新工科背景下“現(xiàn)代控制理論”課程思政教學設計與實踐

［摘 要］ 新工科建設的提出，為高校的教育方式提出了新的挑戰(zhàn)?！艾F(xiàn)代控制理論”是電子信息類、自動化類專業(yè)必修的專業(yè)核心課程，完善課程的思政建設變得尤為重要。新工科背景下，對“現(xiàn)代控制理論”課程進行課程思政教學的設計與實踐。緊緊圍繞國家和區(qū)域發(fā)展需求，結合學校發(fā)展定位和人才培養(yǎng)目標，主要從四個方面進行課程思政的建設，包括領域典型偉大人物的介紹、建設典型思政案例庫、創(chuàng)建專題教學討論區(qū)和周期性進行熱門科技及工程技術的專題講座。

［關鍵詞］ 新工科；課程思政；思政案例庫；專題教學；熱門科技

［基金項目］ 2022年度新疆大學課程思政標桿課建設項目“現(xiàn)代控制理論”（XJU2022BGK28）；2022年度新疆大學研究生精品示范課程“線性系統(tǒng)理論”（XJDX2022YJPK27）

［作者簡介］ 王 聰（1989—），女，山東菏澤人，博士，新疆大學電氣工程學院副教授，主要從事智能控制研究；馬 萍（1994—），女（回族），新疆博湖人，博士，新疆大學電氣工程學院副教授，主要從事大數(shù)據(jù)驅動的智能故障診斷與健康管理技術研究；李新凱（1991—），男，山東德州人，博士，新疆大學電氣工程學院副教授，主要從事無人機控制理論研究。

［中圖分類號］ G641 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）38-0141-04 ［收稿日期］ 2023-05-06

引言

新工科建設旨在形成中國特色、世界一流的工程教育體系，建成工程教育強國［1］，為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢提供有力的人才支撐。高校是人才培養(yǎng)的重要基地，擔負著新工科人才培養(yǎng)的職責和使命［2］。“現(xiàn)代控制理論”是電子信息類、自動化類專業(yè)必修的專業(yè)核心課程，也是電子信息控制工程方向碩士研究生“線性系統(tǒng)理論”課程學習的基礎課程。該課程理論性較強，需要具備較好的數(shù)學基礎，其培養(yǎng)目標是提高學生的分析問題和解決問題的能力，為學生日后相關工作需要提供技術支持。關于該課程的教學改革以及思政設計也多有研究。陳一秀［3］由“系統(tǒng)能控性、能觀性”談“現(xiàn)代控制理論”課程思政教學實踐。張丹等［4］從高校人才培養(yǎng)中課程思政的必要性與“現(xiàn)代控制理論”課程思政的可行性出發(fā)，主要根據(jù)本課程的教學內容設計課程思政，將課程思政融入課堂。趙斌等［5］系統(tǒng)性地總結了“現(xiàn)代控制理論”課程教學創(chuàng)新實踐的全過程，分析了觀窗教學法與課程培養(yǎng)目標的適應性，詳細介紹了如何設計課程教學內容、如何進行過程性教學評價等，并結合航空航天應用的案例說明；總結了近6年教學創(chuàng)新實踐的主要成果，并分析了教學創(chuàng)新實踐的可推廣性。張苗等［6］針對“現(xiàn)代控制理論”實驗課程的教學內容理論性強、概念抽象、學生難以理解等問題，以直流電機位置控制系統(tǒng)為例進行實驗課程教學探索，借助MATLAB工具將學生從煩瑣的矩陣運算中解放出來，以突出系統(tǒng)的工程背景與實際應用。然而，以上研究多是單一地就本門課程進行的教學設計，在新工科背景下，如何緊緊圍繞國家和區(qū)域發(fā)展需求，結合學校發(fā)展定位和人才培養(yǎng)目標，將課程思政融入“現(xiàn)代控制理論”課程，全面落實高校立德樹人根本任務是亟待完成的課程思政設計與實踐問題。對此，本文主要研究新工科背景下“現(xiàn)代控制理論”課程的思政教學設計與實踐。

