自动控制理论课程思政的教学设计

杨汇军，孙丽颖

自动控制理论课程思政的教学设计

杨汇军，孙丽颖

(辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

为适应自动控制理论课程思政的改革需要，研究了自动控制理论课程思政的教学模式与案例，针对建模、时域分析、稳定性分析、频域三频段分析四个知识点，挖掘思政元素，并按课程培养目标对其进行教学设计。分析各思政元素的恰当切入点，采用问题导向或引入小故事、典故及小视频等途径引入思政元素，为课程教学添加适宜的“催化剂”，既可培养学生的工程设计和创新能力，又可提高学生的综合素质，推动专业基础课程思政的改革与创新。

教学模式；思政元素；教学设计

习近平总书记指出，“思想政治理论课是落实立德树人根本任务的关键课程”，思想政治理论课改革创新要坚持“八个相统一”，其中包括“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]。为适应高校现阶段“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程”的教学需求，同时遵循高阶性、创新性、挑战性的要求，深挖自动控制理论课程的思政教育元素，寻找思政教育的切入点，将社会主义核心价值观融入课程内容，实现课程思政与教学内容的多元化教学设计，具有重大现实意义。

一、基于OBE的课程思政模式

适应公共问责制的兴起，高等工程教育更加关注教育投入与实际产出的现实需要。成果导向教育理念（Outcome Based Education，OBE）是以终为始、以学生为中心的教育，其强调以下四个问题[2]：学生应该达到的学习效果是什么？为什么能取得这样的学习效果？通过什么方法达到学习效果？如何评价学习成效？按照OBE的教育理念，有必要设计基于成果导向的自动控制理论课程思政教学模式。

（一）教学模式

自动控制理论课程采用以学习成果（OBE）为导向，以学生为主体，以行业企业用人需求为考核标准，确定教学目标，并实现思政目标与教学内容融合，达到“如盐入水”的思政育人效果。按企业用人需求设计知识、能力及素养多维度的考核指标，核验学生的综合培养成果，及时调整教学目标、教学内容及教学方法，形成闭环的教学监控模式，具体教学模式如图1所示。

图1 教学模式设计

（二）教学设计

自动控制理论课程可融入的思政元素源于社会主义核心价值观：规则意识——立德树人、价值塑造；行为意识——能力培养、价值塑造、爱国精神、工匠精神、创新精神以及家国情怀。按照授课知识主线：数学建模、时域分析、根轨迹法、频域分析、系统校正与设计、采样控制系统分析与设计，教学设计思路如图2所示。结合用人单位对毕业生的综合能力及素养要求，设定每章的知识目标、能力目标及素质目标；深入思考、挖掘知识点的思政元素，并将思政元素以小故事、短视频、问题导向、线上MOOC讨论等不同形式融入课程的教学。思政元素的切入为枯燥的理论授课增添了“催化剂”，使课堂充满趣味性。明确各知识点的成果考核方式。课程考核分别从线上MOOC平台、实验课堂、实验技能测试及期末测试四方面开展。每种考核途径均体现各知识点所支撑的学生素养和能力。

图2 教学设计思路

二、机理建模与实验建模的思政教学设计

（一）思政元素解析

自动控制理论课程旨在介绍自动控制系统分析和综合的基本原理及方法，需要明确被控对象的数学模型。建立数学模型可采用机理建模和实验建模两种方法。引用老子《道德经》观点：天下难事必作于易，天下大事必作于细，在实验教学中融入大局意识和创新精神。在机理建模中，针对复杂的工业对象，如何能相对准确地获得数学模型，这就要求必要时忽略一些次要因素，抽象出简化的数学模型，而引申到我们工作与学习中，就在于突出主要因素、树立大局意识。同时，在同一对象建立模型中，选择不同的输入量和输出量，得到的数学模型是不同的，以此引导学生增强创新意识，引入多元视角，看到不同的情境，产生截然不同的想法与感受，从而启发学生的创造性思维。

在实验建模中，“学起于思，思源于疑”[2]，带着疑问进实验课堂，将细心及创造意识融入实验教学。在实验教学中，搭建工业典型对象的模拟电路，鼓励学生改变电路参数、多次重复测试曲线，然后细心分析测试数据，将创新设计与细心操作结合，培养学生的创新意识。同时，在实验电路特性的测试中，必然存在各种各样的干扰，抗干扰能力至关重要，此时引入“孟母三迁”典故，借指选择适宜的环境会达到事半功倍的效果。

