耗散结构理论对物联网工程专业控制原理课程教改的启示

［摘 要］ 目前物联网工程专业控制类课程设置存在内容知识本位、结构囿于经典控制理论本身且内容缺乏前瞻性等弊端，阻碍了学生创新、实践和研究能力的可持续发展。为进一步收获良好的教学效果，应合理运用耗散结构理论中的“负熵”原理，提升教学工作者的主观能动性以及学习者的创造力，重视课程的基础性、内容的综合性和教学方式的开放性，对控制原理课程进行合理改革。改革措施包括：课程建设引入多专业、多层次人力资源流，力求实现学生工程能力的提高；课程实施注重基础和实践并重；课程内容兼顾相关学科知识、思想政治教育并及时反映国内外前沿成果；教学方式引入学生反馈、线上MOOC、线下课堂与课外实践多信息流；使课程远离“熵增”状态，进入相对有序的平衡状态。

［关键词］ 物联网；控制原理；耗散结构理论；教学模式；课程建设

［基金项目］ 江南大学本科教育教学改革研究项目“基于首要教学原理的‘控制原理’微课教学模式研究”（1252050205220560）

［作者简介］ 闻继伟（1981—），江南大学物联网工程学院副教授，硕士生导师，主要从事物联网工程专业课程教学模式研究；徐 琛（1990—），江南大学物联网工程学院副教授，硕士生导师，主要从事物联网工程专业微课研究；栾小丽（1979—），江南大学物联网工程学院教授，博士生导师，主要从事物联网工程专业建设研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）49-0051-04 ［收稿日期］ 2023-01-03

对物联网的使用不能简单停留在监测和监视上，在其深入应用的过程中必然需要及时的反馈、决策和控制，从而构成完整的实用性系统。因此，物联网工程专业的学生而言，其宽泛的知识结构中应该具有控制技术，而控制技术的基石就是自动控制原理［1-2］。与本校专业所开设课程对应，本文将其简称为控制原理。控制原理作为一门新的基础课程，虽开设不久，但在教学过程中已经凸显出不少问题。

本文旨在借鉴耗散结构理论［3］，根据“负熵”原理，提出在物联网发展背景下，控制原理课程教学改革的思路，并对其教学模式和课程建设方案进行探讨。

一、耗散结构理论与控制原理教学改革的相关性

依据耗散结构理论易见目前的控制原理教学长期陷入学时不足、基础不厚、缺乏时代特色的超稳定平衡状态。一是课程体系相对封闭。授课依照传统《自动控制原理》教材体系［4-5］，按照时域分析—频域分析—系统校正—非线性系统—离散控制系统组织教学，忽视了控制学科的不断发展。二是教学内容封闭。以课堂讲授课本知识为主，授课内容局限于介绍系统数学模型、定理、定律和计算公式，阻碍了学生知识面的拓展。三是教学方法封闭。长期沿袭“讲（讲知识点）—问（上课提问）—练（课后作业）”的单一模式，无法持续调动学生的学习兴趣，形成内在的学习驱动力。耗散结构理论将“熵”作为系统平衡态的度量。热力学原理表明，孤立系统的熵会不断增大，一旦熵趋近于极大值，该系统将处于无序混乱的平衡状态；系统只有不断与外界交换物质或能量才能使熵减小，从而使系统进入相对有序的平衡状态［3］。上述三大封闭因素导致了控制原理课程无序、低效的“熵”，这种封闭体系无法夯实学生的理论基础，也违背了工程教育认证对学生解决复杂工程问题能力的要求。

二、控制原理课程教学中存在的问题

（一）教材内容全面，授课学时相对较少

课程以江南大学潘丰教授主编的《自动控制原理》为教材，全书共8章。由于课程仅有48个学时，授课内容以时域和频域分析为主，适当兼顾系统校正，这样就会导致部分内容讲解不透彻甚至来不及讲，影响学生后续控制类课程的学习，甚至会影响学生的研究生入学考试。

（二）学生普遍偏重感性认识而缺乏抽象思维

基础课程在讲解基本原理时必须回归到抽象的教学模型，且物联网专业没有开设电机、电力电子技术等专业性课程，学生阅读控制系统实例时往往有心无力，理解起来反而更困难，疑惑更多。

