基于新工科能力導向的機械控制工程課程思政案例設計

王海芳 黃鵬 谷瓊蟬

摘? 要：課程思政是落實立德樹人根本任務的核心舉措，針對新工科國家創新工程人才的培養需求，總結機械控制工程課程思政目前存在的問題，基于目標導向教育理念，分析機械控制工程課程知識組成及能力導向，構建愛國主義、核心意識、辯證關系和自我革命四個方面的教學案例設計。實踐表明，可實現專業知識與課程思政的有效結合，從而促進學生思想、知識、能力及素質的協調發展。

關鍵詞：課程思政;新工科;機械控制工程;目標導向教育;教學案例

中圖分類號：G641? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）01-0184-04

Abstract： Curriculum ideological and political education is the core measure to implement the fundamental task of building morality and cultivating university student. In view of the training needs of emerging engineering national innovation engineering talents， the current problems of ideological and political curriculum of Mechanical Control Engineeringis presented. Based on the outcome based education， the knowledge composition and ability orientation of mechanical control engineering course is analyzed， and the teaching case design in four aspects of patriotism， core consciousness， dialectical relationship and self-revolution are constructed. The implementation results shows the combination of professional knowledge and course ideological and political education is realized， thereby， the students' thoughts， knowledge， abilities， and qualities is promoted.

Keywords： course ideological and political education; emerging engineering; Mechanical Control Engineering course; Outcome- based Education; teaching cases

2016年12月，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上明確指出，“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人”“要用好課堂教學這個主渠道……使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應”[1]。

課程思政把人的價值觀培養放在首要位置，每一門課程都以立德樹人為根本，將知識教育、理想信念教育和道德教育有機融合。課程思政是思想政治課在專業課中的延伸和提高，大大沖破了思想政治課教育的局限性，發揮自己獨特的教育效力[2]。

黨的二十大報告指出，教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。聯合國教科文組織也指出，高等工程教育要從“技術范式”發展為“科學范式”，進而轉換為“工程范式”。新工科以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，為高等工程教育的改革探索提供了一個全新視角和“中國方案”[3]。

目標導向教育是一種面向市場需求的、重點強調學生能力培養和能力訓練的工程教育模式[4]。新工科同樣也強調學生學習的主動性以及“學”與“做”的有機結合，如此，新工科與目標導向教育結合實踐會有助于實現復合工程技術人才的培養。

機械控制工程是機械類專業一門專業基礎課，該課程是從控制方法論的角度，研究控制系統的建立、分析與設計的方法，是一門理論性較強的課程。目前，國內部分控制類的課程思政建設成果很不錯，如王曉梅等[5]在做好機械控制工程基礎教學團隊、師生學習共同體和課程網絡平臺資源基礎上，通過挖掘專業教學內容中的育人元素，構建“以學生為中心”和“產出導向”改革教學方法與考核評價，專業教學與課程思政同向同行，落實立德樹人根本任務。楊匯軍等[6]針對自動控制理論建模、時域分析、穩定性分析、頻域三頻段分析四個知識點，挖掘思政元素，并按課程培養目標對其進行教學設計，采用問題導向或引入小故事、典故及小視頻等途徑引入思政元素，為課程教學添加適宜的“催化劑”，推動專業基礎課程思政的改革與創新。侯明哲等[7]從自動控制原理課程的性質和特點入手，重點提煉了課程思政元素，進一步分析了典型教學案例，旨在為提高課程教學質量和深化教學改革，為實現立德樹人的根本任務及提升學生的綜合素養提供了有益參考。王云[8]以社會主義核心價值觀為主線，從家國情懷、社會責任和個人修養三個層面對自動控制技術課程教學內容進行優化設計，進一步完善課程思政教學內容建設，教育引導學生將國家、社會的價值與個人的價值融為一體，堅定“四個自信”，增強“四個意識”，實現“三全育人”目標。

以上研究成果均取得了不錯的教學效果，對機械控制工程課程的思政元素挖掘與教學案例設計與實踐起到了很好的示范作用。針對機械控制工程實際教學存在的問題，以新工科創新理念為背景，構建機械控制工程課程的知識組成及能力導向，以案例為任務驅動，實現了專業知識與課程思政的有效結合，從而促進學生的思想、知識、能力及素質協調發展。

