基于“專業+思政”雙閉環模式的“自動控制原理”課程教學探索與改革

苗雅男,耿玉茹,楊林森,鄭美芳

(成都工業學院 網絡與通信工程學院,成都 611730)

2016年12月,習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出,要用好課堂教學這個主渠道,思想政治理論課要堅持在改進中加強,使各門課程與思想政治理論課同向同行,形成協同效應[1]。思政課教學需要有創新、有改革,思政教學內容需要有亮點、有突破;非思政課教學需要發掘專業知識中蘊含的思政元素,將課程思政融入專業教學中,實現“思政課程”與“課程思政”在思想上的完美融合[2-3]。自動化技術是現代科技發展的重要推動力,是企業“兩化”發展的關鍵技術,是實現工業互聯網的重要支撐。而“自動控制原理”是自動化技術發展中的重要理論基礎,是培養學生具有了解自動控制經典理論和共同規律、理解自動控制系統工作原理、掌握自動控制技術在工業控制領域應用等能力的重要手段,既包含了工程數學、大學物理等數理應用基礎,又融合了運動控制、電力控制、現代控制等專業應用理論,同時也蘊含了諸多思政元素,如家國情懷、價值取向、科研理念、創新思想、工匠精神等。課程思政旨在將思政理念有機融合到專業教學中,在教學活動中將價值觀、道德觀、人文素養、創新精神同專業知識進行有機結合,發揮專業課程與思政課程的協同育人功能。

1 “自動控制原理”課程思政的Top-down設計

“自動控制原理”作為老牌的專業基礎課,不僅專業性很高而且思政性極強,其中蘊含了豐富的課程思政元素。整門課程按照自頂向下(Top-down)層次化設計,可將其全部內容按章節進行模塊化劃分,構成“自動控制原理”課程中的思政地圖,如圖1所示。

圖1 “自動控制原理”課程的思政地圖

1.1 自動控制的發展歷史

自動控制的發展歷史不僅體現了人類文明和科學技術進步的歷程,也映射了眾多哲學思想和人文素養的形成過程,結合自動控制的發展歷史,展現科技與人文的融合,增強學生代入感和體驗感,便于引導學生堅定勇于追求真理、無私無畏、勇于獻身的理想信念,培養學生具有精忠報國,時刻準備為祖國的建設奮斗終身的精神。

1.2 自動控制系統的數學模型

常見自控系統的建模方式有很多,建模方法雖然不盡相同,但實質是相通的,可以按照等價變換的原則進行互換,以便于不同情境需要下的應用表達。數學模型的等價變換映射了人與人之間自由、平等的相處之道,以彼此尊重作為基礎,遵守誠信友愛、公平公正的原則,才能構建和諧社會。

1.3 自動控制系統的穩定性判斷

對于任何自動控制系統而言,穩定性必然是首要條件,任何系統分析都必須以穩定作為基礎。對于自動控制系統是這樣,對于社會系統更是如此。社會穩定是第一要務,只有社會環境穩定了,才有國家的快速發展和人民的安居樂業[4]。當發現社會矛盾時,我們應該“曉之以理、動之以情、明之以法”去化解矛盾,為實現國家的穩定、富強、文明、和諧貢獻自己的力量。

1.4 自動控制系統的時域分析

自控系統的時域分析中存在對立統一的矛盾。時域分析中動態性能、穩態性能和穩定性要求通常存在相互制約、相互矛盾的關系。所以,在進行結構設計和參數選取時要考量綜合因素以盡可能達到平衡,在保證穩定性的前提下兼顧動態和穩態性能的要求,達到合作共贏的效果[5]。

1.5 自動控制系統的復域分析

根軌跡法是復域分析的基礎,這個概念是20世紀40年代由W.R.Evans在“控制系統的圖解分析”中提出來的,用以研究當開環增益或其他參數改變時,閉環零、極點在S平面上的分布情況,以此來確定系統的相關性能[6]。從復域分析中映射出處理問題時要統籌全局,追根溯源、抓住問題關鍵,分清主次,問題才能迎刃而解。

1.6 自動控制系統的頻域分析

自控系統的頻域分析典型方法是三頻段理論,可以映射出人生的不同階段。三頻段理論中的低頻段代表控制系統的穩態性能,對數幅頻特性曲線抖且高,像人生的青年階段,充滿了青春活力,敢拼敢闖,斗志昂揚,熱情奔放;中頻段代表控制系統的穩定性和動態性能,對數幅頻特性曲線緩且寬,像人生的中年階段,充滿了理性克制,眼界寬廣,沉穩淡定,成熟堅毅;高頻段代表控制系統的抗干擾性能,對數幅頻特性曲線抖且低,像人生的老年階段,飽經風霜,從容不迫。不同頻段對控制系統的要求不同,正如不同的人生階段所扮演的社會角色不同,目標規劃也不同,不同的階段做不同的事情,應勢而謀、因勢而動,順勢而為。