（三）学生实际应用能力较弱，处理复杂工程问题的能力不足

大多数教师选用课堂练习来应用新知识，并且以做习题为主，但这种知识点再现的形式只能使学生在短时间内熟悉知识的作用，并不能使学生把新知识应用到具体的工程问题中。

综上，上述三种现实因素导致控制原理课程教学形成无序的低效“熵”，已不能满足新时代物联网发展潮流下教学改革的需要。

三、关于控制原理课程教革的几点设想

对照当前控制学科的发展前沿，控制原理课程教学改革的关键是要致力于从多种途径引入负熵流，减少不适应新科技发展的封闭因素，保持教学内容的鲜活生命力，形成多源有序的耗散结构状态［3］。

（一）引入线上线下反馈多信息流的开放教学模式

随着近年来高等教育信息化程度的不断提高，大规模在线开放课程MOOC得到了广泛认可［6-8］。MOOC教学（线上）以15分钟左右的不固定课时和知识点为单元进行授课。因此，建立开放式教学模式，合理引入线上线下反馈多信息流的关键在于重新梳理、组织、平衡课堂教学和MOOC学习的内容。本文提出以学生为中心，融合线上MOOC自学、线下课堂与实践教学、学生及时反馈的开放教学模式（见图1）。

首先，MOOC学习适当减轻了课堂教学受48学时课程的限制，使教师有时间讲授更加深刻的内容，从而夯实物联网专业学生的控制理论基础，不至于使整个专业的控制教学体系流于技术层面。

其次，本文提出设置学生实时反馈环节，将学习情况评估作为基于多信息流开放教学模式中的重要一环。课程的主要服务对象是学生，而学生群体的个体差异性非常大。因此，在MOOC学习中引入学生反馈评估环节，通过分析学生对预习任务和学习后测试这两个重要指标的完成情况，可以对整体教学效果进行有效评估。将反馈环节的输出结果结合学生群体和个体状况进行再分析，就能及时调整教学预期目标。

再次，教师线下课堂与实践教学是重中之重，主要包括以下四个要点。

1.温故知新。一方面，通过图示的方式引导学生回忆学过的知识。比如，通过负反馈控制系统的结构图，就能轻松温习自动控制系统的重要组成部分、5个重要的信号量以及基本的负反馈原理，一举三得。另一方面，根据新知识的内涵和类型组织教学内容并设计合理的呈现方式。比如主副双线结合的教学方式。控制原理课程的主线是针对有关控制系统的概念、性质、定律和公式而进行的，以分别达到识记、理解和运用［9］为目标的教学。副线教学选定磁盘读取系统、双容水箱、无刷直流电机等工程仿真案例分析。

2.课外实践。以Windows操作系统为开发平台的基本课外实践系统涵盖六个基础性仿真实践：时域分析、根轨迹仿真、频率特性测试、控制系统校正、采样系统分析和非线性系统分析。一方面，学生可以通过课外实践活动，加深对知识点的理解，培养系统仿真能力和解决复杂工程问题的能力［10］，及时发现并纠正学习过程中的错误与不足。另一方面，教师可以在实践中通过与学生的相处和交流，了解学生对新旧知识的掌握情况，及时作出教学调整。

3.比较归纳。该环节要求教师采用比较和归纳的方式，将新旧知识的异同点加以形象化，使之转化为学生现有知识结构体系的一部分。控制原理课程以锻炼学生抽象思维能力为主，教师通过精选工程实例，比如火星漫游车转向控制系统，帮助学生建立微分方程模型、得出传递函数模型、绘制系统结构图、绘制信号流图，计算闭环传递函数；分析系统稳定性、动态性能和稳态性能；进行串联滞后或超前校正的编程指导。每一个环节与细节尽量简、短、准，同时做到前后串通，引导、点拔学生把知识加以引申，使学生能够触类旁通，识一山知千峰。

4.课程思政。2020年5月，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，明确了课程思政的概念与内涵，推动各类课程与思政课程同向同行。深入梳理控制原理课程特点及其与思想政治教育的基本内容，以期结合两者的思维方法和价值理念，将思政元素有机融入专业课程教学，实现课程思政育人和专业课教学相统一，达到润物无声的效果。部分课程思政教学融入点参照表1。

