新工科建設背景下自動控制理論課程思政內容設計*

黃 瑤

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

0 引言

現代社會中，大學的使命和責任多種多樣，育人始終是大學的核心價值。高質量人才培養離不開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的各個環節，通過課程建設和課堂教學對學生進行思想政治教育的過程[1]。全面推進課程思政建設是進一步做好當代大學生思政教育的關鍵抓手，是培養造就擔當時代重任接班人的重要環節[2]。

機器人工程是響應國家“中國制造2025”“互聯網+”等重大發展戰略和創新工程教育的國際發展趨勢而成立的新工科專業，其學科專業建設思路應與國家實施創新驅動的發展戰略相符[3]。作為支撐專業建設的核心課程建設，應以培養科學基礎扎實、工程實踐能力強、綜合素質高的工程科技人才為導向，為建設制造強國和創新型國家提供人才儲備[4]。

“自動控制原理”作為機器人工程專業的核心課程，是一門具有一般方法論的專業基礎課。對于機器人工程專業的學生，掌握基礎的控制理論方法是最基本的專業素養，“自動控制原理”也是“現代控制理論”“電機驅動”“機器人運動控制”等控制相關課程的基礎[5]。此外，自動控制技術的思想不僅涉及幾乎所有工程學科，還可拓展至經濟、社會等學科領域，是具有多學科應用背景的理論思想和科學技術[6]。因此，為了實現 “三全育人”的培養方針和育人體系，需要深入挖掘課程中包含的科學方法論以及隱含的核心價值思想，對“自動控制原理”進行課程思政內容設計。

1 課程簡介與建設目標

“自動控制原理”主要涉及經典控制部分的理論，課程內容主要包括控制系統數學模型的推導、系統時域和頻域性能分析、系統綜合校正等[7]。教學內容理論性較強，目前的課程設計主要圍繞著如何將理論性的課程內容與實際案例相結合，以幫助學生對理論知識的理解和掌握[8]。其實，在控制系統設計和分析時，貫穿始終的核心思想和方法論主要有反饋的思想、系統性評價方法、系統分模塊和分層級設計的思想、穩定與動態的平衡發展等[9]。圍繞著這些科學方法和核心思想，本課題將重新思考課程設計的主要內容，在傳授學生專業知識的同時，還需提升其專業素質，適時進行價值引領。

“自動控制原理”課程思政的建設目標包括兩部分，首先，要充分挖掘課程中蘊含的思想品德、人文素養、價值觀等育人元素，在教學過程中將這些育人元素進行隱形植入[10]。使學生掌握專業能力的同時，培養出自動控制相關領域的國際視野、工程意識以及創新意識等。其次，強調從系統整體角度分析問題和解決問題，使學生懂得系統整體性能取決于系統內部的配合與協調，提高學生的宏觀掌控能力。通過理論與實踐環節穿插結合的教學過程，為課程的理論知識點設計相應的實驗內容，使學生掌握靈活運用自動控制理論知識，解決機器人控制系統中的實際控制問題的能力。

2 課程思政模塊

基于課程思政設計內容及目標，凝練專業課程建設的核心價值觀，將從反饋核心思想、系統評價體系、整體局部關系、辯證發展思路四個方面打造“自動控制原理”課程思政模塊。

2.1 反饋核心思想

一個控制系統要實現自動控制的核心就是反饋的存在。反饋的機理就是通過調節實際與理論之間的偏差，來對被控對象施加作用。反饋又分為正反饋和負反饋，正反饋能夠促進和加強控制部分的作用；負反饋能夠起到糾正和減弱控制部分的作用，使系統變化減小，趨向穩定。與反饋聯系在一起的就是系統的開環和閉環控制，一個有反饋的控制系統其實就是構成了一個閉環，反之則是開環。一個開環系統是無法實現穩定和自動的，例如，人閉著眼睛走路就容易摔倒。這也體現反饋的重要性，通過反饋構成閉環是實現系統穩定的前提。

其實反饋閉環無處不在，把反饋閉環這一思想投射到個人身上，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。只有個體能夠獲得外界信息，并與設定目標進行比較，才能形成個人的行為準則。古語云“吾日三省吾身”就是希望個人能夠及時自我反思校正，以避免行差踏錯，此時的反饋就是負反饋作用。如果投射到更宏觀的社會和國家，一個國家的運行和社會的穩定都需要有監管體系和制度，它們起到的也是負反饋作用。新聞媒體報道感人事跡、評選感動中國人物等，這些宣傳正能量弘揚中華民族傳統美德的事件，就屬于社會的正反饋。這一課程思政模塊分別從微觀和宏觀兩個方面介紹課程核心思想，使學生能切實感受本門課程的核心價值。

