張雪琴 王守峰

關(guān)鍵詞：自動控制原理及系統(tǒng)；課程思政；實踐；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，而是貫穿于各學科教育教學活動始終，正如習近平總書記在學校思想政治理論課教師座談會上強調(diào)，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]。自動控制原理及系統(tǒng)作為電氣自動化技術(shù)、機電一體化技術(shù)等專業(yè)的一門重要專業(yè)課，以學校立項重點課程為契機，結(jié)合課程本身的教學內(nèi)容和教學特點，從專業(yè)教學內(nèi)容找到切入點，有機融入思政教學環(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，以電氣自動化技術(shù)類自動控制原理及系統(tǒng)課程為載體，根據(jù)該課程的性質(zhì)和特點，利用讀原著、看視頻等多種方式挖掘課程中的思政元素，進一步將家國情懷、創(chuàng)新意識、社會主義核心價值觀等以潤物細無聲的方式融入專業(yè)課教學過程中，將顯性教育與隱性教育融會貫通，同心同向，同頻共振做好青年大學生思想政治教育工作，構(gòu)建“三全育人”大格局[2]。

1 自動控制原理及系統(tǒng)教學發(fā)展趨勢

自動控制原理及系統(tǒng)融合了工程學、數(shù)學、物理學和計算機科學等多個學科的知識。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制實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度和魯棒性等性能指標的優(yōu)化，原理屬性強，教學難度高。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，教學方法也需要不斷創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的課堂講授結(jié)合實驗的方式仍然重要，但也需要在線教育、虛擬實驗室、仿真軟件等多樣化的教學手段。學生可以通過在線平臺學習課程內(nèi)容，進行交互式學習和實驗操作，提高自主學習能力和實踐能力。自動控制原理及系統(tǒng)課程側(cè)重實踐應(yīng)用，教學中越來越強調(diào)實踐性教學。學校和實驗室應(yīng)配備先進的實驗設(shè)備和仿真軟件，使學生能夠進行系統(tǒng)建模、仿真和設(shè)計實驗，加深對理論知識的理解與運用。為培養(yǎng)學生的團隊合作和解決問題的能力，項目式學習逐漸引入自動控制原理及系統(tǒng)課程中。學生需要在團隊中完成一個完整的自動控制項目，從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、控制算法編寫到實施與調(diào)試，鍛煉學生的綜合能力和實踐操作能力。自動控制原理及系統(tǒng)是一個不斷發(fā)展和創(chuàng)新的領(lǐng)域，教學中也需要關(guān)注研究熱點和前沿問題。教師應(yīng)介紹最新的自動控制理論和技術(shù)發(fā)展動態(tài)，引導學生關(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。自動控制原理及系統(tǒng)涉及多個學科的知識，跨學科合作變得越來越重要。教學中鼓勵與電氣工程、計算機科學、數(shù)學等學科的合作，在教學中引入相關(guān)領(lǐng)域的知識和技術(shù)，拓寬學生的視野和應(yīng)用能力。

自動控制原理及系統(tǒng)課程的教學現(xiàn)狀展現(xiàn)出教學方法多樣化、強化實踐性教學、引入項目式學習、數(shù)字化教學資源豐富、研究熱點的關(guān)注以及跨學科合作的重要性等特點和趨勢。這些發(fā)展將為學生提供更廣闊的學習空間和發(fā)展機會，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 自動控制原理及系統(tǒng)課程思政必要性

自動控制原理及系統(tǒng)不僅是電氣自動化技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，也是計算機、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)介紹了自動控制的基本理論、分析和設(shè)計方法。它旨在培養(yǎng)學生對自動控制理論的理解與應(yīng)用能力，并為工程實踐提供堅實的基礎(chǔ)。在教學過程中不僅要求理解和掌握自控原理的基本概念，還要求學生熟練掌握自動控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計方法，培養(yǎng)學生靈活運用基本理論知識解決自然科學和工程實際中控制系統(tǒng)分析和設(shè)計問題的能力。該課程教學內(nèi)容枯燥無味，繁雜公式推導使學生在面對實際工程問題時，不能用已學知識靈活地運用其中，不能將理論知識和工程實踐結(jié)合起來。由于學習過程缺乏自主性，導致應(yīng)試的目的比較明顯，有重視知識傳授而忽略了價值觀引領(lǐng)的現(xiàn)象出現(xiàn)[4]。

