自動控制原理課程思政教學策略與案例研究

王海云 宮麗娜 唐亮 陳婷

摘要：深入推進課程思政的探索和實踐是高校實現(xiàn)立德樹人的根本任務。自動控制原理是自動化、電子信息工程等專業(yè)本科生的重要專業(yè)基礎課程。通過挖掘和析出自動控制原理課程中蘊含的思政元素，并且以潤物細無聲的方式融入教學的各個環(huán)節(jié)中，做到讓課堂教學成為落實思政教育的主要渠道。同時，激發(fā)學生的學習興趣，提升創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生正確的價值觀。

關鍵詞：教學改革；課程思政；自動控制原理

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0158-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

黨的二十大報告指出，要辦好人民滿意的教育，全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人。2020年5月教育部印發(fā)了《高等學校課程思政建設指導綱要》強調(diào)，“要深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神”，“把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量[1]”。應用型本科院校作為高等教育的重要組成部分，也應積極探索和實踐專業(yè)課程的“思政教學”改革。在工科專業(yè)課的教學中，如何做到將思政內(nèi)容有機地融入專業(yè)知識中，是一個值得思考、探究和實踐的問題[2]。本文以電子信息工程專業(yè)的自動控制原理課程（48課時）為例，詳細論述以課堂教學為陣地，切合實際教學內(nèi)容開展課程思政教學的方法。

1 課程性質(zhì)及教學現(xiàn)狀

自動控制原理課程是講解經(jīng)典控制理論的內(nèi)容，其內(nèi)容包含自動控制系統(tǒng)的基本概念、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、時域分析方法、根軌跡分析法以及頻域分析方法，自動控制系統(tǒng)的校正等內(nèi)容。

為后續(xù)課程的學習以及相關課程設計、畢業(yè)設計、電子類系統(tǒng)綜合分析與設計等奠定理論基礎。通過本課程的學習，學生能夠熟悉自動控制系統(tǒng)的原理、特點、分類等，并重點掌握系統(tǒng)的數(shù)學模型、時域、頻域的分析方法。學生在理解自動控制原理的基本概念、思想以及理論方法的基礎上，能夠結合領域知識建立低階系統(tǒng)數(shù)學模型，并能利用時域、頻域分析方法對系統(tǒng)的性能進行分析與綜合設計。

授課方式采用理論結合實踐綜合應用、“教學做練用一體化”融會貫通控制理論基礎知識、系統(tǒng)綜合分析與設計。學會應用Matlab的工具箱實現(xiàn)低階控制器的設計與仿真，會應用Matlab編寫程序完成系統(tǒng)各種性能圖等。通過本課程的學習，鍛煉學生系統(tǒng)建模，系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合設計的能力。

2課程任務、目標與要求

2.1 課程任務

通過本課程的學習，學生能夠復述自動控制系統(tǒng)的基本概念和原理，能夠依據(jù)實際系統(tǒng)建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，并且能夠做到各種模型之間的轉換，能夠熟練掌握系統(tǒng)的時域分析和頻域分析方法，并將自動控制理論的思想方法諸如反饋思想、頻域分析方法等應用在自動控制外的其他領域。

2.2 課程目標及要求

本課程目標及能力要求具體如下：

課程目標1：學生能夠復述自動控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本構成，能夠識記自動控制系統(tǒng)的組成、特點以及自動控制理論的發(fā)展過程。

課程目標2：學生能夠建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，包括建立控制系統(tǒng)的微分方程，傳遞函數(shù)、結構圖、信號流圖等；能夠描述不同數(shù)學模型的特點，能夠完成各種數(shù)學模型之間的相互轉換。

課程目標3：學生能夠使用時域分析的一般方法分析系統(tǒng)，能夠熟練分析一階系統(tǒng)的性能，能夠計算二階系統(tǒng)的各項性能指標；能夠利用Routh判據(jù)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性；能夠分析與計算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；能夠繪制系統(tǒng)的根軌跡圖，并能依據(jù)系統(tǒng)根軌跡圖分析系統(tǒng)性能。

課程目標4：學生能夠使用頻域法分析系統(tǒng)、能夠?qū)Φ湫拖到y(tǒng)進行頻率特性分析和作圖，能夠利用頻域穩(wěn)定性判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性；能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進行校正與綜合設計，培養(yǎng)學生良好的分析問題和解決問題的能力。

3 課程思政教學改革思路

要做好將思政內(nèi)容融入課程教學中，就必須充分認識到課程思政并非是一個狹義的思想政治教育，而是必須從德智體美勞全面人才的視角出發(fā)，以培養(yǎng)社會主義建設者和接班人的重要理念和實施路徑，發(fā)揮思想政治課程之外的其他課程的育人功能，形成廣義的、內(nèi)涵更加豐富的思政教育理念，做到課程思政與思政課程同向同行、協(xié)同育人，不但培養(yǎng)學生求實創(chuàng)新的科學精神，還要擔負起培養(yǎng)學生健康成長、全面成才、持續(xù)發(fā)展的人文精神[3]。

