淺談控制理論課程思政

周 穎，張 燕，梁秀霞，王 婕

(河北工業(yè)大學(xué) 人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院, 天津 300130)

0 引言

在社會高速發(fā)展的今天，在信息化時代，網(wǎng)絡(luò)給我們帶來了巨大的貢獻(xiàn)，大學(xué)生從網(wǎng)上獲取有用的信息的同時也給他們帶來真假難辨信息及有價值信息的困惑，再加上獨生子女大學(xué)生的道德立場不堅定、責(zé)任意識不強(qiáng)等的問題，很容易使大學(xué)生出現(xiàn)理想觀念淡薄，前途目標(biāo)不明確、貪圖物質(zhì)享樂的現(xiàn)象，所以進(jìn)入新時代，培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人成為中國高等教育必須回答的根本問題[1]。教育興則國興，教育強(qiáng)則國強(qiáng)。高等學(xué)校更是在實現(xiàn)專業(yè)知識傳授的同時，做到立德樹人，在發(fā)揮專業(yè)課程本身的特色的同時，提煉愛國情懷、法治意識、社會責(zé)任、文化自信、人文精神等要素，在“潤物無聲”的知識學(xué)習(xí)中融入理想信念層面的精神指引，將課程思政建設(shè)涵蓋教學(xué)過程整個環(huán)節(jié)。本文將從“自動控制原理”課程著手談一談?wù)n程思政案例融合問題。

1 “自動控制原理”課程簡介

“自動控制原理”課程是自動化專業(yè)的一門主干必修課程，該課程所包含內(nèi)容是控制科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識。本課程主要內(nèi)容包括：自動控制的基本原理、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時域、根軌跡和頻域分析的基本方法、控制系統(tǒng)校正的一般方法、采樣控制系統(tǒng)分析、非線性控制系統(tǒng)等。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有控制系統(tǒng)分析和設(shè)計能力，為今后分析、設(shè)計和繼續(xù)學(xué)習(xí)復(fù)雜控制系統(tǒng)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。通過挖掘本課程的思政元素，進(jìn)行頂層設(shè)計，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課的同時，潤物細(xì)無聲地接受思政教育，實現(xiàn)全員、全過程、全方位育人的目的。

2 控制理論思政案例設(shè)計

2.1 從自動控制發(fā)展弘揚(yáng)愛國情懷

“自動控制原理”緒論中講到控制技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、現(xiàn)代交通、商業(yè)、家庭服務(wù)等各個方面。此時，我國改革開放以來所取得的與控制有關(guān)的舉世矚目的成就自然而然引入課堂。比如：天宮二號發(fā)射成功、載人潛水器蛟龍?zhí)?、中國高速鐵路發(fā)展、屠呦呦獲諾貝爾科學(xué)獎、中國無人機(jī)的發(fā)展等(圖1)，這些例子中提煉控制理論內(nèi)容。如今，工業(yè) 4.0、中國制造2025是我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，從而啟發(fā)學(xué)生樹立自尊自立、自信自強(qiáng)、“祖國永駐我心，我心屬于祖國”以及為實現(xiàn)中國夢的遠(yuǎn)大目標(biāo)。

圖1 自動控制的應(yīng)用

回顧我國的古代發(fā)明創(chuàng)造的自動控制裝置，其中比較著名有：指南車、銅壺滴漏，記里鼓車、漏水轉(zhuǎn)渾天儀等(圖2)，正是這些發(fā)明滿足了當(dāng)時我國生產(chǎn)、生活和作戰(zhàn)的需要。

