耗散結構理論對物聯網工程專業“控制原理”課程教改的啟示

聞繼偉，徐 琛，欒小麗

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

對物聯網的使用不能簡單停留在監測和監視上，在其深入應用的過程中必然需要及時的反饋、決策和控制，從而構成完整的實用性系統。因此，對于物聯網工程專業的學生而言，其寬泛的知識結構中應該具有控制技術，而控制技術的基石就是自動控制原理。“控制原理”作為一門新的基礎課程，雖開設不長，但在教學過程中已經凸顯出不少問題。

本文旨在借鑒耗散結構理論［1］，根據“負熵”原理，提出在物聯網發展背景下，“控制原理”課程教學改革的思路，并對其教學模式和課程建設方案進行探討。

一、耗散結構理論與“控制原理”教學改革的相關性

依據耗散結構理論發現目前的“控制原理”教學長期陷入學時不足、基礎不厚、缺乏時代特色的超穩定平衡狀態。一是課程體系相對封閉。授課依照傳統自動控制原理教材體系，按照時域分析—頻域分析—系統校正—非線性系統—離散控制系統組織教學，忽視了控制學科的不斷發展。二是教學內容封閉。以課堂講授課本知識為主，授課內容局限于介紹系統數學模型、定理、定律和計算公式，阻礙了學生知識面的拓展。三是教學方法封閉。長期沿襲“講（講知識點）—問（上課提問）—練（課后作業）”的單一模式，無法持續調動學生的學習興趣，形成內在的學習驅動力。耗散結構理論將“熵”作為系統平衡態的度量。熱力學原理表明，孤立系統的熵會不斷增大，一旦熵趨近于極大值，該系統將處于無序混亂的平衡狀態；系統只有不斷與外界交換物質或能量才能使熵減小，從而使系統進入相對有序的平衡狀態［1］。上述三大封閉因素導致了“控制原理”課程無序、低效的“熵”，這種封閉體系無法夯實學生的理論基礎，也違背了工程教育認證對學生解決復雜工程問題能力的要求。

二、“控制原理”課程教學中存在的問題

（一）教材內容全面，授課學時相對較少

課程以江南大學潘豐教授主編的《自動控制原理》為教材，全書共8章。由于課程僅有48個學時，授課內容以時域和頻域分析為主，適當兼顧系統校正，這樣就會導致部分內容講解不透徹甚至來不及講，影響學生后續控制類課程的學習，甚至會影響研究生入學考試。

（二）學生普遍偏重感性認識而缺乏抽象思維

基礎課程在講解基本原理時必須回歸到抽象的教學模型，且物聯網專業沒有開設電機、電力電子技術等專業性課程，學生閱讀控制系統實例時往往有心無力，理解起來反而更困難，疑惑更多。

（三）學生實際應用能力較弱，處理復雜工程問題的能力不足

大多數教師選用課堂練習來應用新知識，并且以做習題為主，但這種知識點再現的形式只能使學生在短時間內熟悉知識的作用，并不能使學生把新知識應用到具體的工程問題中。

上述三種現實因素導致“控制原理”課程教學形成無序的低效“熵”，已不能滿足新時代物聯網發展潮流下教學改革的需要。

三、關于“控制原理”課程教革的幾點設想

對照當前控制學科的發展前沿，“控制原理”課程教學改革的關鍵是要致力于從多種途徑引入負熵流，減少不適應新科技發展的封閉因素，保持教學內容的鮮活生命力，形成多源有序的耗散結構狀態［1］。

（一）引入線上線下反饋多信息流的開放教學模式

隨著近年來高等教育信息化程度的不斷提高，大規模在線開放課程MOOC被廣泛認可［2-4］。MOOC教學（線上）以15分鐘左右的不固定課時和知識點為單元進行授課。因此，建立開放式教學模式，合理引入線上線下反饋多信息流的關鍵在于重新梳理、組織、平衡課堂教學和MOOC學習的內容。本文提出以學生為中心，融合線上MOOC自學、線下課堂與實踐教學、學生及時反饋的開放教學模式（見圖1）。