一、課程教學基本要求

“現(xiàn)代控制理論”是自動化相關專業(yè)的核心課程，是完成各類系統(tǒng)如計算機控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)等系統(tǒng)建模、動態(tài)分析以及綜合設計等的理論支撐［7］。“現(xiàn)代控制理論”課程教學方式主要是理論講述和分析，并結合一定的課程設計和課程實驗［8］?！艾F(xiàn)代控制理論”的教學面臨學生不易理解、公式推導過多、計算量過大等問題，因此，在進行課程思政設計時應針對該課程的教學方式，應滿足以下的教學要求：（1）以課程完整性和系統(tǒng)性為基礎前提，保證知識點的連貫性和統(tǒng)一性，然后基于數(shù)學基礎，結合實際工程案例，完成知識點的學習和延伸，盡量避免煩瑣枯燥的數(shù)學公式證明和推導。始終以讓學生掌握核心知識點并能學以致用為基本原則，完成該課程的教學任務。（2）始終堅持引導式教學為主，通過應用案例引導引出知識點，再結合知識點和例題完成專業(yè)講述，力爭打開學生思維，完成創(chuàng)新性的學習。（3）教學形式采用傳統(tǒng)教學與網(wǎng)絡化工具結合的方式，以傳統(tǒng)教學為主：多媒體主講，重要知識點板書；再結合網(wǎng)絡工具，發(fā)布鞏固練習及工程討論課題，加深學生的理解，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實際應用能力。

二、課程思政設計

為滿足新工科背景下的課程思政教育要求，在傳授專業(yè)知識、滿足課程教學基本要求的前提下，要融入課程思政的設計與教育。能夠挖掘老一輩科學家吃苦耐勞、奮勇拼搏的精神，將政治認同、愛國主義情懷、民族自豪、道德修養(yǎng)傳遞給學生，引導學生提高對中國共產(chǎn)黨創(chuàng)新理論的政治認同、思想認同、情感認同，堅定中國特色社會主義制度自信、文化自信等［9］。針對“現(xiàn)代控制理論”課程的特點，課程思政設計主要包括以下幾個方面。

（一）該領域典型偉大人物的介紹

“現(xiàn)代控制理論”課程主要包括狀態(tài)空間表達式的建立、狀態(tài)空間表達式的解、線性控制系統(tǒng)的能控性能觀性、穩(wěn)定性與李雅普諾夫方法以及線性定常系統(tǒng)的綜合和最優(yōu)控制六部分內容。每一部分內容的提出，都離不開國內外偉大學者的付出。將相關偉大人物為解決某一類難題時不怕吃苦堅持不懈的事跡與課程內容相結合，一方面激發(fā)學生學習的興趣，另一方面教育學生堅守學術操守和道德理念，把學問和人格融合在一起，鑄就了獨特的精神氣質。例如，在講述李雅普諾夫方法時，結合李雅普諾夫的生平事跡，譬如大學的后兩年李雅普諾夫艱辛的生活，以及李雅普諾夫畢業(yè)后忙碌的工作，畢業(yè)后李雅普諾夫除了擔任授課教師外，還同時兼任助教、實驗員、指導教師以及講義編撰者，他的時間被這些事情占據(jù)著，但他仍然堅持系統(tǒng)穩(wěn)定性的相關研究課題。讓學生學習他這種對科學真理執(zhí)著的精神，激發(fā)學生在自己專業(yè)領域做出一番成績的動力。再如，在講授緒論部分時，可引入控制論的奠基人維納，介紹維納從曠世神童到頂級數(shù)學家的一生，維納進行了多學科的學習與研究，使得他的思維廣闊，多學科的學習對他的科研之路有極大的幫助，正是這種經(jīng)歷使維納借鑒各學科的優(yōu)勢完成了其在數(shù)學和控制領域的偉大成就，通過回顧維納科研的一生，讓學生明白興趣和探索同樣重要。最后再引入維納的自評“如果要為我的生涯確定一個分界點，即作為一個科學上剛出徒的工匠，到在某種程度上成為這一行的一個獨當一面的師傅，那么我應當選擇1935年，即我在中國的那一年?！弊寣W生認識到我國的數(shù)學和科技在世界上一直發(fā)揮著重要的作用，激發(fā)學生的愛國主義情懷，并有為之奮斗的動力。

