課程思政視角下控制工程智慧課堂設計與實踐*

肖友剛 宋曉東 韓錕 李蔚

摘? 要? 立德樹人是高等教育工作的根本任務。以知識和情境相互嵌套為手段，精心組織和提煉控制工程課程內容，創設課程情境，在專業知識的互動分享中促進學生創新思維培養，在知識溯源中傳播民族文化的自覺與自信，在創新研討的思維碰撞中傳播協作共贏、愛崗敬業的核心價值觀，使思政寓于互動、互動承載思政，貫穿控制工程教學全過程，潤物無聲、潛移默化地影響學生，落實專業成才、精神成人的雙重育人使命。

關鍵詞? 控制工程；課程思政；智慧課堂；反饋控制

中圖分類號：G641? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）20-0051-04

0? 引言

2020年4月，《教育部等八部門關于加快構建高校思想政治工作體系的意見》提出：把立德樹人融入思想道德、文化知識、社會實踐教育各環節，全面推進所有學科課程思政建設，構建全面覆蓋、類型豐富、層次遞進、相互支撐的課程體系[1]。課堂教學活動涉及因素眾多，教學活動的過程復雜多變，在傳統教學環境下，教學目標主要是描述班級中大多數學生需要達成的可以量化的知識技能目標，教育數據的采集往往通過后期簡單的匯總統計，學生的學習表現或學習結果大都通過期末考試成績、

期中考試成績、總分、平均分或“優”“良”“中”“及格”“差”等來評價，教學改革舉措大都依據學生學習行為結果制定，學生的個性得不到充分發揮，也不利于激發學生的創新潛力和學習主動性。因此，以學生為中心的個性化智慧教育和智慧課堂愈來愈引起研究者的重視，也取得一些研究成果[2-6]。

隨著教育信息化建設持續推進，國內一些高校建成以高度信息化、強交互化等為特征的智慧教室，但“PPT+投影”模式的授課方式仍占相當大的比例。在智慧教育環境下，課堂教學采取什么樣的組織形式，學生的學習會發生什么變化，如何發生變化，變化的終極形態是什么，尚不明確。中南大學控制工程基礎教學團隊以知識和情境相互嵌套為手段，精心組織和提煉課程內容，創設課程情境，設計以問題為導向的控制工程智慧課堂，確定課程的互動目標、互動內容、互動方法，將知識的答疑解惑與學生創新思維的培養相結合，將知識溯源與傳播民族文化的自覺與自信相結合，將創新研討與協作共贏、愛崗敬業的核心價值觀相結合，并貫穿控制工程教學全過程，使思政寓于互動、互動承載思政，在互動中傳播價值，在潤物無聲、潛移默化中感染學生，實現知識傳授、能力培養、創新敬業多重教學目標，落實從專業成才到精神成人的育人使命。

1? 課程思政視角下控制工程智慧課堂設計

控制工程是一門工程科學課程，源于實踐，服務于實踐，在人們改造世界的實踐中不斷完善和升華。遠古的漏壺計時、公元前的水利樞紐工程、中世紀的天文望遠鏡、工業革命的蒸汽機、百年前的飛機和電話、80多年前的模擬計算機、二戰時的雷達及火炮防空網、冷戰時代的衛星和核彈、20世紀60年代的登月飛船以及現代的智能裝備、航天飛機與星球探測器，這些耳熟能詳的實例無一不是自覺和非自覺利用控制工程理論所產生的成果，不同程度、不同側面蘊含著家國情懷、社會責任、道德規范、思維品質、科學精神、創新能力、人文精神等思政元素。控制工程基礎是交通設備與控制專業的專業核心課程，通過課程學習，要求學生能夠從數學、自然科學和工程科學的角度正確表達交通設備控制領域復雜問題的思路和方法，熟悉各種表達方法的優劣及相互關系，能夠根據鐵路現場復雜情況選用適合的系統表達方法；能夠掌握實現交通設備系統自動控制的基本理論，并用于復雜交通設備與控制工程問題解決方案的分析、比較與綜合；能夠掌握典型交通設備系統的數學建模、運行性能分析和系統設計、校正與補償等基本知識和基本技能，并具有復雜交通設備控制系統工程問題的綜合分析設計能力，以及對復雜交通設備系統的控制問題進行分析、求解和論證的能力。