當代高職學生總體上具有充滿自信、個性張揚、思維活躍、不拘泥于傳統(tǒng)、處處爭強好勝、有著表達自己的思想和態(tài)度的強烈欲望等優(yōu)點，具有強烈的愛國熱情，但也存在一些不足，如缺乏堅定的政治方向、自我期望值過高、實踐能力不夠強、價值取向功利化、責任意識有待加強等。課程思政是實現(xiàn)立德樹人教育目標的有效途徑，對于自動控制原理及系統(tǒng)這門課程而言，要達到立德樹人的效果，將思政元素有機融入專業(yè)課中，需要授課教師付出更多的時間和精力，挖掘?qū)I(yè)課知識背后的哲學思想及相應(yīng)的思政元素，通過多元化的形式，生動地傳遞給學生[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，塑造自主學習的良好習慣。為學生提供全面且有挑戰(zhàn)性的學習機會，培養(yǎng)學生在自動控制領(lǐng)域的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新潛能。

3 課程思政的教學探索與實踐案例

針對電氣自動化技術(shù)專業(yè)自動控制原理及系統(tǒng)課程的教學內(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

緒論部分是幫助學生對自動控制原理及系統(tǒng)有一個初步的、整體上的認識，上好第一次課的緒論部分，可以調(diào)動學生學習該課程的興趣，起到一個良好的引領(lǐng)作用。因此，在自動控制原理及系統(tǒng)課程教學中，聯(lián)系往屆學生的就業(yè)情況，利用視頻結(jié)合實際的例子介紹自動控制原理在輕紡工業(yè)、資源加工工業(yè)和機械、電子制造業(yè)等行業(yè)的廣泛應(yīng)用。同時，聯(lián)系本科生升學的情況，利用各高校的通過研究生入學考試專業(yè)課科目來了解該課程的重要性。結(jié)合就業(yè)和升學來介紹該課程，既讓學生了解了該課程的應(yīng)用，也使學生深刻地感受到了該課程的重要性，讓學生能清晰地看到自己努力的目標。再結(jié)合控制理論經(jīng)歷了約150年發(fā)展的三個時期——經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制以及智能控制來介紹控制史，讓學生在了解控制理論發(fā)展史的同時感受人類發(fā)展的艱辛，體會前輩在發(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習和成長，消除學生對學習理論知識的畏難情緒。

針對電氣自動化相關(guān)專業(yè)學生特點，通過觀看短視頻，介紹被譽為“中國自動化控制之父”“兩彈一星”“中國航天之父”錢學森的事跡，引導學生弘揚其刻苦勤奮的學習精神、攻堅克難精神、創(chuàng)新精神以及其“學成必歸”“五年歸國路”“十年造兩彈”報效祖國的愛國精神，激勵學生自覺融入實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢的進程中去，實現(xiàn)自己的人生價值。

3.2“ 以簡馭繁”—— 結(jié)構(gòu)圖的等效變換原則

分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的第一步是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。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)學模型，前兩種都是用純數(shù)學表達式來描述系統(tǒng)特點，不能反映系統(tǒng)中各部件對整個系統(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，又能明顯地表達系統(tǒng)各部件對系統(tǒng)性能的影響。在講解學習結(jié)構(gòu)圖的目的時，結(jié)合比較與微分方程、傳遞函數(shù)的特點，引導學生描述問題時，學會從多角度多維度地對問題和系統(tǒng)進行闡述。同時也激勵高校教師要建立健全多維度的課程思政建設(shè)成效考核評價體系。立足于學生、以第一視角充分檢驗人才培養(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。

學習結(jié)構(gòu)圖這種數(shù)學模型，必然少不了學習簡化結(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，讓學生深化對于社會主義核心價值觀的理解。

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)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。若想讓一個在沒有人直接參與的系統(tǒng)能夠長期地正常運行，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)鍵的指標要求。結(jié)合1940年在風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，而是指當系統(tǒng)受到外界干擾時偏離了方向，當擾動消失后，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)定是一個自動控制系統(tǒng)最基本的性能指標，沒有穩(wěn)定性的系統(tǒng)，談其快速性和準確性都將毫無意義。

