“現(xiàn)代控制理論”課程思政的探索與實踐

鄭恩讓, 王素娥

(陜西科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

2020年4月，《教育部等八部門關于加快構建高校思想政治工作體系的意見》中再次強調(diào)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)，專業(yè)課程要注重科學思維方法的訓練和科技倫理的教育，培養(yǎng)學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感[1-5]。陜西科技大學自動控制理論教學團隊始終以“立德樹人”為根本，在兩屆自動化教改班的“現(xiàn)代控制理論”教學過程中，開展課程思政的教學探索，實踐了課程在“三全育人”中的作用。

1 “現(xiàn)代控制理論”的課程特點

“現(xiàn)代控制理論”作為自動化、電氣工程及其自動化等電氣與電子信息類專業(yè)的專業(yè)核心基礎課之一，是學生研究生考試、后續(xù)學習和科學研究的重要內(nèi)容和基礎支撐，在運動控制系統(tǒng)、復雜控制系統(tǒng)、航天系統(tǒng)、人工智能、生物控制系統(tǒng)等方面具有重要且廣泛的應用價值。該門課程在所對應專業(yè)領域的人才培養(yǎng)、科學研究、社會服務等高等學校的職能方面發(fā)揮著積極作用。尤其是“現(xiàn)代控制理論”誕生于宇航領域，而我國以錢學森、郭永懷、王永志等為代表的一代代航天人為我國的航天事業(yè)做出了卓越的貢獻?；厥字袊教焓聵I(yè)波瀾壯闊的歷程，幾代航天人在探索浩瀚宇宙的征程中，孕育形成了航天“三大精神”——航天傳統(tǒng)精神、“兩彈一星”精神和載人航天精神。其內(nèi)涵分別是“熱愛祖國、為國爭光的堅定信念；勇于登攀、敢于超越的進取意識；科學求實、嚴肅認真的工作作風；同舟共濟、團結協(xié)作的大局意識；淡泊名利、默默奉獻的崇高品質(zhì)”的航天精神，“熱愛祖國、無私奉獻、自力更生、艱苦奮斗、大力協(xié)同、勇于攀登” 的兩彈一星精神和“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關、特別能奉獻”的載人航天精神。整理歸納我國科學家、航天領域杰出貢獻者的案例并結合課程相關知識點，使學生在學習專業(yè)知識的過程中就能學習、領悟航天“三大精神”；增進學生的社會責任感，通過這種“潤物細無聲”的方法，培養(yǎng)學生熱愛祖國、勇于登攀、銳意進取、嚴肅認真的學習與工作作風，在專業(yè)課教學中發(fā)揮“立德樹人”的作用。

2 “現(xiàn)代控制理論”課程思政建設內(nèi)容的選擇與思考

本教學團隊在“現(xiàn)代控制理論”課程的課程思政教學要求為：請同學們在學習過程中通過查閱資料、觀看電視劇《五星紅旗迎風飄揚》，結合以下五個方面的內(nèi)容，撰寫1篇小論文，該篇小論文占期末總成績的10%。五個方面的要求是：①錢學森原來的所學專業(yè)學科是什么？回國前的5年在哪個學科從事開創(chuàng)性的工作，其出版的專著名稱是什么？與我們正在學習的“現(xiàn)代控制理論”有什么關系？②什么是時變系統(tǒng)，給出電視劇里哪個片斷與時變系統(tǒng)有緊密聯(lián)系？③根據(jù)所學知識，聯(lián)系航天領域有關實際系統(tǒng)，談談線性系統(tǒng)狀態(tài)能控性、能觀測性及狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器的重要性和實際意義；④觀看《五星紅旗迎風飄揚》中郭永懷先生犧牲的片段，學習科學家的奉獻精神；談談電視劇反映了我國科技工作者怎樣的情懷和奮斗精神；⑤談談航天“三大精神”的內(nèi)涵與科技發(fā)展、社會進步的關系。

