自动控制原理及系统课程思政建设实践探究

关键词：自动控制原理及系统；课程思政；实践；探究

0 引言

“教书育人”是教师的天职，思想政治教育并不只局限于思政课堂，而是贯穿于各学科教育教学活动始终，正如习近平总书记在学校思想政治理论课教师座谈会上强调，要坚持显性教育和隐性教育相统一，挖掘其他课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，实现全员全程全方位育人[1]。自动控制原理及系统作为电气自动化技术、机电一体化技术等专业的一门重要专业课，以学校立项重点课程为契机，结合课程本身的教学内容和教学特点，从专业教学内容找到切入点，有机融入思政教学环节。其中，专业内容中思政元素的挖掘和融合是最核心和最难解决的。因此，以电气自动化技术类自动控制原理及系统课程为载体，根据该课程的性质和特点，利用读原著、看视频等多种方式挖掘课程中的思政元素，进一步将家国情怀、创新意识、社会主义核心价值观等以润物细无声的方式融入专业课教学过程中，将显性教育与隐性教育融会贯通，同心同向，同频共振做好青年大学生思想政治教育工作，构建“三全育人”大格局[2]。

1 自动控制原理及系统教学发展趋势

自动控制原理及系统融合了工程学、数学、物理学和计算机科学等多个学科的知识。它通过研究和应用控制论、系统论等理论，探索如何利用反馈机制实现系统的稳定性、精度和鲁棒性等性能指标的优化，原理属性强，教学难度高。随着信息技术的快速发展，教学方法也需要不断创新。

传统的课堂讲授结合实验的方式仍然重要，但也需要在线教育、虚拟实验室、仿真软件等多样化的教学手段。学生可以通过在线平台学习课程内容，进行交互式学习和实验操作，提高自主学习能力和实践能力。自动控制原理及系统课程侧重实践应用，教学中越来越强调实践性教学。学校和实验室应配备先进的实验设备和仿真软件，使学生能够进行系统建模、仿真和设计实验，加深对理论知识的理解与运用。为培养学生的团队合作和解决问题的能力，项目式学习逐渐引入自动控制原理及系统课程中。学生需要在团队中完成一个完整的自动控制项目，从需求分析、系统设计、控制算法编写到实施与调试，锻炼学生的综合能力和实践操作能力。自动控制原理及系统是一个不断发展和创新的领域，教学中也需要关注研究热点和前沿问题。教师应介绍最新的自动控制理论和技术发展动态，引导学生关注控制系统的可持续发展、智能化控制、人工智能与自适应控制等领域的突破。自动控制原理及系统涉及多个学科的知识，跨学科合作变得越来越重要。教学中鼓励与电气工程、计算机科学、数学等学科的合作，在教学中引入相关领域的知识和技术，拓宽学生的视野和应用能力。

自动控制原理及系统课程的教学现状展现出教学方法多样化、强化实践性教学、引入项目式学习、数字化教学资源丰富、研究热点的关注以及跨学科合作的重要性等特点和趋势。这些发展将为学生提供更广阔的学习空间和发展机会，培养出更具创新能力和应用能力的控制工程人才。

2 自动控制原理及系统课程思政必要性

自动控制原理及系统不仅是电气自动化技术专业的基础理论课，也是计算机、电子信息以及检测技术等专业的基础理论课，是后面专业课程的前续课程，在整个专业课程体系中起着承前启后的重要作用，具有很高的课程地位[3]。本课程系统介绍了自动控制的基本理论、分析和设计方法。它旨在培养学生对自动控制理论的理解与应用能力，并为工程实践提供坚实的基础。在教学过程中不仅要求理解和掌握自控原理的基本概念，还要求学生熟练掌握自动控制系统建模、分析和设计方法，培养学生灵活运用基本理论知识解决自然科学和工程实际中控制系统分析和设计问题的能力。该课程教学内容枯燥无味，繁杂公式推导使学生在面对实际工程问题时，不能用已学知识灵活地运用其中，不能将理论知识和工程实践结合起来。由于学习过程缺乏自主性，导致应试的目的比较明显，有重视知识传授而忽略了价值观引领的现象出现[4]。

