn)的關(guān)注以及跨學(xué)科合作的重要性等特點(diǎn)和趨勢。這些發(fā)展將為學(xué)生提供更廣闊的學(xué)習(xí)空間和發(fā)展機(jī)會(huì)，培養(yǎng)出更具創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力的控制工程人才。

2 自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程思政必要性

自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)不僅是電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，也是計(jì)算機(jī)、電子信息以及檢測技術(shù)等專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，是后面專業(yè)課程的前續(xù)課程，在整個(gè)專業(yè)課程體系中起著承前啟后的重要作用，具有很高的課程地位[3]。本課程系統(tǒng)介紹了自動(dòng)控制的基本理論、分析和設(shè)計(jì)方法。它旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論的理解與應(yīng)用能力，并為工程實(shí)踐提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中不僅要求理解和掌握自控原理的基本概念，還要求學(xué)生熟練掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用基本理論知識(shí)解決自然科學(xué)和工程實(shí)際中控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)問題的能力。該課程教學(xué)內(nèi)容枯燥無味，繁雜公式推導(dǎo)使學(xué)生在面對(duì)實(shí)際工程問題時(shí)，不能用已學(xué)知識(shí)靈活地運(yùn)用其中，不能將理論知識(shí)和工程實(shí)踐結(jié)合起來。由于學(xué)習(xí)過程缺乏自主性，導(dǎo)致應(yīng)試的目的比較明顯，有重視知識(shí)傳授而忽略了價(jià)值觀引領(lǐng)的現(xiàn)象出現(xiàn)[4]。

當(dāng)代高職學(xué)生總體上具有充滿自信、個(gè)性張揚(yáng)、思維活躍、不拘泥于傳統(tǒng)、處處爭強(qiáng)好勝、有著表達(dá)自己的思想和態(tài)度的強(qiáng)烈欲望等優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)烈的愛國熱情，但也存在一些不足，如缺乏堅(jiān)定的政治方向、自我期望值過高、實(shí)踐能力不夠強(qiáng)、價(jià)值取向功利化、責(zé)任意識(shí)有待加強(qiáng)等。課程思政是實(shí)現(xiàn)立德樹人教育目標(biāo)的有效途徑，對(duì)于自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)這門課程而言，要達(dá)到立德樹人的效果，將思政元素有機(jī)融入專業(yè)課中，需要授課教師付出更多的時(shí)間和精力，挖掘?qū)I(yè)課知識(shí)背后的哲學(xué)思想及相應(yīng)的思政元素，通過多元化的形式，生動(dòng)地傳遞給學(xué)生[5]。在不弱化專業(yè)課程的前提下，利用課堂主渠道，潤物無聲地幫助學(xué)生樹立正確的思想信念，培養(yǎng)正確的思維方式，塑造自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。為學(xué)生提供全面且有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生在自動(dòng)控制領(lǐng)域的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新潛能。

3 課程思政的教學(xué)探索與實(shí)踐案例

針對(duì)電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容與思政元素挖掘，列舉典型案例如表1所示。

3.1“ 愛國情懷，激發(fā)熱情”——緒論

緒論部分是幫助學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)有一個(gè)初步的、整體上的認(rèn)識(shí)，上好第一次課的緒論部分，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，起到一個(gè)良好的引領(lǐng)作用。因此，在自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程教學(xué)中，聯(lián)系往屆學(xué)生的就業(yè)情況，利用視頻結(jié)合實(shí)際的例子介紹自動(dòng)控制原理在輕紡工業(yè)、資源加工工業(yè)和機(jī)械、電子制造業(yè)等行業(yè)的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，聯(lián)系本科生升學(xué)的情況，利用各高校的通過研究生入學(xué)考試專業(yè)課科目來了解該課程的重要性。結(jié)合就業(yè)和升學(xué)來介紹該課程，既讓學(xué)生了解了該課程的應(yīng)用，也使學(xué)生深刻地感受到了該課程的重要性，讓學(xué)生能清晰地看到自己努力的目標(biāo)。再結(jié)合控制理論經(jīng)歷了約150年發(fā)展的三個(gè)時(shí)期——經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制以及智能控制來介紹控制史，讓學(xué)生在了解控制理論發(fā)展史的同時(shí)感受人類發(fā)展的艱辛，體會(huì)前輩在發(fā)展中體現(xiàn)出的奮斗和創(chuàng)新精神，我們現(xiàn)在是站在巨人的肩膀上學(xué)習(xí)和成長，消除學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)理論知識(shí)的畏難情緒。

