新時代“現(xiàn)代控制理論”課程思政案例設(shè)計

張 丹，俞 立

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

一、課程思政的必要性與“現(xiàn)代控制理論”課程思政的可行性

大學(xué)生是中華民族實現(xiàn)偉大復(fù)興的重要力量，他們的思想意識和觀念則直接決定了社會主義事業(yè)的發(fā)展趨勢［1］。隨著互聯(lián)網(wǎng)和新媒體傳播途徑的日益增多，當(dāng)代大學(xué)生面臨的誘惑和輿論引導(dǎo)也與日俱增。部分學(xué)生心智不夠成熟，極容易出現(xiàn)思想偏差，一味地崇拜他國，不熱愛自己的國家，甚至還出言不遜詆毀自己的國家和自己的同胞。此外，也有部分學(xué)生存在金錢至上、享樂至上、功利至上等極端思想，以自我為中心，把個人利益作為出發(fā)點，罔顧國家利益，缺乏社會責(zé)任感。

高校是思想道德建設(shè)的重要領(lǐng)地，通過思想政治建設(shè)，端正大學(xué)生思想政治信仰具有極其重要的社會意義［2］。2004年，中共中央國務(wù)院發(fā)出《關(guān)于進一步加強和改進大學(xué)生思想政治教育的意見》，明確指出加強和改進大學(xué)生思想政治教育［3］。2020年，教育部等八部門也發(fā)布了《關(guān)于加快構(gòu)建高校思想政治工作體系的意見》［4］。在思想政治教育研究領(lǐng)域，諸多研究深入探討了加強大學(xué)生愛國主義教育的迫切性問題，給出了多種實施路徑以提高大學(xué)生的愛國主義情懷，還對改革開放以來大學(xué)生思想政治教育政策進行了調(diào)研，指出要持續(xù)推進大學(xué)生思想政治教育工作［5-6］。

“現(xiàn)代控制理論”是自動化專業(yè)的核心課程，包含大量控制理論發(fā)展歷史的介紹和先進科學(xué)技術(shù)知識的傳授，在歷史長河中形成了一套嚴謹?shù)目茖W(xué)理論與方法，涌現(xiàn)出了諸多勵志的偉大歷史人物，也創(chuàng)立了一系列先進的科學(xué)技術(shù)。課程內(nèi)容包含豐富的課程思政元素，可以通過課程思政建設(shè)使學(xué)生形成嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)修養(yǎng)，踐行愛國愛家傳統(tǒng)、鑄造忠孝仁義精神，也可以從科學(xué)家們拼搏奮斗的精神中汲取奮勇前行的力量，激發(fā)學(xué)生投身于祖國大發(fā)展浪潮中的熱情，為創(chuàng)造更加美好的社會主義國家而奮斗，為早日實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興而拼搏。

二、課程思政的由來

高校思想政治教育承擔(dān)著培養(yǎng)中國特色社會主義合格建設(shè)者和可靠接班人的重大使命［7］。在大學(xué)中，課堂是老師與學(xué)生交流最為密切的場地之一，也是傳道、授業(yè)、解惑最為重要的陣地。課程是實施高等教育教學(xué)的重要載體，也是影響思想道德教育和人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵要素。因此，最大限度發(fā)揮課堂教學(xué)的育人主渠道作用，深度挖掘課程思想政治元素，是提升高校思想政治教育實效的關(guān)鍵支撐點［7］。

