基于新工科能力导向的机械控制工程课程思政案例设计

王海芳 黄鹏 谷琼蝉

摘  要：课程思政是落实立德树人根本任务的核心举措，针对新工科国家创新工程人才的培养需求，总结机械控制工程课程思政目前存在的问题，基于目标导向教育理念，分析机械控制工程课程知识组成及能力导向，构建爱国主义、核心意识、辩证关系和自我革命四个方面的教学案例设计。实践表明，可实现专业知识与课程思政的有效结合，从而促进学生思想、知识、能力及素质的协调发展。

关键词：课程思政;新工科;机械控制工程;目标导向教育;教学案例

中图分类号：G641        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）01-0184-04

Abstract： Curriculum ideological and political education is the core measure to implement the fundamental task of building morality and cultivating university student. In view of the training needs of emerging engineering national innovation engineering talents， the current problems of ideological and political curriculum of Mechanical Control Engineeringis presented. Based on the outcome based education， the knowledge composition and ability orientation of mechanical control engineering course is analyzed， and the teaching case design in four aspects of patriotism， core consciousness， dialectical relationship and self-revolution are constructed. The implementation results shows the combination of professional knowledge and course ideological and political education is realized， thereby， the students' thoughts， knowledge， abilities， and qualities is promoted.

Keywords： course ideological and political education; emerging engineering; Mechanical Control Engineering course; Outcome- based Education; teaching cases

2016年12月，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上明确指出，“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，实现全程育人、全方位育人”“要用好课堂教学这个主渠道……使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”[1]。

课程思政把人的价值观培养放在首要位置，每一门课程都以立德树人为根本，将知识教育、理想信念教育和道德教育有机融合。课程思政是思想政治课在专业课中的延伸和提高，大大冲破了思想政治课教育的局限性，发挥自己独特的教育效力[2]。

党的二十大报告指出，教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。联合国教科文组织也指出，高等工程教育要从“技术范式”发展为“科学范式”，进而转换为“工程范式”。新工科以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，为高等工程教育的改革探索提供了一个全新视角和“中国方案”[3]。

目标导向教育是一种面向市场需求的、重点强调学生能力培养和能力训练的工程教育模式[4]。新工科同样也强调学生学习的主动性以及“学”与“做”的有机结合，如此，新工科与目标导向教育结合实践会有助于实现复合工程技术人才的培养。

机械控制工程是机械类专业一门专业基础课，该课程是从控制方法论的角度，研究控制系统的建立、分析与设计的方法，是一门理论性较强的课程。目前，国内部分控制类的课程思政建设成果很不错，如王晓梅等[5]在做好机械控制工程基础教学团队、师生学习共同体和课程网络平台资源基础上，通过挖掘专业教学内容中的育人元素，构建“以学生为中心”和“产出导向”改革教学方法与考核评价，专业教学与课程思政同向同行，落实立德树人根本任务。杨汇军等[6]针对自动控制理论建模、时域分析、穩定性分析、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，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”，推动专业基础课程思政的改革与创新。侯明哲等[7]从自动控制原理课程的性质和特点入手，重点提炼了课程思政元素，进一步分析了典型教学案例，旨在为提高课程教学质量和深化教学改革，为实现立德树人的根本任务及提升学生的综合素养提供了有益参考。王云[8]以社会主义核心价值观为主线，从家国情怀、社会责任和个人修养三个层面对自动控制技术课程教学内容进行优化设计，进一步完善课程思政教学内容建设，教育引导学生将国家、社会的价值与个人的价值融为一体，坚定“四个自信”，增强“四个意识”，实现“三全育人”目标。

以上研究成果均取得了不错的教学效果，对机械控制工程课程的思政元素挖掘与教学案例设计与实践起到了很好的示范作用。针对机械控制工程实际教学存在的问题，以新工科创新理念为背景，构建机械控制工程课程的知识组成及能力导向，以案例为任务驱动，实现了专业知识与课程思政的有效结合，从而促进学生的思想、知识、能力及素质协调发展。

一  机械控制工程课程思政目前存在的问题

首先，部分授课教师认识不充分和不主动，随着专业的细分，专业课程之间融合度似乎在下降，部分老师认为思想政治教育仅仅是思想政治理论课和思想政治理论课教师的事情，与其他课程和课程教师则无关，从而导致学校思想政治教育在其他专业课程中部分出现认识不充分和不主动的现象。

