识变—应变—求变：面向未来的控制理论课程教学与实践

摘  要：全面振兴本科教育是当前我国高等教育改革发展的核心任务。我国正处于中华民族伟大复兴战略全局、世界百年未有之大变局“两个大局”中，面对科技革命和产业变革，高等教育应当准确识变、科学应变、主动求变，努力开创全面提升本科教育新局面。作为工科重要专业基础课程的控制理论教学，也应审时度势、顺应形势、乘势而上。南京航空航天大学自动化学院控制理论课程组把握时代发展对课程教学提出的新要求，在教学理念、教学体系、教学模式上作出积极的改革和探索，取得较好的效果。

关键词：控制理论课程；教学模式；识变；应变；求变

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）07-0006-05

Abstract： Revitalizing undergraduate education in an all-round way is the core task of the reform and development of China's higher education. China is in the midst of the overall situation of the great rejuvenation strategy of the Chinese nation and the unprecedented changes in the world in a century. In the face of the scientific and technological revolution and industrial change， higher education should accurately understand changes， respond scientifically to changes， and take the initiative to seek changes， and strive to create a new situation of comprehensively improving undergraduate education. As an important professional course of engineering， the teaching of Control Theory should consider the situation， conform to the situation， and take advantage of the situation. Control Theory course group of the College of Automation Engineering in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics grasped the new requirements of the times for course teaching， and made active reform and exploration in teaching idea， teaching system and teaching mode， and achieved good results.

Keywords： Control Theory course; teaching mode; understanding changes; responding to changes; seeking changes

控制理论课程是自动化、电气工程、测试技术与仪器和机械工程等多个工科专业重要的专业基础课程，同时也是计算机控制系统、飞行控制系统、控制系统仿真、电机控制和智能控制等专业课的先修课程。以南京航空航天大学（以下简称“我校”）为例，航空学院、机电学院、航天学院和民航学院等都在大学三年级开设了控制系统工程课，自动控制原理、现代控制理论更是自动化学院最为重要的专业基础课，三门课程每年的授课学生人数高达约2 000人。控制理论课程的特点是理论性强、内容丰富、涉及知识面广、信息量大、比较抽象和更新发展快，具有较大的深度和难度。课程的主要任务是通过对控制理论基本知识的学习，培养学生对控制系统的建模、分析和设计能力，以及工程实践和创新能力，为后续专业课程奠定基础[1]。

21世纪尤其是近十年来，社会飞速发展，科学技术突飞猛进。作为工程科学之一的控制科学也经历着快速的更新和变革，与此相应地，控制理论课程的教学也面临着不断的发展和变化。习近平总书记指出，形势在变、任务在变、工作要求也在变，必须准确识变、科学应变、主动求变[2]。作为以高层次的学习与培养、教学、研究和社会服务为主要目标的高等教育，必须应时代之变迁、领时代之先声、立时代之潮头，积极回应时代发展提出的新课题，适应时代变化而不断发展。

我校自动化学院自动控制原理课程是首批国家级精品资源共享课及江苏省在线开放课程，获评国家级一流课程。自动化学院控制原理教学团队被评为首批国家级教学团队及江苏省优秀教学团队。我校胡寿松教授主编的《自动控制原理》系列教材发行100多万册，被全国300余所高校使用。面对新时代、新变化、新机遇提出的新要求，课程组审时度势、顺应形势，在教学方法和形式等多个方面进行了改革和探索，取得了很好的效果。

一  识变——审时度势，感受控制理论教学的最新形势

（一）  社会发展带来学生思想的变化

当前，新一轮科技革命和产业变革深入发展，我国经济社会已进入高质量发展阶段，正在加快构建新发展格局。同时，国际竞争日趋加剧，各种敌对势力加紧渗透，西方思想文化强势冲击，意识形态领域斗争更加激烈，这些都对学生的世界观、人生观和价值观造成巨大影响。习近平总书记强调指出，培养什么人，是教育的首要问题。认识到社会发展带来学生思想的变化，重视青年大学生的思想政治教育显得十分重要。与传统认识不同，思想政治工作不单单是政治课程的任务，而是应该有效贯通到高校整个人才培养体系之中[3-4]。作为工科专业的重要专业基础课，控制理论课程也应以课堂教学为切入点，在课堂这个育人的主渠道实现思政教育与知识教育的有机统一[5-6]，这是控制理论教学的第一个新变化。

（二）  技术飞跃造就控制对象的更新

控制理论课程的教学通常以对象建模、性能分析、系统设计的思路进行，课程内容常常以一个被控对象为例引出相应的知识点。但是，目前绝大多数教材采用的仍然是几十年前的控制对象，例如第二章“数学模型的建立”列举了函数记录仪的例子；第三章“时域分析法”列举了磁盘驱动磁头控制的例子；等等。随着计算机科学的进步，现在函数记录仪基本不再使用。同样的，现阶段计算机逐渐轻薄化，很多电脑已不再配备光驱，而我们实际生活中很少接触硬盘的直接读写。因此，对于绝大多数学生甚至年轻老师，这些例子都不再具有实用价值，以其为基础进行数学建模和性能分析也将失去实际意义。时代进步，我国的科技水平飞速发展，新科技、新产品、新技术层出不穷，控制理论课程教学也应该顺应形势，不断更新课程内容中的控制对象，这是控制理论教学的第二个新变化。

