1.长安大学机器人与具身智能学院,西安; 2.东北大学秦皇岛分校智能感知和光电工程学院,秦皇岛
“智能控制理论”衔接经典控制理论与现代工业智能化发展需求,涵盖专家控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法等核心内容,现已广泛应用于智能制造、航天工程、自动驾驶等关键领域。作为工科专业的核心课程,其教学不仅要传授智能控制算法设计与工程应用的专业能力,更要培养学生的思政素养,引导学生崇尚榜样力量,关注时事政治,激发与培养学生的家国情怀、工匠精神、哲学元素、人文精神[1]。
传统“智能控制理论”教学存在“重理论、轻价值”“重技术、轻素养”的问题,思政教育与专业教学脱节,难以满足新时代高素质工科人才培养要求[2]。现有部分实践虽已开始探索挖掘“智能控制理论”课程内容的思政元素与实施案例,但仍存在未覆盖所有主要教学内容、未形成完整案例链、课程思政建设路径不完善等问题。因此,探索“智能控制理论”课程思政建设路径,将思政元素自然融入教学全过程,实现“润物细无声”的价值引领,成为课程教学改革的重要问题。
本文通过深入挖掘课程蕴含的家国情怀、工匠精神、哲学元素等思政元素,提出“知识点—思政点—案例链”的融入路径,通过教学内容重构、教学方法创新与评价体系优化,实现专业教育与思政教育的有机融合,让学生在掌握智能控制理论与技术的同时,树立正确的价值观与职业观,成长为具备专业素养与责任担当的复合型人才,为我国科技自立自强与制造业转型升级贡献力量。
“智能控制理论”是近20年发展起来的新兴交叉前沿课程,在工业机器人、智能制造、自动驾驶等领域具有广泛的应用价值。“智能控制理论”的体系源于中南大学蔡自兴教授提出的“智能控制”四元结构,即“自动控制”“人工智能”“运筹学”和“信息论”的学科交叉[3]。该课程目的是使学生掌握专家系统与控制、模糊理论与控制、神经网络及控制、智能算法等的基本原理与思想,并了解各类技术适用场景,其课程目标如图1所示。
图 1 “智能控制理论”课程教学目标
Figure 1 Teaching objectives of the “Intelligent Control Theory” course
当前,“智能控制理论”课程教学在内容更新、方法创新等方面取得一定进展,但仍面临诸多现实挑战,整体呈现机遇与困境并存的态势。在教学方法方面,传统“板书+PPT讲授”的模式仍占主导,难以直观呈现智能控制算法的动态优化过程。在教学改革方面,上海工程技术大学从课程建设理念与目标设计、教学思路与方法设计、教学模式与手段设计等方面分别进行阐释,指出“智能控制理论”课程建设与教学改革的重要性和紧迫性[4]。上海理工大学结合课程特点,分析在新工科教育背景下课程建设面临的一些问题,针对性提出课程教学改革与实践的可行措施,旨在培养学生的逻辑思维能力和创新实践能力[5]。
在课程思政探索方面,中山大学列举了智能控制课程中蕴含的思政元素,介绍开展课程思政的具体方法和案例[6]。河北工业大学从培养学生正确的价值观、启发学生运用马克思主义基本原理思考专业问题、增强学生民族自信等方面进行了介绍[7]。安徽大学挖掘了智能控制课程内容的思政元素,从知识、能力、素养三个层面设计思政内容,并介绍了课程思政的具体做法与实施案例[8]。浙江理工大学介绍了智能控制课程思政的设计思路、育人元素的提炼及具体实施,阐述了课程思政的实施效果[9]。总体而言,现有“智能控制理论”课程思政的探索形成了一些有效经验,但仍存在思政元素挖掘深度不足、未覆盖所有主要教学内容、实施案例偏少、课程思政建设路径不完善等问题。
挖掘、提炼与融合“智能控制理论”课程的思政育人要素,完善教学大纲、优化教学内容,实现思政教育、能力培养、知识传授三位一体的课程教学目标。在教学环节中融入思想政治教育,通过对榜样力量、时事政治、工匠精神、哲学元素、家国情怀、人文精神等思政素材合理地运用,在融入“智能控制理论”日常教学的过程中,实现全方位的思政育人。
梳理课程内容与思想政治教育的结合点,论证其合理的切入点,并将其融入课程计划、课程标准和讲义提纲。在该课程中,教学大纲内容明确每一章节对应的“课程思政”育人内容,在教学实施板块列明实现思政引领的具体手段与媒介。