（二）教学设计

机理建模和实验建模旨在培养学生分析工业对象特性的能力，是实现系统分析与设计的基础。

1. 采用以学生为中心、以问题为导向的方法导入思政元素。在水箱液位对象的建模中，首先分别为学生设置以下问题：输入变量、输出变量、中间变量各是什么，如何列各变量方程；然后如何化简消除中间变量；最后获得对象模型的标准化形式。此部分内容可引入大局意识。提示学生水箱对象作为一阶单容自衡对象的特点，分析输入量与输出量，针对工程实际中的水箱对象，按水箱的储水能量守恒的原理，由学生带着如何选取变量、模型的阶次以及是否具有惯性等问题，分析各变量、列取微分方程、化简、模型标准化。随机抽取学生提交答案并分享体会。教师对学生提交的答案进行解析：说明以进水量为输入、以液位为输出，中间变量为排水量，严格来说排水阀门的流体阻力并非常数，它与液位、流出量为非线性关系，那么在液位范围变化不大时，可以忽略非线性的影响，近似认为线性关系。这样处理以后，很容易得到液位对象的数学模型，自然地让同学们联想到忽略次要因素、体现大局意识。此时，让学生思考：在分析工程实际问题中，寻找从众多因素提炼出核心问题的途径，逐步形成大局意识。这种大局观是一种实践能力，也是一种基本的素养。

2. 在理论和实验建模方法讲解中，强调简单的实验也需要细心、耐心和好奇心，常怀揣问号走进实验室。在等同于水箱一阶惯性环节的RC电路时域响应分析中，每名同学预习并自己设定问题，通过实验测试响应曲线，测试时间常数T和放大倍数K等相关数据，以得到RC电路的数学模型。在实验数据的测试中，T与K经过多次测量才能准确。同时，让学生改变输入输出变量，测试不同的阶跃响应曲线，构建不同的测试环境，得到不同的数学模型。通过“进实验室像一个问号，出实验室是一个句号”的过程，激发了学生的创新意识。在理论建模与实验建模中，均采用问题导向的方式实施思政策略，在MOOC平台上发布讨论话题，来检验学生机理建模与实验建模环节所得。从学生讨论核心看，大多数学生能树立大局意识，并掌握了建模的基本方法。

三、二阶系统时域响应分析的思政教学设计

（一）思政元素解析

在工业生产过程中，复杂工业控制系统大多可以近似为二阶系统，而对二阶系统在各种阻尼情况下的响应分析可知：在单位阶跃信号作用下，随着阻尼比的变化，响应曲线由单调无超调、衰减振荡到等幅振荡等形式变化，系统的稳定程度不同。因此，思政元素可以设置为：内因是事物发展变化的决定因素，可规定事物发展的基本趋势和方向，同时外因的作用无论多大，也必须通过内因才能起作用，以此引入弘扬民族与爱国精神的思政元素。

（二）教学设计

二阶系统响应分析采用短视频导入“一只蚂蚁”的故事。授课课件中引入内因与外因的关系，激发学习兴趣；针对温度控制系统，设定值为相对量1的时候，分析其阶跃响应曲线，不同阻尼下的阶跃响应曲线如图3所示。

图3 二阶系统单位阶跃响应曲线

输入信号是对温度系统的期望值，该系统的阻尼比在大于等于1时，时域响应曲线为单调上升过程；当阻尼比为大于零而小于1时，时域响应曲线为衰减振荡过程；而阻尼比接近等于0时，时域响应曲线处于临界稳定的等幅振荡过程。显然阻尼比在大于0的范围内是稳定的，且不同曲线的峰值时间、超调量各不相同，互相制约。若要满足指标要求，均衡考虑平稳性和快速性，阻尼比必须为恰当的一个值。在系统的阶跃响应指标分析中，既要协调平稳性和快速性的性能指标外因，也需调整内因阻尼比。而阻尼比由二阶系统自身的结构特点决定，由此引发学生思考，要取得事情的成功，关键在于主观努力。“打铁还需自身硬”，引导学生在学习工作及生活中，勇于担当、及时修正自己，进而引导学生爱国、强国，将来投身于中华民族复兴的伟大事业中；同时外因的约束也非常重要，需要学生充分重视外在的环境影响，客观地评价自己，让自己成为有用之才。

二阶系统阶跃响应的分析，以短视频方式导入，增加了课堂的趣味性。在实验技能测试环节中，A类试题设置二阶系统的电路设计，并测试不同阶跃输入下的响应。与前一教学周期相比，选A类试题学生增加了20%，二阶系统电路设计的创新性和正确性考核知识目标、能力目标及素质目标均较好实现。

四、系统稳定性分析的思政教学设计

稳定性是系统正常工作的首要条件，在时域分析、根轨迹分析及频域分析中均有相应的评价方法，是学生分析与设计系统必须掌握的理论知识。

（一）思政元素解析

在稳定性概念阐述中，引用“天下之本在国，国之本在家”[3]，家和万事兴。从各种工业控制系统的稳定性，引申到每个小家庭的和睦团结，也联想到社会、国家的稳定性意义。从我们国家的安定团结、国泰民安、致力于发展经济，到新冠肺炎疫情下，以中国速度抑制疫情，一方有难八方支援的中国风，国民才有幸福感。引导学生对自律重新认识，在低谷时，不堕落，发愤图强；而在巅峰时，实时警戒自己，以此形成自己正确的人生观。