当代高职学生总体上具有充满自信、个性张扬、思维活跃、不拘泥于传统、处处争强好胜、有着表达自己的思想和态度的强烈欲望等优点，具有强烈的爱国热情，但也存在一些不足，如缺乏坚定的政治方向、自我期望值过高、实践能力不够强、价值取向功利化、责任意识有待加强等。课程思政是实现立德树人教育目标的有效途径，对于自动控制原理及系统这门课程而言，要达到立德树人的效果，将思政元素有机融入专业课中，需要授课教师付出更多的时间和精力，挖掘专业课知识背后的哲学思想及相应的思政元素，通过多元化的形式，生动地传递给学生[5]。在不弱化专业课程的前提下，利用课堂主渠道，润物无声地帮助学生树立正确的思想信念，培养正确的思维方式，塑造自主学习的良好习惯。为学生提供全面且有挑战性的学习机会，培养学生在自动控制领域的专业素养和创新潜能。

3 课程思政的教学探索与实践案例

针对电气自动化技术专业自动控制原理及系统课程的教学内容与思政元素挖掘，列举典型案例如表1所示。

3.1“ 爱国情怀，激发热情”——绪论

绪论部分是帮助学生对自动控制原理及系统有一个初步的、整体上的认识，上好第一次课的绪论部分，可以调动学生学习该课程的兴趣，起到一个良好的引领作用。因此，在自动控制原理及系统课程教学中，联系往届学生的就业情况，利用视频结合实际的例子介绍自动控制原理在轻纺工业、资源加工工业和机械、电子制造业等行业的广泛应用。同时，联系本科生升学的情况，利用各高校的通过研究生入学考试专业课科目来了解该课程的重要性。结合就业和升学来介绍该课程，既让学生了解了该课程的应用，也使学生深刻地感受到了该课程的重要性，让学生能清晰地看到自己努力的目标。再结合控制理论经历了约150年发展的三个时期——经典控制、现代控制以及智能控制来介绍控制史，让学生在了解控制理论发展史的同时感受人类发展的艰辛，体会前辈在发展中体现出的奋斗和创新精神，我们现在是站在巨人的肩膀上学习和成长，消除学生对学习理论知识的畏难情绪。

针对电气自动化相关专业学生特点，通过观看短视频，介绍被誉为“中国自动化控制之父”“两弹一星”“中国航天之父”钱学森的事迹，引导学生弘扬其刻苦勤奋的学习精神、攻坚克难精神、创新精神以及其“学成必归”“五年归国路”“十年造两弹”报效祖国的爱国精神，激励学生自觉融入实现中华民族伟大复兴中国梦的进程中去，实现自己的人生价值。

3.2“ 以简驭繁”—— 结构图的等效变换原则

分析、设计控制系统的第一步是建立系统的数学模型。微分方程、传递函数和结构图是经典控制理论中的三种数学模型，前两种都是用纯数学表达式来描述系统特点，不能反映系统中各部件对整个系统性能的影响，而系统原理图、职能方框图虽然反映了系统的物理结构，但又缺少系统中各变量间的定量关系。结构图既能描述系统中各变量间的定量关系，又能明显地表达系统各部件对系统性能的影响。在讲解学习结构图的目的时，结合比较与微分方程、传递函数的特点，引导学生描述问题时，学会从多角度多维度地对问题和系统进行阐述。同时也激励高校教师要建立健全多维度的课程思政建设成效考核评价体系。立足于学生、以第一视角充分检验人才培养的效果，必须在“三全育人”的总体工作格局中直接反馈高校课程思政建设的有效性。

学习结构图这种数学模型，必然少不了学习简化结构图。结构图变换前后需满足向传递函数不变，回路传递函数不变的原则，体现了平等与公平的原则。模型的等价变换如同人与人相处之道，要践行自由、平等、诚信、友爱、公正的原则，让学生深化对于社会主义核心价值观的理解。

3.3“ 万仞高山，始足于稳”—— 系统稳定性

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。若想让一个在没有人直接参与的系统能够长期地正常运行，就一定要保证该系统的稳定性，因此稳定性是系统最基本也是最关键的指标要求。结合1940年在风的作用下坍塌的美国塔科马海峡大桥的案例，讲解何为稳定，稳定不是指一成不变，而是指当系统受到外界干扰时偏离了方向，当扰动消失后，系统能够在不借助外力的情况下回到稳定状态。稳定是一个自动控制系统最基本的性能指标，没有稳定性的系统，谈其快速性和准确性都将毫无意义。

