新时代“现代控制理论”课程思政案例设计

2023-03-22张丹，俞立

教育教学论坛 2023年4期

张丹，俞立

（浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州 310023）

一、课程思政的必要性与“现代控制理论”课程思政的可行性

大学生是中华民族实现伟大复兴的重要力量，他们的思想意识和观念则直接决定了社会主义事业的发展趋势［1］。随着互联网和新媒体传播途径的日益增多，当代大学生面临的诱惑和舆论引导也与日俱增。部分学生心智不够成熟，极容易出现思想偏差，一味地崇拜他国，不热爱自己的国家，甚至还出言不逊诋毁自己的国家和自己的同胞。此外，也有部分学生存在金钱至上、享乐至上、功利至上等极端思想，以自我为中心，把个人利益作为出发点，罔顾国家利益，缺乏社会责任感。

高校是思想道德建设的重要领地，通过思想政治建设，端正大学生思想政治信仰具有极其重要的社会意义［2］。2004年，中共中央国务院发出《关于进一步加强和改进大学生思想政治教育的意见》，明确指出加强和改进大学生思想政治教育［3］。2020年，教育部等八部门也发布了《关于加快构建高校思想政治工作体系的意见》［4］。在思想政治教育研究领域，诸多研究深入探讨了加强大学生爱国主义教育的迫切性问题，给出了多种实施路径以提高大学生的爱国主义情怀，还对改革开放以来大学生思想政治教育政策进行了调研，指出要持续推进大学生思想政治教育工作［5-6］。

“现代控制理论”是自动化专业的核心课程，包含大量控制理论发展历史的介绍和先进科学技术知识的传授，在历史长河中形成了一套严谨的科学理论与方法，涌现出了诸多励志的伟大历史人物，也创立了一系列先进的科学技术。课程内容包含丰富的课程思政元素，可以通过课程思政建设使学生形成严谨的学术修养，践行爱国爱家传统、铸造忠孝仁义精神，也可以从科学家们拼搏奋斗的精神中汲取奋勇前行的力量，激发学生投身于祖国大发展浪潮中的热情，为创造更加美好的社会主义国家而奋斗，为早日实现中华民族的伟大复兴而拼搏。

二、课程思政的由来

高校思想政治教育承担着培养中国特色社会主义合格建设者和可靠接班人的重大使命［7］。在大学中，课堂是老师与学生交流最为密切的场地之一，也是传道、授业、解惑最为重要的阵地。课程是实施高等教育教学的重要载体，也是影响思想道德教育和人才培养质量的关键要素。因此，最大限度发挥课堂教学的育人主渠道作用，深度挖掘课程思想政治元素，是提升高校思想政治教育实效的关键支撑点［7］。

高校思想政治教育可以分为显性思政和隐性思政。显性思政通过学习“马克思主义基本原理”“毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论”“思想道德修养与法律基础”“中国近现代史纲要”等核心思想政治理论课来提高学生的思想政治素质。隐性思政则是通过发掘在每一门课程中的思政元素，以润物细无声的方式达到思想政治教育目标。自2014年起，教育部在上海市开展课程思政试点工作，主要重点就在于如何在专业课程授课过程中融入课程思政，润物细无声，提高学生的思想道德水平。2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议中强调，要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应［8］。2020年，教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知，明确指出建设高水平人才培养体系，必须将思想政治工作体系贯通其中，必须抓好课程思政建设［9］。要发挥思想政治教育的关键作用，教师队伍是主力军，教师自身必须要有正确的思想认识，要能做到课程思政和思想政治理论课两者同向同行，形成1+1＞2的作用，最大化地实现高校思想政治教育功能。

与思想政治理论课不同，课程思政是一种隐性的思想政治方法，它是对高校思想政治教育的重要支撑，不能完全取代思想政治理论课。由于大学生对专业课的期许主要是学习专业知识，这也决定了课程思政只能在教学方式和内容等方面融入思政元素，不能全盘采用思想政治理论课的方式。因此，如何做好课程思政已经成为当前高校思想政治教育工作的热点研究课题之一。文章将重点关注如何在“现代控制理论”课程中发掘思政元素，发挥课程的育人作用，提高自动化专业的人才培养质量。

三、“现代控制理论”课程教学内容

我国高等教育的核心是要紧紧抓住提高专业人才政治素养与科学能力培养这一核心问题，通过传授先进的科学知识，树立正确的思想理念，培养社会主义伟大事业的可靠接班人［10］。因此，这注定了要在课程中进行科学能力培养的同时，也必须足够重视思想政治素养培育工作。课程思政是一种隐性的思想政治方式，必须通过课程理论知识作为有效载体才能发挥最大作用。那么如何在进行科学知识传授的同时，又能无缝地融入课程思政元素呢？首先，必须简要介绍“现代控制理论”课程内容。

