基于“专业+思政”双闭环模式的“自动控制原理”课程教学探索与改革

苗雅男,耿玉茹,杨林森,郑美芳

(成都工业学院 网络与通信工程学院,成都 611730)

2016年12月,习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出,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,使各门课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应[1]。思政课教学需要有创新、有改革,思政教学内容需要有亮点、有突破;非思政课教学需要发掘专业知识中蕴含的思政元素,将课程思政融入专业教学中,实现“思政课程”与“课程思政”在思想上的完美融合[2-3]。自动化技术是现代科技发展的重要推动力,是企业“两化”发展的关键技术,是实现工业互联网的重要支撑。而“自动控制原理”是自动化技术发展中的重要理论基础,是培养学生具有了解自动控制经典理论和共同规律、理解自动控制系统工作原理、掌握自动控制技术在工业控制领域应用等能力的重要手段,既包含了工程数学、大学物理等数理应用基础,又融合了运动控制、电力控制、现代控制等专业应用理论,同时也蕴含了诸多思政元素,如家国情怀、价值取向、科研理念、创新思想、工匠精神等。课程思政旨在将思政理念有机融合到专业教学中,在教学活动中将价值观、道德观、人文素养、创新精神同专业知识进行有机结合,发挥专业课程与思政课程的协同育人功能。

1 “自动控制原理”课程思政的Top-down设计

“自动控制原理”作为老牌的专业基础课,不仅专业性很高而且思政性极强,其中蕴含了丰富的课程思政元素。整门课程按照自顶向下(Top-down)层次化设计,可将其全部内容按章节进行模块化划分,构成“自动控制原理”课程中的思政地图,如图1所示。

图1 “自动控制原理”课程的思政地图

1.1 自动控制的发展历史

自动控制的发展历史不仅体现了人类文明和科学技术进步的历程,也映射了众多哲学思想和人文素养的形成过程,结合自动控制的发展历史,展现科技与人文的融合,增强学生代入感和体验感,便于引导学生坚定勇于追求真理、无私无畏、勇于献身的理想信念,培养学生具有精忠报国,时刻准备为祖国的建设奋斗终身的精神。

1.2 自动控制系统的数学模型

常见自控系统的建模方式有很多,建模方法虽然不尽相同,但实质是相通的,可以按照等价变换的原则进行互换,以便于不同情境需要下的应用表达。数学模型的等价变换映射了人与人之间自由、平等的相处之道,以彼此尊重作为基础,遵守诚信友爱、公平公正的原则,才能构建和谐社会。

1.3 自动控制系统的稳定性判断

对于任何自动控制系统而言,稳定性必然是首要条件,任何系统分析都必须以稳定作为基础。对于自动控制系统是这样,对于社会系统更是如此。社会稳定是第一要务,只有社会环境稳定了,才有国家的快速发展和人民的安居乐业[4]。当发现社会矛盾时,我们应该“晓之以理、动之以情、明之以法”去化解矛盾,为实现国家的稳定、富强、文明、和谐贡献自己的力量。

1.4 自动控制系统的时域分析

自控系统的时域分析中存在对立统一的矛盾。时域分析中动态性能、稳态性能和稳定性要求通常存在相互制约、相互矛盾的关系。所以,在进行结构设计和参数选取时要考量综合因素以尽可能达到平衡,在保证稳定性的前提下兼顾动态和稳态性能的要求,达到合作共赢的效果[5]。

1.5 自动控制系统的复域分析

根轨迹法是复域分析的基础,这个概念是20世纪40年代由W.R.Evans在“控制系统的图解分析”中提出来的,用以研究当开环增益或其他参数改变时,闭环零、极点在S平面上的分布情况,以此来确定系统的相关性能[6]。从复域分析中映射出处理问题时要统筹全局,追根溯源、抓住问题关键,分清主次,问题才能迎刃而解。

1.6 自动控制系统的频域分析

自控系统的频域分析典型方法是三频段理论,可以映射出人生的不同阶段。三频段理论中的低频段代表控制系统的稳态性能,对数幅频特性曲线抖且高,像人生的青年阶段,充满了青春活力,敢拼敢闯,斗志昂扬,热情奔放;中频段代表控制系统的稳定性和动态性能,对数幅频特性曲线缓且宽,像人生的中年阶段,充满了理性克制,眼界宽广,沉稳淡定,成熟坚毅;高频段代表控制系统的抗干扰性能,对数幅频特性曲线抖且低,像人生的老年阶段,饱经风霜,从容不迫。不同频段对控制系统的要求不同,正如不同的人生阶段所扮演的社会角色不同,目标规划也不同,不同的阶段做不同的事情,应势而谋、因势而动,顺势而为。