把思想政治理論恰當?shù)剡\用到專業(yè)課中，從思政理論的角度去重新理解和運用專業(yè)課知識，幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養(yǎng)正確的思維方式，塑造學生自主學習的良好習慣，從而有效提升學生的“三觀”[4]。因此，專業(yè)課程要有效發(fā)揮專業(yè)基礎課程的教學與育人功能，必須深入挖掘課程內(nèi)容中蘊含的思政內(nèi)容。

自動控制原理課程要實現(xiàn)思政教學改革，適應高等教育改革的發(fā)展要求，挖掘課程與思政的融入點是關鍵。而完成課程教學改革首要任務就是挖掘課程所蘊含的思政治元素，并將思政元素有機融入課程教學的全過程，自動控制原理課程內(nèi)容思政設計要素如表1所示。

4 課程思政具體教學案例設計

4.1 控制理論的發(fā)展——強國興軍的根本

控制理論的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：經(jīng)典控制理論階段、現(xiàn)代控制理論階段及智能控制理論階段。從1948年美國數(shù)學家維納（N. Weiner）出版了《控制論—關于在動物和機器中控制與通訊的科學》，到60年代“阿波羅”號飛船登月，再到1971年美國普渡大學的傅京孫教授提出智能控制的二元交集理論，人們對控制論的認識與發(fā)展不斷接力，并不斷地努力創(chuàng)新。自動化技術的產(chǎn)生與發(fā)展是與現(xiàn)代戰(zhàn)爭密切相關的，尤其是控制領域與工程、模式識別與智能系統(tǒng)、導航制導與控制、檢測技術與自動化裝置等技術已經(jīng)滲入了軍事領域中的各個角落。

隨著科技日新月異，國際形勢也是瞬息萬變，綜合國力的比拼日趨激烈。自新中國成立以來，我國的軍事裝備越來越先進，這與自動控制技術的高速發(fā)展是密不可分的。自動化技術水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家軍事及綜合實力的重要標志。隨著人工智能時代的到來，國家對軍事裝備的智能化要求更高，當代大學生應自覺融入實現(xiàn)中華民族偉大復興的進程中，為國家軍事事業(yè)的發(fā)展貢獻自己的一份力量。

4.2 控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)——各司其職、忠誠敬業(yè)

一個控制系統(tǒng)通常是由控制器和被控對象組成，其中，控制器又是由一些基本功能性元件組成。在典型情況下，這些基本功能性元件協(xié)同工作，共同完成控制任務。因此，每一個組成控制器的元件都有自己的職能，各組成部分之間相互聯(lián)系又相互制約，共同實現(xiàn)某種特定功能，組成部分既要完成各自職能，又要團結合作才能使控制系統(tǒng)具備良好的控制性能。因此，該部分內(nèi)容體現(xiàn)的是整體與部分的關系。

唯物辯證法認為，任何事物都有它的整體和部分兩個方面。整體和部分既有嚴格區(qū)別，又相互影響、相互制約、不可分割。可引用“三個和尚沒水喝”的故事來說明，三個和尚構成一個整體，如果他們能搞好分工，各司其職，互相配合，三個人就會都有水喝。這說明若各局部以有序、合理、有效、優(yōu)化的結構形成整體，就會使整體功能大于局部功能之和。而故事中的三個和尚相互之間不配合，甚至相互推諉，結果當然是“沒水喝”，造成整體功能小于各部分功能之和。由此可引申出各工作崗位均有相對應的工作職責，每個任務都是總任務中的其中一個環(huán)節(jié)，每個任務的完成度都會對未來的結果產(chǎn)生影響[5]，因此，每個人須樹立敬業(yè)精神，恪守職業(yè)道德，與他人團結協(xié)作，以保證總任務的順利完成。

4.3 反饋控制的核心思想——引導學生在學習中重視反省，不斷積累

在各種各樣的控制系統(tǒng)中，反饋控制是最基本的控制方式。除此之外，反饋在自然系統(tǒng)、教育系統(tǒng)和各類社會系統(tǒng)中都具有普遍性。通常，控制系統(tǒng)都是為了完成某個控制目標而形成的有機整體，當系統(tǒng)受到外界干擾使系統(tǒng)輸出偏離輸出期望值，通過反饋把實際輸出反饋到輸入端形成偏差，再利用偏差不斷調(diào)節(jié)修正系統(tǒng)的輸出，使之達到期望的輸出值。

學生的學習就是一個閉環(huán)系統(tǒng)。學生自身要學會不斷自我反省，反省的過程就是在總結反饋自身的學習效果，并且將所掌握的內(nèi)容與課程目標點進行對比，及時查缺補漏。通過長期自我反省和積累，可以完整的掌握好一門課程內(nèi)容。并且任何事都是一點一滴地從簡單過渡到復雜，從小事發(fā)展為大事。我國古代的思想家、哲學家老子在《道德經(jīng)》第六十三章中有這樣一句話：“圖難于其易，圖大于其細。天下難事必作于易，天下大事必作于細?！逼湟馑际钦f：想做困難的事必須從容易的方面著手，想干大事必須從小事入手。天底下那些看起來困難的事情，都一定是從簡單或容易慢慢開始做起；天底下那些宏大的事業(yè)，也一定是從細小微觀的事情開始做起。

