自動控制原理及系統課程思政建設實踐探究

張雪琴 王守峰

關鍵詞：自動控制原理及系統；課程思政；實踐；探究

0 引言

“教書育人”是教師的天職，思想政治教育并不只局限于思政課堂，而是貫穿于各學科教育教學活動始終，正如習近平總書記在學校思想政治理論課教師座談會上強調，要堅持顯性教育和隱性教育相統一，挖掘其他課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源，實現全員全程全方位育人[1]。自動控制原理及系統作為電氣自動化技術、機電一體化技術等專業的一門重要專業課，以學校立項重點課程為契機，結合課程本身的教學內容和教學特點，從專業教學內容找到切入點，有機融入思政教學環節。其中，專業內容中思政元素的挖掘和融合是最核心和最難解決的。因此，以電氣自動化技術類自動控制原理及系統課程為載體，根據該課程的性質和特點，利用讀原著、看視頻等多種方式挖掘課程中的思政元素，進一步將家國情懷、創新意識、社會主義核心價值觀等以潤物細無聲的方式融入專業課教學過程中，將顯性教育與隱性教育融會貫通，同心同向，同頻共振做好青年大學生思想政治教育工作，構建“三全育人”大格局[2]。

1 自動控制原理及系統教學發展趨勢

自動控制原理及系統融合了工程學、數學、物理學和計算機科學等多個學科的知識。它通過研究和應用控制論、系統論等理論，探索如何利用反饋機制實現系統的穩定性、精度和魯棒性等性能指標的優化，原理屬性強，教學難度高。隨著信息技術的快速發展，教學方法也需要不斷創新。

傳統的課堂講授結合實驗的方式仍然重要，但也需要在線教育、虛擬實驗室、仿真軟件等多樣化的教學手段。學生可以通過在線平臺學習課程內容，進行交互式學習和實驗操作，提高自主學習能力和實踐能力。自動控制原理及系統課程側重實踐應用，教學中越來越強調實踐性教學。學校和實驗室應配備先進的實驗設備和仿真軟件，使學生能夠進行系統建模、仿真和設計實驗，加深對理論知識的理解與運用。為培養學生的團隊合作和解決問題的能力，項目式學習逐漸引入自動控制原理及系統課程中。學生需要在團隊中完成一個完整的自動控制項目，從需求分析、系統設計、控制算法編寫到實施與調試，鍛煉學生的綜合能力和實踐操作能力。自動控制原理及系統是一個不斷發展和創新的領域，教學中也需要關注研究熱點和前沿問題。教師應介紹最新的自動控制理論和技術發展動態，引導學生關注控制系統的可持續發展、智能化控制、人工智能與自適應控制等領域的突破。自動控制原理及系統涉及多個學科的知識，跨學科合作變得越來越重要。教學中鼓勵與電氣工程、計算機科學、數學等學科的合作，在教學中引入相關領域的知識和技術，拓寬學生的視野和應用能力。

自動控制原理及系統課程的教學現狀展現出教學方法多樣化、強化實踐性教學、引入項目式學習、數字化教學資源豐富、研究熱點的關注以及跨學科合作的重要性等特點和趨勢。這些發展將為學生提供更廣闊的學習空間和發展機會，培養出更具創新能力和應用能力的控制工程人才。

2 自動控制原理及系統課程思政必要性

自動控制原理及系統不僅是電氣自動化技術專業的基礎理論課，也是計算機、電子信息以及檢測技術等專業的基礎理論課，是后面專業課程的前續課程，在整個專業課程體系中起著承前啟后的重要作用，具有很高的課程地位[3]。本課程系統介紹了自動控制的基本理論、分析和設計方法。它旨在培養學生對自動控制理論的理解與應用能力，并為工程實踐提供堅實的基礎。在教學過程中不僅要求理解和掌握自控原理的基本概念，還要求學生熟練掌握自動控制系統建模、分析和設計方法，培養學生靈活運用基本理論知識解決自然科學和工程實際中控制系統分析和設計問題的能力。該課程教學內容枯燥無味，繁雜公式推導使學生在面對實際工程問題時，不能用已學知識靈活地運用其中，不能將理論知識和工程實踐結合起來。由于學習過程缺乏自主性，導致應試的目的比較明顯，有重視知識傳授而忽略了價值觀引領的現象出現[4]。