高校思想政治教育可以分為顯性思政和隱性思政。顯性思政通過學(xué)習(xí)“馬克思主義基本原理”“毛澤東思想和中國特色社會主義理論體系概論”“思想道德修養(yǎng)與法律基礎(chǔ)”“中國近現(xiàn)代史綱要”等核心思想政治理論課來提高學(xué)生的思想政治素質(zhì)。隱性思政則是通過發(fā)掘在每一門課程中的思政元素，以潤物細無聲的方式達到思想政治教育目標(biāo)。自2014年起，教育部在上海市開展課程思政試點工作，主要重點就在于如何在專業(yè)課程授課過程中融入課程思政，潤物細無聲，提高學(xué)生的思想道德水平。2016年，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議中強調(diào)，要用好課堂教學(xué)這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)［8］。2020年，教育部關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知，明確指出建設(shè)高水平人才培養(yǎng)體系，必須將思想政治工作體系貫通其中，必須抓好課程思政建設(shè)［9］。要發(fā)揮思想政治教育的關(guān)鍵作用，教師隊伍是主力軍，教師自身必須要有正確的思想認識，要能做到課程思政和思想政治理論課兩者同向同行，形成1+1＞2的作用，最大化地實現(xiàn)高校思想政治教育功能。

與思想政治理論課不同，課程思政是一種隱性的思想政治方法，它是對高校思想政治教育的重要支撐，不能完全取代思想政治理論課。由于大學(xué)生對專業(yè)課的期許主要是學(xué)習(xí)專業(yè)知識，這也決定了課程思政只能在教學(xué)方式和內(nèi)容等方面融入思政元素，不能全盤采用思想政治理論課的方式。因此，如何做好課程思政已經(jīng)成為當(dāng)前高校思想政治教育工作的熱點研究課題之一。文章將重點關(guān)注如何在“現(xiàn)代控制理論”課程中發(fā)掘思政元素，發(fā)揮課程的育人作用，提高自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

三、“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)內(nèi)容

我國高等教育的核心是要緊緊抓住提高專業(yè)人才政治素養(yǎng)與科學(xué)能力培養(yǎng)這一核心問題，通過傳授先進的科學(xué)知識，樹立正確的思想理念，培養(yǎng)社會主義偉大事業(yè)的可靠接班人［10］。因此，這注定了要在課程中進行科學(xué)能力培養(yǎng)的同時，也必須足夠重視思想政治素養(yǎng)培育工作。課程思政是一種隱性的思想政治方式，必須通過課程理論知識作為有效載體才能發(fā)揮最大作用。那么如何在進行科學(xué)知識傳授的同時，又能無縫地融入課程思政元素呢？首先，必須簡要介紹“現(xiàn)代控制理論”課程內(nèi)容。

“現(xiàn)代控制理論”是自動化專業(yè)、電氣及其自動化、機械自動化等多個專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，它為計算機控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計提供必要的理論基礎(chǔ)［11］。課程主要以理論分析為主，課程設(shè)計和實驗為輔，主要內(nèi)容包括：線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的求解、線性系統(tǒng)的能控性和能觀性分析、李雅普諾夫穩(wěn)定性定理、狀態(tài)觀測器設(shè)計、基于觀測器的輸出反饋控制器設(shè)計、線性二次型最優(yōu)控制等綜合性問題［12］。課程目標(biāo)包括：（1）理解并掌握現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)概念和建模方法，以及傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間模型等基礎(chǔ)知識。能夠運用機理建模方法和傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換方法建立控制對象的數(shù)學(xué)模型，具備運用這些知識解決一定復(fù)雜系統(tǒng)的建模問題的能力。（2）掌握現(xiàn)代控制理論的基本概念和系統(tǒng)化分析方法，通過能控性、能觀性、穩(wěn)定性等理論知識的學(xué)習(xí)，能夠具有解決復(fù)雜控制問題的分析能力。（3）理解并掌握現(xiàn)代控制理論的基本控制方法，掌握穩(wěn)定化控制、極點配置控制、觀測器、輸出反饋控制和最優(yōu)控制等基本控制器設(shè)計方法，掌握Matlab控制程序開發(fā)、調(diào)試技巧，培養(yǎng)學(xué)生利用開發(fā)工具解決/調(diào)試工程軟件開發(fā)的能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程打好基礎(chǔ)。