自动控制系统如此，个人、家庭和国家亦然。只有在国家这个系统稳定的基础上才能进行精神文明建设，才能实现中国梦。在一个国家的历史长河中，会遇到各种各样的苦难与困境，这类似于外界对自动控制系统的干扰，作为一个稳定的国家，应该有能力、有信心解决各种苦难、突破各种困境，作为当代大学生，应该培养自身能力，维护国家、家庭的稳定。同时，也要保证自身的稳定，不因幸运而故步自封，不因厄运而一蹶不振，时时校准自己前进的目标，使个人系统处于稳定状态。高等教育学校担负着培养优秀人才的重任，大学生是未来市场的主力军。学生坚定理想信念，补足精神之钙，建立学生正确的个人思想体系，是共同富裕和中华民族伟大复兴的必由之路。

3.4“ 另辟蹊径”——Routh稳定判据

在讲解Routh稳定判据这一节时，在课堂导入中讲述Maxwell和Routh的故事。Maxwell在1863年9月已基本完成稳定性方面的研究工作。1868年针对调速器有时会导致蒸汽机速度出现振荡问题，发表论文“论调节器”，导出了调速器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出了系统的稳定性与特征方程的根是否具有负实部有关。当时还没有MATLAB这个商业数学软件，无法快速地求解高阶方程，对于五次以上的高阶多项式，也没有直接的求解公式，这一大难点成为判断高阶系统稳定性的拦路虎。Max⁃well曾在论文中呼吁全世界的数学家们利用自己的专业解决该难题。1877年，E.J.Routh在其论文中解答了如何根据多项式的系数决定多项式在右半平面根的数目，这一方法成功地解决了利用代数方法判断高阶系统稳定性的问题。Routh的这一成果现在被称为Routh稳定判据。

用故事激发学生的学习兴趣，在故事中感受Routh解决问题的创新思维和独立思考能力。培养学生利用创新思维思考问题的能力和独立思考能力，重要的不是要掌握多少数据和方法，而是要有创造性、逻辑性地找到“现在眼前发生的真正问题是什么”。不管从事何种工作，特别是科研工作，都离不开独立思考能力、突破束缚。在控制领域的发展史上，每一个推动控制史发展的关键人物，都充分发挥了这种独创精神。

3.5“ 立足当前，放眼未来”—— PID控制规律

在介绍PID控制的基本原理时，从形式入手介绍PID各控制项，PID控制从形式上看是P控制、I控制和D控制的简单组合，但其中却蕴含着深刻的道理。Kp 比例控制考虑当前误差，是最基本的控制项，PI、PD、PID均离不开P控制项；Kd微分控制考虑将来误差；Ki 积分控制考虑过去误差。PID控制在工程实际中得到了广泛的应用，其控制性能表现出色。总的来看，PID 控制综合考虑了系统对过去、现在和未来的误差，换言之，“现在”只有与过去和未来相联系，才更有意义。

最基本的P控制项告诉人们，未来不可期，以往不可变，唯有把握住当下时刻。有些东西你毕业以后将用几十年去学，所以不用急于去学；而有些东西你走出校园就再也不会有机会去学了，所以一定要抓紧去学，珍惜大学的美好时光。I控制项告诉人们，历史孕育了真理，它能和时间抗衡，要以史为鉴，躬身自省，这有助于人们消除误差更快更准确地达到预期目标。D控制项告诉人们，做事不能只看着眼前，要向远处看，学会运用谋略制定控制方案，一往无前地到达自己的预设目标。培养学生对事物的前瞻性和战略性思维，就不能只读书本上的理论知识，应该在学习中将理论与实践相结合，多动脑思考，多动手操作。

4 结束语

自动控制原理及系统课程涉及大量的公式，理论性较强，学生理解起来较为困难，如何活跃课堂气氛，增加学生学习的趣味性是一个值得思考的问题。经过两年多的课程思政教学实践，教师们深刻认识到课程思政教学不仅有助于活跃课堂气氛，增强学生学习的兴趣，有助于学生加深对专业知识的理解，还有利于激发学生的学习动机，有助于学生树立正确的价值观，形成电气工程师的家国情怀、创新意识、合作意识。但如何定量评价课程思政教学效果是一个难点，值得今后进一步探索。