基于“專業(yè)+思政”雙閉環(huán)模式的“自動控制原理”課程教學(xué)探索與改革

苗雅男,耿玉茹,楊林森,鄭美芳

(成都工業(yè)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院,成都 611730)

2016年12月,習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出,要用好課堂教學(xué)這個主渠道,思想政治理論課要堅持在改進(jìn)中加強(qiáng),使各門課程與思想政治理論課同向同行,形成協(xié)同效應(yīng)[1]。思政課教學(xué)需要有創(chuàng)新、有改革,思政教學(xué)內(nèi)容需要有亮點、有突破;非思政課教學(xué)需要發(fā)掘?qū)I(yè)知識中蘊含的思政元素,將課程思政融入專業(yè)教學(xué)中,實現(xiàn)“思政課程”與“課程思政”在思想上的完美融合[2-3]。自動化技術(shù)是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要推動力,是企業(yè)“兩化”發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐。而“自動控制原理”是自動化技術(shù)發(fā)展中的重要理論基礎(chǔ),是培養(yǎng)學(xué)生具有了解自動控制經(jīng)典理論和共同規(guī)律、理解自動控制系統(tǒng)工作原理、掌握自動控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用等能力的重要手段,既包含了工程數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等數(shù)理應(yīng)用基礎(chǔ),又融合了運動控制、電力控制、現(xiàn)代控制等專業(yè)應(yīng)用理論,同時也蘊含了諸多思政元素,如家國情懷、價值取向、科研理念、創(chuàng)新思想、工匠精神等。課程思政旨在將思政理念有機(jī)融合到專業(yè)教學(xué)中,在教學(xué)活動中將價值觀、道德觀、人文素養(yǎng)、創(chuàng)新精神同專業(yè)知識進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,發(fā)揮專業(yè)課程與思政課程的協(xié)同育人功能。

1 “自動控制原理”課程思政的Top-down設(shè)計

“自動控制原理”作為老牌的專業(yè)基礎(chǔ)課,不僅專業(yè)性很高而且思政性極強(qiáng),其中蘊含了豐富的課程思政元素。整門課程按照自頂向下(Top-down)層次化設(shè)計,可將其全部內(nèi)容按章節(jié)進(jìn)行模塊化劃分,構(gòu)成“自動控制原理”課程中的思政地圖,如圖1所示。

圖1 “自動控制原理”課程的思政地圖

1.1 自動控制的發(fā)展歷史

自動控制的發(fā)展歷史不僅體現(xiàn)了人類文明和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的歷程,也映射了眾多哲學(xué)思想和人文素養(yǎng)的形成過程,結(jié)合自動控制的發(fā)展歷史,展現(xiàn)科技與人文的融合,增強(qiáng)學(xué)生代入感和體驗感,便于引導(dǎo)學(xué)生堅定勇于追求真理、無私無畏、勇于獻(xiàn)身的理想信念,培養(yǎng)學(xué)生具有精忠報國,時刻準(zhǔn)備為祖國的建設(shè)奮斗終身的精神。

1.2 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

常見自控系統(tǒng)的建模方式有很多,建模方法雖然不盡相同,但實質(zhì)是相通的,可以按照等價變換的原則進(jìn)行互換,以便于不同情境需要下的應(yīng)用表達(dá)。數(shù)學(xué)模型的等價變換映射了人與人之間自由、平等的相處之道,以彼此尊重作為基礎(chǔ),遵守誠信友愛、公平公正的原則,才能構(gòu)建和諧社會。

1.3 自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷

對于任何自動控制系統(tǒng)而言,穩(wěn)定性必然是首要條件,任何系統(tǒng)分析都必須以穩(wěn)定作為基礎(chǔ)。對于自動控制系統(tǒng)是這樣,對于社會系統(tǒng)更是如此。社會穩(wěn)定是第一要務(wù),只有社會環(huán)境穩(wěn)定了,才有國家的快速發(fā)展和人民的安居樂業(yè)[4]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)社會矛盾時,我們應(yīng)該“曉之以理、動之以情、明之以法”去化解矛盾,為實現(xiàn)國家的穩(wěn)定、富強(qiáng)、文明、和諧貢獻(xiàn)自己的力量。