五個方面的內(nèi)容可分為兩大部分：其一，是與課程內(nèi)容密切相關的①～③，通過學習、查閱資料、觀看電視劇等活動，使學生對基礎理論學習不枯燥，能從我國“兩彈一星”發(fā)展歷程看到所學課程知識的重要性和應用價值，激發(fā)學生對專業(yè)理論知識的學習。其二，④～⑤是通過學生觀看電視劇、查閱資料，試圖使學生將課程學習的理論知識與實際應用于我國“兩彈一星”的發(fā)展歷程相結合，使學生深刻理解“三大精神”的內(nèi)涵與實質(zhì)，學習、了解我國科學家“熱愛祖國、無私奉獻、自力更生、艱苦奮斗、大力協(xié)同、勇于攀登”的兩彈一星精神。希望通過學習，培養(yǎng)學生熱愛祖國、無私奉獻的愛國主義精神，踐行社會主義核心價值觀，體會大力協(xié)同、勇于攀登的集體主義精神。

3 “現(xiàn)代控制理論”課程思政內(nèi)容與課程知識之關系

“現(xiàn)代控制理論”課程的內(nèi)容是在20世紀50年代隨著宇航技術推動，于1960年前后出現(xiàn)的新理論和新方法，它區(qū)別于經(jīng)典控制理論的重要標志是卡爾曼系統(tǒng)地將狀態(tài)空間的概念引入到控制理論中來。其主要數(shù)學基礎是矩陣理論。而我國的“兩彈一星”研制工作也是在這個時候開始并在錢學森等“兩彈一星”功勛的直接領導和參與下實施并取得重大成就。因此，本課程的內(nèi)容、方法與“兩彈一星”研制的自動控制技術理論相一致，更重要的是，幾代航天人在探索浩瀚宇宙的征程中，孕育形成了航天“三大精神”。因此，在本課程學習中怎樣結合課程內(nèi)容學習，完成“師者，所以傳道、授業(yè)、解惑也?！辈恢缓唵蔚貍魇谥R，還要培養(yǎng)學生既具有個人的小德，也具有國家、社會的大德，樹立價值觀自信，確保高?！傲⒌聵淙恕备灸繕说膶崿F(xiàn)。因此，講好航天“三大精神”，既與課程內(nèi)容密切相關，又與“立德樹人”的人才培養(yǎng)相一致，這樣的課程思政在“現(xiàn)代控制理論”課程中具有得天獨厚的優(yōu)勢。

(1)“現(xiàn)代控制理論”的主要知識脈絡為“緒論-系統(tǒng)建模(狀態(tài)空間模型)-運動分析(狀態(tài)方程求解)-性能分析(包括能控性、能觀性、穩(wěn)定性)-控制器設計(包括狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器)”。因此，在緒論中通過講解課程的發(fā)展史，介紹“現(xiàn)代控制理論”與宇航技術的關系，引入我國“兩彈一星”的發(fā)展歷程，通過課程緒論的講解，要求學生通過查閱資料，完成有關錢學森先生的簡歷與科學貢獻，完成要求內(nèi)容(1)的學習。

1929年，錢學森考入鐵道部交通大學上海學校機械工程學院鐵道工程系，1934年畢業(yè)于國立交通大學(現(xiàn)上海交通大學和西安交通大學)，6月考取清華大學第七屆庚款留美學生。1935年9月進入美國麻省理工學院航空系學習，1936年9月獲麻省理工學院航空工程碩士學位，后轉(zhuǎn)入加州理工學院航空系學習，成為世界著名的大科學家馮·卡門的學生。他先后獲航空工程碩士學位和航空、數(shù)學博士學位。1938年7月至1950年7月，錢學森在美國從事空氣動力學、固體力學和火箭、導彈等領域研究，并與導師共同完成高速空氣動力學問題研究課題和建立“卡門-錢學森”公式，在二十八歲時就成為世界知名的空氣動力學家。

1950年，錢學森準備回國時，被美國官員攔住，并將其關進監(jiān)獄，而當時美國海軍次長丹尼·金布爾(Dan A.Kimball)聲稱：錢學森無論走到哪里，都抵得上5 個師的兵力。從此，錢學森在受到了美國政府迫害的同時也失去了寶貴的自由。從1950年被軟禁，到1955年成功歸國，錢學森就是在這種惡劣的環(huán)境中度過的。為了轉(zhuǎn)移自己的注意力和打發(fā)時間，錢學森開始探究一項嶄新的科學領域——工程控制論。工程控制論是一門新興的科學，其主要意義就在于研究機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的控制與操縱。1954年，《工程控制論》英文版出版，該書俄文版、德文版、中文版分別于1956年、1957年、1958年出版。這是一部開創(chuàng)性與奠基性的著作，令全世界的科學家為之嘆服，錢學森還因此獲得了1956年中國科學院年度科學獎金一等獎，并被補選為中國科學院學部委員。1957年，在錢學森倡議下，中國力學學會成立，錢學森被一致推舉為第一任理事長。1957年6月，中國自動化學會籌備委員會在北京成立，錢學森任主任委員。同年9月，國際自控聯(lián)成立大會推舉錢學森為第一屆IFAC理事會常務理事。