2.2 系統評價體系

控制系統最基本的三個屬性即穩定性、快速性和準確性，其中穩定性是控制系統能夠正常運行的首要條件。對系統進行各類品質指標分析，如反應系統快速性的瞬態性能和反應系統準確性的穩態性能，都必須在系統穩定的前提下進行。為衡量一個控制系統的性能，在控制系統設計過程中會有不同的具體要求，一般通過控制系統的兩個評價指標動態性能和穩態性能進行分析。實際系統中，很難同時得到最佳的動態性能和穩態性能，系統設計時，需要根據具體要求進行分析權衡，得到滿足性能要求的系統。

穩定的重要性不僅體現在控制系統中，對個人、家庭、國家和社會都是極重要的。國家社會穩定，才能有精力進行五個文明建設，才能有條件建設美好家園，才能構建和諧社會；家庭穩定了家人才能安居樂業，人們才有幸福感。在穩定的前提下，個人發展也需要尋找適合不同個體的評價體系，既要全面發展，又要根據每個人的特長而有所偏重。國家的發展，是通過科技創新能力、經濟活動能力、軍事能力等來衡量的，其中，科技創新能力已經成為綜合國力競爭的決定性因素，這也是國家提出“中國制造2025”“互聯網+”等重大發展戰略的原因。小到個人，大到國家社會都需要一個合適的評價體系來衡量這些復雜系統，這一課程思政模塊目的在于引導學生認識并樹立正確的評價體系，要有大局意識和協調發展意識，同時培養科學創新意識。

2.3 整體局部關系

一個自動控制系統是通過多個典型環節組成的，包括比例環節、慣性環節、積分環節和微分環節等。每個環節有各自的功能和特性，缺少一個環節就會對系統性能產生影響，甚至系統無法穩定。控制系統的良好運行離不開魯棒的控制單元、穩定的執行單元和可靠的檢測單元，三者各自完成自己功能的同時又緊密結合在一起，以保證整體系統的正常運行。用對數頻域特性對系統性能進行分析時，一般對每一個典型環節分析作圖，然后將各個環節進行疊加就可以分析系統的整體性能。系統綜合校正時，在系統不可變部分的基礎上，要根據系統整體的性能指標，尋求滿足性能要求的校正方案。系統分析與綜合兩個相反的過程體現了系統整體性能與各模塊之間的關系。

通過辯證討論整體與局部的關系，明確個體發揮作用才能保證整個社會的正常運行，個人成長與國家發展是休戚與共、緊密相連的。國家是由每個個體共同組成，國家意志體現的是個體共同組成的意志。一方面，國家的發展依靠個人的成長，當代年輕人的成長就是祖國發展源源不絕的動力。另一方面，單獨個體的能力是有限的，必須通過團隊合作，才能發揮更大的作用。國家的強大能為個人成長提供更優質、更廣闊的平臺，能塑造更好的發展環境。隨著祖國的強大，當代年輕人應具有更強的榮譽感和使命感。這一課程思政模塊通過整體局部關系激發學生的愛國情懷與民族使命感和責任感。

2.4 辯證發展思路

時刻變化的外部擾動是影響控制系統穩定的最大難題，預先對擾動模態進行分析，在控制系統設計時加入超前校正環節是比較有效的處理手段。通過頻域法進行系統控制器設計時，頻域的帶寬決定了系統的抗干擾能力，因此需要保證足夠的穩定裕度使系統能夠抵抗未知外部擾動的影響。這兩種抗擾方法，一個是通過提前預判抵抗風險，另一個是提高抗風險能力，以不變應萬變。

在瞬息萬變的社會環境中，也要進行辯證思考，以發展的眼光看待問題。在個人成長過程中，要以動態的角度看待問題，不要只關注眼前的情況，而應該把眼光放長遠。如對于學生而言，不應該是到了考前才突擊學習，或者只為拿高績點而完成對應的任務，這些行為都只著眼當前，當遇到實際問題時，卻不具備解決問題的能力。學習應以掌握知識，并能將知識用于解決實際問題為目的，并且要保持持續學習的態度，不斷充實自己，才能夠順應時代和國家需求及時調整發展方向，緊跟國家發展的步伐，順勢而為。這一課程思政模塊的目的在于引導學生能用辯證的眼光看待社會發展和世界發展，時刻保持批判和創新精神，以提升個體的穩定性。

3 結語

綜上所述，通過融入了課程思政的“自動控制原理”教學內容設計，將專業課程知識與思政教育有機融合，不僅傳授學生專業知識，還要對學生成長進行正確的引導。培養學生的工程意識和創新意識，使學生掌握工程實踐能力；培養當代大學生的愛國情懷、求實精神、奉獻精神、民族使命感和責任感；引導當代青年樹立正確的人生觀、價值觀和世界觀，能用辯證的眼光看待世界發展和社會發展。