新工業時代控制科學工程發展與基礎教育

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摘要:該文從控制科學的產生與發展歷程，分析了控制科學與工程的學科特色和未來發展，以及其在人類工業進程中的重要作用。在新時代背景下，控制科學與工程在面臨新機遇的同時也給基礎教學帶來了新挑戰，作者以現代控制理論的教學為例，反思在教學中如何聚焦前沿，激發學生的學習興趣，同時做到夯實學科基礎，傳達學科理念，培養學生的控制思維模式和終身學習的能力。

關鍵詞:新工業革命；控制科學與工程；基礎教學

縱觀科學發展的歷史，科學技術的發展推動著一次次工業革命的產生，使得社會生產力不斷向前，同時使人類歷史進入嶄新的時代。工業革命給高等教育帶來機遇的同時，也為其帶來了新的挑戰[1-3]。自動化這門學科作為一門傳統的信息科學，已有近百年的發展歷史，從20世紀50年代經典控制理論的產生，到20世紀70年代現代控制理論的發展，以及近現代控制理論的發展，這門科學始終站在時代進步的最前沿，凝結了人類的智慧[4-6]。隨著科學技術的不斷進步，21世紀進入了全新的工業時代，同時也產生了很多新鮮的詞匯，例如，工業大數據、工業物聯網、人工智能、5G等，這些似乎與我們所學習的學科密切相關，又似乎離我們掌握的知識遙不可及，這讓我們時刻感覺到知識結構的更新迫在眉睫[7-10]。在第四次工業革命新思潮的影響下，新的科技發展方向不斷產生，新的知識也不斷涌現，新的社會需求不斷變更。以上的一切都給基礎教育出了一道難題，一味地墨守成規是無法適應時代進步的，陳舊的知識會讓學生產生疑惑以及厭學情緒，甚至對未來感到迷茫，失去了學習的動力。新工業時代是信息爆炸的時代，前沿科學以及新科技的不斷涌現，讓我們每一個人都應接不暇，使我們在有限的教育教學時間內無法跟上科學發展的速度。上述提到的情況要求我們不得不去反思一個主要問題：時代的發展、科技的進步給人類帶來的是什么？是學習任務的不斷繁重，還是社會分工的越來越精細化？對于學生而言是要復制全部的知識，還是要掌握一種接受新事物、掌握新方法的本領，從而在未來的工作學習中找到自己需要精于的方向，做到術業有專攻？對于教師而言，是要授人以魚還是授人以漁？而答案是顯而易見的，就自動化這門學科而言，就是要從專業特色和專業發展來分析，將本專業特有的思維模式和創新思想融入基礎課程的教學中，為未來的創新創業打下基礎；就是要關注學科前沿，分析新時代學科面臨的新機遇和新挑戰，將專業理想和事業夢想傳達給學生，讓學生找到未來專攻的方向；就是要在新時代思潮的不斷沖擊下保持清醒，走在時展的前沿，教育學生勤學勉勵，夯實基礎，在實踐中磨煉自己。

1自動化專業特色與新發展

“在人類工業化的進程中，引領時展和創造新時代的關鍵因素是能源、工藝、材料，以及我們所學習和從事的控制科學”，因此自動化專業的特色就是“引領時代”和“創造時代”。從自動化發展歷程上看，這門學科始終站在時展的最前沿。回溯歷史，20世紀控制科學關注的主要問題在于系統的穩定性和輸出性能，其核心在于反饋控制，經典的PID整定穩定性高、可實現性強，可以解決大部分工程控制問題，從工業生產到航天器制導與控制，其在20世紀的工業化以及國防現代化上都留下了濃墨重彩的一筆。而“經典”的控制理論（自動控制原理、現代控制原理）也是目前自動化專業的“核心”基礎課程。隨著科技的進步，新世紀進入了工業4.0時代，“近現代控制理論”產生了新的控制問題和控制方法：在控制問題上，由于互聯網的發展和信息時代的來臨，控制問題不再局限于傳統的簡單系統性能設計上，而是趨向網絡化、復雜化；在控制方法上也提出了新方法，“智能算法”層出不窮，“大數據驅動”引領時代。以上這些變化都導致自動化專業原有的“核心”課程學習和教授都變得相當枯燥，但這些課程對師生而言又是至關重要的。從一門科學發展的角度來看，經典之所以稱為經典，是因為這個學科的前沿問題是源于經典的發展，無論近現代控制手段如何融合大數據分析、如何嵌入物聯網、如何多學科交叉融合，其本質還是一個控制問題，大系統控制以及網絡化控制的基礎和核心理念均源于經典控制。從知識掌握和認知規律來看，經典理論已經形成了完整的科學體系，有助于學生在學習中了解學科、形成專業思維、建立學科基礎。因此，從學科特色與發展以及學習認知規律上來看，新時代自動化專業的基礎教學，就是要聚焦前沿，夯實基礎。在基礎課程的教學中融入前沿問題，著重培養學生的思維能力和專業創新基礎，以在未來的再學習中，具備時刻跟緊時代進步的能力。