1.4 自動控制系統(tǒng)的時域分析

自控系統(tǒng)的時域分析中存在對立統(tǒng)一的矛盾。時域分析中動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性要求通常存在相互制約、相互矛盾的關(guān)系。所以,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)選取時要考量綜合因素以盡可能達(dá)到平衡,在保證穩(wěn)定性的前提下兼顧動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的要求,達(dá)到合作共贏的效果[5]。

1.5 自動控制系統(tǒng)的復(fù)域分析

根軌跡法是復(fù)域分析的基礎(chǔ),這個概念是20世紀(jì)40年代由W.R.Evans在“控制系統(tǒng)的圖解分析”中提出來的,用以研究當(dāng)開環(huán)增益或其他參數(shù)改變時,閉環(huán)零、極點在S平面上的分布情況,以此來確定系統(tǒng)的相關(guān)性能[6]。從復(fù)域分析中映射出處理問題時要統(tǒng)籌全局,追根溯源、抓住問題關(guān)鍵,分清主次,問題才能迎刃而解。

1.6 自動控制系統(tǒng)的頻域分析

自控系統(tǒng)的頻域分析典型方法是三頻段理論,可以映射出人生的不同階段。三頻段理論中的低頻段代表控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,對數(shù)幅頻特性曲線抖且高,像人生的青年階段,充滿了青春活力,敢拼敢闖,斗志昂揚,熱情奔放;中頻段代表控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能,對數(shù)幅頻特性曲線緩且寬,像人生的中年階段,充滿了理性克制,眼界寬廣,沉穩(wěn)淡定,成熟堅毅;高頻段代表控制系統(tǒng)的抗干擾性能,對數(shù)幅頻特性曲線抖且低,像人生的老年階段,飽經(jīng)風(fēng)霜,從容不迫。不同頻段對控制系統(tǒng)的要求不同,正如不同的人生階段所扮演的社會角色不同,目標(biāo)規(guī)劃也不同,不同的階段做不同的事情,應(yīng)勢而謀、因勢而動,順勢而為。

2 “自動控制原理”課程思政的雙閉環(huán)負(fù)反饋模式

傳統(tǒng)教學(xué)方式下專業(yè)知識和思政知識雖然存在辯證的相互依賴關(guān)系,但二者相互融合并不緊密,“自動控制原理”教學(xué)大綱中對人文知識和思政教育也鮮有提及,以至于專業(yè)教學(xué)和思政教學(xué)互為2個獨立并行的單閉環(huán)結(jié)構(gòu),學(xué)生在專業(yè)課程中很少接收到有關(guān)于思政的啟發(fā)和教育,難以符合新時代新工科背景下的人才培養(yǎng)要求,如圖2所示。

圖2 并行單閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)

要想“以德樹人”,就需要在傳統(tǒng)單閉環(huán)教學(xué)模式基礎(chǔ)上增加思想道德素質(zhì)培養(yǎng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu),形成“專業(yè)知識+思政知識”的雙閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu),讓課程思政在專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮顯性作用,如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)

在專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)中加入一個課程思政的閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu),形成“專業(yè)+思政”雙閉環(huán)模式,從雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)出發(fā),由專業(yè)教師借助思政知識反饋閉環(huán)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性,在專業(yè)教學(xué)過程中,根據(jù)學(xué)生對課程思政的理解程度,適時融入思政內(nèi)容,以便學(xué)生對專業(yè)知識和思政知識進(jìn)行更多探索;雙閉環(huán)的外環(huán)即專業(yè)知識閉環(huán),該環(huán)節(jié)能夠更好地調(diào)節(jié)學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí),但專業(yè)知識往往抽象難懂,使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣,這種情況下,專業(yè)教師就可以借助思政知識調(diào)節(jié)器的輔助作用,尋找學(xué)生的思政興趣點,適當(dāng)?shù)娜谌雽I(yè)教學(xué)中,調(diào)劑枯燥的專業(yè)知識,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,在保證思政育人的同時,更好地開展專業(yè)教學(xué),按照專業(yè)人才培養(yǎng)要求培養(yǎng)出“德才兼?zhèn)洹钡膶W(xué)生,真正意義實現(xiàn)專業(yè)與思政的融合[7]。