圖2 我國古代自動控制裝置

控制理論經(jīng)歷經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論的三個發(fā)展階段，在這三個階段都有哪些人物為控制理論作出了重大貢獻(xiàn)？可以介紹我國著名的科學(xué)家錢學(xué)森,中國控制學(xué)科最重要的奠基人,中國自動化學(xué)會首任理事長。他在應(yīng)用力學(xué),工程控制論,系統(tǒng)工程等多領(lǐng)域取得出色研究成果,為中國航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了卓越貢獻(xiàn)。他從少年時代起，就熱愛祖國，熱愛科學(xué)。后到美國留學(xué)，學(xué)習(xí)研究空氣動力學(xué)，與老師一起提出了“卡門-錢公式”，并創(chuàng)立了工程控制論。新中國成立后，他積極要求回國參加建設(shè)，受到美國政府的無理阻撓和迫害，5年后終于回到祖國。他曾長期擔(dān)任中國火箭、導(dǎo)彈和航天器的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)，參加近程、中程、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和人造衛(wèi)星的研制領(lǐng)導(dǎo)工作，做出了杰出貢獻(xiàn)。1999年獲“兩彈一星功勛獎?wù)隆盵2]。1957年選聘為中國科學(xué)院院士。還有自動控制專家張鐘俊院士。他是我國控制科學(xué)技術(shù)的奠基人之一，1935～1938年在麻省理工學(xué)院攻讀碩士、博士，畢業(yè)后毅然回國。一門“伺服機(jī)件”課程奠定了他是中國控制學(xué)科的第一個“吃螃蟹”的人。他在國內(nèi)最早講授自動控制課程，開創(chuàng)了我國自動控制的教育和研究。他是國內(nèi)第一批將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于實際工程的科學(xué)家。在網(wǎng)絡(luò)綜合,電力系統(tǒng),自動控制和系統(tǒng)工程等領(lǐng)域,作出了許多開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)[3]。

通過以上案例，教育學(xué)生以國家、民族利益為重，培養(yǎng)學(xué)生的工業(yè)救國、科技強(qiáng)國的偉大精神，建立以立德樹人，堅持社會主義核心價值觀，增強(qiáng)學(xué)生的愛國情懷，提高專業(yè)人才政治素養(yǎng)與科學(xué)能力。

2.2 從系統(tǒng)的穩(wěn)定談修身立德樹人教育

提高學(xué)生個人修養(yǎng)，培養(yǎng)具有正確三觀、人格健全的社會主義建設(shè)者和接班人是思政教育工作的重要內(nèi)容。

在講解“線性系統(tǒng)穩(wěn)定性”時，控制系統(tǒng)首先要穩(wěn)定,才能進(jìn)行系統(tǒng)分析，求解性能指標(biāo)，結(jié)合控制穩(wěn)定的基本概念融入“課程思政”內(nèi)容，使學(xué)生不受外界各種信息的干擾，樹立正確的人生觀，才能安心學(xué)習(xí)。此時，也可以插入類似圖3的一些比較典型的表情包吸引學(xué)生的注意力。

圖3 用于形容學(xué)生受到各方面影響的表情包

隨著科技的發(fā)展，手機(jī)、電腦、網(wǎng)絡(luò)給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來便利條件的同時，也帶來了一些社會上不正之風(fēng)的負(fù)面影響。此時，結(jié)合以上表情包舉一些正面或反面的例子，以警示學(xué)生不要受這些不良干擾的影響，要控制自己，把握好自己，要堅定自己的理想信念，堅定社會主義核心價值觀，不能讓自己的思想和行為不受控制，為所欲為。要做一個自制力的強(qiáng)者，穩(wěn)定在正確的人生軌跡上。把握自己的命運，實現(xiàn)自己的人生價值。

2.3 從控制系統(tǒng)的分析談人生的規(guī)劃

在我們講到控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡分析方法時，提示學(xué)生要學(xué)會規(guī)劃自己的人生軌跡，你將來要做什么，要成為什么樣的人？根軌跡就像我們?nèi)松能壽E，調(diào)整不好就有可能不穩(wěn)定，我們不能處于無拘無束、船到橋頭自然直的心態(tài)，要明確人生的方向，要將自己學(xué)到的知識和技能轉(zhuǎn)化為內(nèi)在德性和素養(yǎng)，將個人發(fā)展與社會發(fā)展、國家發(fā)展結(jié)合起來，向著自己的目標(biāo)努力。在創(chuàng)造社會價值過程中明確自身價值和社會定位。

