控制理論教學中思政育人元素的有機融入

任一峰 趙俊梅 李 靜 陳 曄

(中北大學 電氣與控制工程學院， 太原 030051)

在變革時代成長起來的當代年輕學生在思想觀念、價值判別等方面都具有顯著的時代特征。進入高校以后，隨著視野的擴大和思考的深入，大學生面臨巨量信息的接收、辨識和處理的壓力，存在面對現(xiàn)實社會問題和自身問題時的困擾和障礙，同時又受到多元文化、多元價值觀的交織影響，所以迫切需要科學思想的引領(lǐng)，樹立正確的理想信念、價值取向、社會責任和政治信仰，走好社會人生的第一步。大學以“立德樹人”為其貫徹始終的教育理念，其中德育教育應放在首位[1]，思政課程堅持弘揚主旋律，加強科學社會主義理論知識的系統(tǒng)學習，奠定思想政治素質(zhì)的基礎(chǔ)，形成基于辯證唯物主義的哲學思想底色，塑造基于馬克思主義認識論與實踐論的思維習慣和行為準則。但大學的思政教育絕不應該停滯于思政課程。馬克思主義理論博大精深包羅萬象，是關(guān)于自然、社會和思維的普遍規(guī)律的理論，是科學原理和科學精神的結(jié)合和升華。它來源于具體科學的研究成果，并隨著科學的發(fā)展而發(fā)展。從現(xiàn)代科學技術(shù)理論、應用層面和文化層面，可以大量發(fā)現(xiàn)馬克思主義自然辯證、唯物論自然觀和歷史觀的草蛇灰線。在大學專業(yè)教育過程中，認真發(fā)掘這些思政元素，將宏觀的思想教育引導到具體的現(xiàn)代科技實踐案例上面，結(jié)合科學應用的實例回顧反芻思政課程的要點，讓思政教育的影響出神入化，涓涓細流精準滴灌到科學理論和實踐的細微部位。謀求思政課程和課程思政的連貫性整體布局，互相呼應促進，連續(xù)接力形成思政教育的系統(tǒng)成效。

1 控制論的馬克思主義哲學淵源

錢學森先生曾高度評價控制論的產(chǎn)生，將控制論和相對論、量子力學并稱二十世紀上半葉的三項科學革命，是人類認識客觀世界的三大飛躍?？刂普摵驼軐W的關(guān)系非常密切。自從控制論創(chuàng)立以來，圍繞著控制論的哲學討論從未止息。

控制論是一門綜合性的交叉科學，是多學科相互滲透的產(chǎn)物?？刂普摰旎逳·維納對控制論所下的定義：控制論是“關(guān)于動物和機器中控制和通信的科學”。其核心特點，就是反饋調(diào)節(jié)和信息變換。事實上，變換和調(diào)節(jié)不僅普遍存在于工程技術(shù)系統(tǒng)，而且在生物系統(tǒng)、社會系統(tǒng)直至思維領(lǐng)域，也有廣泛的應用?，F(xiàn)代科學的控制論，使自然科學不斷向社會科學滲透，控制論把截然不同的技術(shù)系統(tǒng)與生物界、社會直至思維領(lǐng)域聯(lián)系起來，說明世界物質(zhì)的統(tǒng)一性，具有普遍的哲學意義。維納的最早一篇控制論文《行為、目的和目的論》，正是發(fā)表在《科學的哲學》1943年第1期上，主要闡述的也是控制論的哲學問題[2]。

控制論研究的是物質(zhì)對象的運動特性，抓住了對象的物質(zhì)特性本質(zhì)，世界是物質(zhì)的、物質(zhì)是運動的，是其基本的看法。同時，作為控制系統(tǒng)的一般理論，維納擺脫了機械唯物主義和拉普拉斯式的機械決定論的束縛，擯棄了簡單因果鏈的決定論?？刂普撜J為任何一個控制系統(tǒng)都是與周圍環(huán)境經(jīng)常進行物質(zhì)、能量和信息交換的動態(tài)開放系統(tǒng)，它通過反饋過程不斷減少系統(tǒng)的無組織程度(熵減少)，這一點十分符合馬克思主義辯證唯物論哲學原理。此外，控制論核心的系統(tǒng)認識思想，又與唯物辯證法不謀而合。唯物辯證法認為,任何事物都不是孤立的,而是相互聯(lián)系、相互作用、相互轉(zhuǎn)化的。而系統(tǒng)控制論深化了事物聯(lián)系的性質(zhì)，補充了事物聯(lián)系的形式，進一步揭示了存在于系統(tǒng)之間的信息聯(lián)系、能量聯(lián)系和物質(zhì)聯(lián)系，并將有關(guān)結(jié)構(gòu)功能的諸多對立統(tǒng)一矛盾關(guān)系融入系統(tǒng)本身[3]?？梢哉f，系統(tǒng)控制論不僅深化了唯物辯證法的基本范疇，而且豐富了辯證法的內(nèi)涵。德國著名哲學家奧爾格·克勞斯曾指出：“控制論這門科學到處自發(fā)地表現(xiàn)出辯證唯物主義思想。整個控制論或控制論的科學思想核心對于作出辯證唯物主義的哲學抽象是業(yè)已成熟的資料”，“控制論必須完全看作是對于辯證唯物主義的一種空前未有的、給人以極其深刻印象的科學證明”。