2 “自動控制原理”課程思政的雙閉環負反饋模式

傳統教學方式下專業知識和思政知識雖然存在辯證的相互依賴關系,但二者相互融合并不緊密,“自動控制原理”教學大綱中對人文知識和思政教育也鮮有提及,以至于專業教學和思政教學互為2個獨立并行的單閉環結構,學生在專業課程中很少接收到有關于思政的啟發和教育,難以符合新時代新工科背景下的人才培養要求,如圖2所示。

圖2 并行單閉環負反饋結構

要想“以德樹人”,就需要在傳統單閉環教學模式基礎上增加思想道德素質培養的閉環結構,形成“專業知識+思政知識”的雙閉環負反饋結構,讓課程思政在專業教學中發揮顯性作用,如圖3所示。

圖3 雙閉環負反饋結構

在專業教學環節中加入一個課程思政的閉環負反饋結構,形成“專業+思政”雙閉環模式,從雙閉環的內環出發,由專業教師借助思政知識反饋閉環激發學生學習的主觀能動性,在專業教學過程中,根據學生對課程思政的理解程度,適時融入思政內容,以便學生對專業知識和思政知識進行更多探索;雙閉環的外環即專業知識閉環,該環節能夠更好地調節學生對專業知識的學習,但專業知識往往抽象難懂,使學生失去學習興趣,這種情況下,專業教師就可以借助思政知識調節器的輔助作用,尋找學生的思政興趣點,適當的融入專業教學中,調劑枯燥的專業知識,提高學生的學習熱情,在保證思政育人的同時,更好地開展專業教學,按照專業人才培養要求培養出“德才兼備”的學生,真正意義實現專業與思政的融合[7]。

3 課程思政案例

3.1 閉環負反饋控制理論(閉環負反饋的概念基礎)

3.1.1 專業元素

反饋是一種常見的控制系統結構,其核心機理是產生偏差量。反饋的類型有多種,其中控制系統中最常用的方式為閉環負反饋控制,這種控制方式可保證被控量按照給定的規律變化,消除偏差,實現自動調節,保證系統的穩定性。

3.1.2 思政元素

“不忘初心,繼續前進”,在日常生活中,不論是工作還是學習都要設定目標,并為之努力奮斗,用拼搏和汗水不斷向目標前進,只有積極向上堅持不懈才能無限接近目標,即便在前進的過程中會受到干擾、阻礙,也要克服困難,迎難而上,排除干擾,保持初心,繼續前進。正如自動控制系統中的閉環負反饋結構,有頭有尾、有始有終,且控制過程中所產生的偏差使我們意識到和設定的目標距離有多遠,要通過怎樣的方式調節控制才能努力達標,讓理想照進現實。

3.1.3 教學過程設計

1)課前準備,在智慧樹教育平臺上發布課程相關專業內容(控制任務)以及推薦“學習強國”平臺上與課程相關的思政內容。

2)課堂討論,專業內容:期望目標(給定量)、達成目標(被控量)、困難險阻(干擾量),控制手段(控制裝置);思政內容:理想與現實要通過不斷努力才能拉近距離。

3)課后總結,成功的取得來之不易,其背后都需要艱辛的付出和努力,作為未來的工程師,同學們應該樹立遠大目標、堅定理想信念 、擔負社會責任、實現人生價值。

3.2 閉環負反饋控制應用(電梯控制系統案例設計)

3.2.1 專業元素

在電梯控制系統的開環結構中加入1臺測速發電機,即可構成轉速閉環控制系統。由于引入反饋環節,使得信號的傳遞路線形成了閉合回路,輸出量可以直接作用于被控制量,以減小甚至消除偏差,從而解決了開環系統精度不高以及適應性不強的問題,改善了控制效果。

3.2.2 思政元素

“一絲不茍、精益求精”,隨著城市化進程的發展,高層建筑日益增多,電梯成為了人們日常出入高層建筑的重要工具,關乎人們的生命財產安全。但近些年來由于電梯失控導致的墜落以及快速沖頂等安全事故,給人民群眾的生命財產安全帶來威脅。因此,作為工程設計人員除了具備過硬的工程專業能力,還必須具有嚴謹的科學態度和精益求精的“工匠精神”[8]。

3.2.3 教學過程設計

1) 課前準備,通過智慧樹教育平臺向學生推薦中國大學MOOC中講解電梯系統的閉環控制原理和方式的視頻;引用2020年11月24日習近平總書記在全國勞動模范和先進工作者表彰大會上重要講話,強調“大力弘揚勞模精神、勞動精神、工匠精神”[9]。

2) 課堂討論,專業內容:研究電梯控制系統的組成和原理,明確基本構成要素以及各要素之間的配合關系,分析閉環控制過程,體會閉環負反饋的作用;思政內容:講述老一輩科學家“干驚天動地事,做隱姓埋名人”的工匠風貌和崇高品質。

3)課后總結,安穩的電梯控制系統能夠守護人們的生命財產安全,給社會和國家安全帶來保障。精準實現工程技術的應用是工程人員的責任和使命,因此要學習老一輩科學家科學嚴謹、技術精湛的職業態度和操守。