從課程內(nèi)容來看，“現(xiàn)代控制理論”課程主要從狀態(tài)空間模型的角度認識控制系統(tǒng)，利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣等工具了解控制系統(tǒng)狀態(tài)的變化過程，通過極點配置和反饋控制改變控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，最后根據(jù)實際工程需要，按照一定的性能指標(biāo)來完善控制策略。從人類創(chuàng)造歷史的兩種基本活動“認識世界與改造世界”的辯證角度來看，“現(xiàn)代控制理論”課程本質(zhì)上所對應(yīng)的是一個認識世界和改變世界的過程，且要改變世界首先要能清楚認識世界，這是一切發(fā)展必須要遵循的本質(zhì)和客觀規(guī)律。

四、“現(xiàn)代控制理論”課程思政設(shè)計

教師個人也要與時俱進，緊跟科學(xué)研究最前沿，將最新的研究傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生了解最前沿的科學(xué)技術(shù)。在傳授科學(xué)知識的同時，又要能夠挖掘老一輩科學(xué)家吃苦耐勞、奮勇拼搏的精神，將政治認同、愛國情懷、民族自豪、道德修養(yǎng)傳遞給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生增強對習(xí)近平總書記治國理政思想認知、提高對中國共產(chǎn)黨創(chuàng)新理論的政治認同、思想認同、情感認同，堅定社會主義制度自信、中華民族文化自信等［13］。浙江工業(yè)工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院各門課程在提高大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和能力水平的同時，也在不斷推進課程思政建設(shè)工作，從自動化專業(yè)認證要求出發(fā)，不斷完善課程教學(xué)內(nèi)容，深化立德樹人教育目標(biāo)，深入挖掘課程思政元素，實現(xiàn)思想政治教育和科學(xué)知識教育的有機融合。

“現(xiàn)代控制理論”課程是浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院自動化專業(yè)的必修課程之一。由于“現(xiàn)代控制理論”課程以理論授課為主，需要從課程內(nèi)容中深度挖掘課程思政資源與案例，并在課程授課過程中無縫融入思政元素，讓學(xué)生潛移默化地接受思想政治教育。以下是部分課程思政設(shè)計和資源案例的探討。

要對一個被控對象進行有效的控制，首先需要了解和認清被控對象狀態(tài)之間的內(nèi)在影響機理，而了解和認識被控對象的一種有效方法就是建立被控對象的數(shù)學(xué)模型?！艾F(xiàn)代控制理論”課程內(nèi)容的第一章就是控制系統(tǒng)的建模，即如何根據(jù)物理法則和內(nèi)在機理建立狀態(tài)變量之間的數(shù)學(xué)方程關(guān)系，通過輸入輸出數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識，來建立控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。有了控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型之后，才能進行系統(tǒng)的運動分析和控制器設(shè)計。因此，系統(tǒng)的建模過程可以描述為一個認識世界的過程，只有認識了世界才能改變世界，可以傳輸唯有遵循客觀的發(fā)展規(guī)律、掌握科學(xué)的辯證關(guān)系，運用科學(xué)的技術(shù)手段，才能真正實現(xiàn)價值提升的思想，引導(dǎo)學(xué)生腳踏實地、不走歪門邪道。

在“現(xiàn)代控制理論”課程授課過程中，一定會重點介紹李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。這是一套由俄國科學(xué)家李雅普諾夫經(jīng)過多年深入研究后形成的極其嚴謹?shù)睦碚摲椒?。因此，在介紹李雅普諾夫穩(wěn)定性理論時，可以穿插引導(dǎo)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)上要有精益求精的學(xué)習(xí)作風(fēng)，在工作崗位上要自覺實踐各行業(yè)的職業(yè)精神和職業(yè)規(guī)范，在科學(xué)研究過程中要具備嚴謹?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度。由于可以通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論來設(shè)計控制器，使得原本性能沒有達到設(shè)計要求的系統(tǒng)也可以達到期望的目標(biāo)，因此在講解控制器設(shè)計知識點時，可以引出人的出生并不能決定一輩子的發(fā)展，通過個人努力與奮斗，也可以通往美好生活殿堂，借此可以大力宣揚奮勇拼搏精神，引導(dǎo)學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀，樹立積極向上的人生態(tài)度。由于系統(tǒng)的性能好壞取決于配置的極點，也有許多不同的方法可以實現(xiàn)極點配置，可以通過鼓勵學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、掌握更多本領(lǐng)以實現(xiàn)國家的富強、民主、文明、和諧。