3 課程思政案例

3.1 閉環(huán)負(fù)反饋控制理論(閉環(huán)負(fù)反饋的概念基礎(chǔ))

3.1.1 專業(yè)元素

反饋是一種常見的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其核心機(jī)理是產(chǎn)生偏差量。反饋的類型有多種,其中控制系統(tǒng)中最常用的方式為閉環(huán)負(fù)反饋控制,這種控制方式可保證被控量按照給定的規(guī)律變化,消除偏差,實現(xiàn)自動調(diào)節(jié),保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1.2 思政元素

“不忘初心,繼續(xù)前進(jìn)”,在日常生活中,不論是工作還是學(xué)習(xí)都要設(shè)定目標(biāo),并為之努力奮斗,用拼搏和汗水不斷向目標(biāo)前進(jìn),只有積極向上堅持不懈才能無限接近目標(biāo),即便在前進(jìn)的過程中會受到干擾、阻礙,也要克服困難,迎難而上,排除干擾,保持初心,繼續(xù)前進(jìn)。正如自動控制系統(tǒng)中的閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu),有頭有尾、有始有終,且控制過程中所產(chǎn)生的偏差使我們意識到和設(shè)定的目標(biāo)距離有多遠(yuǎn),要通過怎樣的方式調(diào)節(jié)控制才能努力達(dá)標(biāo),讓理想照進(jìn)現(xiàn)實。

3.1.3 教學(xué)過程設(shè)計

1)課前準(zhǔn)備,在智慧樹教育平臺上發(fā)布課程相關(guān)專業(yè)內(nèi)容(控制任務(wù))以及推薦“學(xué)習(xí)強(qiáng)國”平臺上與課程相關(guān)的思政內(nèi)容。

2)課堂討論,專業(yè)內(nèi)容:期望目標(biāo)(給定量)、達(dá)成目標(biāo)(被控量)、困難險阻(干擾量),控制手段(控制裝置);思政內(nèi)容:理想與現(xiàn)實要通過不斷努力才能拉近距離。

3)課后總結(jié),成功的取得來之不易,其背后都需要艱辛的付出和努力,作為未來的工程師,同學(xué)們應(yīng)該樹立遠(yuǎn)大目標(biāo)、堅定理想信念 、擔(dān)負(fù)社會責(zé)任、實現(xiàn)人生價值。

3.2 閉環(huán)負(fù)反饋控制應(yīng)用(電梯控制系統(tǒng)案例設(shè)計)

3.2.1 專業(yè)元素

在電梯控制系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)中加入1臺測速發(fā)電機(jī),即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于引入反饋環(huán)節(jié),使得信號的傳遞路線形成了閉合回路,輸出量可以直接作用于被控制量,以減小甚至消除偏差,從而解決了開環(huán)系統(tǒng)精度不高以及適應(yīng)性不強(qiáng)的問題,改善了控制效果。

3.2.2 思政元素

“一絲不茍、精益求精”,隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,高層建筑日益增多,電梯成為了人們?nèi)粘３鋈敫邔咏ㄖ闹匾ぞ?關(guān)乎人們的生命財產(chǎn)安全。但近些年來由于電梯失控導(dǎo)致的墜落以及快速沖頂?shù)劝踩鹿?給人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來威脅。因此,作為工程設(shè)計人員除了具備過硬的工程專業(yè)能力,還必須具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和精益求精的“工匠精神”[8]。

3.2.3 教學(xué)過程設(shè)計

1) 課前準(zhǔn)備,通過智慧樹教育平臺向?qū)W生推薦中國大學(xué)MOOC中講解電梯系統(tǒng)的閉環(huán)控制原理和方式的視頻;引用2020年11月24日習(xí)近平總書記在全國勞動模范和先進(jìn)工作者表彰大會上重要講話,強(qiáng)調(diào)“大力弘揚勞模精神、勞動精神、工匠精神”[9]。