充分挖掘各章节的思政元素,设计每次课程的思政教学情景。重点通过思政实例讲解培养学生严谨的科学态度、求真务实的治学作风与持之以恒的钻研精神。同时,点拨、启发、引导和训练学生课前自主查找相关的课程思政内容(如智能控制应用新进展或控制领著名科学家的科研故事),通过师生课堂讨论,丰富思政教学场景设计。
“课程思政”最终的落脚点,是学生的价值认同与践行,因此评价的首要主体是学生。评价体系的制定应深入学生中间,对其进行态度、情感及价值观方面的思政素养调查,并对已经毕业的学生进行追踪访查,形成指标化评价方案。然后再由学生定期测评,根据评价的结果,不断完善评价体系。
(1)按课程模块梳理思政融合点,形成“一知识点一思政点一案例”的对应关系。例如,在“模糊控制”模块,结合“模糊逻辑的容错性”知识点,融入“工匠精神”思政点,引入“我国高铁自动驾驶系统的容错控制设计”案例;在“神经网络控制”模块,结合“网络权重的迭代优化”知识点,融入“创新精神”思政点,引入“AlphaGo的算法迭代与突破”案例。“智能控制理论”课程中的思政元素与典型教学案例如表1所示。
表 1 “智能控制理论”课程思政元素及典型教学案例
Table 1 Ideological and political elements and typical teaching cases of the “Intelligent Control Theory” course
| 序号 | 教学单元 | 思政元素 | 典型教学案例 |
| 1 | 绪论 | (1)榜样力量:智能控制发展史,奠基人傅京孙、蔡自兴; (2)家国情怀:现代控制启蒙人钱学森 | (1)傅京孙、蔡自兴的智能控制科研故事简介; (2)钱学森毅然归国,推动我国航天与导弹事业发展 |
| 2 | 专家控制 | (1)工匠精神:专家控制规则需要不断调试、修正、迭代优化,如同工匠打磨技艺,严谨细致、持续改进,培养工程严谨性; (2)家国情怀:结合专家经验和知识传承,融入我国航天、航空领域的最新成就,从而增强学生的国家自豪感和时代使命感 | (1)大国工匠“运20”总师唐长红,精益求精,创造中国航空发展史上的一个奇迹——“运20”五年的首飞周期; (2)专家PID控制在我国载人航天控制、飞机飞行控制系统设计中的应用,突出学以致用,体现家国情怀 |
| 3 | 模糊控制 | (1)哲学元素:隶属度函数、模糊控制规则的确定,需要在实践中不断调整优化,体现理论与实践相结合; (2)榜样力量:模糊集合论创始人Zadeh; (3)人文精神:模糊语义概念阐述,联系中华文化中的儒家思想魅力 | (1)《实践论》指出:认识的循环往复与发展;知行统一; (2)Zadeh提出模糊集合论的过程; (3)中庸之道的核心思想是“中和”,即在行为和思想上不偏不倚,保持平衡和谐,避免极端和过度,寻求事物的平衡点 |
| 4 | 神经网络控制 | (1)哲学元素:神经网络黑箱模型的难解释性、神经网络曲折的发展历史; (2)榜样力量:神经网络之父Hinton; (3)时事元素:神经网络控制的应用,森林防火无人机自主巡检、人形机器人 | (1)《矛盾论》指出:主要矛盾与矛盾的主要方面;内因与外因; (2)Hinton经历两次神经网络发展的寒冬,始终保持信心,终于迎来了人工智能的黎明; (3)森林防火无人机自主巡检,面临山林强扰动下控制鲁棒性不足问题,极端侧风、火场热气流、GPS失锁时,传统控制方法易出现控制震荡,利用神经网+传统控制的方式,提升自无人机控制的鲁棒性; (4)智元、宇树等人形机器人使用神经网络控制,让机器人动作更拟人、柔和,避免机械僵硬 |
| 5 | 智能算法 | 人文精神:将遗传算法、粒子群算法、差分进化算法中所体现的团结协作精神,算法应用案例中体现创新突破精神 |
(1)智能算法中的选择、交叉、变异操作对应“优胜劣汰、融合创新”;将个体认知(pBest)+社会认知(gBest)对应 “个人奋斗+集体引领、经验传承+团队协作”; (2)蛇形管道机器人在复杂管网中巡检,需最短路径、避障、能耗最优,设计高难度的多层遗传算法,体现攻坚克难、创新突破精神 |
(2)补充本土案例与行业前沿内容,增强思政教育的针对性。编写《智能控制理论课程思政案例集》,收录我国在航天、智能制造、新能源等领域的智能控制应用案例,如“嫦娥探测器的自主导航与控制技术”“比亚迪新能源汽车的智能动力控制系统”等,适度替代部分国外案例,强化学生民族自信心。
