融思政建設與多元培養模式為任務驅動的現代控制理論課程改革思考與實踐

路飛　楊西俠

【摘要】面向新工科背景下自動化大類學生的多元化培養模式需求，在對現有教學模式進行分析介紹的基礎上，提出融思政建設與多元化培養模式為任務驅動的現代控制理論課程的教學改革與實踐方法，從課程內容與教學模式兩個維度對課程的改革方案進行了闡述。實際應用效果表明，此改革措施不僅可以提高學生分析問題、解決問題能力，同時可以彰顯不同培養需求的個性化與專業化特色，提升學生的科學素養。

【關鍵詞】多元培養模式? 思政建設? 教學改革? 現代控制理論

【基金項目】山東大學教育教學改革項目（2020Y150）;山東大學研究生課程思政專項計劃;山東大學2020年研究生教育教學改革研究項目（XYJG2020091）。

【中圖分類號】G642.0? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）07-0016-03

一、引言

現代控制理論是自動化專業的一門重要專業課，屬于自動控制原理的后續課程，在自動化專業教學中具有承前啟后的作用[1]。該課程研究范圍較廣，內容抽象，理論性強、實踐性要求較高，對于培養學生的控制思維能力、綜合分析和解決問題的能力、建立理論聯系實際和團隊合作的科學素養都具有重要的指導作用。

隨著“人工智能”“大數據”“機器人”等行業的發展，國家對復合型高級人才的需求日益增加[2]。 與之相適應，各個高校相繼開展了“新工科”背景下多元人才培養模式。作為在自動化專業的必修主干課程，如何進行新的教學體系建設、如何在總結多年以來教學改革經驗的基礎上進一步進行深化改革探索，將思政建設融于日常的教學內容、建立以多元培養目標為任務驅動的個性化教學模式，使其適應學科和社會的需求，是“現代控制理論”教學中亟待解決的問題。

二、現代控制理論課程教學存在的問題

（一）理論性較強，學生學習難度較大

現代控制理論是一門理論性強的課程，不僅需要學習者對控制原理有一定的認識，具備一定的數學推導計算能力，而且要求學生對“矩陣論”的相關知識掌握程度較高。該課程所需的前期課程包括高等數學、線性代數、電路原理、自動控制原理等，課程體系具有內容體系大、涉及的理論知識面廣、信息量大、邏輯性強、對數學和物理等基礎理論知識要求高等特點。這些特點造成學生在學習過程中感覺內容抽象、難于理解、掌握難度大等困難，從而使學生在學習過程產生較大的學習壓力和學習障礙，容易產生厭學及倦怠的不良情緒。

（二）知識新穎度不足，沒有體現最新發展動向

隨著科學技術的發展，“人工智能”“機器人”“大數據”等行業成為社會新興產業，對此類行業的控制代表著控制理論的又一主要發展方向——智能化控制。“智能化控制”是一門交叉前沿學科，是系統控制的高級階段。上述新興專業的知識及信息化更新很快，但在現有的課程教學過程中，缺乏對這些最新發展成果的介紹，沒有將這些最新的控制與基本控制理論相結合、相對比的環節[3]，造成目前的課程與最新科技發展動向相脫節的情況，限制了學生在學習過程中思維的發散度，同時降低了學生的學習熱情和學習興趣。

（三）教學方式過于單一，不適應多元化培養目標體系

目前對于現代控制理論課程，所采取的教學方式大多是“PPT演示+黑板板書”這一傳統的授課模式，教學方式較為單調。學生在上課的過程中對于知識點的學習基本屬于被動接受狀態，學習興趣得不到刺激。隨著“卓越工程師班”“人工智能班”“理工復合班”等新工科多元化培養模式的出現，目前的現代控制理論課程教學方式依然存在重理論輕工程的特點，缺乏“個性化和專業化”教學特色，缺乏針對不同培養目標任務驅動的教學模式，難以保證培養質量，不能滿足多元化培養目標體系要求，限制了新工科多元化培養體系的特色。