在“現(xiàn)代控制理論”課程授課過程中，離不開對現(xiàn)代控制理論歷史的介紹，這當(dāng)中不乏許多偉大科學(xué)家的先進事跡，錢學(xué)森就是這樣一位偉大的科學(xué)家。錢學(xué)森教授成名于美國，美國海軍次長丹尼金布爾評價錢學(xué)森：無論走到哪里，錢學(xué)森都抵得上5個師的兵力［14］。在1949年中華人民共和國成立后，時任麻省理工學(xué)院教授的錢學(xué)森毅然決定回國，但是卻遭到了美國政府的百般阻撓。1954年，錢學(xué)森在被美國政府軟禁期間撰寫了專著《工程控制論》，該著作在出版后引起了科學(xué)界的強烈反響?！犊茖W(xué)美國人》雜志希望做專題報道，并將錢學(xué)森的名字列入美國科學(xué)團體。這個想法被錢學(xué)森回信拒絕，信中寫明了一句話：“我是一名中國科學(xué)家?！保?5］雖然現(xiàn)代控制理論的奠基性工作主要由蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金的極大值原理、美國科學(xué)家貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃和卡爾曼的狀態(tài)空間模型描述方法等組成，但是在當(dāng)時國際上經(jīng)典控制理論的知名大家并沒有看清現(xiàn)代控制理論的發(fā)展勢頭。唯有錢學(xué)森高瞻遠矚地看到了現(xiàn)代控制理論蓬勃的發(fā)展趨勢，以及對航空航天事業(yè)的重要作用。因此，在錢學(xué)森回國后，就和著名的數(shù)學(xué)家關(guān)肇直提出了要建立第一個現(xiàn)代控制理論研究實驗室，這在當(dāng)時是一個極富遠見的建議［16］。錢學(xué)森在被軟禁的時候還能寫出《工程控制論》這一偉大著作，體現(xiàn)了老一輩科技工作者勤勞樸實、艱苦奮斗的作風(fēng)。從錢學(xué)森在美國獲得名望和體面的生活后毅然決定回歸祖國說起，可以激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷，弘揚為社會主義事業(yè)奮斗終身的理想信念。在《工程控制論》出版后，錢學(xué)森明確了自己中國人的身份，借此可以宣揚做人不能忘本、仁義禮智信不能丟的傳統(tǒng)美德。

在“現(xiàn)代控制理論”課程授課過程中，授課教師需要不斷提高自己的知識儲備，根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展來動態(tài)調(diào)節(jié)課程內(nèi)容，完善課程大綱。在新理論、新技術(shù)的教授過程中，豐富課程思政內(nèi)容，提高課程思政建設(shè)水平。例如隨著控制規(guī)模的日益擴大、控制對象的日益復(fù)雜，現(xiàn)代控制理論研究的對象已經(jīng)呈現(xiàn)出從單一模型到包含耦合、級聯(lián)等關(guān)系的復(fù)雜模型。在智能交通領(lǐng)域，通過車與車、車與路、車與云的協(xié)同，可以實現(xiàn)交通流量的智能管控、減少燃油消耗、保護環(huán)境的目標(biāo)。要實現(xiàn)車與車之間的協(xié)同控制除了車輛自身的控制之外，還需要設(shè)計車與車之間的網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系，即解決好車與車之間的耦合關(guān)系。因此，在授課過程中可以增加前沿技術(shù)的討論環(huán)節(jié)，如簡要介紹現(xiàn)代控制理論在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)介紹不但可以擴展學(xué)生的視野，也可以讓學(xué)生了解課程學(xué)了之后有什么用，能夠解決哪些實際的工程問題，從而激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。另外網(wǎng)聯(lián)車輛控制系統(tǒng)是一個典型的融合個體與整體關(guān)系的復(fù)雜系統(tǒng)，通過相關(guān)介紹也可以起到引導(dǎo)學(xué)生把國家、社會、公民的價值要求融為一體的作用，自覺做到把小我融入大我中才能實現(xiàn)全局的發(fā)展。

