新工科建設(shè)背景下自動(dòng)控制理論課程思政內(nèi)容設(shè)計(jì)*

黃 瑤

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)中，大學(xué)的使命和責(zé)任多種多樣，育人始終是大學(xué)的核心價(jià)值。高質(zhì)量人才培養(yǎng)離不開(kāi)全面深層次的思想政治教育，課程思政就是將思想政治教育融入課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程建設(shè)和課堂教學(xué)對(duì)學(xué)生進(jìn)行思想政治教育的過(guò)程[1]。全面推進(jìn)課程思政建設(shè)是進(jìn)一步做好當(dāng)代大學(xué)生思政教育的關(guān)鍵抓手，是培養(yǎng)造就擔(dān)當(dāng)時(shí)代重任接班人的重要環(huán)節(jié)[2]。

機(jī)器人工程是響應(yīng)國(guó)家“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大發(fā)展戰(zhàn)略和創(chuàng)新工程教育的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)而成立的新工科專業(yè)，其學(xué)科專業(yè)建設(shè)思路應(yīng)與國(guó)家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展戰(zhàn)略相符[3]。作為支撐專業(yè)建設(shè)的核心課程建設(shè)，應(yīng)以培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的工程科技人才為導(dǎo)向，為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)和創(chuàng)新型國(guó)家提供人才儲(chǔ)備[4]。

“自動(dòng)控制原理”作為機(jī)器人工程專業(yè)的核心課程，是一門(mén)具有一般方法論的專業(yè)基礎(chǔ)課。對(duì)于機(jī)器人工程專業(yè)的學(xué)生，掌握基礎(chǔ)的控制理論方法是最基本的專業(yè)素養(yǎng)，“自動(dòng)控制原理”也是“現(xiàn)代控制理論”“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”“機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制”等控制相關(guān)課程的基礎(chǔ)[5]。此外，自動(dòng)控制技術(shù)的思想不僅涉及幾乎所有工程學(xué)科，還可拓展至經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等學(xué)科領(lǐng)域，是具有多學(xué)科應(yīng)用背景的理論思想和科學(xué)技術(shù)[6]。因此，為了實(shí)現(xiàn) “三全育人”的培養(yǎng)方針和育人體系，需要深入挖掘課程中包含的科學(xué)方法論以及隱含的核心價(jià)值思想，對(duì)“自動(dòng)控制原理”進(jìn)行課程思政內(nèi)容設(shè)計(jì)。

1 課程簡(jiǎn)介與建設(shè)目標(biāo)

“自動(dòng)控制原理”主要涉及經(jīng)典控制部分的理論，課程內(nèi)容主要包括控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)、系統(tǒng)時(shí)域和頻域性能分析、系統(tǒng)綜合校正等[7]。教學(xué)內(nèi)容理論性較強(qiáng)，目前的課程設(shè)計(jì)主要圍繞著如何將理論性的課程內(nèi)容與實(shí)際案例相結(jié)合，以幫助學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握[8]。其實(shí)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析時(shí)，貫穿始終的核心思想和方法論主要有反饋的思想、系統(tǒng)性評(píng)價(jià)方法、系統(tǒng)分模塊和分層級(jí)設(shè)計(jì)的思想、穩(wěn)定與動(dòng)態(tài)的平衡發(fā)展等[9]。圍繞著這些科學(xué)方法和核心思想，本課題將重新思考課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，在傳授學(xué)生專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，還需提升其專業(yè)素質(zhì)，適時(shí)進(jìn)行價(jià)值引領(lǐng)。

“自動(dòng)控制原理”課程思政的建設(shè)目標(biāo)包括兩部分，首先，要充分挖掘課程中蘊(yùn)含的思想品德、人文素養(yǎng)、價(jià)值觀等育人元素，在教學(xué)過(guò)程中將這些育人元素進(jìn)行隱形植入[10]。使學(xué)生掌握專業(yè)能力的同時(shí)，培養(yǎng)出自動(dòng)控制相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際視野、工程意識(shí)以及創(chuàng)新意識(shí)等。其次，強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)整體角度分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，使學(xué)生懂得系統(tǒng)整體性能取決于系統(tǒng)內(nèi)部的配合與協(xié)調(diào)，提高學(xué)生的宏觀掌控能力。通過(guò)理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)穿插結(jié)合的教學(xué)過(guò)程，為課程的理論知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生掌握靈活運(yùn)用自動(dòng)控制理論知識(shí)，解決機(jī)器人控制系統(tǒng)中的實(shí)際控制問(wèn)題的能力。