2 “自动控制原理”课程思政的双闭环负反馈模式

传统教学方式下专业知识和思政知识虽然存在辩证的相互依赖关系,但二者相互融合并不紧密,“自动控制原理”教学大纲中对人文知识和思政教育也鲜有提及,以至于专业教学和思政教学互为2个独立并行的单闭环结构,学生在专业课程中很少接收到有关于思政的启发和教育,难以符合新时代新工科背景下的人才培养要求,如图2所示。

图2 并行单闭环负反馈结构

要想“以德树人”,就需要在传统单闭环教学模式基础上增加思想道德素质培养的闭环结构,形成“专业知识+思政知识”的双闭环负反馈结构,让课程思政在专业教学中发挥显性作用,如图3所示。

图3 双闭环负反馈结构

在专业教学环节中加入一个课程思政的闭环负反馈结构,形成“专业+思政”双闭环模式,从双闭环的内环出发,由专业教师借助思政知识反馈闭环激发学生学习的主观能动性,在专业教学过程中,根据学生对课程思政的理解程度,适时融入思政内容,以便学生对专业知识和思政知识进行更多探索;双闭环的外环即专业知识闭环,该环节能够更好地调节学生对专业知识的学习,但专业知识往往抽象难懂,使学生失去学习兴趣,这种情况下,专业教师就可以借助思政知识调节器的辅助作用,寻找学生的思政兴趣点,适当的融入专业教学中,调剂枯燥的专业知识,提高学生的学习热情,在保证思政育人的同时,更好地开展专业教学,按照专业人才培养要求培养出“德才兼备”的学生,真正意义实现专业与思政的融合[7]。

3 课程思政案例

3.1 闭环负反馈控制理论(闭环负反馈的概念基础)

3.1.1 专业元素

反馈是一种常见的控制系统结构,其核心机理是产生偏差量。反馈的类型有多种,其中控制系统中最常用的方式为闭环负反馈控制,这种控制方式可保证被控量按照给定的规律变化,消除偏差,实现自动调节,保证系统的稳定性。

3.1.2 思政元素

“不忘初心,继续前进”,在日常生活中,不论是工作还是学习都要设定目标,并为之努力奋斗,用拼搏和汗水不断向目标前进,只有积极向上坚持不懈才能无限接近目标,即便在前进的过程中会受到干扰、阻碍,也要克服困难,迎难而上,排除干扰,保持初心,继续前进。正如自动控制系统中的闭环负反馈结构,有头有尾、有始有终,且控制过程中所产生的偏差使我们意识到和设定的目标距离有多远,要通过怎样的方式调节控制才能努力达标,让理想照进现实。

3.1.3 教学过程设计

1)课前准备,在智慧树教育平台上发布课程相关专业内容(控制任务)以及推荐“学习强国”平台上与课程相关的思政内容。

2)课堂讨论,专业内容:期望目标(给定量)、达成目标(被控量)、困难险阻(干扰量),控制手段(控制装置);思政内容:理想与现实要通过不断努力才能拉近距离。

3)课后总结,成功的取得来之不易,其背后都需要艰辛的付出和努力,作为未来的工程师,同学们应该树立远大目标、坚定理想信念 、担负社会责任、实现人生价值。

3.2 闭环负反馈控制应用(电梯控制系统案例设计)

3.2.1 专业元素

在电梯控制系统的开环结构中加入1台测速发电机,即可构成转速闭环控制系统。由于引入反馈环节,使得信号的传递路线形成了闭合回路,输出量可以直接作用于被控制量,以减小甚至消除偏差,从而解决了开环系统精度不高以及适应性不强的问题,改善了控制效果。

3.2.2 思政元素

“一丝不苟、精益求精”,随着城市化进程的发展,高层建筑日益增多,电梯成为了人们日常出入高层建筑的重要工具,关乎人们的生命财产安全。但近些年来由于电梯失控导致的坠落以及快速冲顶等安全事故,给人民群众的生命财产安全带来威胁。因此,作为工程设计人员除了具备过硬的工程专业能力,还必须具有严谨的科学态度和精益求精的“工匠精神”[8]。

3.2.3 教学过程设计

1) 课前准备,通过智慧树教育平台向学生推荐中国大学MOOC中讲解电梯系统的闭环控制原理和方式的视频;引用2020年11月24日习近平总书记在全国劳动模范和先进工作者表彰大会上重要讲话,强调“大力弘扬劳模精神、劳动精神、工匠精神”[9]。

2) 课堂讨论,专业内容:研究电梯控制系统的组成和原理,明确基本构成要素以及各要素之间的配合关系,分析闭环控制过程,体会闭环负反馈的作用;思政内容:讲述老一辈科学家“干惊天动地事,做隐姓埋名人”的工匠风貌和崇高品质。

3)课后总结,安稳的电梯控制系统能够守护人们的生命财产安全,给社会和国家安全带来保障。精准实现工程技术的应用是工程人员的责任和使命,因此要学习老一辈科学家科学严谨、技术精湛的职业态度和操守。