（二）建設典型思政案例庫

針對“現(xiàn)代控制理論”課程的核心知識點，有針對性地設計典型思政案例庫，將實際工程實例及在發(fā)展過程中該領域學者專家如何尋求解決方案的過程建設為典型的案例。典型案例或結合社會上的真實熱點問題，或領域內的重點問題，或實踐中的代表性問題。通過案例庫的教學，激發(fā)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生吃苦耐勞、堅毅的工匠精神，讓學生在解決問題的過程中激發(fā)愛國主義情懷和團隊榮譽感。例如，在最優(yōu)控制這個知識點的講解中，引入電力生產(chǎn)管理控制的問題：電力生產(chǎn)會受到很多不確定因素影響，如何確定可行的生產(chǎn)方案并以最小的成本去滿足電力需求？首先，講述在20世紀就有專家發(fā)現(xiàn)了這個問題，并通過團體協(xié)作最終確定了模型辨識和最優(yōu)反饋的方法解決了當時的這類問題，通過這一步讓學生認識到團隊協(xié)作的重要性；其次，引出當前新型電力系統(tǒng)存在的問題，新型電力系統(tǒng)是我國目前電力發(fā)展的趨勢，新型電力系統(tǒng)存在高耦合高比例新能源接入以及高電力電子設備等特點，其對電力系統(tǒng)的動態(tài)分析和穩(wěn)定控制是當前的一個難題，引導學生根據(jù)所學知識提出解決方案，為我國的電力事業(yè)發(fā)展出一份力。

（三）創(chuàng)建專題教學討論區(qū)

根據(jù)課程內容進行專題劃分，將“現(xiàn)代控制理論”設計的知識點分為建模、分析、控制、優(yōu)化、辨識等多個專題類別，利用雨課堂設置專題討論區(qū)，定期發(fā)放結合實際工程背景和工程難題的相關討論主題，鼓勵學生通過專業(yè)學習以及查閱文獻，進行討論發(fā)布觀點，可以是簡單觀點，也可以是解決思路或解決問題的具體方案。由教師進行討論結果的總結，以交流為目的，而不是以正確與否為評價標準。以此發(fā)散學生思維，培養(yǎng)學生勇于探索、勇于創(chuàng)新的能力。例如，在建模部分以電力系統(tǒng)為例，構建電力系統(tǒng)的數(shù)學模型，重點討論：電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)如何考慮、多機群如何等效、環(huán)境及參數(shù)的不確定性如何表示等，電力系統(tǒng)專題討論思路如圖1所示。