2 工程控制理論教育與思政教育相融合的總體設(shè)計

1954年，錢學森將控制論的一般性理論與工程技術(shù)領(lǐng)域的應用相結(jié)合，誕生了工程控制論。維納提出控制論基本思想之后，不少工程師和數(shù)學家企圖尋找通往這座理論頂峰的道路，均失望而歸。工程師偏重實踐，但拘于專業(yè)門類分割，不善于由個別到一般，將實踐結(jié)果上升到理論高度；數(shù)學家擅長理論分析，卻拙于從一般到個別去解決實際問題。而錢學森則集中兩個優(yōu)勢于一體，正如一位美國專欄作家所言，“錢學森高超地將兩只輪子裝到了一輛戰(zhàn)車上，碾出了工程控制論的新途徑”。他的開創(chuàng)性著作《工程控制論》被世界公認為自動化控制技術(shù)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。

對于大學工程類專業(yè)，技術(shù)領(lǐng)域的控制論基本思想和方法的教育是必不可少的，涉及機械、信息技術(shù)、化工、電氣及管理工程等諸多學科專業(yè)，一般均有控制理論類課程開設(shè)。目的是使學生通過學習了解控制理論的基本思想，從工程對象提煉出控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，分析系統(tǒng)性能特點，并按照技術(shù)指標要求對系統(tǒng)進行設(shè)計校正，改善系統(tǒng)性能?？刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計的過程，也可以看作馬克思主義從認識世界到改造世界過程的典型技術(shù)例程，它完成了認識論的“實踐-認識-再實踐”的閉環(huán)循環(huán)。在循環(huán)過程中，系統(tǒng)的分析和綜合的作用是相互依賴的，也正是說明了認識世界和改造世界之間相互依賴、相互制約性質(zhì)[4]。

具體知識點關(guān)聯(lián)的思政內(nèi)容，則可以通過挖掘控制理論課程中的哲學思想和育人元素，對課程內(nèi)容進行新的頂層設(shè)計。確立價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授三位一體的課程目標，弘揚社會主義核心價值觀，培養(yǎng)科學精神、工匠精神、人文情懷，力求將課程知識點與思想政治教育完美結(jié)合在一起[5]。讓學生發(fā)現(xiàn)自然哲學之美，并自發(fā)接受思想政治和科學文化的洗禮，理解思政教育的本質(zhì)和初衷。這樣的設(shè)計下，課堂內(nèi)外更多看到的是在科學知識、思想文化各個方面，教師和學生的互動、理論與方法的交集、人與自然的感應。思政教育最高境界，正是這種在默契交流過程中的不導而至、不教而育。

大道至簡潤物無聲，專業(yè)課程的思政教育的優(yōu)勢和特色正在于此。經(jīng)過思政課程大水漫灌和專業(yè)技術(shù)課程思政的精準滴灌，來自點滴積累形成的正確的世界觀、人生觀、價值觀，在風風雨雨中才不會輕易崩塌，并將深刻影響一個人的人生道路[6]。

3 典型案例設(shè)計(一)

——相似系統(tǒng)的認識

為了設(shè)計好一個性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，必須充分了解受控對象、執(zhí)行機構(gòu)及系統(tǒng)元件在一定條件下的運動規(guī)律。在內(nèi)外條件與運動之間存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，這種關(guān)系用數(shù)學形式表示出來，這就是控制系統(tǒng)的數(shù)學描述。我們把描述系統(tǒng)動態(tài)特性及各變量之間關(guān)系的數(shù)學表達式稱為系統(tǒng)的數(shù)學模型。