其次，立德树人落实不全面，在全球互联网背景下，多元信息鱼龙混杂，各种价值观交叠冲突，单一的思想政治教育难以为继，需要在整个教育过程中贯彻立德树人的目标，作为专业课程来说，虽然主要的教学时间在于专业内容，但是需要以思政要素作为基础和引导，教会学生正确运用科学专业知识，传递社会和专业“正能量”，减少各种“杂音”的干扰。

最后，课程思政教学案例不够深入，机械控制工程课程内容整体可以划分为机械控制一般概念、控制系统建模、控制系统分析、控制系统设计四部分内容，理论性强，内容抽象，对于机械类专业学生而言，往往需要具体的教学实际案例和思政资源作牵引，从而满足新工科背景下的人才培养目标。目前，教学实际案例和思政资源较为分散，缺乏一定的系统性和逻辑性，不够深入，需要进一步加强教学案例建设。

二  机械控制工程课程知识组成及能力导向

目标导向教育采用专业需求→教学目标→课程知识的逆向设计原则[9]，即从专业需求开始，由需求决定教学目标，再由教学目标决定课程知识，可以快速适应专业的需求变化。

控制工程在机械工程中主要起一个模型提供和特性分析作用[10]，因此机械类专业需要机械控制工程课程提供反馈控制系统的构成、控制系统数学模型的建立方法及系统时域、复域、频域分析和校正方法的内容。

基于上述专业需求，按照新工科理念，机械控制工程课程的学生知识组成及能力导向如下。

首先，掌握机械工程控制论的基本概念、控制系统的原理、组成以及性能指标，并能将所学的专业基础理论知识用于控制问题的描述中。培养学生运用控制理论的原理去分析各类机械系统的能力。

其次，掌握运用力学、机械和电气等基础知识建立描述系统动态特性的时域数学模型的过程，从而掌握衍生的传递函数和频域数学模型的建模过程，掌握系统传递方框图及其简化过程。培养学生运用各种基础知识和方法建立不同控制数学模型的能力。

再次，掌握控制系统分析的方法和过程，包括时间响应分析、频率特性分析和稳定性分析，能够对系统的稳定性和性能指标进行分析评价。培养学生运用控制系统的各类方法对控制系统进行分析的能力。

最后，掌握控制系统设计校正的方法和过程，包括常用的串联校正、反馈校正、顺馈校正和PID控制规律，能够按照控制系统的实际性能指标，运用合适的校正方法对控制系统进行各类校正。培养学生运用各类校正方法对控制系统校正的能力。

三  机械控制工程课程思政教学案例设计

按照上述的机械控制工程课程的知识组成及能力导向，主要从以下四个方面挖掘和设计课程思政教学案例。

首先，突出控制理论发展中的爱国主义教育，在自动控制理论发展历程中，我国古代劳动人民在控制系统方面有着重要的贡献，我国现代科学家在的理论发展史上作出了杰出贡献。具体的案例如下。

以1027年宋代的燕肃所造的指南车为例，讲解无论机构如何运行，小车的指向始终不变，根据自动控制原理分析，这是一个典型的开环顺馈控制系统。

以1086—1089年北宋的苏颂和韩公廉所造的水运仪象台为例，讲解该装置是一个利用误差进行控制，具有负反馈的自动控制系统，比瓦特发明的蒸汽机离心调节装置早700余年。

以1954年我国科学家钱学森所著的《工程控制论》为例，讲解从控制论这一总题目中，把当时科学技术与工程实践所证明了的部分分离出来，创立了工程控制论这门学科，这对推动控制理论的具体应用起到了极大的作用。

以1985年我国科学家邓聚龙所著的《灰色控制系统》为例，讲解相对信息完全明确的白色系统和系统信息完全不明确黑色系统，确定信息部分明确、部分不明确为灰色系统，选择适当的序列算子，作用于部分已知信息，使之逐步变成白色系统，从而实现对现实世界的描述和认识。

以上案例从历史维度展示了我国在控制装置发明和理论发展过程中的贡献，然后从文化自信的角度，突出了爱国主义教育，引导学生坚决做到中国特色社会主义道路自信、理论自信和制度自信。从而凸显了爱国主义教育，激发了学生的民族自豪感。

其次，突出控制系统中的核心意识教育，数学模型是自动控制系统中的核心，决定了系统的基本性能。突出核心意识教育，始终做到坚决拥护核心、堅决听从核心、坚决维护核心，确保党的领导更加坚强有力。具体的案例如下。