將該問題發(fā)布在建模討論專區(qū)，給大家1～2周的討論時間，在討論結束后，主講教師進行總結并與學生討論，通過討論共同提出一套相對完善的解決方案。

（四）周期性舉辦熱門科技及工程技術的專題講座

課程的教學不僅是完成知識點的講述，還應該“以學生為中心，以產(chǎn)出為導向，持續(xù)發(fā)展”［10］，讓學生了解科技的發(fā)展、社會的進步，因此，在課程思政設計方面，應周期性舉辦熱門科技及工程技術的專題講座。因自動化專業(yè)本身涉及的領域較多，專題講座的內容可涉及各個領域的先進技術；專題講座的形式可采用線上、線下等多種方式；專題講座的講授人可以是主講教師，還可以是專家、學者、企業(yè)人員等。例如，在開學第一課時，可結合本課程的特點和本專業(yè)的特色，開展智能家居的專題講座。首先，以某公司開發(fā)的自有知識產(chǎn)權智能家居系列解決方案為例，該方案涵蓋智能中控、智能照明、智能窗簾、智能背景音樂、智能家電控制、智能安防監(jiān)控、智能門鎖、智能環(huán)境控制、私人影院等系統(tǒng)，廣泛應用于住宅、酒店、辦公等場所；其次，以自己身邊接觸的各類智能產(chǎn)品為例和學生進行互動討論。通過專題講座的形式，讓學生了解科技的發(fā)展，增強民族自豪感和愛國主義情懷。再如，可邀請本專業(yè)優(yōu)秀畢業(yè)生分享自己學習期間及工作期間的心路歷程和經(jīng)歷，增強學生的認同感，認識到知識的學習不僅僅是完成課程的考核，還可為我們提供謀生的手段、提供建設國家的武器、提供推動社會進步的助推器等，并提出討論主題：作為本專業(yè)學生，如何推動工程領域的發(fā)展？如何將知識應用到實際生產(chǎn)中？

結語

“現(xiàn)代控制理論”作為自動化相關專業(yè)的核心課程，其課程思政建設對該領域人才的培養(yǎng)有著至關重要的作用。通過對該領域典型偉大人物的介紹、建設典型思政案例庫、創(chuàng)建專題教學討論區(qū)和周期性進行熱門科技及工程技術的專題講座等四項課程思政的設計，深入地將思政教育融入課程教學，可滿足新工科背景下學校發(fā)展定位和人才培養(yǎng)目標，全面落實高校立德樹人根本任務。

參考文獻

［1］景國勛，程磊，袁東升.“新工科”背景下的安全工程專業(yè)建設與發(fā)展思考［J］.河南理工大學學報（社會科學版），2018，19（2）：102-107.

［2］盧愛新，丁梧秀.新工科背景下工科專業(yè)課程思政建設的思考與探索［J］.洛陽理工學院學報（社會科學版），2021，36（6）：88-92.

［3］陳一秀.由“系統(tǒng)能控性、能觀性”談中國抗擊新型冠狀病毒感染疫情成功經(jīng)驗：現(xiàn)代控制理論課程思政教學實踐［J］.高教學刊，2023，9（7）：181-184.

［4］張丹，俞立.新時代“現(xiàn)代控制理論”課程思政案例設計［J］.教育教學論壇，2023（4）：35-39.

［5］趙斌，郭建國，盧青，等.現(xiàn)代控制理論課程的教學創(chuàng)新探索與實踐［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2022（17）：101-105.

［6］張苗，肖士敏.現(xiàn)代控制理論實驗課程案例教學探索［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2022（7）：117-119.

［7］趙艷花，王曉麗.自動化專業(yè)核心課程教學平臺研究［J］.中國電力教育期刊，2011（23）：74-75.

［8］王建宏，葉景貞，溫如春.現(xiàn)代控制理論課程目標的設計［J］.電子技術，2022，51（12）：104-105.

［9］孫朝陽.層次分析與改革實踐：課程思政切入點設計的三個維度［J］.河北大學學報（哲學社會科學版），2020，45（6）：146-154.

［10］王俊偉，楊俊玲.基于OBE理念的現(xiàn)代控制理論教學改革研究與探討［J］.大學教育，2022（8）：81-83.

Design and Practice of Curriculum Ideology and Politics in the Course of Modern Control Theory under the Background of Emerging Engineering Education

WANG Cong， MA Ping， LI Xin-kai， MENG Yue

（School of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830017， China）

Abstract： The proposal of the construction of emerging engineering disciplines has posed new challenges to the education methods of universities. Modern Control Theory is a compulsory core course for electronic information and automation majors， and improving the curriculum ideology and politics construction of this course has become particularly important. This paper considers the design and practice of curriculum ideology and politics for this course in the context of emerging engineering education. The construction is mainly carried out from four aspects， including the introduction of typical great figures in the field， the construction of a typical case library of ideological and political education， the creation of special teaching discussion areas， and periodic lectures on popular science and engineering technologies.

Key words： emerging engineering education; curriculum ideology and politics; ideological and political case library; special topic teaching; popular technology