在建立實際系統(tǒng)的數(shù)學模型的過程中，發(fā)現(xiàn)許多工程控制系統(tǒng)，不管它們是機械的、電動的、氣動的、液動的、生物學的、經(jīng)濟學的等，它們的數(shù)學模型可能是接近甚至是相同的，也就是說它們具有相同的運動規(guī)律。研究這些數(shù)學模型時，人們就可以不再考慮方程中符號的物理意義，只是把它們看作抽象的變量。也不再考慮各系數(shù)的物理意義，只把它們看成抽象的參數(shù)。只要數(shù)學模型形式上相同，它的運動性質(zhì)就是相同的。對這種抽象的數(shù)學模型進行分析研究，其結(jié)論自然具有一般性，普遍適用于各類相似的物理系統(tǒng)。故此，相似系統(tǒng)是可以相互模擬研究的。

機電相似是最常見的相似系統(tǒng)，對于如下的兩個典型系統(tǒng)：圖1是典型二階機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖2是典型二階電路系統(tǒng)，它們具有相似的數(shù)學表達。

圖1 典型二階機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學表達

圖2 典型二階電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學表達

利用系統(tǒng)相似性特點，一方面可以將一個工程系統(tǒng)的結(jié)論推廣到另外一個工程系統(tǒng)，甚至可以拓展到其它生物學系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)。在相似系統(tǒng)之間，一些概念和特性有時也可以互相借鑒；另一方面，也正因為系統(tǒng)之間具備相似特性和本質(zhì)聯(lián)系，才有可能從各種不同的物理系統(tǒng)中總結(jié)提煉出一般性的運動規(guī)律和控制方法，形成今天具有廣泛運用的自動控制理論。上世紀八十年代，以張光鑒為代表的一批思維學者正是研究事物之間的相似現(xiàn)象和規(guī)律，發(fā)展了《相似論》理論，并深得錢學森、高士其等老一批著名專家學者的贊許和推崇。

如果用慣性、彈性和阻尼的相似結(jié)構(gòu)來理解我們身邊的事物，也可以幫助我們認識分析其運動規(guī)律和因果關(guān)系。每個民族和國家，基于文化、歷史、政治、經(jīng)濟、自然等因素形成了其獨特的國民性，可以分解在慣性、彈性和耗散三個軸線。慣性表達了其對外界激勵的反應能力和轉(zhuǎn)變速度，一個國家的體量、文化傳統(tǒng)都是其慣性表達；彈性包含了對變化的反動能力的積蓄容量，表達一種積累和耐受能力；阻尼則是一種耗散結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)的是與系統(tǒng)外界的開放和能量交換，矛盾、斗爭、摩擦，正是這些耗散方式維持了系統(tǒng)的開放和生存，而不會落入熱力學第二定律的熵寂。這三個主要參數(shù)的不同，也使得民族和國家“性格”形形色色，對待突發(fā)的激勵事件自由響應方式也千差萬別。具體體現(xiàn)在面對戰(zhàn)爭、瘟疫、經(jīng)濟動蕩、社會革命、外部干預等事件作用(F)時，自身的穩(wěn)定性問題、超調(diào)量的大小、調(diào)節(jié)恢復時間的長短、穩(wěn)態(tài)以后的偏離程度、社會結(jié)構(gòu)變化后的魯棒性能等諸多方面都有很大差別。這一點歐美社會和東亞文化圈特別是中國社會的外在體現(xiàn)就有很大區(qū)別。

同時，在各個功能性能之間，又存在著普遍聯(lián)系和影響，有的指標甚至是互相拮抗的。動態(tài)恢復能力強的社會結(jié)構(gòu)，開環(huán)增益倍數(shù)高，往往易反易復，穩(wěn)定寬裕程度較差；而穩(wěn)態(tài)目標準確的團隊，則需要更多的積分器累積過程，反應必然遲鈍。這就需要我們利用辯證思想和方法，不是脫離開系統(tǒng)的約束，單純?nèi)プ非竽骋环矫娴闹笜?，而是在協(xié)調(diào)各任務要求的大格局下，綜合考量各項性能和指標，綜合形成最優(yōu)的目標函數(shù)，這里面已經(jīng)包含了許多合理妥協(xié)和有效權(quán)衡?？刂茖W原理包含的平衡性思維，辯證看待問題的方法，對于學生全面分析問題，避免偏激態(tài)度是一種很好的專業(yè)訓練和引導。

借助于工程系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的相似性原理，還有大量的事實和現(xiàn)象可以分析認識。工程技術(shù)的控制論基本原理，可以嘗試性地用于分析研究一些社會政治文化領(lǐng)域的現(xiàn)象，引導我們走出傳統(tǒng)封閉的認識誤區(qū)。

