融思政建设与多元培养模式为任务驱动的现代控制理论课程改革思考与实践

路飞　杨西侠

【摘要】面向新工科背景下自动化大类学生的多元化培养模式需求，在对现有教学模式进行分析介绍的基础上，提出融思政建设与多元化培养模式为任务驱动的现代控制理论课程的教学改革与实践方法，从课程内容与教学模式两个维度对课程的改革方案进行了阐述。实际应用效果表明，此改革措施不仅可以提高学生分析问题、解决问题能力，同时可以彰显不同培养需求的个性化与专业化特色，提升学生的科学素养。

【关键词】多元培养模式  思政建设  教学改革  现代控制理论

【基金项目】山东大学教育教学改革项目（2020Y150）;山东大学研究生课程思政专项计划;山东大学2020年研究生教育教学改革研究项目（XYJG2020091）。

【中图分类号】G642.0  【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）07-0016-03

一、引言

现代控制理论是自动化专业的一门重要专业课，属于自动控制原理的后续课程，在自动化专业教学中具有承前启后的作用[1]。该课程研究范围较广，内容抽象，理论性强、实践性要求较高，对于培养学生的控制思维能力、综合分析和解决问题的能力、建立理论联系实际和团队合作的科学素养都具有重要的指导作用。

随着“人工智能”“大数据”“机器人”等行业的发展，国家对复合型高级人才的需求日益增加[2]。 与之相适应，各个高校相继开展了“新工科”背景下多元人才培养模式。作为在自动化专业的必修主干课程，如何进行新的教学体系建设、如何在总结多年以来教学改革经验的基础上进一步进行深化改革探索，将思政建设融于日常的教学内容、建立以多元培养目标为任务驱动的个性化教学模式，使其适应学科和社会的需求，是“现代控制理论”教学中亟待解决的问题。

二、现代控制理论课程教学存在的问题

（一）理论性较强，学生学习难度较大

现代控制理论是一门理论性强的课程，不仅需要学习者对控制原理有一定的认识，具备一定的数学推导计算能力，而且要求学生对“矩阵论”的相关知识掌握程度较高。该课程所需的前期课程包括高等数学、线性代数、电路原理、自动控制原理等，课程体系具有内容体系大、涉及的理论知识面广、信息量大、逻辑性强、对数学和物理等基础理论知识要求高等特点。这些特点造成学生在学习过程中感觉内容抽象、难于理解、掌握难度大等困难，从而使学生在学习过程产生较大的学习压力和学习障碍，容易产生厌學及倦怠的不良情绪。

（二）知识新颖度不足，没有体现最新发展动向

随着科学技术的发展，“人工智能”“机器人”“大数据”等行业成为社会新兴产业，对此类行业的控制代表着控制理论的又一主要发展方向——智能化控制。“智能化控制”是一门交叉前沿学科，是系统控制的高级阶段。上述新兴专业的知识及信息化更新很快，但在现有的课程教学过程中，缺乏对这些最新发展成果的介绍，没有将这些最新的控制与基本控制理论相结合、相对比的环节[3]，造成目前的课程与最新科技发展动向相脱节的情况，限制了学生在学习过程中思维的发散度，同时降低了学生的学习热情和学习兴趣。

（三）教学方式过于单一，不适应多元化培养目标体系

目前对于现代控制理论课程，所采取的教学方式大多是“PPT演示+黑板板书”这一传统的授课模式，教学方式较为单调。学生在上课的过程中对于知识点的学习基本属于被动接受状态，学习兴趣得不到刺激。随着“卓越工程师班”“人工智能班”“理工复合班”等新工科多元化培养模式的出现，目前的现代控制理论课程教学方式依然存在重理论轻工程的特点，缺乏“个性化和专业化”教学特色，缺乏针对不同培养目标任务驱动的教学模式，难以保证培养质量，不能满足多元化培养目标体系要求，限制了新工科多元化培养体系的特色。