(3)增设“行业伦理与责任”专题教学,引导学生树立正确的技术观。结合智能控制技术在自动驾驶、人工智能伦理等领域的争议性问题,开展讨论课,如“自动驾驶的伦理决策困境”“智能控制技术的隐私保护”等,培养学生的技术伦理意识与社会责任感。
(1)案例教学法:以思政典型案例为载体,串联专业知识点。在讲解“模糊自适应PID控制”时,以“我国深海探测器‘奋斗者’号的自主避障与控制”为例,分析智能控制在复杂未知环境中的应用,同时介绍科研团队克服技术难关的研发历程,激发学生的创新意识与爱国情怀。
(2)项目式教学法:以工程实际项目为驱动,融入思政素养培养。设置“基于专家控制的智能分拣机器人控制系统设计”“基于模糊PID控制控制的小型无人机飞行控制算法开发”等项目,要求学生以团队形式完成方案设计、算法编写与系统调试,在项目实施过程中培养团队协作、攻坚克难的精神。
(3)情境教学法:利用虚拟仿真与现场教学,拓展思政体验渠道。借助智能控制虚拟仿真平台,模拟工业生产中的智能控制场景,让学生感受“精益求精”的工匠精神;组织学生参观本地智能制造企业,实地了解智能控制技术的工程应用,听取企业技术骨干的成长事迹,强化职业认同感与社会责任感。
(4)线上线下混合教学:拓展思政教育的广度与深度。线上通过MOOC平台推送“智能控制领域科学家故事”“行业前沿动态”等思政资源;线下开展“科技强国”主题演讲、“智能控制算法创新”竞赛等活动,形成“线上学习—线下互动—实践内化”的思政育人链条。
(1)完善评价指标,将思政素养纳入课程总成绩。课程总成绩由“专业知识考核(60%)”“实践能力考核(30%)”“思政素养考核(10%)”三部分构成。其中,思政素养考核包括课堂表现(2.5%)、项目团队协作(2.5%)、案例分析中的价值判断(2.5%)、课程论文中的思政感悟(2.5%)。
(2)创新评价方式,实行“过程性评价+终结性评价”相结合。过程性评价通过课堂讨论发言、项目进展报告、团队协作表现等,实时监测学生的思政素养提升;终结性评价通过课程论文、实践报告等,检验学生对专业知识与思政元素的融合理解,要求课程论文设置“技术应用与社会责任”相关论述板块。
(3)引入多元评价主体,提升评价的客观性。除教师评价外,增加学生自评、团队互评环节,在项目式教学中,由团队成员评价彼此的协作能力、责任意识等;邀请企业导师参与实践项目评价,从行业需求角度评判学生的工程伦理认知与职业综合素养。
本文所述课程思政建设路径已在长安大学自动化专业2021级、2022级“智能控制理论”课程中实践。通过问卷调查与访谈反馈,学生课程满意度从实践前的78%提升至92%;85%的学生认为“思政元素的融入增强了学习动力”,79%的学生表示“通过课程了解了我国智能控制领域的成就,民族自豪感显著提升”。在后续的专业实习与毕业设计中,学生的工程责任感、团队协作能力与创新意识明显增强,部分学生主动参与智能控制相关的科研项目与学科竞赛,积极践行“科技报国”的价值理念。
教学实践过程中也发现一些问题:一是部分思政元素与知识点的融合不够自然,存在“生硬植入”的情况;二是思政素养的评价指标不够细化,量化考核难度较大;三是案例更新速度有待提升,难以同步跟进行业前沿发展。
针对以上问题,后续将从三个方面改进:一是深化对课程知识点与思政元素契合点的研究,编写更具针对性的教学方案,实现“润物细无声”的渗透;二是细化思政素养评价指标,设计可操作的量化评分标准,结合大数据技术实现过程性评价的智能化;三是建立案例动态更新机制,加强与企业、科研院所的合作,及时引入最新的技术应用案例与优秀科研工作者先进事迹。
“智能控制理论”课程思政建设,是落实立德树人根本任务的重要举措,也是培养新时代工科人才的必然要求。通过挖掘课程蕴含的家国情怀、科学精神、工匠精神等思政元素,构建“知识点—思政点—案例链”的教学体系,创新教学方法与评价模式,可实现专业教育与思政教育的有机融合。未来,需持续深化课程思政建设,不断优化融入路径,让学生在掌握智能控制理论与技术的同时,树立正确的价值观与职业观,成长为兼具专业素养与责任担当的复合型人才,为我国实现科技自立自强与制造业转型升级贡献力量。
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