4 典型案例設(shè)計(二)

——PID控制的歷史觀內(nèi)涵

PID(Proportion-Integral-Derivative)控制即比例-積分-微分控制，是古典控制時代的典范之作。作為最早實用化的控制器已有七十年歷史，以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便、工作可靠而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。圖3所示便是PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全識別，或得不到精確數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)應用受限，這時應用PID控制技術(shù)最為方便。

圖3 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制律由下式給出：

其中比例環(huán)節(jié)主要針對誤差信息的當前量，用于增益偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，反向調(diào)節(jié)以減少偏差；積分環(huán)節(jié)是誤差信息的歷史積累，進行時域誤差的積分，主要用于消除靜差；微分環(huán)節(jié)則反映偏差信號的變化趨勢，表達的是未來時段的信息特點，并能在偏差信號變大之前，在系統(tǒng)中引入一個預先的修正信號，加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。PID控制考慮了現(xiàn)在(P)，過去(I)和未來(D)三個歷史階段，綜合考量三個時段信息，并加以不同的權(quán)值調(diào)節(jié)，形成綜合的控制量。在設(shè)計上包含了時間全軸，技術(shù)思想上體現(xiàn)了唯物史觀，這也使得PID成為工業(yè)控制領(lǐng)域最有生命力的控制器。

如果提煉這里的思政元素，可以結(jié)合青年學生看待事物的方式，往往容易感知當下的事物狀態(tài)，并據(jù)此直接作出判斷和結(jié)論。這也符合單純比例控制(P)容易發(fā)生震蕩，或左或右劇烈搖擺甚至發(fā)散的特點。而適當加入歷史背景的積累和總結(jié)(I)，和對未來趨勢的判斷(D)，再根據(jù)事物具體特性調(diào)整其加權(quán)系數(shù)，就能夠形成一個相對完善的識別和作用，用于指導行動，容易形成收斂穩(wěn)定的效果。如果再將行動執(zhí)行效果和給定的期望做比較，構(gòu)成一個大閉環(huán)系統(tǒng)，利用誤差消除誤差，這就成為實現(xiàn)目標的最有效的方式。

5 結(jié)語

控制理論包含了深邃的哲學思想，在其創(chuàng)建、發(fā)展的各個階段都融入最先進的科學技術(shù)成果和人類對生命、對自我的深刻理解?；煦鐚W、耗散結(jié)構(gòu)理論、自組織理論、協(xié)同學、突變理論、超循環(huán)理論、人工智能等領(lǐng)域和方向的研究，讓人們在不斷探底、觸摸最底層自然規(guī)律的時刻，不斷反省其根本意義即進行哲學思考。在控制論的工程教育階段，雖然只是入門初始，但思想領(lǐng)域的育人元素已是俯拾皆是。只要課堂的組織者，能夠用心發(fā)現(xiàn)，精心披沙剖璞，一定會打磨出很多璀璨的寶石。讓青年學生被其絢麗的思想光芒吸引，充分領(lǐng)略到技術(shù)哲學之美從中有所感悟，并自覺提升到辯證唯物主義和歷史唯物主義的認識高度，深刻理解馬克思主義哲學是對自然科學的高度總結(jié)，揭示的是宇宙間萬事萬物的普遍運動規(guī)律。這樣學生在控制論的深入學習過程中，除了深入學習專業(yè)知識，還能夠不斷聯(lián)系到思政課程的知識要點要素，建立思政課程和課程思政的良好互動呼應，形成大學思政教育持續(xù)漸進的大布局。進一步可以促進青年學生的科學精神和哲學思辨能力全面提升，幫助其擁有更智慧更豐富的人生。

在思政育人的角度，要使專業(yè)課程的思政設(shè)計與思想政治理論課同向同行，各自發(fā)揮優(yōu)勢又有序銜接，形成協(xié)同效應。隨著大量的簡單案例、點滴元素的整理提煉總結(jié)，形成積累協(xié)同和涌現(xiàn)，共同唱好大學課堂的思政育人大戲。引導學生深化、內(nèi)化社會主義核心價值觀和哲學觀，在知識傳授的同時進行價值引領(lǐng)，使學生在專業(yè)課學習中學會運用創(chuàng)新思維進行理論、實踐分析，提高學生的綜合能力。實現(xiàn)教育全員、全過程、全方位育人的目的，達成“立德樹人”的根本任務。