當代高職學生總體上具有充滿自信、個性張揚、思維活躍、不拘泥于傳統、處處爭強好勝、有著表達自己的思想和態度的強烈欲望等優點，具有強烈的愛國熱情，但也存在一些不足，如缺乏堅定的政治方向、自我期望值過高、實踐能力不夠強、價值取向功利化、責任意識有待加強等。課程思政是實現立德樹人教育目標的有效途徑，對于自動控制原理及系統這門課程而言，要達到立德樹人的效果，將思政元素有機融入專業課中，需要授課教師付出更多的時間和精力，挖掘專業課知識背后的哲學思想及相應的思政元素，通過多元化的形式，生動地傳遞給學生[5]。在不弱化專業課程的前提下，利用課堂主渠道，潤物無聲地幫助學生樹立正確的思想信念，培養正確的思維方式，塑造自主學習的良好習慣。為學生提供全面且有挑戰性的學習機會，培養學生在自動控制領域的專業素養和創新潛能。

3 課程思政的教學探索與實踐案例

針對電氣自動化技術專業自動控制原理及系統課程的教學內容與思政元素挖掘，列舉典型案例如表1所示。

3.1“ 愛國情懷，激發熱情”——緒論

緒論部分是幫助學生對自動控制原理及系統有一個初步的、整體上的認識，上好第一次課的緒論部分，可以調動學生學習該課程的興趣，起到一個良好的引領作用。因此，在自動控制原理及系統課程教學中，聯系往屆學生的就業情況，利用視頻結合實際的例子介紹自動控制原理在輕紡工業、資源加工工業和機械、電子制造業等行業的廣泛應用。同時，聯系本科生升學的情況，利用各高校的通過研究生入學考試專業課科目來了解該課程的重要性。結合就業和升學來介紹該課程，既讓學生了解了該課程的應用，也使學生深刻地感受到了該課程的重要性，讓學生能清晰地看到自己努力的目標。再結合控制理論經歷了約150年發展的三個時期——經典控制、現代控制以及智能控制來介紹控制史，讓學生在了解控制理論發展史的同時感受人類發展的艱辛，體會前輩在發展中體現出的奮斗和創新精神，我們現在是站在巨人的肩膀上學習和成長，消除學生對學習理論知識的畏難情緒。

針對電氣自動化相關專業學生特點，通過觀看短視頻，介紹被譽為“中國自動化控制之父”“兩彈一星”“中國航天之父”錢學森的事跡，引導學生弘揚其刻苦勤奮的學習精神、攻堅克難精神、創新精神以及其“學成必歸”“五年歸國路”“十年造兩彈”報效祖國的愛國精神，激勵學生自覺融入實現中華民族偉大復興中國夢的進程中去，實現自己的人生價值。

3.2“ 以簡馭繁”—— 結構圖的等效變換原則

分析、設計控制系統的第一步是建立系統的數學模型。微分方程、傳遞函數和結構圖是經典控制理論中的三種數學模型，前兩種都是用純數學表達式來描述系統特點，不能反映系統中各部件對整個系統性能的影響，而系統原理圖、職能方框圖雖然反映了系統的物理結構，但又缺少系統中各變量間的定量關系。結構圖既能描述系統中各變量間的定量關系，又能明顯地表達系統各部件對系統性能的影響。在講解學習結構圖的目的時，結合比較與微分方程、傳遞函數的特點，引導學生描述問題時，學會從多角度多維度地對問題和系統進行闡述。同時也激勵高校教師要建立健全多維度的課程思政建設成效考核評價體系。立足于學生、以第一視角充分檢驗人才培養的效果，必須在“三全育人”的總體工作格局中直接反饋高校課程思政建設的有效性。

學習結構圖這種數學模型，必然少不了學習簡化結構圖。結構圖變換前后需滿足向傳遞函數不變，回路傳遞函數不變的原則，體現了平等與公平的原則。模型的等價變換如同人與人相處之道，要踐行自由、平等、誠信、友愛、公正的原則，讓學生深化對于社會主義核心價值觀的理解。

3.3“ 萬仞高山，始足于穩”—— 系統穩定性

自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產過程自動地按照預定的規律運行。若想讓一個在沒有人直接參與的系統能夠長期地正常運行，就一定要保證該系統的穩定性，因此穩定性是系統最基本也是最關鍵的指標要求。結合1940年在風的作用下坍塌的美國塔科馬海峽大橋的案例，講解何為穩定，穩定不是指一成不變，而是指當系統受到外界干擾時偏離了方向，當擾動消失后，系統能夠在不借助外力的情況下回到穩定狀態。穩定是一個自動控制系統最基本的性能指標，沒有穩定性的系統，談其快速性和準確性都將毫無意義。