以自行车骑行和卫星发射为例，讲解不论是经典控制理论还是现代控制理论，控制的核心不外乎都是数学模型，其是控制论的基础。经典控制理论基于数学模型可解决单入单出系统（自行车）的稳定性、快速性和准确性等问题。现代控制理论基于数学模型可解决多入多出系统（卫星）的能控性、能观性和稳定性等问题。

以机械质量-阻尼-弹簧系统和电气电阻-电感-电容系统为例，讲解时域数学模型建立的过程，以此为基础，应用拉普拉斯变换建立传递函数，应用傅里叶变换建立频域数学模型，从而搭建经典控制系统中的三大数学模型。现代控制理论也是根据时域数学模型应用状态空间方程描述多系统的输入和输出。

以数控机床直线运动工作台位置控制系统功能图和传递函数方框图为例，讲解图形化的传递函数方框图的建立及其简化过程，此类图形化数学模型形象地表述了系统内部各环节的数学模型，各变量之间的相互关系以及信号走向。但其核心还是各个元件时域数学模型的建立，然后根据相应变量及信号流向联系起来，构成系统的方框图。

以手机游戏为例，讲述数学模型在日常生活中起到的核心作用，游戏不论是二维或三维空间，键盘或触摸屏操作，都是基于现实的数学反映，不过是在虚拟空间中的数学描述，而这些都需要精准的数学模型的建立，这些模型建立的过程除了常规的数学模型建立过程，还有基于大数据驱动的智能数学模型建立过程。

以上案例从控制角度突出了数学模型的核心地位，然后从社会控制论的角度，突出核心意识教育，引导同学坚决做到“两个维护”，牢固树立核心意识，加强思想认同。

再次，突出时域与频域的辩证关系教育，时域与频域教学内容里面蕴含着辩证法思想，时域与频域不是截然分开的，而是相互依存的，时域和频域是信号的不同表示方式，频域是时域在另一维度的映射。分析判断事物，必须树立牢固的辩证唯物主义和历史唯物主义世界观，看问题要全面。具体的案例如下。

以数控机床直线运动工作台位置控制系统为例，从数学的角度去分析时域与频域不同，控制系统的时域分析基于微分方程求解，其自变量是时间，其输出是在不同时刻下的位置信号值，时域分析数学形象直观，易于理解;而频域分析基于傅里叶变换，自变量是频率，其输出是在不同频率下的系统幅相值，频域分析数学深刻简洁，抽象深奥，它们从数学上看貌似不同。

以数控机床直线运动工作台位置控制系统为例，从数学的角度去分析时域与频域内在联系，时域自变量时间和频域自变量频率之间存在倒数的关系，其本质就是傅里叶的变换，其转换中间还可以加入拉普拉斯变换进一步简化计算过程，因此时域和频域就是控制系统不同维度的表述，它们从数学上存在内在关系。

以数控机床直线运动工作台位置控制系统为例，引入有限元分析，搭建位置控制几何模型，选择材料属性，确定边界条件，设定接触关系，构建划分网格，进行求解分析。分别进行时域瞬态分析和频域的谐响应分析，从不同场景应用去描述时域和频域。

以数控机床直线运动工作台位置控制系统为例，分别求解其时域性能指标，包括上升时间、延迟时间、峰值时间、最大超调量、调整时间和振荡次数;频域性能指标，包括幅值裕度、相位裕度、谐振峰值、谐振频率和频带宽度。从理论和实践角度讲解这些指标之间存在的相互内在关系。

以上案例从不同角度分析了时域与频域的关系，然后从马克思哲学的角度，突出辩证唯物主义和历史唯物主义教育，引导学生牢固树立科学的马克思主义世界观。

最后，突出控制系统校正中的自我革命教育，控制系统是为了完成某种控制目标而形成的有机整体，校正目的就是改善控制系统的各项性能指标。我们党正是坚持自我革命，总能通过自我纠偏和修正，总结经验教训，变错误和挫折为动力，并从中得到升华和超越，从而走出困境，最终走向胜利。具体的案例如下。

以反馈控制为例，讲解整个自动控制过程。控制系统会受到干扰，这种干扰对系统输出产生影响，系统通过反馈环节检测实际输出，反馈到输入端形成偏差，利用偏差不断调节控制，整个控制过程就是检测偏差，消除偏差，确保系统的输出达到期望的目标值。