3.3 閉環負反饋設計案例

3.3.1 專業元素

隨著現代社會汽車保有量的增長,汽車安全性也越來越受到關注,人們開始對汽車制動系統提出了更高的要求,以確保剎車時司機和乘客的安全。制動防抱死系統(Antilock Brake System,ABS)通過調節、控制制動管路壓力,避免車輪在制動過程中抱死而滑移,具有改善汽車制動時穩定性及操縱性等優點。

3.3.2 思政元素

每年因剎車問題或剎車失靈所導致的事故占交通事故的很大比例,汽車的剎車系統是影響汽車安全的重要因素,因此,為了提高汽車進行剎車時的安全性,避免剎車抱死現象出現,在汽車安裝ABS系統是十分必要的。那么安裝有ABS的系統相較于未安裝ABS的系統所具有的優勢可以用Simulink進行建模與仿真,通過對比多項性能指標的仿真曲線圖,分析并體現ABS系統所具有的安全性。作為工程設計人員必須具有嚴謹的科學態度、良好的職業道德素養和一絲不茍、精益求精的“工匠精神”。

3.3.3 教學過程設計

1) 課前準備,通過智慧樹在線教育平臺向學生推薦中國大學MOOC講解相關專業知識點的視頻(Simulink的建模與仿真以及系統分析方法)。

2) 課堂討論,專業內容:對安裝ABS的系統進行研究,建立相關數學模型,并進行仿真分析與性能指標比較,性能指標包括:車速與輪速、滑移率、附著系數、制動距離等;思政內容:講述老一輩科學家“干驚天動地事,做隱姓埋名人”的工匠風貌和崇高品質。

3) 課后總結,安裝ABS的系統能給駕駛人和行人的人身安全帶來保障,即給社會和國家安全帶來保障。學習老一輩科學家為國奉獻、甘為人梯,砥礪奮斗的“工匠精神”。

4 考核機制

傳統的考核方式通常以單一的課本知識掌握情況以及簡單的課程實驗考核為主,難免存在應試教育的弊端,難以反映學生的真實學習狀況及綜合能力素質,并且由于存在“重技能而輕德育”的傳統教學觀念,所以考核方法中很少涉及對思政內容的考核。為真正實現能力培養與價值塑造同向同行,將傳統唯結果論的考核方式轉向過程性考核,不設置期末閉卷考試,將成績組成分散到平時的實驗、競賽以及思政表現中,同時課程思政教學需常態化,增強學生對思政內容的學習和理解,如表1所示。

表1 考核方式對比

改進后的考核方式體現了教學評價多元化與多樣化的結合,增加了對學生平時表現的關注,激發學生的學習熱情,增強對學生表達能力的培養;提高了實驗成績的比重,鼓勵學生多動手,培養實際操作的能力;加大了對競賽考核的認可,承認學生在學科競賽中取得的成績,以賽促學,激勵學生在競賽中成長;融合了思政考核機制,鞏固強化思政教育成果,發揮思政教學在專業課堂中的育人功能。

5 實施效果與反思

自實施教學改革以來,在團隊教師的共同努力下,“自動控制原理”被認定為2022年“省級課程思政示范課”。同時,在校學生的綜合考評成績也在穩步提升。本學年共有144名學生選修“自動控制原理”課程,從最后的總成績來看,學生在學習過程中不再拘泥于通過期末筆試獲得學分的目標,而是真正開始思考要從課程學習中汲取哪些營養、得到哪些能力提升,變被動學習為主動。同時,通過多角度的考查方式,充分肯定了學生各方面所展現的才能,也認可了學生正向、積極的表現,通過對教學方法和考核模式的調整,學生的綜合能力得到了顯著提升。同學們表示通過多維度的教學方式,使得引入了思政內容的專業學習不再枯燥乏味,尤其課程中穿插的人生哲理和愛國主義案例,更激發了學生們的學習熱情,大家都立志要成為國之科技棟梁,為中國科技之崛起而努力奮斗。

通過學生的反饋意見結合自身教學感悟,得到如下反思:進一步提高思想認識,不斷提高教師自身思想修養和覺悟,將思政元素植入專業教學理念,實現專業與思政的真正融合;改進教學方法,將專業教學內容與當前時事相結合,讓思想與專業都與時俱進,緊隨時代發展;發揮教學團隊的力量,多增進專業類和思政類教師之間的交流學習和經驗分享,共同設計適合于專業教學的思政案例。

6 結語

為實現專業課程與思想政治教育同向同行,以“自動控制原理”課程為載體,將思政教育融入專業課程,打造“專業+思政”的雙閉環教學模式,以負反饋結構平衡實際教學效果同預期的差距。在堅守專業目標定位的同時,融入社會主義核心價值觀、愛國主義教育和人文素質培養,在專業教學中踐行思政教育。課程教學探索與改革雖然初見成效,但課程思政的建設仍然在路上,任重而道遠。作為專業課程教師,未來要肩負專業課程建設和課程思政改革的重任,為努力培養出推動社會主義發展的優秀科技人才貢獻智慧與力量。