2新工業時代面臨的新機遇與新挑戰

人類已經進入了網絡時代、大數據時代、人工智能時代，新時代網絡通信和智能制造給我們的生活帶來了各種便捷，比如智能家居、自動駕駛、網絡購物、智能機器人等，深入我們每一個人的生活，無處不在。同時，在2020年肺炎疫情防控期間，信息時代、數據共享、資源優化讓中國人民能夠快速響應，及時隔離，調配一切力量，優化各方資源來應對這場無聲的戰爭并取得了重大戰略成果。這是一個偉大的時代，是科技引領的時代，是科學技術作為真正的生產力和“武器”的時代，給新時代的青年創造了新的機遇，但同時也提出了新的挑戰。在這個新時代，自動化技術仍然無處不在，智能制造是控制科學，資源優化配置也是控制科學，然而這些仿佛又超出了智能控制與最優控制的范疇。新時代的控制科學不再僅僅是數學物理，其高度融合了信息科學、管理科學、系統科學等多學科，問題復雜化，目標多元化，這給控制科學的學生也帶來了新的挑戰，而這種挑戰不是要轉變專業方向和專業關注重點。知識的不斷更新、需求的不斷改變，要求學生能夠立足學科基礎，在復雜的新問題中剝去其外殼，通過加強資源共享和學科合作，找到專業化的核心問題，直面挑戰。這也需要教師在基礎課程的教學中，具有高度的前瞻性，不僅僅是將前沿科學介紹給學生，更是要抽絲剝繭地去剖析前沿科學中所運用的學科基本理念和基礎問題。

3現代控制理論的課程教學與反思

在“現代控制理論”這門課程的教學大綱中有一章是“系統的穩定性與李雅普諾夫方法”，一個早在一百多年前就提出的基本方法，直到現在依然是判斷非線性系統穩定性的“唯一”方法。這是一個必講內容，但這部分內容較為枯燥，教師在教授時很難調動學生的積極性。單是區分“穩定性”“漸進穩定性”“局部穩定性”“局部漸進穩定”“大范圍漸進穩定”這些復雜又抽象的數學概念就足以讓學生失去興趣，但“系統穩定性”這個問題卻是控制科學最核心的問題。在初講這部分內容的時候，教師花費6個學時講到內容末尾，當學生提問“李雅普諾夫方法應該如何應用”時，教師很隨意地解釋道：“其實李雅普諾夫方法只是一個數學方法，你能找到這個函數就證明了穩定性，找不到也不能說明就是不穩定，只是你運氣不好，沒找到而已，至于如何找到，那也沒什么規律可循。”這樣的結果無疑會給學生留下“李雅普諾夫方法，甚至是現代控制理論都又難又不實用”的錯覺。經過教學反思，筆者改變了教學重難點，不再講極限環理論和動力學方程這些數學問題，而是從物理和控制的視角來總結問題，展示這個定理的內核，即能量遞減代表系統能夠穩定，并將這個基本知識應用擴展到當下時髦的大系統理論之中，引領學生思考：大系統是不是具有高度的非線性呢？大系統的控制中穩定性是否也是基本問題呢？什么方法來判斷大系統的穩定性呢？其實還是經典控制中判定非線性系統穩定性的唯一的能量函數法！如此，系統穩定性的概念和李雅普諾夫方法的重要性才突顯出來，才能把控制講得像是控制科學而不是數學。縱觀“現代控制理論”這一門課程，都具有很強的數學性，按照章節順序：系統的求解更像是常微分方程與動力系統，能觀能控性更像是矩陣分析，李雅普諾夫方法更像是數學分析，系統綜合與最優更多的是泛函分析。所以不得不說現代控制理論真的是高等數學發展的杰作，在一門控制的課程中講遍數學的所有專業課，在知識不斷更新、學習任務不斷繁重的新時期是不現實的。所以，在后續的教學中我嘗試弱化數學問題，挖掘控制思想，拔繁就簡，深入淺出，來培養學生的學習興趣和專業思維，并引領學生去思考這些經典理論在新時代的背景下，如何擴展應用，力求向學生傳達控制科學與工程的理念。也許多年后，合上課本，可能并不記得老師講的具體內容，但還記得這門科學的偉大，控制的本質是利用怎樣的思維模式達到如何的控制目標。

4總結

控制科學與工程這門學科是人類工業化進程中的關鍵因素，新世紀已經進入了工業4.0時代，新科技、新思潮給這門學科的發展帶來新的機遇，同時也給基礎教育帶來前所未有的挑戰。在課程教學中，應聚焦前沿，更應立足根本，力求學生掌握經典控制理論知識的同時，從中得到思維模式的啟迪，在學習過程中夯實基礎，才能在未來的發展中具備終生學習的能力。

參考文獻

[1]鮑成中.第三次工業革命沖擊下的基礎教育變革[J].教育研究與實驗,2013(2):14-15.

[2]徐新明.第三次工業革命的生產理念對現代教育教學的啟示[J].長春教育學院學報,2013,29(15):94-95.

[3]李月琴.探因索源“英國工業革命”教學中應重視的問題[J].歷史教學問題,2013(6):130-134.

[4]顧明遠.人工智能正引起一場教育革命[J].黨建文匯:上半月版,2019(10):61.

[5]王陽,李爽,張本波.第四次工業革命對就業的挑戰與建議[J].經濟縱橫,2017(11):64-71.

[6]李艷鵬,侯林艷,張然.“互聯網+”背景下化工儀表及自動化教學實踐與研究[J].職業,201(14):99-100.

[7]陸穎.信息物理融合迎接第四次工業革命解讀德國《未來項目“工業4.0”落實建議》[J].華東科技,2014(2):28-31.

[8]王元豐.如何應對第四次工業革命帶來的挑戰[J].新華月報,2020(1):76-78.

[9]韓昭良,韓凱輝.人工智能時代高等職業教育人才培養模式變革:機遇,挑戰及路徑[J].技術經濟,2019,38(9):84-88.

[10]范群波,李樹奎.“材料成型計算機模擬”課程在新工業技術革命人才培養中的潛在作用及其教學方法[J].教育教學論壇,2015(16):173-174.

作者：龐愛平 楊靖 單位：貴州大學電氣工程學院自動化系