“现代控制理论”是自动化专业、电气及其自动化、机械自动化等多个专业重要的专业基础课程之一，它为计算机控制系统、运动控制系统、过程控制系统的分析与设计提供必要的理论基础［11］。课程主要以理论分析为主，课程设计和实验为辅，主要内容包括：线性系统状态空间模型的建立、线性系统状态空间表达式的求解、线性系统的能控性和能观性分析、李雅普诺夫稳定性定理、状态观测器设计、基于观测器的输出反馈控制器设计、线性二次型最优控制等综合性问题［12］。课程目标包括：（1）理解并掌握现代控制理论的基础概念和建模方法，以及传递函数、状态空间模型等基础知识。能够运用机理建模方法和传递函数转换方法建立控制对象的数学模型，具备运用这些知识解决一定复杂系统的建模问题的能力。（2）掌握现代控制理论的基本概念和系统化分析方法，通过能控性、能观性、稳定性等理论知识的学习，能够具有解决复杂控制问题的分析能力。（3）理解并掌握现代控制理论的基本控制方法，掌握稳定化控制、极点配置控制、观测器、输出反馈控制和最优控制等基本控制器设计方法，掌握Matlab控制程序开发、调试技巧，培养学生利用开发工具解决/调试工程软件开发的能力，为后续学习其他专业课程打好基础。

从课程内容来看，“现代控制理论”课程主要从状态空间模型的角度认识控制系统，利用状态转移矩阵等工具了解控制系统状态的变化过程，通过极点配置和反馈控制改变控制系统的动态特性，最后根据实际工程需要，按照一定的性能指标来完善控制策略。从人类创造历史的两种基本活动“认识世界与改造世界”的辩证角度来看，“现代控制理论”课程本质上所对应的是一个认识世界和改变世界的过程，且要改变世界首先要能清楚认识世界，这是一切发展必须要遵循的本质和客观规律。

四、“现代控制理论”课程思政设计

教师个人也要与时俱进，紧跟科学研究最前沿，将最新的研究传递给学生，让学生了解最前沿的科学技术。在传授科学知识的同时，又要能够挖掘老一辈科学家吃苦耐劳、奋勇拼搏的精神，将政治认同、爱国情怀、民族自豪、道德修养传递给学生，引导学生增强对习近平总书记治国理政思想认知、提高对中国共产党创新理论的政治认同、思想认同、情感认同，坚定社会主义制度自信、中华民族文化自信等［13］。浙江工业工业大学信息工程学院各门课程在提高大学生科学素养和能力水平的同时，也在不断推进课程思政建设工作，从自动化专业认证要求出发，不断完善课程教学内容，深化立德树人教育目标，深入挖掘课程思政元素，实现思想政治教育和科学知识教育的有机融合。

“现代控制理论”课程是浙江工业大学信息工程学院自动化专业的必修课程之一。由于“现代控制理论”课程以理论授课为主，需要从课程内容中深度挖掘课程思政资源与案例，并在课程授课过程中无缝融入思政元素，让学生潜移默化地接受思想政治教育。以下是部分课程思政设计和资源案例的探讨。

要对一个被控对象进行有效的控制，首先需要了解和认清被控对象状态之间的内在影响机理，而了解和认识被控对象的一种有效方法就是建立被控对象的数学模型。“现代控制理论”课程内容的第一章就是控制系统的建模，即如何根据物理法则和内在机理建立状态变量之间的数学方程关系，通过输入输出数据进行系统辨识，来建立控制系统的状态空间模型。有了控制系统的状态空间模型之后，才能进行系统的运动分析和控制器设计。因此，系统的建模过程可以描述为一个认识世界的过程，只有认识了世界才能改变世界，可以传输唯有遵循客观的发展规律、掌握科学的辩证关系，运用科学的技术手段，才能真正实现价值提升的思想，引导学生脚踏实地、不走歪门邪道。

在“现代控制理论”课程授课过程中，一定会重点介绍李雅普诺夫稳定性理论。这是一套由俄国科学家李雅普诺夫经过多年深入研究后形成的极其严谨的理论方法。因此，在介绍李雅普诺夫稳定性理论时，可以穿插引导学生在课程学习上要有精益求精的学习作风，在工作岗位上要自觉实践各行业的职业精神和职业规范，在科学研究过程中要具备严谨的科学研究态度。由于可以通过李雅普诺夫稳定性理论来设计控制器，使得原本性能没有达到设计要求的系统也可以达到期望的目标，因此在讲解控制器设计知识点时，可以引出人的出生并不能决定一辈子的发展，通过个人努力与奋斗，也可以通往美好生活殿堂，借此可以大力宣扬奋勇拼搏精神，引导学生形成正确的世界观、人生观，树立积极向上的人生态度。由于系统的性能好坏取决于配置的极点，也有许多不同的方法可以实现极点配置，可以通过鼓励学生不断学习、掌握更多本领以实现国家的富强、民主、文明、和谐。