3.3 闭环负反馈设计案例

3.3.1 专业元素

随着现代社会汽车保有量的增长,汽车安全性也越来越受到关注,人们开始对汽车制动系统提出了更高的要求,以确保刹车时司机和乘客的安全。制动防抱死系统(Antilock Brake System,ABS)通过调节、控制制动管路压力,避免车轮在制动过程中抱死而滑移,具有改善汽车制动时稳定性及操纵性等优点。

3.3.2 思政元素

每年因刹车问题或刹车失灵所导致的事故占交通事故的很大比例,汽车的刹车系统是影响汽车安全的重要因素,因此,为了提高汽车进行刹车时的安全性,避免刹车抱死现象出现,在汽车安装ABS系统是十分必要的。那么安装有ABS的系统相较于未安装ABS的系统所具有的优势可以用Simulink进行建模与仿真,通过对比多项性能指标的仿真曲线图,分析并体现ABS系统所具有的安全性。作为工程设计人员必须具有严谨的科学态度、良好的职业道德素养和一丝不苟、精益求精的“工匠精神”。

3.3.3 教学过程设计

1) 课前准备,通过智慧树在线教育平台向学生推荐中国大学MOOC讲解相关专业知识点的视频(Simulink的建模与仿真以及系统分析方法)。

2) 课堂讨论,专业内容:对安装ABS的系统进行研究,建立相关数学模型,并进行仿真分析与性能指标比较,性能指标包括:车速与轮速、滑移率、附着系数、制动距离等;思政内容:讲述老一辈科学家“干惊天动地事,做隐姓埋名人”的工匠风貌和崇高品质。

3) 课后总结,安装ABS的系统能给驾驶人和行人的人身安全带来保障,即给社会和国家安全带来保障。学习老一辈科学家为国奉献、甘为人梯,砥砺奋斗的“工匠精神”。

4 考核机制

传统的考核方式通常以单一的课本知识掌握情况以及简单的课程实验考核为主,难免存在应试教育的弊端,难以反映学生的真实学习状况及综合能力素质,并且由于存在“重技能而轻德育”的传统教学观念,所以考核方法中很少涉及对思政内容的考核。为真正实现能力培养与价值塑造同向同行,将传统唯结果论的考核方式转向过程性考核,不设置期末闭卷考试,将成绩组成分散到平时的实验、竞赛以及思政表现中,同时课程思政教学需常态化,增强学生对思政内容的学习和理解,如表1所示。

表1 考核方式对比

改进后的考核方式体现了教学评价多元化与多样化的结合,增加了对学生平时表现的关注,激发学生的学习热情,增强对学生表达能力的培养;提高了实验成绩的比重,鼓励学生多动手,培养实际操作的能力;加大了对竞赛考核的认可,承认学生在学科竞赛中取得的成绩,以赛促学,激励学生在竞赛中成长;融合了思政考核机制,巩固强化思政教育成果,发挥思政教学在专业课堂中的育人功能。

5 实施效果与反思

自实施教学改革以来,在团队教师的共同努力下,“自动控制原理”被认定为2022年“省级课程思政示范课”。同时,在校学生的综合考评成绩也在稳步提升。本学年共有144名学生选修“自动控制原理”课程,从最后的总成绩来看,学生在学习过程中不再拘泥于通过期末笔试获得学分的目标,而是真正开始思考要从课程学习中汲取哪些营养、得到哪些能力提升,变被动学习为主动。同时,通过多角度的考查方式,充分肯定了学生各方面所展现的才能,也认可了学生正向、积极的表现,通过对教学方法和考核模式的调整,学生的综合能力得到了显著提升。同学们表示通过多维度的教学方式,使得引入了思政内容的专业学习不再枯燥乏味,尤其课程中穿插的人生哲理和爱国主义案例,更激发了学生们的学习热情,大家都立志要成为国之科技栋梁,为中国科技之崛起而努力奋斗。

通过学生的反馈意见结合自身教学感悟,得到如下反思:进一步提高思想认识,不断提高教师自身思想修养和觉悟,将思政元素植入专业教学理念,实现专业与思政的真正融合;改进教学方法,将专业教学内容与当前时事相结合,让思想与专业都与时俱进,紧随时代发展;发挥教学团队的力量,多增进专业类和思政类教师之间的交流学习和经验分享,共同设计适合于专业教学的思政案例。

6 结语

为实现专业课程与思想政治教育同向同行,以“自动控制原理”课程为载体,将思政教育融入专业课程,打造“专业+思政”的双闭环教学模式,以负反馈结构平衡实际教学效果同预期的差距。在坚守专业目标定位的同时,融入社会主义核心价值观、爱国主义教育和人文素质培养,在专业教学中践行思政教育。课程教学探索与改革虽然初见成效,但课程思政的建设仍然在路上,任重而道远。作为专业课程教师,未来要肩负专业课程建设和课程思政改革的重任,为努力培养出推动社会主义发展的优秀科技人才贡献智慧与力量。