自動控制系統(tǒng)如此，個人、家庭和國家亦然。只有在國家這個系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上才能進行精神文明建設(shè)，才能實現(xiàn)中國夢。在一個國家的歷史長河中，會遇到各種各樣的苦難與困境，這類似于外界對自動控制系統(tǒng)的干擾，作為一個穩(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，作為當代大學生，應(yīng)該培養(yǎng)自身能力，維護國家、家庭的穩(wěn)定。同時，也要保證自身的穩(wěn)定，不因幸運而故步自封，不因厄運而一蹶不振，時時校準自己前進的目標，使個人系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。高等教育學校擔負著培養(yǎng)優(yōu)秀人才的重任，大學生是未來市場的主力軍。學生堅定理想信念，補足精神之鈣，建立學生正確的個人思想體系，是共同富裕和中華民族偉大復興的必由之路。

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，在課堂導入中講述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年針對調(diào)速器有時會導致蒸汽機速度出現(xiàn)振蕩問題，發(fā)表論文“論調(diào)節(jié)器”，導出了調(diào)速器的微分方程，并在平衡點附近進行線性化處理，指出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與特征方程的根是否具有負實部有關(guān)。當時還沒有MATLAB這個商業(yè)數(shù)學軟件，無法快速地求解高階方程，對于五次以上的高階多項式，也沒有直接的求解公式，這一大難點成為判斷高階系統(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)多項式的系數(shù)決定多項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)學生的學習興趣，在故事中感受Routh解決問題的創(chuàng)新思維和獨立思考能力。培養(yǎng)學生利用創(chuàng)新思維思考問題的能力和獨立思考能力，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，都離不開獨立思考能力、突破束縛。在控制領(lǐng)域的發(fā)展史上，每一個推動控制史發(fā)展的關(guān)鍵人物，都充分發(fā)揮了這種獨創(chuàng)精神。

3.5“ 立足當前，放眼未來”—— PID控制規(guī)律

在介紹PID控制的基本原理時，從形式入手介紹PID各控制項，PID控制從形式上看是P控制、I控制和D控制的簡單組合，但其中卻蘊含著深刻的道理。Kp 比例控制考慮當前誤差，是最基本的控制項，PI、PD、PID均離不開P控制項；Kd微分控制考慮將來誤差；Ki 積分控制考慮過去誤差。PID控制在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，其控制性能表現(xiàn)出色。總的來看，PID 控制綜合考慮了系統(tǒng)對過去、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控制項告訴人們，未來不可期，以往不可變，唯有把握住當下時刻。有些東西你畢業(yè)以后將用幾十年去學，所以不用急于去學；而有些東西你走出校園就再也不會有機會去學了，所以一定要抓緊去學，珍惜大學的美好時光。I控制項告訴人們，歷史孕育了真理，它能和時間抗衡，要以史為鑒，躬身自省，這有助于人們消除誤差更快更準確地達到預(yù)期目標。D控制項告訴人們，做事不能只看著眼前，要向遠處看，學會運用謀略制定控制方案，一往無前地到達自己的預(yù)設(shè)目標。培養(yǎng)學生對事物的前瞻性和戰(zhàn)略性思維，就不能只讀書本上的理論知識，應(yīng)該在學習中將理論與實踐相結(jié)合，多動腦思考，多動手操作。

4 結(jié)束語

自動控制原理及系統(tǒng)課程涉及大量的公式，理論性較強，學生理解起來較為困難，如何活躍課堂氣氛，增加學生學習的趣味性是一個值得思考的問題。經(jīng)過兩年多的課程思政教學實踐，教師們深刻認識到課程思政教學不僅有助于活躍課堂氣氛，增強學生學習的興趣，有助于學生加深對專業(yè)知識的理解，還有利于激發(fā)學生的學習動機，有助于學生樹立正確的價值觀，形成電氣工程師的家國情懷、創(chuàng)新意識、合作意識。但如何定量評價課程思政教學效果是一個難點，值得今后進一步探索。