表1 部分教学内容与课程思政融入点

（二）构建具有多专业、多层次人力资源流特色的多元化课程建设体系

控制原理课程是工科专业的必修基础课程，在自动化、电气工程及其自动化、物联网工程、人工智能等专业都开设了类似课程，教师分布在各个专业独立教学。充分考虑教师和专业的差异，线下课堂教学依然以各专业教师为主，同时融合各专业教师组成MOOC课程建设师资队伍开展线上教学活动，这样可以弥补单个教师在认知上的局限性，既有利于专业教师业务水平的不断提升，也能拓宽学生的知识面，使刻板的知识点变得鲜活起来。此外，课堂上教师与学生的角色也可以异动交流：研究生、高年级本科学生可以辅导低年级本科生完成大作业、实验；某些课堂演示内容可以鼓励基础好、表现欲强的学生上台演示操作；让基础较好、先完成实验的学生辅导其他实验小组完成实验任务；等等。

结语

综上，物联网工程专业控制原理教学改革的关键是改变课程体系、教学内容和教学方法中的封闭因素所导致的自我“熵增”趋势，致力于从各种途径引进知识信息流和人力资源流等“负熵”流，形成自控教学的耗散结构状态，培养出具有自主学习意识、抽象思维和较强实践能力的物联网工程专业复合型人才。

参考文献

［1］彭力.物联网控制基础［M］.北京：机械工业出版社，2015：.

［2］王万良.物联网控制技术［M］.北京：高等教育出版社，2016：.

［3］蔡铁权.后现代课程理论的耗散结构观［J］.全球教育展望，2008，37（10）：16-20.

［4］胡寿松.自动控制原理［M］.6版.北京：科学出版社，2013：.

［5］潘丰.自动控制原理［M］.2版.北京：机械工业出版社，2015：.

［6］陶洪峰.自动控制原理课程的混合式教学模式探索［J］.大学教育，2019：62-64.

［7］朱玲，徐凤霞，李艳东，等.自动控制原理多模式教学方法的研究与实践［J］.高师理科学刊，2019，39（7）：83-87.

［8］赵肖宇，田芳明，谭峰.新工科背景下自动控制原理课程的分层次教学模式研究［J］.高师理科学刊，2019，39（5）：83-85.

［9］Merrill MD. First principles of instruction［J］. Educational Technology Research and Development，2011，50（3）：43-59.

［10］白圣建，邹逢兴，卢惠民.聚焦差异，因材施教：“以学生为中心”的“自动控制原理”课程建设与实践［J］.高等教育研究学报，2021，44（4）：101-105.

The Enlightenment of Dissipative Structure Theory to the Teaching Reform

of Control Theory for Internet of Things Engineering

WEN Ji-wei， XU Chen， LUAN Xiao-li

（School of Internet of Things Engineering， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China）

Abstract： Modern university courses follow the order， integrity and predictability among course objectives， teaching syllabus， teaching content， assessment results and achievement evaluation. However， the control theory course of Internet of Things engineering major has some disadvantages， such as content based on knowledge， structure limited by classical control theory itself， and lack of forward-looking content， which greatly hinder the development of students’ innovative research ability. In order to achieve good teaching effects， we should make reasonable use of the “negative entropy” principle in the dissipative theory. That is to say， we should improve the subjective initiative of teachers and the creativity of learners. Pay attention to the foundation of the curriculum， the comprehensiveness of content and the openness of teaching methods， and carry out a reasonable reform of the “Control Theory” course. The reform measures must try to introduce multi-professional and multi-level human resource flow into curriculum construction and improve students’ engineering capability. Curriculum implementation pays equal attention to foundation and practice. The course content takes into account the knowledge of relevant disciplines， ideological and political education， and timely reflects the cutting-edge achievements. The teaching method introduces multiple information flows of student feedback， on-line MOOC， off-line class and extracurricular practice， so that the course can be far from the state of “entropy increase” and enters an orderly balance state.

Key words： internet of things engineering; control theory; theory of dissipative structure; teaching mode; curriculum construction