（四）課程教學缺乏思政建設，忽視對學生科學工匠精神的培養

隨著高校專業分工的日益細化，目前各個學院的思想政治課程與專業課程的教學工作由不同教學單位的教師承擔。尤其對理工科專業，專業課知識與思想政治教育的直接關聯度不高，導致在理工科的專業教學過程中只重視專業知識的傳授，而忽視了學生的思政教育，現代控制理論課程也不例外。培養具有家國情懷的工匠一直是工科院校追求的培養目標，而現代控制理論課程的學習對于學生控制思想的建立具有重要的意義。如何將核心價值觀、工程倫理道德等思政元素融于專業課及專業設計的教學中，使該課程的教學不僅重邏輯知識，也重人文思想，為培養具有道德倫理意識以及以造福人類為理念的現代工程師奠定基礎是現代控制理論課程教學中亟待解決的問題。

三、課程改革思考

（一）課程體系科學化及多元化

現代控制理論課程體系改革的總體思路：針對新工科背景下多元化的培養目標體系，以培養目標任務為驅動，建立具有學習表現與跟蹤評估反饋的閉環式課程體系。從課程的設置、教學方式、教學側重點等多個方面進行改革，實現個性化培養。不斷優化課程內容，加強與學科最新發展方向的關聯，全方位體現智能化自動化發展的最新動態。課程建設將著眼于“理論講授+仿真實驗+工程案例+前沿講座”四個模塊，采用混合式教學、在線視頻、信息化教學、專家講座等多種教學手段，完成系統模型建立、系統分析和系統設計三大教學內容的講解，實現課程體系的科學化及多元化，為學生控制思想的培養與建立提供基礎。現代控制理論課程體系示意圖如圖1所示。

（二）教學模式改革

1.課堂教學改革

現代控制理論課程理論性強、抽象程度高，學生的學習興趣較低。面向不同培養目標體系的學生，如何引入富有變化的教學方式、取代傳統的授課方式、形成“個性化+專業化”的授課模式、動態可觀地展現課程內在的知識體系是該課程教學改革面臨的重要內容。

（1）構建基于多維度的課堂教學改革模式

傳統的課堂教學模式多采用教師講授、學生聽講，教學方式單一。在這種教學模式下，學生對于知識的掌握大多是被動地接受，缺乏師生間的交流互動，學生的參與度低。隨著多媒體技術、慕課等電子教學資源的出現，為傳統的“以教師為主體”的教學模式向“以學生為主體”的教學模式轉變提供了支持，同時為多維度課堂教學模式的實現提供了資源。教師可以通過在線課堂建設、翻轉課堂、線上線下混合式教學、雨課堂等多維授課模式實現與學生的全方位溝通，完成各種教學策略的融合及各類資源的優化設計和共享。進而提高學生的課堂參與度，激發學生的教、學情感換位體驗，促進其對知識的主動探索，加深其對知識的理解和遷移。

（2）構建基于不同培養目標體系的任務驅動式教學方法

隨著“卓越工程師班”“人工智能班”“理工復合班”等新型工科多元化教育培養模式的出現，必須要針對不同的培養目標，構建基于不同培養目標體系的任務驅動式教學方法。針對不同的培養任務，設計不同的教學內容及教學措施，實現融個性化及專業化于一體的新工科教學體系。例如針對卓越工程師班，可以在常規教學內容的基礎上，側重從工程實踐的角度設計教學模式，例如實施“案例+問題+討論”式的教學方式，提高學生對實際工程問題的分析及解決能力。對于理工復合班，要偏向理論思維方式的培養，堅持“理論問題工程化，工程問題理論化”的教學模式理念。對于人工智能班，則要注重與前沿知識、機器人等智能系統的結合，開設前沿學科講座，強調計算機編程仿真與實現等能力的培養。只有根據不同的培養任務，構建基于任務驅動的教學方法，引導學生去探索、創新，才能做到因材施教，真正實現新工科的多元化人才、個性化人才培養。

（3）構建融思政建設及提高科研素養的教學改革模式

“培養什么樣的人，如何培養人，為誰培養人”是習近平總書記教育思想的重要組成部分，更是新時期教育事業改革發展根本指導[4]。現代控制理論課程對于工科學生的控制系統思想體系的形成具有重要的指導作用。基于此種情況，教師一方面要完成對課堂知識的傳授，同時還應該在課程的學習過程中，給學生傳授正確的人生價值觀、正確的工程倫理道德，實現知識傳授與價值引領的有機統一。如何構建融思政建設及提高科研素養的教學模式，實現“立德樹人”是一項具有重要意義的工作。在100分鐘的課堂教學中，依據專業知識內容設計“課堂思政五分鐘”[5]的思政教育內容與情景，在潛移默化中培養學生嚴謹的科學態度，求真務實的治學作風，引導學生建立正確的人生觀、價值觀，形成健康的專業倫理和科學信仰，為實現中華民族偉大復興的中國夢做出貢獻。