以顺馈校正为例，讲解按照输入进行的误差补偿方法，顺馈校正使作用于系统的信号除误差以外，还引入与输入或扰动有关的补偿信号。顺馈控制不依靠偏差而直接测量干扰，在干扰引起误差之前就对它进行近似补偿，提前介入系统，及时消除干扰的影响。

以串联校正为例，讲解将校正装置与原有系统串联的校正方法。串联校正使得系统结构完全改变，校正装置可设计成相位超前校正、相位迟后校正和相位迟后超前校正形式，以频率法为基础，通过校正使得系统获得合理的动态和稳态性能指标，由于其直接串联于原环节上，所以直接更改系统传递函数，效果明显。

以系统稳定为例，讲解校正的首要目的。校正的首要目的是系统稳定，稳定性是控制系统基本要求，对于国家社会亦然。国家稳定才能有精力进行物质和精神文明建设，才能构建和谐社会。家庭稳定家人才能安居乐业。作为当代大学生，要从自身做起，要时刻维护社会和谐稳定，民族团结，以国家利益为重。同一个系统，不管扰动作用在哪个环节，系统闭环特征方程不变，系统的稳定性不会受任何扰动的影响。

以上案例从不同角度分析了系统校正方法，然后从党的百年奋斗征程的角度，突出我们党坚持自我革命，全面从严治党，从而应对好自身在各个历史时期面临的风险考验。

三  结束语

机械控制工程课程思政教学案例已经成功应用到课堂教学中，在教学过程中，通过幻灯片演示、实物图片展示、影片播放等多媒体进行了专业知识和思政知识的复合表达，众多学生反映，他们不仅收获了控制的专业知识，也提升对国家、社会和自己的认识，获得了良好课堂教学效果。课程获得过东北大学秦皇岛分校数字资源建设项目资助，在此基础上，获批了2021—2022年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目。实践表明，新工科能力导向的机械控制工程课程思政案例设计比较成功。课程思政任重道远，今后，教学案例需要进一步融合创新、更加与时俱进，为立德树人持续努力。

参考文献：

[1] 习近平：把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报，2016-12-9（01）.

[2] 王学俭，石巖.新时代课程思政的内涵、特点、难点及应对策略[J].新疆师范大学学报（哲学社会科学版），2020，41（2）：50-58.

[3] 顾佩华.新工科与新范式：实践探索和思考[J].高等工程教育研究，2020（4）：1-19.

[4] 唐庆杰，吴文荣，陆银平，等.基于成果导向教育理念（OBE）的课堂教学活动之设计、组织与实施[J].高教学刊，2021，7（23）：93-96.

[5] 王晓梅，杜长坤，文成，等.“机械控制工程基础”课程思政教学探索与实践[J].教育教学论坛，2021（37）：97-100.

[6] 杨汇军，孙丽颖.自动控制理论课程思政的教学设计[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2022，24（6）：128-131.

[7] 侯明哲，周彬，马明达.“自动控制原理”课程思政元素的挖掘与融合[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2022（11）：43-45.

[8] 王云.《自动控制技术》课程思政教学内容设计与探究[J].中国电力教育，2022（11）：95-96.

[9] 张旭刚，马莹，江志刚，等.基于OBE理念的精益生产课程教学改革与实践[J].高教学刊，2022，8（11）：136-140.

[10] 杨叔子，杨克冲，吴波，等.机械工程控制基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2017：2.

基金项目：国家自然科学基金青年基金“基于表面等离激元的纳米结构主动可调滤光机理研究”（62105058）;河北省高等学校教学改革研究与实践项目“《机械控制工程》课程思政教学案例库设计与实践”（2021GJJG428）;东北大学秦皇岛分校重点教改项目“基于学习产出模式的《液压气压技术》课程项目教学探讨”（2020JG-A01）;东北大学秦皇岛分校一流本科专业建设项目“机械工程”（2021YLZY-04）;东北大学秦皇岛分校课程思政示范项目“液压气动技术”（2022KCSZ-B21）;东北大学秦皇岛分校一流本科课程建设项目“液压气动技术”（2023YLKC-A04）

第一作者简介：王海芳（1976-），男，汉族，山西高平人，博士，副教授，系主任，硕士研究生导师。研究方向为流体伺服控制及其元件可靠性，机器人技术。