（二）教学设计

在讲述稳定性概念之前，以随堂小实验的方法，介绍小球在光滑凹面的底部和光滑凸面的顶部两种运动之后的状态，引发学生思考稳定性的含义和同班同学、同寝室同学团结的重要性；同时以PPT列出航天员在太空行走的图片、炼油装置的实时工业监控系统、2022年北京冬奥会中国队员出场的画面以及武汉疫情后解封的激动时刻，既引导学生思考稳定的深层次意义，也让师生共同体验爱国情怀。最后让学生分享在遇到难题时该如何做，在学业、职场非常得意时该如何做，就像凹面中底部的小球，摇摆中慢慢平衡下来，而在顶部的小球，冲到了顶部，视野宽阔，但稍有不慎就会前功尽弃，因此需要实时警戒自己。

在授课中，以课堂小实验和时事热点问题，引发学生思政话题的思考，学生很容易接受，教化于无形；期末考试试卷中的稳定性分析，学生答题情况较好，同时在实验课堂授课环节的自律方面以及实验报告的提交过程中，都有明显改观，达到了思政与理论知识巧妙融合的目的。

五、三频段分析的思政教学设计

（一）思政元素解析

在频域分析中，开环幅相频率特性曲线按低频、中频和高频三频段分析，由此可折射人生要过好三个阶段。人生每个不同的阶段都要实现不同的目标，国家发展各阶段也有规划目标，引导学生要有规划意识，自觉规划各阶段目标。

（二）教学设计

在讲述开环频率特性中，针对低频、中频及高频三频段分析系统的稳态性能、暂态性能及抗干扰性能，引用孔子“君子有三戒：少之时，血气未定，戒之在色；及其壮也，血气方刚，戒之在斗；及其老也，血气既衰，戒之在得。”[4]引导学生思考，宏观上映射人生的三个阶段：不同年龄阶段要求不同，不同阶段要做好规划，有不同的努力目标；微观来讲，映射大学生不同年级的心态、规划重点。当代大学生要打好根基、厚积薄发，勿陶醉于爱情，需要长知识、增阅历；同时对今后的学习工作做好规划。要抵制名利、财富的诱惑，不要在奋斗中迷失自己，做到“时时勤拂拭、莫让尘掩盖”[4]。引发学生对大学学习生涯的思考（小组讨论）：（1）大一（初入学）——牢固搭建基础“地基”；（2）大二（脱离稚嫩）——创新创业团队创新能力培养；（3）大三（成长期）——升学或职业技能储备；（4）大四（成熟期）——职业选择。每个阶段的需求不同，制定的目标不同，但都有一定的底线约束。

时域指标在三频段展现的三种不同性能，引出学生对人生不同阶段的思考，进而对大学学习生活的规划，让学生在学习中感受规划的重要性。可以从MOOC平台发布小调查——关于学生对考研与就业的职业规划选择,调查较好地展示了学生理论知识与思政素养的结合实效。

六、结束语

本课程分别对自动化、测控、电气19级学生实施了思政教学改革，从MOOC平台线上讨论、实验课堂实时效果、实验技能测试成绩及期末考试成绩等方面考核，学生的总体评价均有一定程度的提升。2021/2022-1学期对测控专业51名同学进行问卷调查，通过MOOC平台以匿名形式开展，有10.5%的学生对是否加入思政保持中立态度；3.9%的同学认为没必要、占用时间；85.6%的学生认为需要并能接受，而该课程思政的总体满意度也达到98%。从调查问卷结果来看，教师也需要不断改进融入策略和方式，尽可能达到“盐与食材相溶”的效果，增加课堂“滋味”，培养学生的人文素养和创新意识，逐步增进专业基础课程的思政实效性。

[1] 习近平. 用新时代中国特色社会主义思想铸魂育人贯彻党的教育方针落实立德树人根本任务[N]. 人民日报，2019-03-19(01).

[2] 朱婕, 徐刚. 基于OBE理念的自动控制原理实验课堂教学改革与实践[J]. 赤峰学院学报(自然科学版), 2019, 35(12): 149-151.

[3] 习近平. 在2018年春节团拜会上的讲话[N]. 新华社，2018-02-14(01).

[4] 李莉. 论语的智慧[M]. 呼和浩特：内蒙古人民出版社，2001: 143-153.

10.15916/j.issn1674-327x.2022.06.034

G642.0

B

1674-327X (2022)06-0128-04

2022-01-28

辽宁工业大学课程思政示范课程项目(2021)

杨汇军(1970-)，女，辽宁凌海人，副教授。

(责任编辑：付春玲)