1.1? 知識方面

掌握反饋控制系統的一般原理，線性定常系統在時域、復域和頻域的數學模型，系統的時間響應分析、頻率特性分析、穩定性分析等分析方法，系統的性能指標及性能校正等知識。學會從系統性能分析出發選擇合適的校正方法，建立控制系統分析與設計的基本思維方式，從輸入與輸出在時域、頻域的關系分析系統的性能，從性能出發選擇校正方法，形成系統建模—性能分析—系統校正的基本知識結構。

1.2? 能力方面

從應用的角度進行控制系統建模、分析與再設計，將控制理論的知識用于解決工程實踐中的控制問題；用時域、復數域、頻域的系統表征和分析方法進行控制系統性能分析，培養解決復雜工程問題的能力；掌握最基本的控制系統設計及校正理念，針對具體問題提出有效的解決方案，提高分析、發現、研究和解決問題的能力。

1.3? 素質方面

注重理論與實踐結合，在對實際系統進行分析和再設計的過程中，建立從工程問題提煉科學問題、用數學模型表達科學問題、用控制的基本原理和基本方法求解分析及改善系統性能的思維模式，提升分析、解決工程問題的基本素質。

為“課課有思政”而刻意拼湊思政故事不僅會浪費寶貴的課堂教學時間，還會落入說教的俗套，使學生心生反感。因此，從交通設備與控制工程專業背景出發，根據系統穩定性、準確性、快速性的基本控制要求和反饋控制“減少偏差，控制偏差”的實質，提煉控制工程課程背景知識、基礎知識、情境知識、實踐知識、應用知識，得出控制工程關鍵知識點數據，并積極探尋與之匹配的課程思政教育資源，提煉其中蘊含的文化基因和價值范式，找出控制工程關鍵知識點、思政案例與直觀式、推理

式、體驗式、實操式等教學方法的最優組合關系，像鹽溶于水一樣，形成如表1所示的控制工程智慧課堂授課要點與課程思政映射關系，并將控制論思想有機融合，形成控制工程智慧課堂的知識架構。

2? 課程思政視角下控制工程智慧課堂教學實踐：以反饋控制為例

反饋控制是控制論的靈魂，也是控制工程教學的重點和難點，在日常生活中廣泛存在。創設可感知性良好、可以呈現知識及問題背景的學習情境尤為重要，可以達到事半功倍的效果。中南大學鐵路園中的蒸汽機車已為學生所熟知，為活躍課堂氣氛，設問：該蒸汽機車是不是上坡慢如蝸牛，下坡快如猛虎？答案是否定的。順勢提出：那它是如何實現上、下坡基本恒速的呢？帶著這個問題，讓學生觀看18世紀瓦特發明的離心式調速器調節蒸汽機轉速的動畫，直觀感知在不建模、不知擾動來源的情況下，離心式調速器能根據轉速變化自動調節進氣閥門開度，使系統在各種干擾下仍然維持轉速不變。引導學生討論：為什么在轉速變化因子的作用下，轉速仍能保持恒定？這種表現下的深層原因是什么？學生集思廣益，凝練出反饋控制的核心思想——“檢測偏差，糾正偏差”，即控制變化率與跟蹤偏差成正比。

在實踐推動下，這種不問誤差來源，只關注結果的黑箱法以其易用、實用在工業控制中發揮重要作用，成就PID技術在工業控制中的霸主地位。但這類控制方式必須等到擾動作用于對象產生誤差后才起作用。按照這個思想，引導學生自然地懷疑：離心式調速器的目的是讓速度保持不變，而它又只能在被控量變化時才工作，那能不能事先找到誤差產生的根源而對之進行抵消呢？