2 課程思政模塊

基于課程思政設(shè)計(jì)內(nèi)容及目標(biāo)，凝練專業(yè)課程建設(shè)的核心價(jià)值觀，將從反饋核心思想、系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系、整體局部關(guān)系、辯證發(fā)展思路四個(gè)方面打造“自動(dòng)控制原理”課程思政模塊。

2.1 反饋核心思想

一個(gè)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的核心就是反饋的存在。反饋的機(jī)理就是通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)際與理論之間的偏差，來(lái)對(duì)被控對(duì)象施加作用。反饋又分為正反饋和負(fù)反饋，正反饋能夠促進(jìn)和加強(qiáng)控制部分的作用；負(fù)反饋能夠起到糾正和減弱控制部分的作用，使系統(tǒng)變化減小，趨向穩(wěn)定。與反饋聯(lián)系在一起的就是系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，一個(gè)有反饋的控制系統(tǒng)其實(shí)就是構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)，反之則是開(kāi)環(huán)。一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和自動(dòng)的，例如，人閉著眼睛走路就容易摔倒。這也體現(xiàn)反饋的重要性，通過(guò)反饋構(gòu)成閉環(huán)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提。

其實(shí)反饋閉環(huán)無(wú)處不在，把反饋閉環(huán)這一思想投射到個(gè)人身上，解釋了人為什么需要有感知能力，感知能力就是人體獲取外界信息的通道。只有個(gè)體能夠獲得外界信息，并與設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行比較，才能形成個(gè)人的行為準(zhǔn)則。古語(yǔ)云“吾日三省吾身”就是希望個(gè)人能夠及時(shí)自我反思校正，以避免行差踏錯(cuò)，此時(shí)的反饋就是負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｈ绻渡涞礁暧^的社會(huì)和國(guó)家，一個(gè)國(guó)家的運(yùn)行和社會(huì)的穩(wěn)定都需要有監(jiān)管體系和制度，它們起到的也是負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｐ侣劽襟w報(bào)道感人事跡、評(píng)選感動(dòng)中國(guó)人物等，這些宣傳正能量弘揚(yáng)中華民族傳統(tǒng)美德的事件，就屬于社會(huì)的正反饋。這一課程思政模塊分別從微觀和宏觀兩個(gè)方面介紹課程核心思想，使學(xué)生能切實(shí)感受本門(mén)課程的核心價(jià)值。

2.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系

控制系統(tǒng)最基本的三個(gè)屬性即穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，其中穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的首要條件。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各類品質(zhì)指標(biāo)分析，如反應(yīng)系統(tǒng)快速性的瞬態(tài)性能和反應(yīng)系統(tǒng)準(zhǔn)確性的穩(wěn)態(tài)性能，都必須在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下進(jìn)行。為衡量一個(gè)控制系統(tǒng)的性能，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)有不同的具體要求，一般通過(guò)控制系統(tǒng)的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析。實(shí)際系統(tǒng)中，很難同時(shí)得到最佳的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體要求進(jìn)行分析權(quán)衡，得到滿足性能要求的系統(tǒng)。

穩(wěn)定的重要性不僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)中，對(duì)個(gè)人、家庭、國(guó)家和社會(huì)都是極重要的。國(guó)家社會(huì)穩(wěn)定，才能有精力進(jìn)行五個(gè)文明建設(shè)，才能有條件建設(shè)美好家園，才能構(gòu)建和諧社會(huì)；家庭穩(wěn)定了家人才能安居樂(lè)業(yè)，人們才有幸福感。在穩(wěn)定的前提下，個(gè)人發(fā)展也需要尋找適合不同個(gè)體的評(píng)價(jià)體系，既要全面發(fā)展，又要根據(jù)每個(gè)人的特長(zhǎng)而有所偏重。國(guó)家的發(fā)展，是通過(guò)科技創(chuàng)新能力、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)能力、軍事能力等來(lái)衡量的，其中，科技創(chuàng)新能力已經(jīng)成為綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的決定性因素，這也是國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大發(fā)展戰(zhàn)略的原因。小到個(gè)人，大到國(guó)家社會(huì)都需要一個(gè)合適的評(píng)價(jià)體系來(lái)衡量這些復(fù)雜系統(tǒng)，這一課程思政模塊目的在于引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)并樹(shù)立正確的評(píng)價(jià)體系，要有大局意識(shí)和協(xié)調(diào)發(fā)展意識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)。

