肖友剛 宋曉東 韓錕 李蔚

摘? 要? 立德樹人是高等教育工作的根本任務(wù)。以知識和情境相互嵌套為手段，精心組織和提煉控制工程課程內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)課程情境，在專業(yè)知識的互動分享中促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)，在知識溯源中傳播民族文化的自覺與自信，在創(chuàng)新研討的思維碰撞中傳播協(xié)作共贏、愛崗敬業(yè)的核心價值觀，使思政寓于互動、互動承載思政，貫穿控制工程教學(xué)全過程，潤物無聲、潛移默化地影響學(xué)生，落實專業(yè)成才、精神成人的雙重育人使命。

關(guān)鍵詞? 控制工程；課程思政；智慧課堂；反饋控制

中圖分類號：G641? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）20-0051-04

0? 引言

2020年4月，《教育部等八部門關(guān)于加快構(gòu)建高校思想政治工作體系的意見》提出：把立德樹人融入思想道德、文化知識、社會實踐教育各環(huán)節(jié)，全面推進(jìn)所有學(xué)科課程思政建設(shè)，構(gòu)建全面覆蓋、類型豐富、層次遞進(jìn)、相互支撐的課程體系[1]。課堂教學(xué)活動涉及因素眾多，教學(xué)活動的過程復(fù)雜多變，在傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境下，教學(xué)目標(biāo)主要是描述班級中大多數(shù)學(xué)生需要達(dá)成的可以量化的知識技能目標(biāo)，教育數(shù)據(jù)的采集往往通過后期簡單的匯總統(tǒng)計，學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)或?qū)W習(xí)結(jié)果大都通過期末考試成績、

期中考試成績、總分、平均分或“優(yōu)”“良”“中”“及格”“差”等來評價，教學(xué)改革舉措大都依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)行為結(jié)果制定，學(xué)生的個性得不到充分發(fā)揮，也不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛力和學(xué)習(xí)主動性。因此，以學(xué)生為中心的個性化智慧教育和智慧課堂愈來愈引起研究者的重視，也取得一些研究成果[2-6]。

隨著教育信息化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，國內(nèi)一些高校建成以高度信息化、強(qiáng)交互化等為特征的智慧教室，但“PPT+投影”模式的授課方式仍占相當(dāng)大的比例。在智慧教育環(huán)境下，課堂教學(xué)采取什么樣的組織形式，學(xué)生的學(xué)習(xí)會發(fā)生什么變化，如何發(fā)生變化，變化的終極形態(tài)是什么，尚不明確。中南大學(xué)控制工程基礎(chǔ)教學(xué)團(tuán)隊以知識和情境相互嵌套為手段，精心組織和提煉課程內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)課程情境，設(shè)計以問題為導(dǎo)向的控制工程智慧課堂，確定課程的互動目標(biāo)、互動內(nèi)容、互動方法，將知識的答疑解惑與學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)相結(jié)合，將知識溯源與傳播民族文化的自覺與自信相結(jié)合，將創(chuàng)新研討與協(xié)作共贏、愛崗敬業(yè)的核心價值觀相結(jié)合，并貫穿控制工程教學(xué)全過程，使思政寓于互動、互動承載思政，在互動中傳播價值，在潤物無聲、潛移默化中感染學(xué)生，實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)、創(chuàng)新敬業(yè)多重教學(xué)目標(biāo)，落實從專業(yè)成才到精神成人的育人使命。

1? 課程思政視角下控制工程智慧課堂設(shè)計

控制工程是一門工程科學(xué)課程，源于實踐，服務(wù)于實踐，在人們改造世界的實踐中不斷完善和升華。遠(yuǎn)古的漏壺計時、公元前的水利樞紐工程、中世紀(jì)的天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)革命的蒸汽機(jī)、百年前的飛機(jī)和電話、80多年前的模擬計算機(jī)、二戰(zhàn)時的雷達(dá)及火炮防空網(wǎng)、冷戰(zhàn)時代的衛(wèi)星和核彈、20世紀(jì)60年代的登月飛船以及現(xiàn)代的智能裝備、航天飛機(jī)與星球探測器，這些耳熟能詳?shù)膶嵗裏o一不是自覺和非自覺利用控制工程理論所產(chǎn)生的成果，不同程度、不同側(cè)面蘊(yùn)含著家國情懷、社會責(zé)任、道德規(guī)范、思維品質(zhì)、科學(xué)精神、創(chuàng)新能力、人文精神等思政元素?？刂乒こ袒A(chǔ)是交通設(shè)備與控制專業(yè)的專業(yè)核心課程，通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠從數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的角度正確表達(dá)交通設(shè)備控制領(lǐng)域復(fù)雜問題的思路和方法，熟悉各種表達(dá)方法的優(yōu)劣及相互關(guān)系，能夠根據(jù)鐵路現(xiàn)場復(fù)雜情況選用適合的系統(tǒng)表達(dá)方法；能夠掌握實現(xiàn)交通設(shè)備系統(tǒng)自動控制的基本理論，并用于復(fù)雜交通設(shè)備與控制工程問題解決方案的分析、比較與綜合；能夠掌握典型交通設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、運(yùn)行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計、校正與補(bǔ)償?shù)然局R和基本技能，并具有復(fù)雜交通設(shè)備控制系統(tǒng)工程問題的綜合分析設(shè)計能力，以及對復(fù)雜交通設(shè)備系統(tǒng)的控制問題進(jìn)行分析、求解和論證的能力。