除此以外，教師的整個教學過程的也是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每門課程均有教學目標，且每節(jié)課有課堂內(nèi)容的教學目標。教師在授課結束后通過形成性評價和總結性評價，歸納總結教學效果和教學目標的達成度，再依據(jù)達成度調(diào)整教學安排，以期達到高質(zhì)量的教學效果。

4.4 對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析——引導學生樹立正確的三觀

系統(tǒng)穩(wěn)定是對控制系統(tǒng)的首要要求，是保證控制系統(tǒng)正常工作的前提。故可將系統(tǒng)穩(wěn)定性引申到個人、家庭、社會及國家的穩(wěn)定性，通過現(xiàn)實中的案例講解，使學生認識到個人、家庭、社會和國家都是特殊的系統(tǒng)，穩(wěn)定性對個人、家庭，社會及整個國家也是非常重要[6]。

對于個人而言，總是很難避免外界干擾因素的影響而產(chǎn)生初心的動搖，甚至偏離最初的方向，但是只要有堅定的信念和抵抗干擾的決心，以積極樂觀的心態(tài)去更正，仍然會回到正確的方向。

對于國家而言，穩(wěn)定才能有精力進行精神文明建設，才能構建和諧社會。家庭穩(wěn)定家人才能安居樂業(yè)。作為當代大學生，要從自身做起，要時刻維護社會和諧穩(wěn)定，民族團結，以國家利益為重。同一個系統(tǒng)，不管擾動作用在哪個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)閉環(huán)特征方程不變，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會受任何擾動的影響。軍隊院校擔負著培養(yǎng)優(yōu)秀軍事人才重任，是未來作戰(zhàn)的主力軍。軍隊學員思想信念堅定，品德過硬，時刻保持清醒頭腦，避免被任何不良思想侵蝕，這也是確保黨對軍隊絕對領導的必要。

4.5 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型——各事物之間互相聯(lián)系，需透過現(xiàn)象看本質(zhì)

控制理論研究的基本過程是系統(tǒng)建模，系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合設計。而無論是要完成對系統(tǒng)的分析還是系統(tǒng)的設計，首先須完成系統(tǒng)建模。系統(tǒng)建模就是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，確定模型的結構及參數(shù)。描述系統(tǒng)在運動過程中各變量之間相互關系的數(shù)學表達式，稱為系統(tǒng)的數(shù)學模型。時域分析中常用的數(shù)學模型是微分方程，復頻域中常用的數(shù)學模型是傳遞函數(shù)、結構框圖、信號流圖，頻域分析中常用的數(shù)學模型是頻率特性。

根據(jù)不同的分析方法，對系統(tǒng)做分析時，可采用不同的數(shù)學模型。其中，微分方程是控制系統(tǒng)最基本最重要的數(shù)學模型，其他數(shù)學模型都是由微分方程演化而來。傳遞函數(shù)是對微分方程做拉普拉斯變換及變形后得到，而結構圖和信號流圖是圖解形式的數(shù)學模型，頻域頻率特性是對微分方程做傅里葉變換及變形后得到。由此，可以引導學生通過觀察、實驗和邏輯推理等手段，去發(fā)現(xiàn)和探究眾多事物之間的直接和間接規(guī)律，這些規(guī)律的探索和應用，推動各個領域的發(fā)展和進步。除此之外，分析問題時，要抓住問題的本質(zhì)，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，才能真正地理解前因后果，而不被事件的表象影響判斷。

5 結束語

自動控制原理作為自動化、電子信息工程等專業(yè)的基礎課程，在理論研究和探索的基礎上，教師要從全局著眼才能較好地將課程內(nèi)容與思政元素融合并實施到課堂中。因此，教師要在日常教學工作中不斷學習，深度挖掘課程的思政元素，以引導學生明確個人發(fā)展目標，不斷提升個人品質(zhì)與職業(yè)素養(yǎng)，為國家富強和民族復興培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞慕影嗳恕?/p>

參考文獻：

[1] 胡英芹.“雙高計劃”視域下高等職業(yè)教育內(nèi)涵式發(fā)展的訴求、特征與路徑[J].職業(yè)技術教育，2020，41（14）：11-14.

[2] 樊春霞，肖敏，周穎，等.《電機與拖動基礎》課程融入思政的教學設計探討[J].中國設備工程，2021（22）：232-233.

[3] 田思慶，王越男，徐穎，等.“自動控制原理”課程思政教學研究與探索[J].工業(yè)和信息化教育，2022（8）：29-33.

[4] 趙婧，魏彬，尹睿，等.“自動控制原理”課程思政建設的實踐路徑探討[J].湖北開放職業(yè)學院學報，2022，35（19）：117-118，121.

[5] 李月娟，王應洋，張鵬.“自動控制原理”課程的課程思政教育研究[J].教育教學論壇，2021（36）：29-32.

[6] 朱文興.“自動控制原理”課程思政教學案例設計與實踐[J].電氣電子教學學報，2021，43（5）：16-19，38.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】