（三）  时代进步引起教学观念的变革

课堂教学是学生获取知识的主要途径，其质量直接影响着教学效果。传统的方式是填鸭式教学——教师讲、学生听，效果不尽如人意。近年来，控制领域的教育工作者陆续将MATLAB等仿真软件引入课堂，利用仿真曲线说明控制系统的性能，增强了知识的可接受性。不过，目前的控制理论课程仍然是偏重理论，学生普遍反映，知识太抽象、不易理解。今天的人们处于信息爆炸的时代，这一代大学生是在丰富多彩的互联网包围中成长起来的，他们将比二十年前的学生更加无法接受枯燥呆板的知识讲解，因此也对教师们提出了新的要求：应该改变传统的教学观念，用尽可能简单的语言和尽可能生动的实例把复杂的知识讲清楚，这是控制理论教学的第三个新变化。

二  应变——顺势而为，顺应控制理论教学的变化趋势

针对新时代的新变化，我校自动化学院控制理论课程组在教学中顺应形势，通过充分调研和尝试，摸索出相应的教学策略。具体来说，体现在以下三个方面。

（一）  融入课程思政，培养学生的正确价值观

结合我校航空航天特色，课程组深入挖掘思想政治教育资源，不断丰富和扩充课程内容，探索课程思政新模式，创新教学方法和路径。借鉴自适应控制系统的设计理论，构建专业课教学与课程思政联合调控的教学模式。主回路通过课后作业、随堂测试等手段对学生的专业知识掌握情况进行检测，当发现其与期望输入即教学大纲规定内容有偏差时，须及时调节知识讲授的进度与深度。在该环路的基础上再引入自适应环节——思政素养的反馈，并据此设计思政知识调节器，不仅培养学生的思想道德素质，而且可以激发学生的主观能动性，对专业知识学习起到良好的推动和调节作用。

例如，频域校正法中的三频段理论知识点比较抽象和复杂，学生不易接受。在讲解时构建思政知识调节器，对学生的思想状态进行调整，告知学生在不同频段系统有不同的要求、实现不同的目标，最终完成一个共同的任务。无论是国家发展还是个人进步同样需要有规划目标，引导学生建立规划意识，例如大一、大二阶段打好学科基础，大三、大四阶段冲刺考研。有了目标才有努力的方向，同时要做好充分准备。调动学生的思想积极性之后，再回到频域分析的教学中，有利于更好地掌握相关知识，如图1所示。

（二）  介绍最新技术，激发学生的主观能动性

控制技术被应用到非常广泛的领域，20世纪下半叶航天时代的到来，令现代控制理论得到了前所未有的发展，中国的航天事业也迅速崛起，逐渐走入世界领先的行列。笔者在每年控制理论的教学中都引入最新的技术和案例，激发学生的兴趣和爱好。例如，2022年新年伊始，中国火星探测器天问一号传回一张环绕器与火星的“自拍照”，该照片是利用基于控制技术的分离监测拍摄的，令海内外航天爱好者惊叹不已。

嫦娥工程则是另一项令全体中国人无比自豪的航天任务。嫦娥五号首次实现我国在地外天体无人采样，并以无人月球轨道交会对接的方式带样返回，完成探月工程的总体规划目标，其绕、落、回三个阶段无一不用到控制技术。40多年前中美建交的时候，作为国礼，我们获赠了1克月壤，如今我们自己的嫦娥五号带回了1 731克月壤，为进一步探索月球、太阳系乃至宇宙打开了大门。中国航天一代一代的科技工作者靠着自力更生、艰苦奋斗，创造一个又一个里程碑式的奇迹和壮举。在本学年的课程中，这些最新案例都被引入课堂，激发了学生们对控制技术的兴趣，更加增进了他们的爱国热情和民族自豪感，如图2所示。

（三）  引入生动实例，调动学生的学习积极性

高校课堂教学的最高境界应该是返璞归真——注重回归问题的自然本质，不要故弄玄虚，把简单的问题搞复杂；大道至简——世界的现象纷繁复杂，但它们所遵循的道理往往非常简单。越是重要的理论，在思想上和形式上往往是最简单的。因此教师要懂得讲课的艺术，把复杂深奥的知识讲得通俗简单，让学生容易理解。就控制理论的教学而言，在生活中作类比、在身边找例子，是非常有效的方法。例如，讲解阶跃响应曲线的动态性能时，可以举电梯控制中高度变化的例子，一方面说明物体运动都有惯性，另一方面请学生自己体会，生活中的载人控制系统应该设计成单调无振荡的系统。再比如，讲解稳定性时，最常使用的例子只有山峰、山谷处的小球，笔者增加了生活中更常见的静止小船的例子：顺着水流方向的小船，如果方向稍微有一点偏，水流就会推着它偏得更厉害，因此处于不稳定状态；横在水中的小船，如果方向偏一点，水流就会把它推回原来的样子，因此处于稳定状态，正如韦应物《滁州西涧》中所说的“野渡无人舟自横”。用这些身边常见的例子让学生自己去思考和体会，从而加深对复杂知识的理解，如图3所示。

三  求变——乘势而上，预测控制理论教学的发展方向

时域分析法中的PID（比例-积分-微分）控制是控制理论中最经典的系统设计方法，至今仍广泛应用于绝大多数工程系统中，这也是控制理论教学中的一个重点内容。其中微分控制的作用就是根据误差的变化速度感知系统的变化趋势，并提早进行规划和谋略，能够改善阻尼、有效提高控制系统的性能。在控制理论的教学中，教师也应该提前感知时代的发展方向，顺时而动、乘势而上，才能取得更好的教学效果。