通過要求內(nèi)容(1)的學習，培養(yǎng)學生的愛國主義情懷。

(2)“現(xiàn)代控制理論”即適用于單輸入單輸出系統(tǒng)，也適用于多輸入多輸出系統(tǒng)，即可應用于線性定常系統(tǒng)，也可應用線性時變系統(tǒng)。在對時變系統(tǒng)理論知識進行講授時，重點介紹時變系統(tǒng)的概念，并舉例說明。時變系統(tǒng)是指系統(tǒng)中一個或一個以上的參數(shù)值隨時間而變化，從而系統(tǒng)整個特性也隨時間而變化的系統(tǒng)。而實際系統(tǒng)中，導彈發(fā)射、衛(wèi)星升空的過程都屬于時變系統(tǒng)。學生通過觀看《五星紅旗迎風飄揚》電視劇，聯(lián)系時變系統(tǒng)的定義，尋找導彈系統(tǒng)中時變系統(tǒng)的實際應用場景。電視劇中，某次進行導彈試飛時，產(chǎn)生了導彈推進燃料發(fā)生汽化這一故障。這時相關人員認為發(fā)動機的燃料不足，燃料不足就不能發(fā)射，于是要求立即停止發(fā)射。而六月的西北高原正處于高溫季節(jié)，灼熱的陽光照著導彈，致使推進劑體積膨脹并急劇汽化。錢學森認為，燃料不足，發(fā)動機的工作時間就會大大縮短，導彈的射程也會大大減少，基地的專家們立刻開始研究對策，有人認為應擴大火箭的燃料箱，但這樣一來就增加了火箭的負載，具有很大的安全隱患。在這關鍵時刻，王永志站了出來，他經(jīng)過一番復雜的計算，提議將已裝的燃料再倒出來600 kg，以此來減輕火箭的重量，提高推進力。東風二號屬于需要加注燃料的運載火箭，而燃料在未燃燒之前也是負載，所以并不是燃料越多導彈就飛得越遠。在經(jīng)過相關計算之后，錢學森也認可了王永志的說法，最終使導彈成功命中目標。

通過要求內(nèi)容(2)這一實際示例的學習，使學生能夠深入理解時變系統(tǒng)的含義，并將其應用于生產(chǎn)實際和實際工作中去，培養(yǎng)學生學以致用的學習和創(chuàng)新精神，尤其要培養(yǎng)工科學生把理論學習與解決實際工程問題相結合的學習方法與學習目的。

(3)“現(xiàn)代控制理論”課程中最重要的兩個概念就是卡爾曼提出的控制系統(tǒng)的狀態(tài)能控性和能觀測性。在課程中，教師通過講述控制系統(tǒng)的任務、對狀態(tài)方程進行求解，對狀態(tài)方程解的物理意義的闡述，給出系統(tǒng)能控性重要性的說明。這是因為，自動控制的任務就是使系統(tǒng)的被控量(一般為系統(tǒng)的輸出)按預定的規(guī)律運行，對于線性時不變系統(tǒng)而言，欲使系統(tǒng)輸出y(t)按預定規(guī)律運行，則要求系統(tǒng)狀態(tài)x(t)按預定的規(guī)律運行，而狀態(tài)x(t)為狀態(tài)方程的解，它由兩部分組成，即自由運動分量和強迫運動分量。因此，只有強迫運動分量的存在，才可使系統(tǒng)狀態(tài)x(t)按預定規(guī)律運行，即系統(tǒng)每一個狀態(tài)均要受到外作用的控制。這就說明系統(tǒng)的狀態(tài)可控性是非常重要的概念。導彈飛行控制中，若系統(tǒng)狀態(tài)能控,設計控制器控制導彈飛行、控制飛行軌跡、完成擊中目標。能觀測性的重要性就是可實現(xiàn)狀態(tài)重構。航天領域,系統(tǒng)的載荷很重要,火箭與載荷要匹配,為了減輕載荷,減少故障源,若系統(tǒng)模型清楚、準確，對需要通過物理傳感器進行狀態(tài)測量的部分，可以不用物理傳感器，以減輕系統(tǒng)載荷，而用狀態(tài)重構來解決。同樣，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，出現(xiàn)了無速度傳感器的速度控制系統(tǒng)，也是采用了本課程中狀態(tài)觀測器進行狀態(tài)重構的理論。