自動控制系統如此，個人、家庭和國家亦然。只有在國家這個系統穩定的基礎上才能進行精神文明建設，才能實現中國夢。在一個國家的歷史長河中，會遇到各種各樣的苦難與困境，這類似于外界對自動控制系統的干擾，作為一個穩定的國家，應該有能力、有信心解決各種苦難、突破各種困境，作為當代大學生，應該培養自身能力，維護國家、家庭的穩定。同時，也要保證自身的穩定，不因幸運而故步自封，不因厄運而一蹶不振，時時校準自己前進的目標，使個人系統處于穩定狀態。高等教育學校擔負著培養優秀人才的重任，大學生是未來市場的主力軍。學生堅定理想信念，補足精神之鈣，建立學生正確的個人思想體系，是共同富裕和中華民族偉大復興的必由之路。

3.4“ 另辟蹊徑”——Routh穩定判據

在講解Routh穩定判據這一節時，在課堂導入中講述Maxwell和Routh的故事。Maxwell在1863年9月已基本完成穩定性方面的研究工作。1868年針對調速器有時會導致蒸汽機速度出現振蕩問題，發表論文“論調節器”，導出了調速器的微分方程，并在平衡點附近進行線性化處理，指出了系統的穩定性與特征方程的根是否具有負實部有關。當時還沒有MATLAB這個商業數學軟件，無法快速地求解高階方程，對于五次以上的高階多項式，也沒有直接的求解公式，這一大難點成為判斷高階系統穩定性的攔路虎。Max?well曾在論文中呼吁全世界的數學家們利用自己的專業解決該難題。1877年，E.J.Routh在其論文中解答了如何根據多項式的系數決定多項式在右半平面根的數目，這一方法成功地解決了利用代數方法判斷高階系統穩定性的問題。Routh的這一成果現在被稱為Routh穩定判據。

用故事激發學生的學習興趣，在故事中感受Routh解決問題的創新思維和獨立思考能力。培養學生利用創新思維思考問題的能力和獨立思考能力，重要的不是要掌握多少數據和方法，而是要有創造性、邏輯性地找到“現在眼前發生的真正問題是什么”。不管從事何種工作，特別是科研工作，都離不開獨立思考能力、突破束縛。在控制領域的發展史上，每一個推動控制史發展的關鍵人物，都充分發揮了這種獨創精神。

3.5“ 立足當前，放眼未來”—— PID控制規律

在介紹PID控制的基本原理時，從形式入手介紹PID各控制項，PID控制從形式上看是P控制、I控制和D控制的簡單組合，但其中卻蘊含著深刻的道理。Kp 比例控制考慮當前誤差，是最基本的控制項，PI、PD、PID均離不開P控制項；Kd微分控制考慮將來誤差；Ki 積分控制考慮過去誤差。PID控制在工程實際中得到了廣泛的應用，其控制性能表現出色。總的來看，PID 控制綜合考慮了系統對過去、現在和未來的誤差，換言之，“現在”只有與過去和未來相聯系，才更有意義。

最基本的P控制項告訴人們，未來不可期，以往不可變，唯有把握住當下時刻。有些東西你畢業以后將用幾十年去學，所以不用急于去學；而有些東西你走出校園就再也不會有機會去學了，所以一定要抓緊去學，珍惜大學的美好時光。I控制項告訴人們，歷史孕育了真理，它能和時間抗衡，要以史為鑒，躬身自省，這有助于人們消除誤差更快更準確地達到預期目標。D控制項告訴人們，做事不能只看著眼前，要向遠處看，學會運用謀略制定控制方案，一往無前地到達自己的預設目標。培養學生對事物的前瞻性和戰略性思維，就不能只讀書本上的理論知識，應該在學習中將理論與實踐相結合，多動腦思考，多動手操作。

4 結束語

自動控制原理及系統課程涉及大量的公式，理論性較強，學生理解起來較為困難，如何活躍課堂氣氛，增加學生學習的趣味性是一個值得思考的問題。經過兩年多的課程思政教學實踐，教師們深刻認識到課程思政教學不僅有助于活躍課堂氣氛，增強學生學習的興趣，有助于學生加深對專業知識的理解，還有利于激發學生的學習動機，有助于學生樹立正確的價值觀，形成電氣工程師的家國情懷、創新意識、合作意識。但如何定量評價課程思政教學效果是一個難點，值得今后進一步探索。