2.4 從系統(tǒng)的校正談職業(yè)道德素養(yǎng)教育

在講解“線性系統(tǒng)校正”或“線性系統(tǒng)綜合”時，控制系統(tǒng)不滿足用戶的性能指標(biāo)，可以加入校正裝置調(diào)節(jié)(控制器)，圖4為普通的閉環(huán)控制，通過調(diào)整控制器的參數(shù)使系統(tǒng)滿足要求。這時可以聯(lián)系習(xí)近平總書記所說“要把學(xué)習(xí)的具體目標(biāo)同民族復(fù)興的宏大目標(biāo)結(jié)合起來為之而奮斗”，學(xué)生自身也要不斷反饋，要把自身的學(xué)習(xí)目標(biāo)與理想的宏大目標(biāo)相比較，如圖5所示，由于受社會各方面干擾的影響，自己難免會偏離自己的目標(biāo)。當(dāng)偏差較大時，可以通過調(diào)整自身或是通過學(xué)校教育、家長督促等達(dá)到達(dá)到自我管理、自我教育、自我約束的目的，提升自己的職業(yè)道德素養(yǎng)，實現(xiàn)人生的夢想。這就是控制理論中典型的閉環(huán)控制作用。當(dāng)然除了閉環(huán)，如果采用前饋加反饋控制，如圖6所示，根據(jù)自身的狀況提前調(diào)整，將會達(dá)到更好的效果。

圖4 自動控制中閉環(huán)控制方框圖

圖5 用于學(xué)生閉環(huán)控制方框圖

圖6 用于學(xué)生反饋加前饋的控制方框圖

講到控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)時，強(qiáng)調(diào)我們學(xué)生將來要成為工程技術(shù)人員，就要具有求真務(wù)實、實踐創(chuàng)新、精益求精的工匠精神，具備踏實嚴(yán)謹(jǐn)、耐心專注、吃苦耐勞、追求卓越等優(yōu)秀品質(zhì)，成長為心系社會并有時代擔(dān)當(dāng)?shù)淖鎳枰娜瞬拧?/p>

如圖7所示，針對今年的疫情情況，我國也是采取前饋加反饋的方式，提前預(yù)測，積極應(yīng)對，以最快的速度打贏這場戰(zhàn)役，不僅最大限度地為世界各國防控疫情爭取了寶貴時間、提供了經(jīng)驗，為維護(hù)地區(qū)和全球公共衛(wèi)生安全作出巨大貢獻(xiàn)，也充分彰顯了中國負(fù)責(zé)任大國的全球擔(dān)當(dāng)，以堅定信心和實際行動踐行著推動構(gòu)建人類命運共同體的莊嚴(yán)承諾。

圖7 我國應(yīng)對疫情反饋加前饋的控制方框圖

3 結(jié)語

專業(yè)課程蘊(yùn)含著豐富的思政元素。我們教師可以通過深度挖掘，在已有思政元素的基礎(chǔ)上實現(xiàn)進(jìn)一步拓展和開發(fā)。在“如春在花、如鹽化水”的教學(xué)中，不但使學(xué)生很好地掌握專業(yè)課程知識，還能夠引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)到的知識和技能轉(zhuǎn)化為內(nèi)在德性和素養(yǎng)，將學(xué)生個人發(fā)展與社會發(fā)展、國家發(fā)展結(jié)合起來，立德樹人，激發(fā)學(xué)生為國家學(xué)習(xí)、為民族學(xué)習(xí)的熱情和動力，幫助學(xué)生在創(chuàng)造社會價值過程中明確自身價值和社會定位，擔(dān)當(dāng)起民族復(fù)興大任的時代新人的歷史使命和時代責(zé)任。