通過要求內(nèi)容(3)的學習，不僅使學生掌握基本概念，更重要的是對所學知識的理解和在實際工作中如何應用。

(4)郭永懷先生大無畏的英雄主義和無私奉獻精神。郭永懷是近代我國力學事業(yè)的奠基人之一，曾與錢學森一起投身于力學研究所的科技領導工作。此外，他對許多導彈系統(tǒng)的研究試驗也做出了巨大貢獻。郭永懷一直在試驗基地為中國第一顆導彈熱核武器的發(fā)射以及從事試驗前的準備工作。在基地整整呆了兩個多月的他因為在試驗中發(fā)現(xiàn)了一個重要線索，所以換乘飛機趕回北京。當夜幕降臨的時候，郭永懷拖著疲憊的身體登上了趕赴北京的飛機。次日凌晨，飛機在首都機場徐徐降落。在離地面400多米的時候，由于天氣原因，飛機突然失去了平衡，墜毀在1公里以外的玉米地里。當人們辨認出郭永懷的遺體時，他往常一直穿在身上的那件夾克服已燒焦了大半，和警衛(wèi)員緊緊地擁抱在一起。當人們費力地將他倆分開時，才發(fā)現(xiàn)郭永懷的那只裝有絕密資料的公文包安然無損地夾在他們胸前。就這樣，59歲的郭永懷先生犧牲了，他在飛機失事時毅然用身軀保護研究資料不被燒毀，這是何等的冷靜、果斷和壯烈，這都是對于科研、民族熾熱的熱愛。

通過要求內(nèi)容(4)的學習，使學生了解“兩彈一星”功勛事跡，激發(fā)他們學習專業(yè)知識的熱情。

(5)中國特色社會主義進入新時代，習近平總書記提出要培育擔當民族復興希望的時代新人，更要深入了解航天精神的思想內(nèi)涵，挖掘其當代價值，將航天精神內(nèi)化于心、外化于行，牢記使命，在推動目標實現(xiàn)過程中發(fā)揮重要作用。航天“三大精神”蘊含著“愛國、敬業(yè)、誠信、友善”的精神基因，強調(diào)愛國情懷、恪盡職守、堅韌不拔、鍥而不舍，把履行職責作為崇高使命，是社會主義核心價值觀在航天領域的體現(xiàn)，具有豐富的思想內(nèi)涵，鼓舞和激勵我國各行各業(yè)、各族人民強化責任擔當意識，樹立強大文化自信，為祖國建設貢獻力量。學生通過查閱資料、觀看電視劇，培養(yǎng)在校大學生樹立愛國敬業(yè)、敢于探索、獨立思考、團結協(xié)作、甘于奉獻、攻堅克難、勇攀科學高峰、為科學技術發(fā)展獻身的崇高理想。

4 結語

將思想政治元素融入“現(xiàn)代控制理論”課程的教學中，實現(xiàn)“知識傳授”與“價值引領”的融合統(tǒng)一，充分發(fā)掘課程育人功能，培養(yǎng)學生愛國情懷、人文素養(yǎng)和責任意識，構建三全育人格局，使教學改革方法在一定范圍內(nèi)發(fā)揮示范引領作用。2017級杜同學的小論文結尾是這樣說的：現(xiàn)在祖國的和平與強大，是無數(shù)前人用鮮血和汗水換來的，學習了前人的偉大事跡，我除了眼淚橫流與崇敬之外，便就是那句感嘆“這盛世，如您所愿！”。我也會以這些偉人的精神鞭策自己，讓自己變得更好。