針對(duì)電氣自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，通過觀看短視頻，介紹被譽(yù)為“中國自動(dòng)化控制之父”“兩彈一星”“中國航天之父”錢學(xué)森的事跡，引導(dǎo)學(xué)生弘揚(yáng)其刻苦勤奮的學(xué)習(xí)精神、攻堅(jiān)克難精神、創(chuàng)新精神以及其“學(xué)成必歸”“五年歸國路”“十年造兩彈”報(bào)效祖國的愛國精神，激勵(lì)學(xué)生自覺融入實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢的進(jìn)程中去，實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值。

3.2“ 以簡馭繁”—— 結(jié)構(gòu)圖的等效變換原則

分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的第一步是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。微分方程、傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖是經(jīng)典控制理論中的三種數(shù)學(xué)模型，前兩種都是用純數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述系統(tǒng)特點(diǎn)，不能反映系統(tǒng)中各部件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響，而系統(tǒng)原理圖、職能方框圖雖然反映了系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，但又缺少系統(tǒng)中各變量間的定量關(guān)系。結(jié)構(gòu)圖既能描述系統(tǒng)中各變量間的定量關(guān)系，又能明顯地表達(dá)系統(tǒng)各部件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在講解學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)圖的目的時(shí)，結(jié)合比較與微分方程、傳遞函數(shù)的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生描述問題時(shí)，學(xué)會(huì)從多角度多維度地對(duì)問題和系統(tǒng)進(jìn)行闡述。同時(shí)也激勵(lì)高校教師要建立健全多維度的課程思政建設(shè)成效考核評(píng)價(jià)體系。立足于學(xué)生、以第一視角充分檢驗(yàn)人才培養(yǎng)的效果，必須在“三全育人”的總體工作格局中直接反饋高校課程思政建設(shè)的有效性。

學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)圖這種數(shù)學(xué)模型，必然少不了學(xué)習(xí)簡化結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖變換前后需滿足向傳遞函數(shù)不變，回路傳遞函數(shù)不變的原則，體現(xiàn)了平等與公平的原則。模型的等價(jià)變換如同人與人相處之道，要踐行自由、平等、誠信、友愛、公正的原則，讓學(xué)生深化對(duì)于社會(huì)主義核心價(jià)值觀的理解。

3.3“ 萬仞高山，始足于穩(wěn)”—— 系統(tǒng)穩(wěn)定性

自動(dòng)控制是指在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。若想讓一個(gè)在沒有人直接參與的系統(tǒng)能夠長期地正常運(yùn)行，就一定要保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此穩(wěn)定性是系統(tǒng)最基本也是最關(guān)鍵的指標(biāo)要求。結(jié)合1940年在風(fēng)的作用下坍塌的美國塔科馬海峽大橋的案例，講解何為穩(wěn)定，穩(wěn)定不是指一成不變，而是指當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)偏離了方向，當(dāng)擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)能夠在不借助外力的情況下回到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)最基本的性能指標(biāo)，沒有穩(wěn)定性的系統(tǒng)，談其快速性和準(zhǔn)確性都將毫無意義。

自動(dòng)控制系統(tǒng)如此，個(gè)人、家庭和國家亦然。只有在國家這個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行精神文明建設(shè)，才能實(shí)現(xiàn)中國夢。在一個(gè)國家的歷史長河中，會(huì)遇到各種各樣的苦難與困境，這類似于外界對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的干擾，作為一個(gè)穩(wěn)定的國家，應(yīng)該有能力、有信心解決各種苦難、突破各種困境，作為當(dāng)代大學(xué)生，應(yīng)該培養(yǎng)自身能力，維護(hù)國家、家庭的穩(wěn)定。同時(shí)，也要保證自身的穩(wěn)定，不因幸運(yùn)而故步自封，不因厄運(yùn)而一蹶不振，時(shí)時(shí)校準(zhǔn)自己前進(jìn)的目標(biāo)，使個(gè)人系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。高等教育學(xué)校擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)優(yōu)秀人才的重任，大學(xué)生是未來市場的主力軍。學(xué)生堅(jiān)定理想信念，補(bǔ)足精神之鈣，建立學(xué)生正確的個(gè)人思想體系，是共同富裕和中華民族偉大復(fù)興的必由之路。

3.4“ 另辟蹊徑”——Routh穩(wěn)定判據(jù)