2.考核模式多樣化改革

為了實現對現代控制理論課程的有效監控，實現對學生學習過程的動態管理，需要建立合理的課程考核體系。在期末試卷的考核模式上，加入課后作業和仿真實驗，進行相應的改革探索。

（1）課后作業+課程知識圖譜構建

將學生作業的完成情況納入考核，同時在以往只布置書本中課后作業的基礎上，加入一些具有承前啟后的綜合題目，這樣不僅可以避免學生直接參考課后習題答案的現象，同時讓學生在完成此類題目的答題過程中，加深對前面關聯知識點的理解及應用，建立起所學知識點的知識圖譜，將對知識的掌握由點擴展到面，培養學生的發散思維。尤其是在所有章節學習完成后，可以布置大作業，歸納各個章節知識點的關聯性，繪制整本書知識點的知識圖譜，這對于加深學生對知識的掌握程度、培養學生的現代控制理論思想具有很好的推進作用。

（2）仿真實驗活動

為了提高學生利用數學方法解決現代控制工程實踐問題的能力，要注重學生仿真實驗活動能力的培養。例如在狀態空間表達式和傳遞函數陣相互轉換部分，讓學生利用MATLAB仿真軟件編制相應的算法，通過對算法的運行，了解控制系統中的超調、穩定性、能控性、能觀性等問題。在課程結束后，讓學生以小組為單位，選取工程實際中具有不同特性的控制系統作為研究對象，進行建模、分析和控制器的設計，并進行仿真實驗。各個小組根據所選內容制作PPT進行匯報答辯，由任課教師進行提問考核，并將成績計入最終成績。這種考核方法可以鍛煉學生思考問題、解決問題的能力，同時也在任務的完成過程中培養學生團隊合作精神，有利于科學素養的培養。

四、課程改革階段實施效果

上述教學改革依托山東大學2020年教改立項項目，在山東大學控制科學與工程學院自動化類本科生現代控制理論課程授課中應用，效果良好。學生普遍反映該課程授課方式靈活，課程設計不僅具有開放、自主、研究性，同時還滿足個性化教學，彰顯了不同培養目標模式。在提高學生學習興趣的同時，而且有助于學生將所學的理論知識與實際應用相結合，鍛煉了學生的實際編程能力和分析解決問題的能力。教師在授課過程中，通過講述諸如錢學森等老一代科學家的科研經歷及與學生分享教師自身科研經歷，引領學生樹立以（下轉第20頁）

（上接第17頁）

“技”報“國”的社會責任感和端正的科研素養及道德情操。

五、結束語

針對現代控制理論課程具有的較強的抽象性、涉及知識面較廣等問題，面向新工科背景下多元培養模式，在對現有教學模式存在的一系列問題進行分析的基礎上，提出了融思政建設與自動化大類多元培養模式于一體的課程改革思考，從教學內容及教學模式兩個維度給出了相應的改革建議。現代控制理論課程的教學改革是一個長期且不斷優化的過程，期望通過這些改革，可以提高課程的教學質量，提高學生掌握理論知識和工程實踐相結合的能力，為新工科背景下培養符合現代社會需求的高素質復合型專業人才奠定基礎。

參考文獻：

[1]黃蘇丹，胡智勇，曹廣忠等. 融合工程實踐的現代控制理論課程教學改革[J].高教學刊，2020（29）：79-82.

[2]周穎，臧強.控制科學與工程碩士生課程體系改革——以《線性系統理論》為例[J].科技創新導報， 2018（21）：220-221.

[3]王晶，譚程元，周靖林等.《線性系統理論》課程改革思考與實踐[J].教育教學論壇，2020（4）：214-216.

[4]葉秀芳， 陳東初，樊婷，常萌蕾. 理工科碩士研究生專業課課程思政改革的思考[J].佛山科學技術學院導報（自然科學版）， 2020，38（5）：78-80.

[5]邵璇，張禮慧，高俊山. 雙一流建設下《現代控制理論基礎》課程思政教學策略研究[J].高教學刊， 2019（21）：107-109.

作者簡介：

路飛（1973年-），女，博士，教授，主要研究方向：機器人、智能控制等。