針對這個巧妙設計的問題，播放被李約瑟稱為世界上第一個自動控制系統的我國古代指南車的短視頻，并不失時機地拋出問題：為何指南車上木頭仙人能夠“圓轉不窮，而司方如一”？然后針對指南車的工作原理、技術路線及各部分的作用將學生分組，展開熱烈討論，探明古代指南車“手常南指”的技術路線：指南車行走過程中，由轉向時車內齒輪左右輪速差得到車向變化信息，然后使車上木人與車轉向相反、角度相同，就能使瞬變環境中的木人指向保持不變。學生通過討論后想到：指南車的輸出量是仙人指向，車向變化信息是木人指向的擾動量，因此，指南車是通過測試引起輸出量偏移的擾動，構造控制量，抵消擾動的影響，使輸出量不偏移，這就是指南車的工作原理。因此，指南車蘊含的是一種主動抗擾控制思想，在世界上遙遙領先，也為韓京清先生提出自抗擾控制理論提供了思想源泉[7]。

將知識以情境方式呈現，有助于學生在博大精深的傳統文化中尋找知識的源頭活水，將機械控制工程中蘊含的文化基因和價值范式與控制工程課堂教學內容深度融合，使學生在情理交融中自覺響應理想信念層面的精神指引，在引人入勝、潛移默化中將社會主義核心價值觀的精髓要義深植于內心。

3? 結束語

經過近三年以知識和情境相互嵌套為手段的教學實踐，學生普遍感覺課程靈活、有挑戰性，師生之間、生生之間互動交流頻繁，沒有明顯的思政教育痕跡，說明控制工程課程像鹽溶于水一樣，已將思政元素無縫融入控制工程基礎的教學中，實現知識傳授與價值引領的有機統一，使學生能夠自覺響應理想信念層面的精神指引，在引人入勝與潛移默化中樹立正確的價值思維、歷史思維和實踐思維觀，筑牢信仰、價值與精神之基，實現專業成才、精神成人。

參考文獻

[1] 教育部，中共中央組織部，中共中央宣傳部，等.教育部等八部門關于加快構建高校思想政治工作體系的意見[J].中華人民共和國教育部公報，2020（4）：23-27.

[2] 蔡蘇，焦新月，楊陽，等.5G環境下的多模態智慧課堂實踐[J].現代遠程教育研究，2021，33（5）：103-112.

[3] 王星，劉革平，農李巧，等.智慧課堂賦能學生智慧的培育機制：內在機理，結構要素與聯通路徑[J].電化教育研究，2021，42（8）：26-34.

[4] 楊鑫，解月光.智能時代課堂變革圖景：智慧課堂及其構建策略[J].電化教育研究，2021，42（4）：12-17，52.

[5] 彭紅超，祝智庭.面向智慧課堂的靈活深度學習設計框架研制[J].現代遠程教育研究，2021，33（1）：38-48.

[6] 王星，李懷龍.智慧課堂賦能學生智慧發展的動力機制與運行邏輯[J].現代教育技術，2021，31（11）：5-11.

[7] 高志強.自抗擾控制思想探究[J].控制理論與應用，2013，30（12）：1498-1510.

*項目來源：2019年度中南大學教育教學改革研究項目“大數據驅動下控制工程智慧課堂構建研究”（2019JY091）；2021年度湖南省學位與研究生教學改革研究項目“基于‘三全育人理念的交通類研究生全路徑培養模式研究”（2021JGYB020）。

作者：肖友剛、李蔚，中南大學交通運輸工程學院，教授，研究方向為控制理論及工程應用；宋曉東，中南大學交通運輸工程學院黨委副書記，研究方向為交通運輸規劃；韓錕，中南大學交通運輸工程學院，副教授，研究方向為控制理論及工程應用（410075）。