在講解Routh穩(wěn)定判據(jù)這一節(jié)時(shí)，在課堂導(dǎo)入中講述Maxwell和Routh的故事。Maxwell在1863年9月已基本完成穩(wěn)定性方面的研究工作。1868年針對(duì)調(diào)速器有時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽機(jī)速度出現(xiàn)振蕩問題，發(fā)表論文“論調(diào)節(jié)器”，導(dǎo)出了調(diào)速器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與特征方程的根是否具有負(fù)實(shí)部有關(guān)。當(dāng)時(shí)還沒有MATLAB這個(gè)商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，無法快速地求解高階方程，對(duì)于五次以上的高階多項(xiàng)式，也沒有直接的求解公式，這一大難點(diǎn)成為判斷高階系統(tǒng)穩(wěn)定性的攔路虎。Max?well曾在論文中呼吁全世界的數(shù)學(xué)家們利用自己的專業(yè)解決該難題。1877年，E.J.Routh在其論文中解答了如何根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式在右半平面根的數(shù)目，這一方法成功地解決了利用代數(shù)方法判斷高階系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。Routh的這一成果現(xiàn)在被稱為Routh穩(wěn)定判據(jù)。

用故事激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在故事中感受Routh解決問題的創(chuàng)新思維和獨(dú)立思考能力。培養(yǎng)學(xué)生利用創(chuàng)新思維思考問題的能力和獨(dú)立思考能力，重要的不是要掌握多少數(shù)據(jù)和方法，而是要有創(chuàng)造性、邏輯性地找到“現(xiàn)在眼前發(fā)生的真正問題是什么”。不管從事何種工作，特別是科研工作，都離不開獨(dú)立思考能力、突破束縛。在控制領(lǐng)域的發(fā)展史上，每一個(gè)推動(dòng)控制史發(fā)展的關(guān)鍵人物，都充分發(fā)揮了這種獨(dú)創(chuàng)精神。

3.5“ 立足當(dāng)前，放眼未來”—— PID控制規(guī)律

在介紹PID控制的基本原理時(shí)，從形式入手介紹PID各控制項(xiàng)，PID控制從形式上看是P控制、I控制和D控制的簡單組合，但其中卻蘊(yùn)含著深刻的道理。Kp 比例控制考慮當(dāng)前誤差，是最基本的控制項(xiàng)，PI、PD、PID均離不開P控制項(xiàng)；Kd微分控制考慮將來誤差；Ki 積分控制考慮過去誤差。PID控制在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，其控制性能表現(xiàn)出色?？偟膩砜?，PID 控制綜合考慮了系統(tǒng)對(duì)過去、現(xiàn)在和未來的誤差，換言之，“現(xiàn)在”只有與過去和未來相聯(lián)系，才更有意義。

最基本的P控制項(xiàng)告訴人們，未來不可期，以往不可變，唯有把握住當(dāng)下時(shí)刻。有些東西你畢業(yè)以后將用幾十年去學(xué)，所以不用急于去學(xué)；而有些東西你走出校園就再也不會(huì)有機(jī)會(huì)去學(xué)了，所以一定要抓緊去學(xué)，珍惜大學(xué)的美好時(shí)光。I控制項(xiàng)告訴人們，歷史孕育了真理，它能和時(shí)間抗衡，要以史為鑒，躬身自省，這有助于人們消除誤差更快更準(zhǔn)確地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。D控制項(xiàng)告訴人們，做事不能只看著眼前，要向遠(yuǎn)處看，學(xué)會(huì)運(yùn)用謀略制定控制方案，一往無前地到達(dá)自己的預(yù)設(shè)目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)事物的前瞻性和戰(zhàn)略性思維，就不能只讀書本上的理論知識(shí)，應(yīng)該在學(xué)習(xí)中將理論與實(shí)踐相結(jié)合，多動(dòng)腦思考，多動(dòng)手操作。

4 結(jié)束語

自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)課程涉及大量的公式，理論性較強(qiáng)，學(xué)生理解起來較為困難，如何活躍課堂氣氛，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性是一個(gè)值得思考的問題。經(jīng)過兩年多的課程思政教學(xué)實(shí)踐，教師們深刻認(rèn)識(shí)到課程思政教學(xué)不僅有助于活躍課堂氣氛，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，有助于學(xué)生加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，有助于學(xué)生樹立正確的價(jià)值觀，形成電氣工程師的家國情懷、創(chuàng)新意識(shí)、合作意識(shí)。但如何定量評(píng)價(jià)課程思政教學(xué)效果是一個(gè)難點(diǎn)，值得今后進(jìn)一步探索。