1.1? 知識方面

掌握反饋控制系統(tǒng)的一般原理，線性定常系統(tǒng)在時域、復(fù)域和頻域的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析、頻率特性分析、穩(wěn)定性分析等分析方法，系統(tǒng)的性能指標(biāo)及性能校正等知識。學(xué)會從系統(tǒng)性能分析出發(fā)選擇合適的校正方法，建立控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的基本思維方式，從輸入與輸出在時域、頻域的關(guān)系分析系統(tǒng)的性能，從性能出發(fā)選擇校正方法，形成系統(tǒng)建?！阅芊治觥到y(tǒng)校正的基本知識結(jié)構(gòu)。

1.2? 能力方面

從應(yīng)用的角度進(jìn)行控制系統(tǒng)建模、分析與再設(shè)計，將控制理論的知識用于解決工程實踐中的控制問題；用時域、復(fù)數(shù)域、頻域的系統(tǒng)表征和分析方法進(jìn)行控制系統(tǒng)性能分析，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力；掌握最基本的控制系統(tǒng)設(shè)計及校正理念，針對具體問題提出有效的解決方案，提高分析、發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題的能力。

1.3? 素質(zhì)方面

注重理論與實踐結(jié)合，在對實際系統(tǒng)進(jìn)行分析和再設(shè)計的過程中，建立從工程問題提煉科學(xué)問題、用數(shù)學(xué)模型表達(dá)科學(xué)問題、用控制的基本原理和基本方法求解分析及改善系統(tǒng)性能的思維模式，提升分析、解決工程問題的基本素質(zhì)。

為“課課有思政”而刻意拼湊思政故事不僅會浪費(fèi)寶貴的課堂教學(xué)時間，還會落入說教的俗套，使學(xué)生心生反感。因此，從交通設(shè)備與控制工程專業(yè)背景出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性的基本控制要求和反饋控制“減少偏差，控制偏差”的實質(zhì)，提煉控制工程課程背景知識、基礎(chǔ)知識、情境知識、實踐知識、應(yīng)用知識，得出控制工程關(guān)鍵知識點數(shù)據(jù)，并積極探尋與之匹配的課程思政教育資源，提煉其中蘊(yùn)含的文化基因和價值范式，找出控制工程關(guān)鍵知識點、思政案例與直觀式、推理

式、體驗式、實操式等教學(xué)方法的最優(yōu)組合關(guān)系，像鹽溶于水一樣，形成如表1所示的控制工程智慧課堂授課要點與課程思政映射關(guān)系，并將控制論思想有機(jī)融合，形成控制工程智慧課堂的知識架構(gòu)。

2? 課程思政視角下控制工程智慧課堂教學(xué)實踐：以反饋控制為例

反饋控制是控制論的靈魂，也是控制工程教學(xué)的重點和難點，在日常生活中廣泛存在。創(chuàng)設(shè)可感知性良好、可以呈現(xiàn)知識及問題背景的學(xué)習(xí)情境尤為重要，可以達(dá)到事半功倍的效果。中南大學(xué)鐵路園中的蒸汽機(jī)車已為學(xué)生所熟知，為活躍課堂氣氛，設(shè)問：該蒸汽機(jī)車是不是上坡慢如蝸牛，下坡快如猛虎？答案是否定的。順勢提出：那它是如何實現(xiàn)上、下坡基本恒速的呢？帶著這個問題，讓學(xué)生觀看18世紀(jì)瓦特發(fā)明的離心式調(diào)速器調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的動畫，直觀感知在不建模、不知擾動來源的情況下，離心式調(diào)速器能根據(jù)轉(zhuǎn)速變化自動調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門開度，使系統(tǒng)在各種干擾下仍然維持轉(zhuǎn)速不變。引導(dǎo)學(xué)生討論：為什么在轉(zhuǎn)速變化因子的作用下，轉(zhuǎn)速仍能保持恒定？這種表現(xiàn)下的深層原因是什么？學(xué)生集思廣益，凝練出反饋控制的核心思想——“檢測偏差，糾正偏差”，即控制變化率與跟蹤偏差成正比。