2.3 整體局部關(guān)系

一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)是通過(guò)多個(gè)典型環(huán)節(jié)組成的，包括比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)等。每個(gè)環(huán)節(jié)有各自的功能和特性，缺少一個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，甚至系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)的良好運(yùn)行離不開(kāi)魯棒的控制單元、穩(wěn)定的執(zhí)行單元和可靠的檢測(cè)單元，三者各自完成自己功能的同時(shí)又緊密結(jié)合在一起，以保證整體系統(tǒng)的正常運(yùn)行。用對(duì)數(shù)頻域特性對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析時(shí)，一般對(duì)每一個(gè)典型環(huán)節(jié)分析作圖，然后將各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行疊加就可以分析系統(tǒng)的整體性能。系統(tǒng)綜合校正時(shí)，在系統(tǒng)不可變部分的基礎(chǔ)上，要根據(jù)系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)，尋求滿足性能要求的校正方案。系統(tǒng)分析與綜合兩個(gè)相反的過(guò)程體現(xiàn)了系統(tǒng)整體性能與各模塊之間的關(guān)系。

通過(guò)辯證討論整體與局部的關(guān)系，明確個(gè)體發(fā)揮作用才能保證整個(gè)社會(huì)的正常運(yùn)行，個(gè)人成長(zhǎng)與國(guó)家發(fā)展是休戚與共、緊密相連的。國(guó)家是由每個(gè)個(gè)體共同組成，國(guó)家意志體現(xiàn)的是個(gè)體共同組成的意志。一方面，國(guó)家的發(fā)展依靠個(gè)人的成長(zhǎng)，當(dāng)代年輕人的成長(zhǎng)就是祖國(guó)發(fā)展源源不絕的動(dòng)力。另一方面，單獨(dú)個(gè)體的能力是有限的，必須通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作，才能發(fā)揮更大的作用。國(guó)家的強(qiáng)大能為個(gè)人成長(zhǎng)提供更優(yōu)質(zhì)、更廣闊的平臺(tái)，能塑造更好的發(fā)展環(huán)境。隨著祖國(guó)的強(qiáng)大，當(dāng)代年輕人應(yīng)具有更強(qiáng)的榮譽(yù)感和使命感。這一課程思政模塊通過(guò)整體局部關(guān)系激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷與民族使命感和責(zé)任感。

2.4 辯證發(fā)展思路

時(shí)刻變化的外部擾動(dòng)是影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定的最大難題，預(yù)先對(duì)擾動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加入超前校正環(huán)節(jié)是比較有效的處理手段。通過(guò)頻域法進(jìn)行系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)時(shí)，頻域的帶寬決定了系統(tǒng)的抗干擾能力，因此需要保證足夠的穩(wěn)定裕度使系統(tǒng)能夠抵抗未知外部擾動(dòng)的影響。這兩種抗擾方法，一個(gè)是通過(guò)提前預(yù)判抵抗風(fēng)險(xiǎn)，另一個(gè)是提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力，以不變應(yīng)萬(wàn)變。

在瞬息萬(wàn)變的社會(huì)環(huán)境中，也要進(jìn)行辯證思考，以發(fā)展的眼光看待問(wèn)題。在個(gè)人成長(zhǎng)過(guò)程中，要以動(dòng)態(tài)的角度看待問(wèn)題，不要只關(guān)注眼前的情況，而應(yīng)該把眼光放長(zhǎng)遠(yuǎn)。如對(duì)于學(xué)生而言，不應(yīng)該是到了考前才突擊學(xué)習(xí)，或者只為拿高績(jī)點(diǎn)而完成對(duì)應(yīng)的任務(wù)，這些行為都只著眼當(dāng)前，當(dāng)遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)，卻不具備解決問(wèn)題的能力。學(xué)習(xí)應(yīng)以掌握知識(shí)，并能將知識(shí)用于解決實(shí)際問(wèn)題為目的，并且要保持持續(xù)學(xué)習(xí)的態(tài)度，不斷充實(shí)自己，才能夠順應(yīng)時(shí)代和國(guó)家需求及時(shí)調(diào)整發(fā)展方向，緊跟國(guó)家發(fā)展的步伐，順勢(shì)而為。這一課程思政模塊的目的在于引導(dǎo)學(xué)生能用辯證的眼光看待社會(huì)發(fā)展和世界發(fā)展，時(shí)刻保持批判和創(chuàng)新精神，以提升個(gè)體的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)融入了課程思政的“自動(dòng)控制原理”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，將專業(yè)課程知識(shí)與思政教育有機(jī)融合，不僅傳授學(xué)生專業(yè)知識(shí)，還要對(duì)學(xué)生成長(zhǎng)進(jìn)行正確的引導(dǎo)。培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生掌握工程實(shí)踐能力；培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷、求實(shí)精神、奉獻(xiàn)精神、民族使命感和責(zé)任感；引導(dǎo)當(dāng)代青年樹(shù)立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀，能用辯證的眼光看待世界發(fā)展和社會(huì)發(fā)展。