2) 課堂討論,專業(yè)內(nèi)容:研究電梯控制系統(tǒng)的組成和原理,明確基本構(gòu)成要素以及各要素之間的配合關(guān)系,分析閉環(huán)控制過程,體會閉環(huán)負(fù)反饋的作用;思政內(nèi)容:講述老一輩科學(xué)家“干驚天動地事,做隱姓埋名人”的工匠風(fēng)貌和崇高品質(zhì)。

3)課后總結(jié),安穩(wěn)的電梯控制系統(tǒng)能夠守護(hù)人們的生命財產(chǎn)安全,給社會和國家安全帶來保障。精準(zhǔn)實現(xiàn)工程技術(shù)的應(yīng)用是工程人員的責(zé)任和使命,因此要學(xué)習(xí)老一輩科學(xué)家科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、技術(shù)精湛的職業(yè)態(tài)度和操守。

3.3 閉環(huán)負(fù)反饋設(shè)計案例

3.3.1 專業(yè)元素

隨著現(xiàn)代社會汽車保有量的增長,汽車安全性也越來越受到關(guān)注,人們開始對汽車制動系統(tǒng)提出了更高的要求,以確保剎車時司機(jī)和乘客的安全。制動防抱死系統(tǒng)(Antilock Brake System,ABS)通過調(diào)節(jié)、控制制動管路壓力,避免車輪在制動過程中抱死而滑移,具有改善汽車制動時穩(wěn)定性及操縱性等優(yōu)點。

3.3.2 思政元素

每年因剎車問題或剎車失靈所導(dǎo)致的事故占交通事故的很大比例,汽車的剎車系統(tǒng)是影響汽車安全的重要因素,因此,為了提高汽車進(jìn)行剎車時的安全性,避免剎車抱死現(xiàn)象出現(xiàn),在汽車安裝ABS系統(tǒng)是十分必要的。那么安裝有ABS的系統(tǒng)相較于未安裝ABS的系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢可以用Simulink進(jìn)行建模與仿真,通過對比多項性能指標(biāo)的仿真曲線圖,分析并體現(xiàn)ABS系統(tǒng)所具有的安全性。作為工程設(shè)計人員必須具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、良好的職業(yè)道德素養(yǎng)和一絲不茍、精益求精的“工匠精神”。

3.3.3 教學(xué)過程設(shè)計

1) 課前準(zhǔn)備,通過智慧樹在線教育平臺向?qū)W生推薦中國大學(xué)MOOC講解相關(guān)專業(yè)知識點的視頻(Simulink的建模與仿真以及系統(tǒng)分析方法)。

2) 課堂討論,專業(yè)內(nèi)容:對安裝ABS的系統(tǒng)進(jìn)行研究,建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行仿真分析與性能指標(biāo)比較,性能指標(biāo)包括:車速與輪速、滑移率、附著系數(shù)、制動距離等;思政內(nèi)容:講述老一輩科學(xué)家“干驚天動地事,做隱姓埋名人”的工匠風(fēng)貌和崇高品質(zhì)。

3) 課后總結(jié),安裝ABS的系統(tǒng)能給駕駛?cè)撕托腥说娜松戆踩珟肀Ｕ?即給社會和國家安全帶來保障。學(xué)習(xí)老一輩科學(xué)家為國奉獻(xiàn)、甘為人梯,砥礪奮斗的“工匠精神”。

4 考核機(jī)制

傳統(tǒng)的考核方式通常以單一的課本知識掌握情況以及簡單的課程實驗考核為主,難免存在應(yīng)試教育的弊端,難以反映學(xué)生的真實學(xué)習(xí)狀況及綜合能力素質(zhì),并且由于存在“重技能而輕德育”的傳統(tǒng)教學(xué)觀念,所以考核方法中很少涉及對思政內(nèi)容的考核。為真正實現(xiàn)能力培養(yǎng)與價值塑造同向同行,將傳統(tǒng)唯結(jié)果論的考核方式轉(zhuǎn)向過程性考核,不設(shè)置期末閉卷考試,將成績組成分散到平時的實驗、競賽以及思政表現(xiàn)中,同時課程思政教學(xué)需常態(tài)化,增強(qiáng)學(xué)生對思政內(nèi)容的學(xué)習(xí)和理解,如表1所示。

