新工业时代控制科学工程发展与基础教育

摘要:该文从控制科学的产生与发展历程，分析了控制科学与工程的学科特色和未来发展，以及其在人类工业进程中的重要作用。在新时代背景下，控制科学与工程在面临新机遇的同时也给基础教学带来了新挑战，作者以现代控制理论的教学为例，反思在教学中如何聚焦前沿，激发学生的学习兴趣，同时做到夯实学科基础，传达学科理念，培养学生的控制思维模式和终身学习的能力。

关键词:新工业革命；控制科学与工程；基础教学

纵观科学发展的历史，科学技术的发展推动着一次次工业革命的产生，使得社会生产力不断向前，同时使人类历史进入崭新的时代。工业革命给高等教育带来机遇的同时，也为其带来了新的挑战[1-3]。自动化这门学科作为一门传统的信息科学，已有近百年的发展历史，从20世纪50年代经典控制理论的产生，到20世纪70年代现代控制理论的发展，以及近现代控制理论的发展，这门科学始终站在时代进步的最前沿，凝结了人类的智慧[4-6]。随着科学技术的不断进步，21世纪进入了全新的工业时代，同时也产生了很多新鲜的词汇，例如，工业大数据、工业物联网、人工智能、5G等，这些似乎与我们所学习的学科密切相关，又似乎离我们掌握的知识遥不可及，这让我们时刻感觉到知识结构的更新迫在眉睫[7-10]。在第四次工业革命新思潮的影响下，新的科技发展方向不断产生，新的知识也不断涌现，新的社会需求不断变更。以上的一切都给基础教育出了一道难题，一味地墨守成规是无法适应时代进步的，陈旧的知识会让学生产生疑惑以及厌学情绪，甚至对未来感到迷茫，失去了学习的动力。新工业时代是信息爆炸的时代，前沿科学以及新科技的不断涌现，让我们每一个人都应接不暇，使我们在有限的教育教学时间内无法跟上科学发展的速度。上述提到的情况要求我们不得不去反思一个主要问题：时代的发展、科技的进步给人类带来的是什么？是学习任务的不断繁重，还是社会分工的越来越精细化？对于学生而言是要复制全部的知识，还是要掌握一种接受新事物、掌握新方法的本领，从而在未来的工作学习中找到自己需要精于的方向，做到术业有专攻？对于教师而言，是要授人以鱼还是授人以渔？而答案是显而易见的，就自动化这门学科而言，就是要从专业特色和专业发展来分析，将本专业特有的思维模式和创新思想融入基础课程的教学中，为未来的创新创业打下基础；就是要关注学科前沿，分析新时代学科面临的新机遇和新挑战，将专业理想和事业梦想传达给学生，让学生找到未来专攻的方向；就是要在新时代思潮的不断冲击下保持清醒，走在时展的前沿，教育学生勤学勉励，夯实基础，在实践中磨炼自己。

1自动化专业特色与新发展

“在人类工业化的进程中，引领时展和创造新时代的关键因素是能源、工艺、材料，以及我们所学习和从事的控制科学”，因此自动化专业的特色就是“引领时代”和“创造时代”。从自动化发展历程上看，这门学科始终站在时展的最前沿。回溯历史，20世纪控制科学关注的主要问题在于系统的稳定性和输出性能，其核心在于反馈控制，经典的PID整定稳定性高、可实现性强，可以解决大部分工程控制问题，从工业生产到航天器制导与控制，其在20世纪的工业化以及国防现代化上都留下了浓墨重彩的一笔。而“经典”的控制理论（自动控制原理、现代控制原理）也是目前自动化专业的“核心”基础课程。随着科技的进步，新世纪进入了工业4.0时代，“近现代控制理论”产生了新的控制问题和控制方法：在控制问题上，由于互联网的发展和信息时代的来临，控制问题不再局限于传统的简单系统性能设计上，而是趋向网络化、复杂化；在控制方法上也提出了新方法，“智能算法”层出不穷，“大数据驱动”引领时代。以上这些变化都导致自动化专业原有的“核心”课程学习和教授都变得相当枯燥，但这些课程对师生而言又是至关重要的。从一门科学发展的角度来看，经典之所以称为经典，是因为这个学科的前沿问题是源于经典的发展，无论近现代控制手段如何融合大数据分析、如何嵌入物联网、如何多学科交叉融合，其本质还是一个控制问题，大系统控制以及网络化控制的基础和核心理念均源于经典控制。从知识掌握和认知规律来看，经典理论已经形成了完整的科学体系，有助于学生在学习中了解学科、形成专业思维、建立学科基础。因此，从学科特色与发展以及学习认知规律上来看，新时代自动化专业的基础教学，就是要聚焦前沿，夯实基础。在基础课程的教学中融入前沿问题，着重培养学生的思维能力和专业创新基础，以在未来的再学习中，具备时刻跟紧时代进步的能力。