在“現(xiàn)代控制理論”的課程授課過程中，控制器設(shè)計也是非常重要的內(nèi)容，它起著改變世界的重任。隨著控制要求的不斷提升，當(dāng)前控制器設(shè)計已經(jīng)呈現(xiàn)出了從單目標(biāo)控制到多目標(biāo)控制、網(wǎng)絡(luò)化控制和智能化控制方向發(fā)展趨勢，涌現(xiàn)出了預(yù)測控制、滑?？刂?、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制算法。例如車輛控制系統(tǒng)是一類典型的物理受限系統(tǒng)，預(yù)測控制方法由于可以較好地處理受限問題而廣泛應(yīng)用在車輛控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中。通過簡要介紹先進算法及其典型應(yīng)用、布置課題設(shè)計進行討論和交流，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也可以起到引導(dǎo)學(xué)生積極吸取新事物新技術(shù)、不斷提高個人綜合能力的作用。

在“現(xiàn)代控制理論”課程知識點講解過程中，穩(wěn)定性分析是一個非常重要的知識點。對于連續(xù)時間系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點只有保持在左半平面才能保證其穩(wěn)定性?？梢詫⑷吮茸飨到y(tǒng)極點，只有遵循法律法規(guī)約束，牢固樹立法治觀念，才能保證良性發(fā)展。在穩(wěn)定性分析方面，傳統(tǒng)的穩(wěn)定性定理探究的是如何設(shè)計控制器使得系統(tǒng)可以漸近收斂到平衡點。然而許多實際工程應(yīng)用要求系統(tǒng)能夠在有限時間內(nèi)達到收斂，例如衛(wèi)星發(fā)射過程中往往要求能夠在有限時間內(nèi)到達指定空間軌道。隨著控制目標(biāo)實時性要求越來越高，有限時間穩(wěn)定性的研究受到了越來越多的研究關(guān)注，在實際系統(tǒng)分析與工程應(yīng)用中也越來越廣泛。因此，在授課過程中可以通過布置關(guān)于有限時間控制的原理和典型應(yīng)用課程討論來豐富課程教學(xué)模式，打破以老師主講的“呆板”現(xiàn)狀，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。讓學(xué)生以PPT的形式來主講收集的資料，以小論文的形式完成課程設(shè)計報告，鍛煉學(xué)生的協(xié)作能力。通過有限時間控制方法的介紹可以引出要按時完成老師布置的作業(yè)和測驗，培養(yǎng)學(xué)生勤奮好學(xué)的品質(zhì)，也可以通過相關(guān)的成果展示，達到鍛煉學(xué)生合作能力、提升團隊化作戰(zhàn)水平的目的。通過規(guī)范PPT制作、課程設(shè)計報告寫作，可以引導(dǎo)學(xué)生自覺形成嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、恪守高尚的職業(yè)精神與規(guī)范、鑄造純潔的職業(yè)品格與習(xí)慣。

結(jié)語

文章從“現(xiàn)代控制理論”課程思政的必要性和可行性角度出發(fā)，在深入挖掘課程思政元素的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮專業(yè)課程、科學(xué)研究和教學(xué)改革的協(xié)同育人功能，全方位培養(yǎng)學(xué)生的思想品格、科學(xué)素養(yǎng)、職業(yè)態(tài)度，為中華民族偉大復(fù)興培養(yǎng)優(yōu)秀的人才。