表1 考核方式對比

改進(jìn)后的考核方式體現(xiàn)了教學(xué)評價多元化與多樣化的結(jié)合,增加了對學(xué)生平時表現(xiàn)的關(guān)注,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,增強(qiáng)對學(xué)生表達(dá)能力的培養(yǎng);提高了實驗成績的比重,鼓勵學(xué)生多動手,培養(yǎng)實際操作的能力;加大了對競賽考核的認(rèn)可,承認(rèn)學(xué)生在學(xué)科競賽中取得的成績,以賽促學(xué),激勵學(xué)生在競賽中成長;融合了思政考核機(jī)制,鞏固強(qiáng)化思政教育成果,發(fā)揮思政教學(xué)在專業(yè)課堂中的育人功能。

5 實施效果與反思

自實施教學(xué)改革以來,在團(tuán)隊教師的共同努力下,“自動控制原理”被認(rèn)定為2022年“省級課程思政示范課”。同時,在校學(xué)生的綜合考評成績也在穩(wěn)步提升。本學(xué)年共有144名學(xué)生選修“自動控制原理”課程,從最后的總成績來看,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不再拘泥于通過期末筆試獲得學(xué)分的目標(biāo),而是真正開始思考要從課程學(xué)習(xí)中汲取哪些營養(yǎng)、得到哪些能力提升,變被動學(xué)習(xí)為主動。同時,通過多角度的考查方式,充分肯定了學(xué)生各方面所展現(xiàn)的才能,也認(rèn)可了學(xué)生正向、積極的表現(xiàn),通過對教學(xué)方法和考核模式的調(diào)整,學(xué)生的綜合能力得到了顯著提升。同學(xué)們表示通過多維度的教學(xué)方式,使得引入了思政內(nèi)容的專業(yè)學(xué)習(xí)不再枯燥乏味,尤其課程中穿插的人生哲理和愛國主義案例,更激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情,大家都立志要成為國之科技棟梁,為中國科技之崛起而努力奮斗。

通過學(xué)生的反饋意見結(jié)合自身教學(xué)感悟,得到如下反思:進(jìn)一步提高思想認(rèn)識,不斷提高教師自身思想修養(yǎng)和覺悟,將思政元素植入專業(yè)教學(xué)理念,實現(xiàn)專業(yè)與思政的真正融合;改進(jìn)教學(xué)方法,將專業(yè)教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前時事相結(jié)合,讓思想與專業(yè)都與時俱進(jìn),緊隨時代發(fā)展;發(fā)揮教學(xué)團(tuán)隊的力量,多增進(jìn)專業(yè)類和思政類教師之間的交流學(xué)習(xí)和經(jīng)驗分享,共同設(shè)計適合于專業(yè)教學(xué)的思政案例。

6 結(jié)語

為實現(xiàn)專業(yè)課程與思想政治教育同向同行,以“自動控制原理”課程為載體,將思政教育融入專業(yè)課程,打造“專業(yè)+思政”的雙閉環(huán)教學(xué)模式,以負(fù)反饋結(jié)構(gòu)平衡實際教學(xué)效果同預(yù)期的差距。在堅守專業(yè)目標(biāo)定位的同時,融入社會主義核心價值觀、愛國主義教育和人文素質(zhì)培養(yǎng),在專業(yè)教學(xué)中踐行思政教育。課程教學(xué)探索與改革雖然初見成效,但課程思政的建設(shè)仍然在路上,任重而道遠(yuǎn)。作為專業(yè)課程教師,未來要肩負(fù)專業(yè)課程建設(shè)和課程思政改革的重任,為努力培養(yǎng)出推動社會主義發(fā)展的優(yōu)秀科技人才貢獻(xiàn)智慧與力量。