2新工业时代面临的新机遇与新挑战

人类已经进入了网络时代、大数据时代、人工智能时代，新时代网络通信和智能制造给我们的生活带来了各种便捷，比如智能家居、自动驾驶、网络购物、智能机器人等，深入我们每一个人的生活，无处不在。同时，在2020年肺炎疫情防控期间，信息时代、数据共享、资源优化让中国人民能够快速响应，及时隔离，调配一切力量，优化各方资源来应对这场无声的战争并取得了重大战略成果。这是一个伟大的时代，是科技引领的时代，是科学技术作为真正的生产力和“武器”的时代，给新时代的青年创造了新的机遇，但同时也提出了新的挑战。在这个新时代，自动化技术仍然无处不在，智能制造是控制科学，资源优化配置也是控制科学，然而这些仿佛又超出了智能控制与最优控制的范畴。新时代的控制科学不再仅仅是数学物理，其高度融合了信息科学、管理科学、系统科学等多学科，问题复杂化，目标多元化，这给控制科学的学生也带来了新的挑战，而这种挑战不是要转变专业方向和专业关注重点。知识的不断更新、需求的不断改变，要求学生能够立足学科基础，在复杂的新问题中剥去其外壳，通过加强资源共享和学科合作，找到专业化的核心问题，直面挑战。这也需要教师在基础课程的教学中，具有高度的前瞻性，不仅仅是将前沿科学介绍给学生，更是要抽丝剥茧地去剖析前沿科学中所运用的学科基本理念和基础问题。

3现代控制理论的课程教学与反思

在“现代控制理论”这门课程的教学大纲中有一章是“系统的稳定性与李雅普诺夫方法”，一个早在一百多年前就提出的基本方法，直到现在依然是判断非线性系统稳定性的“唯一”方法。这是一个必讲内容，但这部分内容较为枯燥，教师在教授时很难调动学生的积极性。单是区分“稳定性”“渐进稳定性”“局部稳定性”“局部渐进稳定”“大范围渐进稳定”这些复杂又抽象的数学概念就足以让学生失去兴趣，但“系统稳定性”这个问题却是控制科学最核心的问题。在初讲这部分内容的时候，教师花费6个学时讲到内容末尾，当学生提问“李雅普诺夫方法应该如何应用”时，教师很随意地解释道：“其实李雅普诺夫方法只是一个数学方法，你能找到这个函数就证明了稳定性，找不到也不能说明就是不稳定，只是你运气不好，没找到而已，至于如何找到，那也没什么规律可循。”这样的结果无疑会给学生留下“李雅普诺夫方法，甚至是现代控制理论都又难又不实用”的错觉。经过教学反思，笔者改变了教学重难点，不再讲极限环理论和动力学方程这些数学问题，而是从物理和控制的视角来总结问题，展示这个定理的内核，即能量递减代表系统能够稳定，并将这个基本知识应用扩展到当下时髦的大系统理论之中，引领学生思考：大系统是不是具有高度的非线性呢？大系统的控制中稳定性是否也是基本问题呢？什么方法来判断大系统的稳定性呢？其实还是经典控制中判定非线性系统稳定性的唯一的能量函数法！如此，系统稳定性的概念和李雅普诺夫方法的重要性才突显出来，才能把控制讲得像是控制科学而不是数学。纵观“现代控制理论”这一门课程，都具有很强的数学性，按照章节顺序：系统的求解更像是常微分方程与动力系统，能观能控性更像是矩阵分析，李雅普诺夫方法更像是数学分析，系统综合与最优更多的是泛函分析。所以不得不说现代控制理论真的是高等数学发展的杰作，在一门控制的课程中讲遍数学的所有专业课，在知识不断更新、学习任务不断繁重的新时期是不现实的。所以，在后续的教学中我尝试弱化数学问题，挖掘控制思想，拔繁就简，深入浅出，来培养学生的学习兴趣和专业思维，并引领学生去思考这些经典理论在新时代的背景下，如何扩展应用，力求向学生传达控制科学与工程的理念。也许多年后，合上课本，可能并不记得老师讲的具体内容，但还记得这门科学的伟大，控制的本质是利用怎样的思维模式达到如何的控制目标。

4总结

控制科学与工程这门学科是人类工业化进程中的关键因素，新世纪已经进入了工业4.0时代，新科技、新思潮给这门学科的发展带来新的机遇，同时也给基础教育带来前所未有的挑战。在课程教学中，应聚焦前沿，更应立足根本，力求学生掌握经典控制理论知识的同时，从中得到思维模式的启迪，在学习过程中夯实基础，才能在未来的发展中具备终生学习的能力。

参考文献

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作者：庞爱平 杨靖 单位：贵州大学电气工程学院自动化系