一? 機械控制工程課程思政目前存在的問題

首先，部分授課教師認識不充分和不主動，隨著專業的細分，專業課程之間融合度似乎在下降，部分老師認為思想政治教育僅僅是思想政治理論課和思想政治理論課教師的事情，與其他課程和課程教師則無關，從而導致學校思想政治教育在其他專業課程中部分出現認識不充分和不主動的現象。

其次，立德樹人落實不全面，在全球互聯網背景下，多元信息魚龍混雜，各種價值觀交疊沖突，單一的思想政治教育難以為繼，需要在整個教育過程中貫徹立德樹人的目標，作為專業課程來說，雖然主要的教學時間在于專業內容，但是需要以思政要素作為基礎和引導，教會學生正確運用科學專業知識，傳遞社會和專業“正能量”，減少各種“雜音”的干擾。

最后，課程思政教學案例不夠深入，機械控制工程課程內容整體可以劃分為機械控制一般概念、控制系統建模、控制系統分析、控制系統設計四部分內容，理論性強，內容抽象，對于機械類專業學生而言，往往需要具體的教學實際案例和思政資源作牽引，從而滿足新工科背景下的人才培養目標。目前，教學實際案例和思政資源較為分散，缺乏一定的系統性和邏輯性，不夠深入，需要進一步加強教學案例建設。

二? 機械控制工程課程知識組成及能力導向

目標導向教育采用專業需求→教學目標→課程知識的逆向設計原則[9]，即從專業需求開始，由需求決定教學目標，再由教學目標決定課程知識，可以快速適應專業的需求變化。

控制工程在機械工程中主要起一個模型提供和特性分析作用[10]，因此機械類專業需要機械控制工程課程提供反饋控制系統的構成、控制系統數學模型的建立方法及系統時域、復域、頻域分析和校正方法的內容。

基于上述專業需求，按照新工科理念，機械控制工程課程的學生知識組成及能力導向如下。

首先，掌握機械工程控制論的基本概念、控制系統的原理、組成以及性能指標，并能將所學的專業基礎理論知識用于控制問題的描述中。培養學生運用控制理論的原理去分析各類機械系統的能力。

其次，掌握運用力學、機械和電氣等基礎知識建立描述系統動態特性的時域數學模型的過程，從而掌握衍生的傳遞函數和頻域數學模型的建模過程，掌握系統傳遞方框圖及其簡化過程。培養學生運用各種基礎知識和方法建立不同控制數學模型的能力。

再次，掌握控制系統分析的方法和過程，包括時間響應分析、頻率特性分析和穩定性分析，能夠對系統的穩定性和性能指標進行分析評價。培養學生運用控制系統的各類方法對控制系統進行分析的能力。

最后，掌握控制系統設計校正的方法和過程，包括常用的串聯校正、反饋校正、順饋校正和PID控制規律，能夠按照控制系統的實際性能指標，運用合適的校正方法對控制系統進行各類校正。培養學生運用各類校正方法對控制系統校正的能力。

三? 機械控制工程課程思政教學案例設計

按照上述的機械控制工程課程的知識組成及能力導向，主要從以下四個方面挖掘和設計課程思政教學案例。

首先，突出控制理論發展中的愛國主義教育，在自動控制理論發展歷程中，我國古代勞動人民在控制系統方面有著重要的貢獻，我國現代科學家在的理論發展史上作出了杰出貢獻。具體的案例如下。

以1027年宋代的燕肅所造的指南車為例，講解無論機構如何運行，小車的指向始終不變，根據自動控制原理分析，這是一個典型的開環順饋控制系統。

以1086—1089年北宋的蘇頌和韓公廉所造的水運儀象臺為例，講解該裝置是一個利用誤差進行控制，具有負反饋的自動控制系統，比瓦特發明的蒸汽機離心調節裝置早700余年。

以1954年我國科學家錢學森所著的《工程控制論》為例，講解從控制論這一總題目中，把當時科學技術與工程實踐所證明了的部分分離出來，創立了工程控制論這門學科，這對推動控制理論的具體應用起到了極大的作用。