在“现代控制理论”课程授课过程中，离不开对现代控制理论历史的介绍，这当中不乏许多伟大科学家的先进事迹，钱学森就是这样一位伟大的科学家。钱学森教授成名于美国，美国海军次长丹尼金布尔评价钱学森：无论走到哪里，钱学森都抵得上5个师的兵力［14］。在1949年中华人民共和国成立后，时任麻省理工学院教授的钱学森毅然决定回国，但是却遭到了美国政府的百般阻挠。1954年，钱学森在被美国政府软禁期间撰写了专著《工程控制论》，该著作在出版后引起了科学界的强烈反响。《科学美国人》杂志希望做专题报道，并将钱学森的名字列入美国科学团体。这个想法被钱学森回信拒绝，信中写明了一句话：“我是一名中国科学家。”［15］虽然现代控制理论的奠基性工作主要由苏联科学家庞特里亚金的极大值原理、美国科学家贝尔曼的动态规划和卡尔曼的状态空间模型描述方法等组成，但是在当时国际上经典控制理论的知名大家并没有看清现代控制理论的发展势头。唯有钱学森高瞻远瞩地看到了现代控制理论蓬勃的发展趋势，以及对航空航天事业的重要作用。因此，在钱学森回国后，就和著名的数学家关肇直提出了要建立第一个现代控制理论研究实验室，这在当时是一个极富远见的建议［16］。钱学森在被软禁的时候还能写出《工程控制论》这一伟大著作，体现了老一辈科技工作者勤劳朴实、艰苦奋斗的作风。从钱学森在美国获得名望和体面的生活后毅然决定回归祖国说起，可以激发学生的爱国主义情怀，弘扬为社会主义事业奋斗终身的理想信念。在《工程控制论》出版后，钱学森明确了自己中国人的身份，借此可以宣扬做人不能忘本、仁义礼智信不能丢的传统美德。

在“现代控制理论”课程授课过程中，授课教师需要不断提高自己的知识储备，根据科学技术的发展来动态调节课程内容，完善课程大纲。在新理论、新技术的教授过程中，丰富课程思政内容，提高课程思政建设水平。例如随着控制规模的日益扩大、控制对象的日益复杂，现代控制理论研究的对象已经呈现出从单一模型到包含耦合、级联等关系的复杂模型。在智能交通领域，通过车与车、车与路、车与云的协同，可以实现交通流量的智能管控、减少燃油消耗、保护环境的目标。要实现车与车之间的协同控制除了车辆自身的控制之外，还需要设计车与车之间的网络通信关系，即解决好车与车之间的耦合关系。因此，在授课过程中可以增加前沿技术的讨论环节，如简要介绍现代控制理论在智能交通领域的应用。相关介绍不但可以扩展学生的视野，也可以让学生了解课程学了之后有什么用，能够解决哪些实际的工程问题，从而激发学习的积极性。另外网联车辆控制系统是一个典型的融合个体与整体关系的复杂系统，通过相关介绍也可以起到引导学生把国家、社会、公民的价值要求融为一体的作用，自觉做到把小我融入大我中才能实现全局的发展。

在“现代控制理论”的课程授课过程中，控制器设计也是非常重要的内容，它起着改变世界的重任。随着控制要求的不断提升，当前控制器设计已经呈现出了从单目标控制到多目标控制、网络化控制和智能化控制方向发展趋势，涌现出了预测控制、滑模控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等先进控制算法。例如车辆控制系统是一类典型的物理受限系统，预测控制方法由于可以较好地处理受限问题而广泛应用在车辆控制系统分析与设计中。通过简要介绍先进算法及其典型应用、布置课题设计进行讨论和交流，可以激发学生的学习积极性，也可以起到引导学生积极吸取新事物新技术、不断提高个人综合能力的作用。

在“现代控制理论”课程知识点讲解过程中，稳定性分析是一个非常重要的知识点。对于连续时间系统，控制系统的闭环极点只有保持在左半平面才能保证其稳定性。可以将人比作系统极点，只有遵循法律法规约束，牢固树立法治观念，才能保证良性发展。在稳定性分析方面，传统的稳定性定理探究的是如何设计控制器使得系统可以渐近收敛到平衡点。然而许多实际工程应用要求系统能够在有限时间内达到收敛，例如卫星发射过程中往往要求能够在有限时间内到达指定空间轨道。随着控制目标实时性要求越来越高，有限时间稳定性的研究受到了越来越多的研究关注，在实际系统分析与工程应用中也越来越广泛。因此，在授课过程中可以通过布置关于有限时间控制的原理和典型应用课程讨论来丰富课程教学模式，打破以老师主讲的“呆板”现状，提高学生学习积极性。让学生以PPT的形式来主讲收集的资料，以小论文的形式完成课程设计报告，锻炼学生的协作能力。通过有限时间控制方法的介绍可以引出要按时完成老师布置的作业和测验，培养学生勤奋好学的品质，也可以通过相关的成果展示，达到锻炼学生合作能力、提升团队化作战水平的目的。通过规范PPT制作、课程设计报告写作，可以引导学生自觉形成严谨的科学作风、恪守高尚的职业精神与规范、铸造纯洁的职业品格与习惯。