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摘要:該文從控制科學的產(chǎn)生與發(fā)展歷程，分析了控制科學與工程的學科特色和未來發(fā)展，以及其在人類工業(yè)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(zhàn)，作者以現(xiàn)代控制理論的教學為例，反思在教學中如何聚焦前沿，激發(fā)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(yǎng)學生的控制思維模式和終身學習的能力。

關鍵詞:新工業(yè)革命；控制科學與工程；基礎教學

縱觀科學發(fā)展的歷史，科學技術的發(fā)展推動著一次次工業(yè)革命的產(chǎn)生，使得社會生產(chǎn)力不斷向前，同時使人類歷史進入嶄新的時代。工業(yè)革命給高等教育帶來機遇的同時，也為其帶來了新的挑戰(zhàn)[1-3]。自動化這門學科作為一門傳統(tǒng)的信息科學，已有近百年的發(fā)展歷史，從20世紀50年代經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生，到20世紀70年代現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，以及近現(xiàn)代控制理論的發(fā)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(yè)時代，同時也產(chǎn)生了很多新鮮的詞匯，例如，工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、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(yè)革命新思潮的影響下，新的科技發(fā)展方向不斷產(chǎn)生，新的知識也不斷涌現(xiàn)，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(guī)是無法適應時代進步的，陳舊的知識會讓學生產(chǎn)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(yè)時代是信息爆炸的時代，前沿科學以及新科技的不斷涌現(xiàn)，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(nèi)無法跟上科學發(fā)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(fā)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(yè)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(yè)特色和專業(yè)發(fā)展來分析，將本專業(yè)特有的思維模式和創(chuàng)新思想融入基礎課程的教學中，為未來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(zhàn)，將專業(yè)理想和事業(yè)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(yè)特色與新發(fā)展

“在人類工業(yè)化的進程中，引領時展和創(chuàng)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(yè)的特色就是“引領時代”和“創(chuàng)造時代”。從自動化發(fā)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(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出性能，其核心在于反饋控制，經(jīng)典的PID整定穩(wěn)定性高、可實現(xiàn)性強，可以解決大部分工程控制問題，從工業(yè)生產(chǎn)到航天器制導與控制，其在20世紀的工業(yè)化以及國防現(xiàn)代化上都留下了濃墨重彩的一筆。而“經(jīng)典”的控制理論（自動控制原理、現(xiàn)代控制原理）也是目前自動化專業(yè)的“核心”基礎課程。隨著科技的進步，新世紀進入了工業(yè)4.0時代，“近現(xiàn)代控制理論”產(chǎn)生了新的控制問題和控制方法：在控制問題上，由于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和信息時代的來臨，控制問題不再局限于傳統(tǒng)的簡單系統(tǒng)性能設計上，而是趨向網(wǎng)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(shù)據(jù)驅(qū)動”引領時代。以上這些變化都導致自動化專業(yè)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(fā)展的角度來看，經(jīng)典之所以稱為經(jīng)典，是因為這個學科的前沿問題是源于經(jīng)典的發(fā)展，無論近現(xiàn)代控制手段如何融合大數(shù)據(jù)分析、如何嵌入物聯(lián)網(wǎng)、如何多學科交叉融合，其本質(zhì)還是一個控制問題，大系統(tǒng)控制以及網(wǎng)絡化控制的基礎和核心理念均源于經(jīng)典控制。從知識掌握和認知規(guī)律來看，經(jīng)典理論已經(jīng)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(yè)思維、建立學科基礎。因此，從學科特色與發(fā)展以及學習認知規(guī)律上來看，新時代自動化專業(yè)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(yǎng)學生的思維能力和專業(yè)創(chuàng)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(yè)時代面臨的新機遇與新挑戰(zhàn)