（四）课程教学缺乏思政建设，忽视对学生科学工匠精神的培养

随着高校专业分工的日益细化，目前各个学院的思想政治课程与专业课程的教学工作由不同教学单位的教师承担。尤其对理工科专业，专业课知识与思想政治教育的直接关联度不高，导致在理工科的专业教学过程中只重视专业知识的传授，而忽视了学生的思政教育，现代控制理论课程也不例外。培养具有家国情怀的工匠一直是工科院校追求的培养目标，而现代控制理论课程的学习对于学生控制思想的建立具有重要的意义。如何将核心价值观、工程伦理道德等思政元素融于专业课及专业设计的教学中，使该课程的教学不仅重逻辑知识，也重人文思想，为培养具有道德伦理意识以及以造福人类为理念的现代工程师奠定基础是现代控制理论课程教学中亟待解决的问题。

三、课程改革思考

（一）课程体系科学化及多元化

现代控制理论课程体系改革的总体思路：针对新工科背景下多元化的培养目标体系，以培养目标任务为驱动，建立具有学习表现与跟踪评估反馈的闭环式课程体系。从课程的设置、教学方式、教学侧重点等多个方面进行改革，实现个性化培养。不断优化课程内容，加强与学科最新发展方向的关联，全方位体现智能化自动化发展的最新动态。课程建设将着眼于“理论讲授+仿真实验+工程案例+前沿讲座”四个模块，采用混合式教学、在线视频、信息化教学、专家讲座等多种教学手段，完成系统模型建立、系统分析和系统设计三大教学内容的讲解，实现课程体系的科学化及多元化，为学生控制思想的培养与建立提供基础。现代控制理论课程体系示意图如图1所示。

（二）教学模式改革

1.课堂教学改革

现代控制理论课程理论性强、抽象程度高，学生的学习兴趣较低。面向不同培养目标体系的学生，如何引入富有变化的教学方式、取代传统的授课方式、形成“个性化+专业化”的授课模式、动态可观地展现课程内在的知识体系是该课程教学改革面临的重要内容。

（1）构建基于多维度的课堂教学改革模式

传统的课堂教学模式多采用教师讲授、学生听讲，教学方式单一。在这种教学模式下，学生对于知识的掌握大多是被动地接受，缺乏师生间的交流互动，学生的参与度低。随着多媒体技术、慕课等电子教学资源的出现，为传统的“以教师为主体”的教学模式向“以学生为主体”的教学模式转变提供了支持，同时为多维度课堂教学模式的实现提供了资源。教师可以通过在线课堂建设、翻转课堂、线上线下混合式教学、雨课堂等多维授课模式实现与学生的全方位沟通，完成各种教学策略的融合及各类资源的优化设计和共享。进而提高学生的课堂参与度，激发学生的教、学情感换位体验，促进其对知识的主动探索，加深其对知识的理解和迁移。

（2）构建基于不同培养目标体系的任务驱动式教学方法

随着“卓越工程师班”“人工智能班”“理工复合班”等新型工科多元化教育培养模式的出现，必须要针对不同的培养目标，构建基于不同培养目标体系的任务驱动式教学方法。针对不同的培养任务，设计不同的教学内容及教学措施，实现融个性化及专业化于一体的新工科教学体系。例如针对卓越工程师班，可以在常规教学内容的基础上，侧重从工程实践的角度设计教学模式，例如实施“案例+问题+讨论”式的教学方式，提高学生对实际工程问题的分析及解决能力。对于理工复合班，要偏向理论思维方式的培养，坚持“理论问题工程化，工程问题理论化”的教学模式理念。对于人工智能班，则要注重与前沿知识、机器人等智能系统的结合，开设前沿学科讲座，强调计算机编程仿真与实现等能力的培养。只有根据不同的培养任务，构建基于任务驱动的教学方法，引导学生去探索、创新，才能做到因材施教，真正实现新工科的多元化人才、个性化人才培养。

（3）构建融思政建设及提高科研素养的教学改革模式

“培养什么样的人，如何培养人，为谁培养人”是习近平总书记教育思想的重要组成部分，更是新时期教育事业改革发展根本指导[4]。现代控制理论课程对于工科学生的控制系统思想体系的形成具有重要的指导作用。基于此种情况，教师一方面要完成对课堂知识的传授，同时还应该在课程的学习过程中，给学生传授正确的人生价值观、正确的工程伦理道德，实现知识传授与价值引领的有机统一。如何构建融思政建设及提高科研素养的教学模式，实现“立德树人”是一项具有重要意义的工作。在100分钟的课堂教学中，依据专业知识内容设计“课堂思政五分钟”[5]的思政教育内容与情景，在潜移默化中培养学生严谨的科学态度，求真务实的治学作风，引导学生建立正确的人生观、价值观，形成健康的专业伦理和科学信仰，为实现中华民族伟大复兴的中国梦做出贡献。