以1985年我國科學家鄧聚龍所著的《灰色控制系統》為例，講解相對信息完全明確的白色系統和系統信息完全不明確黑色系統，確定信息部分明確、部分不明確為灰色系統，選擇適當的序列算子，作用于部分已知信息，使之逐步變成白色系統，從而實現對現實世界的描述和認識。

以上案例從歷史維度展示了我國在控制裝置發明和理論發展過程中的貢獻，然后從文化自信的角度，突出了愛國主義教育，引導學生堅決做到中國特色社會主義道路自信、理論自信和制度自信。從而凸顯了愛國主義教育，激發了學生的民族自豪感。

其次，突出控制系統中的核心意識教育，數學模型是自動控制系統中的核心，決定了系統的基本性能。突出核心意識教育，始終做到堅決擁護核心、堅決聽從核心、堅決維護核心，確保黨的領導更加堅強有力。具體的案例如下。

以自行車騎行和衛星發射為例，講解不論是經典控制理論還是現代控制理論，控制的核心不外乎都是數學模型，其是控制論的基礎。經典控制理論基于數學模型可解決單入單出系統（自行車）的穩定性、快速性和準確性等問題?，F代控制理論基于數學模型可解決多入多出系統（衛星）的能控性、能觀性和穩定性等問題。

以機械質量-阻尼-彈簧系統和電氣電阻-電感-電容系統為例，講解時域數學模型建立的過程，以此為基礎，應用拉普拉斯變換建立傳遞函數，應用傅里葉變換建立頻域數學模型，從而搭建經典控制系統中的三大數學模型。現代控制理論也是根據時域數學模型應用狀態空間方程描述多系統的輸入和輸出。

以數控機床直線運動工作臺位置控制系統功能圖和傳遞函數方框圖為例，講解圖形化的傳遞函數方框圖的建立及其簡化過程，此類圖形化數學模型形象地表述了系統內部各環節的數學模型，各變量之間的相互關系以及信號走向。但其核心還是各個元件時域數學模型的建立，然后根據相應變量及信號流向聯系起來，構成系統的方框圖。

以手機游戲為例，講述數學模型在日常生活中起到的核心作用，游戲不論是二維或三維空間，鍵盤或觸摸屏操作，都是基于現實的數學反映，不過是在虛擬空間中的數學描述，而這些都需要精準的數學模型的建立，這些模型建立的過程除了常規的數學模型建立過程，還有基于大數據驅動的智能數學模型建立過程。

以上案例從控制角度突出了數學模型的核心地位，然后從社會控制論的角度，突出核心意識教育，引導同學堅決做到“兩個維護”，牢固樹立核心意識，加強思想認同。

再次，突出時域與頻域的辯證關系教育，時域與頻域教學內容里面蘊含著辯證法思想，時域與頻域不是截然分開的，而是相互依存的，時域和頻域是信號的不同表示方式，頻域是時域在另一維度的映射。分析判斷事物，必須樹立牢固的辯證唯物主義和歷史唯物主義世界觀，看問題要全面。具體的案例如下。

以數控機床直線運動工作臺位置控制系統為例，從數學的角度去分析時域與頻域不同，控制系統的時域分析基于微分方程求解，其自變量是時間，其輸出是在不同時刻下的位置信號值，時域分析數學形象直觀，易于理解;而頻域分析基于傅里葉變換，自變量是頻率，其輸出是在不同頻率下的系統幅相值，頻域分析數學深刻簡潔，抽象深奧，它們從數學上看貌似不同。

以數控機床直線運動工作臺位置控制系統為例，從數學的角度去分析時域與頻域內在聯系，時域自變量時間和頻域自變量頻率之間存在倒數的關系，其本質就是傅里葉的變換，其轉換中間還可以加入拉普拉斯變換進一步簡化計算過程，因此時域和頻域就是控制系統不同維度的表述，它們從數學上存在內在關系。

以數控機床直線運動工作臺位置控制系統為例，引入有限元分析，搭建位置控制幾何模型，選擇材料屬性，確定邊界條件，設定接觸關系，構建劃分網格，進行求解分析。分別進行時域瞬態分析和頻域的諧響應分析，從不同場景應用去描述時域和頻域。