人類已經(jīng)進入了網(wǎng)絡時代、大數(shù)據(jù)時代、人工智能時代，新時代網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)共享、資源優(yōu)化讓中國人民能夠快速響應，及時隔離，調(diào)配一切力量，優(yōu)化各方資源來應對這場無聲的戰(zhàn)爭并取得了重大戰(zhàn)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(chǎn)力和“武器”的時代，給新時代的青年創(chuàng)造了新的機遇，但同時也提出了新的挑戰(zhàn)。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(yōu)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(yōu)控制的范疇。新時代的控制科學不再僅僅是數(shù)學物理，其高度融合了信息科學、管理科學、系統(tǒng)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(zhàn)，而這種挑戰(zhàn)不是要轉(zhuǎn)變專業(yè)方向和專業(yè)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?nèi)テ渫鈿ぃㄟ^加強資源共享和學科合作，找到專業(yè)化的核心問題，直面挑戰(zhàn)。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(xiàn)代控制理論的課程教學與反思

在“現(xiàn)代控制理論”這門課程的教學大綱中有一章是“系統(tǒng)的穩(wěn)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(xiàn)在依然是判斷非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的“唯一”方法。這是一個必講內(nèi)容，但這部分內(nèi)容較為枯燥，教師在教授時很難調(diào)動學生的積極性。單是區(qū)分“穩(wěn)定性”“漸進穩(wěn)定性”“局部穩(wěn)定性”“局部漸進穩(wěn)定”“大范圍漸進穩(wěn)定”這些復雜又抽象的數(shù)學概念就足以讓學生失去興趣，但“系統(tǒng)穩(wěn)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(nèi)容的時候，教師花費6個學時講到內(nèi)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(shù)學方法，你能找到這個函數(shù)就證明了穩(wěn)定性，找不到也不能說明就是不穩(wěn)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(guī)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(xiàn)代控制理論都又難又不實用”的錯覺。經(jīng)過教學反思，筆者改變了教學重難點，不再講極限環(huán)理論和動力學方程這些數(shù)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(nèi)核，即能量遞減代表系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，并將這個基本知識應用擴展到當下時髦的大系統(tǒng)理論之中，引領學生思考：大系統(tǒng)是不是具有高度的非線性呢？大系統(tǒng)的控制中穩(wěn)定性是否也是基本問題呢？什么方法來判斷大系統(tǒng)的穩(wěn)定性呢？其實還是經(jīng)典控制中判定非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的唯一的能量函數(shù)法！如此，系統(tǒng)穩(wěn)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(shù)學。縱觀“現(xiàn)代控制理論”這一門課程，都具有很強的數(shù)學性，按照章節(jié)順序：系統(tǒng)的求解更像是常微分方程與動力系統(tǒng)，能觀能控性更像是矩陣分析，李雅普諾夫方法更像是數(shù)學分析，系統(tǒng)綜合與最優(yōu)更多的是泛函分析。所以不得不說現(xiàn)代控制理論真的是高等數(shù)學發(fā)展的杰作，在一門控制的課程中講遍數(shù)學的所有專業(yè)課，在知識不斷更新、學習任務不斷繁重的新時期是不現(xiàn)實的。所以，在后續(xù)的教學中我嘗試弱化數(shù)學問題，挖掘控制思想，拔繁就簡，深入淺出，來培養(yǎng)學生的學習興趣和專業(yè)思維，并引領學生去思考這些經(jīng)典理論在新時代的背景下，如何擴展應用，力求向?qū)W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(nèi)容，但還記得這門科學的偉大，控制的本質(zhì)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(yè)化進程中的關鍵因素，新世紀已經(jīng)進入了工業(yè)4.0時代，新科技、新思潮給這門學科的發(fā)展帶來新的機遇，同時也給基礎教育帶來前所未有的挑戰(zhàn)。在課程教學中，應聚焦前沿，更應立足根本，力求學生掌握經(jīng)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(fā)展中具備終生學習的能力。

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作者：龐愛平 楊靖 單位：貴州大學電氣工程學院自動化系