在實踐推動下，這種不問誤差來源，只關(guān)注結(jié)果的黑箱法以其易用、實用在工業(yè)控制中發(fā)揮重要作用，成就PID技術(shù)在工業(yè)控制中的霸主地位。但這類控制方式必須等到擾動作用于對象產(chǎn)生誤差后才起作用。按照這個思想，引導(dǎo)學(xué)生自然地懷疑：離心式調(diào)速器的目的是讓速度保持不變，而它又只能在被控量變化時才工作，那能不能事先找到誤差產(chǎn)生的根源而對之進(jìn)行抵消呢？

針對這個巧妙設(shè)計的問題，播放被李約瑟稱為世界上第一個自動控制系統(tǒng)的我國古代指南車的短視頻，并不失時機(jī)地拋出問題：為何指南車上木頭仙人能夠“圓轉(zhuǎn)不窮，而司方如一”？然后針對指南車的工作原理、技術(shù)路線及各部分的作用將學(xué)生分組，展開熱烈討論，探明古代指南車“手常南指”的技術(shù)路線：指南車行走過程中，由轉(zhuǎn)向時車內(nèi)齒輪左右輪速差得到車向變化信息，然后使車上木人與車轉(zhuǎn)向相反、角度相同，就能使瞬變環(huán)境中的木人指向保持不變。學(xué)生通過討論后想到：指南車的輸出量是仙人指向，車向變化信息是木人指向的擾動量，因此，指南車是通過測試引起輸出量偏移的擾動，構(gòu)造控制量，抵消擾動的影響，使輸出量不偏移，這就是指南車的工作原理。因此，指南車蘊(yùn)含的是一種主動抗擾控制思想，在世界上遙遙領(lǐng)先，也為韓京清先生提出自抗擾控制理論提供了思想源泉[7]。

將知識以情境方式呈現(xiàn)，有助于學(xué)生在博大精深的傳統(tǒng)文化中尋找知識的源頭活水，將機(jī)械控制工程中蘊(yùn)含的文化基因和價值范式與控制工程課堂教學(xué)內(nèi)容深度融合，使學(xué)生在情理交融中自覺響應(yīng)理想信念層面的精神指引，在引人入勝、潛移默化中將社會主義核心價值觀的精髓要義深植于內(nèi)心。

3? 結(jié)束語

經(jīng)過近三年以知識和情境相互嵌套為手段的教學(xué)實踐，學(xué)生普遍感覺課程靈活、有挑戰(zhàn)性，師生之間、生生之間互動交流頻繁，沒有明顯的思政教育痕跡，說明控制工程課程像鹽溶于水一樣，已將思政元素?zé)o縫融入控制工程基礎(chǔ)的教學(xué)中，實現(xiàn)知識傳授與價值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一，使學(xué)生能夠自覺響應(yīng)理想信念層面的精神指引，在引人入勝與潛移默化中樹立正確的價值思維、歷史思維和實踐思維觀，筑牢信仰、價值與精神之基，實現(xiàn)專業(yè)成才、精神成人。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王星，劉革平，農(nóng)李巧，等.智慧課堂賦能學(xué)生智慧的培育機(jī)制：內(nèi)在機(jī)理，結(jié)構(gòu)要素與聯(lián)通路徑[J].電化教育研究，2021，42（8）：26-34.

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[7] 高志強(qiáng).自抗擾控制思想探究[J].控制理論與應(yīng)用，2013，30（12）：1498-1510.

*項目來源：2019年度中南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“大數(shù)據(jù)驅(qū)動下控制工程智慧課堂構(gòu)建研究”（2019JY091）；2021年度湖南省學(xué)位與研究生教學(xué)改革研究項目“基于‘三全育人理念的交通類研究生全路徑培養(yǎng)模式研究”（2021JGYB020）。

作者：肖友剛、李蔚，中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，教授，研究方向為控制理論及工程應(yīng)用；宋曉東，中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院黨委副書記，研究方向為交通運(yùn)輸規(guī)劃；韓錕，中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，副教授，研究方向為控制理論及工程應(yīng)用（410075）。