圖1 基于多信息流的開放教學模式

首先，MOOC學習適當減輕了課堂教學受48學時的限制，使教師有時間講授更加深刻的內容，從而夯實物聯網專業學生的控制理論基礎，不至于使整個專業的控制教學體系流于技術層面。其次，本文提出設置學生實時反饋環節，將學習情況評估作為基于多信息流開放教學模式中的重要一環。課程的主要服務對象是學生，而學生群體的個體差異性非常大。因此，在MOOC學習中引入學生反饋評估環節，通過分析學生對預習任務和學習后測試這兩個重要指標的完成情況，可以對整體教學效果進行有效評估。將反饋環節的輸出結果結合學生群體和個體狀況進行再分析，就能及時調整教學預期目標。最后，教師線下課堂與實踐教學是重中之重，主要包括以下四個要點。

1.溫故知新。一方面，通過圖示的方式引導學生回憶學過的知識。比如，通過負反饋控制系統的結構圖，就能輕松溫習自動控制系統的重要組成部分、5個重要的信號量以及基本的負反饋原理，一舉三得。另一方面，根據新知識的內涵和類型組織教學內容并設計合理的呈現方式。比如主副雙線結合的教學方式。“控制原理”課程的主線是針對有關控制系統的概念、性質、定律和公式而進行的，以分別達到識記、理解和運用［5］為目標的教學。副線教學選定磁盤讀取系統、雙容水箱、無刷直流電機等工程仿真案例分析。

2.課外實踐。以Windows操作系統為開發平臺的基本課外實踐系統涵蓋六個基礎性仿真實踐：時域分析、根軌跡仿真、頻率特性測試、控制系統校正、采樣系統分析和非線性系統分析。一方面，學生可以通過課外實踐活動加深對知識點的理解，培養系統仿真能力和解決復雜工程問題的能力［6］，及時發現并糾正學習過程中的錯誤與不足。另一方面，教師可以在實踐中通過與學生的相處和交流，了解學生對新舊知識的掌握情況，及時作出教學調整。

3.比較歸納。該環節要求教師采用比較和歸納的方式，將新舊知識的異同點加以形象化，使之轉化為學生現有知識結構體系的一部分。“控制原理”課程以鍛煉學生抽象思維能力為主，教師通過精選工程實例，比如火星漫游車轉向控制系統，幫助學生建立微分方程模型，得出傳遞函數模型，繪制系統結構圖，繪制信號流圖，計算閉環傳遞函數；分析系統穩定性、動態性能和穩態性能；進行串聯滯后或超前校正的編程指導。每一個環節與細節盡量簡、短、準，同時做到前后串通，引導、點撥學生把知識加以引申，使學生能夠觸類旁通，識一山而知千峰。

4.課程思政。2020 年5 月，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，明確了課程思政的概念與內涵，推動各類課程與思政課程同向同行。深入梳理“控制原理”課程特點及其與思想政治教育的基本內容，以期結合兩者的思維方法和價值理念，將思政元素有機融入專業課程教學，實現思政育人和專業課教學相統一，達到潤物無聲的效果。部分課程思政教學融入點見表1。

表1 部分教學內容與課程思政融入點

（二）構建具有多專業、多層次人力資源流特色的多元化課程建設體系

“控制原理”課程是工科專業的必修基礎課程，在自動化、電氣工程及其自動化、物聯網工程、人工智能等專業都開設了類似課程，教師分布在各個專業獨立教學。充分考慮教師和專業的差異，線下課堂教學依然以各專業教師為主，同時融合各專業教師組成MOOC課程建設師資隊伍開展線上教學活動，這樣可以彌補單個教師在認知上的局限性，既有利于專業教師業務水平的不斷提升，也能拓寬學生的知識面，使刻板的知識點變得鮮活起來。此外，課堂上教師與學生的角色也可以異動交流：研究生、高年級本科生可以輔導低年級本科生完成大作業、實驗；某些課堂演示內容可以鼓勵基礎好、表現欲強的學生上臺演示操作；讓基礎較好、先完成實驗的學生輔導其他實驗小組完成實驗任務；等等。

結語

綜上，物聯網工程專業“控制原理”教學改革的關鍵是改變課程體系、教學內容和教學方法中的封閉因素所導致的自我“熵增”趨勢，致力于從各種途徑引進知識信息流和人力資源流等“負熵”流，形成自控教學的耗散結構狀態，培養出具有自主學習意識、抽象思維和較強實踐能力的物聯網工程專業復合型人才。