2.考核模式多样化改革

为了实现对现代控制理论课程的有效监控，实现对学生学习过程的动态管理，需要建立合理的课程考核体系。在期末试卷的考核模式上，加入课后作业和仿真实验，进行相应的改革探索。

（1）课后作业+课程知识图谱构建

将学生作业的完成情况纳入考核，同时在以往只布置书本中课后作业的基础上，加入一些具有承前启后的综合题目，这样不仅可以避免学生直接参考课后习题答案的现象，同时让学生在完成此类题目的答题过程中，加深对前面关联知识点的理解及应用，建立起所学知识点的知识图谱，将对知识的掌握由点扩展到面，培养学生的发散思维。尤其是在所有章节学习完成后，可以布置大作业，归纳各个章节知识点的关联性，绘制整本书知识点的知识图谱，这对于加深学生对知识的掌握程度、培养学生的现代控制理论思想具有很好的推进作用。

（2）仿真实验活动

为了提高学生利用数学方法解决现代控制工程实践问题的能力，要注重学生仿真实验活动能力的培养。例如在状态空间表达式和传递函数阵相互转换部分，让学生利用MATLAB仿真软件编制相应的算法，通过对算法的运行，了解控制系统中的超调、稳定性、能控性、能观性等问题。在课程结束后，让学生以小组为单位，选取工程实际中具有不同特性的控制系统作为研究对象，进行建模、分析和控制器的设计，并进行仿真实验。各个小组根据所选内容制作PPT进行汇报答辩，由任课教师进行提问考核，并将成绩计入最终成绩。这种考核方法可以锻炼学生思考问题、解决问题的能力，同时也在任务的完成过程中培养学生团队合作精神，有利于科学素养的培养。

四、课程改革阶段实施效果

上述教学改革依托山东大学2020年教改立项项目，在山东大学控制科学与工程学院自动化类本科生现代控制理论课程授课中应用，效果良好。学生普遍反映该课程授课方式灵活，课程设计不仅具有开放、自主、研究性，同时还满足个性化教学，彰显了不同培养目标模式。在提高学生学习兴趣的同时，而且有助于学生将所学的理论知识与实际应用相结合，锻炼了学生的实际编程能力和分析解决问题的能力。教师在授课过程中，通过讲述诸如钱学森等老一代科学家的科研经历及与学生分享教师自身科研经历，引领学生树立以（下转第20页）

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“技”报“国”的社会责任感和端正的科研素养及道德情操。

五、结束语

针对现代控制理论课程具有的较强的抽象性、涉及知识面较广等问题，面向新工科背景下多元培养模式，在对现有教学模式存在的一系列问题进行分析的基础上，提出了融思政建設与自动化大类多元培养模式于一体的课程改革思考，从教学内容及教学模式两个维度给出了相应的改革建议。现代控制理论课程的教学改革是一个长期且不断优化的过程，期望通过这些改革，可以提高课程的教学质量，提高学生掌握理论知识和工程实践相结合的能力，为新工科背景下培养符合现代社会需求的高素质复合型专业人才奠定基础。

参考文献：

[1]黄苏丹，胡智勇，曹广忠等. 融合工程实践的现代控制理论课程教学改革[J].高教学刊，2020（29）：79-82.

[2]周颖，臧强.控制科学与工程硕士生课程体系改革——以《线性系统理论》为例[J].科技创新导报， 2018（21）：220-221.

[3]王晶，谭程元，周靖林等.《线性系统理论》课程改革思考与实践[J].教育教学论坛，2020（4）：214-216.

[4]叶秀芳， 陈东初，樊婷，常萌蕾. 理工科硕士研究生专业课课程思政改革的思考[J].佛山科学技术学院导报（自然科学版）， 2020，38（5）：78-80.

[5]邵璇，张礼慧，高俊山. 双一流建设下《现代控制理论基础》课程思政教学策略研究[J].高教学刊， 2019（21）：107-109.

作者简介：

路飞（1973年-），女，博士，教授，主要研究方向：机器人、智能控制等。