以數控機床直線運動工作臺位置控制系統為例，分別求解其時域性能指標，包括上升時間、延遲時間、峰值時間、最大超調量、調整時間和振蕩次數;頻域性能指標，包括幅值裕度、相位裕度、諧振峰值、諧振頻率和頻帶寬度。從理論和實踐角度講解這些指標之間存在的相互內在關系。

以上案例從不同角度分析了時域與頻域的關系，然后從馬克思哲學的角度，突出辯證唯物主義和歷史唯物主義教育，引導學生牢固樹立科學的馬克思主義世界觀。

最后，突出控制系統校正中的自我革命教育，控制系統是為了完成某種控制目標而形成的有機整體，校正目的就是改善控制系統的各項性能指標。我們黨正是堅持自我革命，總能通過自我糾偏和修正，總結經驗教訓，變錯誤和挫折為動力，并從中得到升華和超越，從而走出困境，最終走向勝利。具體的案例如下。

以反饋控制為例，講解整個自動控制過程?？刂葡到y會受到干擾，這種干擾對系統輸出產生影響，系統通過反饋環節檢測實際輸出，反饋到輸入端形成偏差，利用偏差不斷調節控制，整個控制過程就是檢測偏差，消除偏差，確保系統的輸出達到期望的目標值。

以順饋校正為例，講解按照輸入進行的誤差補償方法，順饋校正使作用于系統的信號除誤差以外，還引入與輸入或擾動有關的補償信號。順饋控制不依靠偏差而直接測量干擾，在干擾引起誤差之前就對它進行近似補償，提前介入系統，及時消除干擾的影響。

以串聯校正為例，講解將校正裝置與原有系統串聯的校正方法。串聯校正使得系統結構完全改變，校正裝置可設計成相位超前校正、相位遲后校正和相位遲后超前校正形式，以頻率法為基礎，通過校正使得系統獲得合理的動態和穩態性能指標，由于其直接串聯于原環節上，所以直接更改系統傳遞函數，效果明顯。

以系統穩定為例，講解校正的首要目的。校正的首要目的是系統穩定，穩定性是控制系統基本要求，對于國家社會亦然。國家穩定才能有精力進行物質和精神文明建設，才能構建和諧社會。家庭穩定家人才能安居樂業。作為當代大學生，要從自身做起，要時刻維護社會和諧穩定，民族團結，以國家利益為重。同一個系統，不管擾動作用在哪個環節，系統閉環特征方程不變，系統的穩定性不會受任何擾動的影響。

以上案例從不同角度分析了系統校正方法，然后從黨的百年奮斗征程的角度，突出我們黨堅持自我革命，全面從嚴治黨，從而應對好自身在各個歷史時期面臨的風險考驗。

三? 結束語

機械控制工程課程思政教學案例已經成功應用到課堂教學中，在教學過程中，通過幻燈片演示、實物圖片展示、影片播放等多媒體進行了專業知識和思政知識的復合表達，眾多學生反映，他們不僅收獲了控制的專業知識，也提升對國家、社會和自己的認識，獲得了良好課堂教學效果。課程獲得過東北大學秦皇島分校數字資源建設項目資助，在此基礎上，獲批了2021—2022年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目。實踐表明，新工科能力導向的機械控制工程課程思政案例設計比較成功。課程思政任重道遠，今后，教學案例需要進一步融合創新、更加與時俱進，為立德樹人持續努力。

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[10] 楊叔子，楊克沖，吳波，等.機械工程控制基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2017：2.

基金項目：國家自然科學基金青年基金“基于表面等離激元的納米結構主動可調濾光機理研究”（62105058）;河北省高等學校教學改革研究與實踐項目“《機械控制工程》課程思政教學案例庫設計與實踐”（2021GJJG428）;東北大學秦皇島分校重點教改項目“基于學習產出模式的《液壓氣壓技術》課程項目教學探討”（2020JG-A01）;東北大學秦皇島分校一流本科專業建設項目“機械工程”（2021YLZY-04）;東北大學秦皇島分校課程思政示范項目“液壓氣動技術”（2022KCSZ-B21）;東北大學秦皇島分校一流本科課程建設項目“液壓氣動技術”（2023YLKC-A04）

第一作者簡介：王海芳（1976-），男，漢族，山西高平人，博士，副教授，系主任，碩士研究生導師。研究方向為流體伺服控制及其元件可靠性，機器人技術。