新工業(yè)時(shí)代控制科學(xué)工程發(fā)展與基礎(chǔ)教育

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摘要:該文從控制科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展歷程，分析了控制科學(xué)與工程的學(xué)科特色和未來發(fā)展，以及其在人類工業(yè)進(jìn)程中的重要作用。在新時(shí)代背景下，控制科學(xué)與工程在面臨新機(jī)遇的同時(shí)也給基礎(chǔ)教學(xué)帶來了新挑戰(zhàn)，作者以現(xiàn)代控制理論的教學(xué)為例，反思在教學(xué)中如何聚焦前沿，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)做到夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)，傳達(dá)學(xué)科理念，培養(yǎng)學(xué)生的控制思維模式和終身學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞:新工業(yè)革命；控制科學(xué)與工程；基礎(chǔ)教學(xué)

縱觀科學(xué)發(fā)展的歷史，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著一次次工業(yè)革命的產(chǎn)生，使得社會(huì)生產(chǎn)力不斷向前，同時(shí)使人類歷史進(jìn)入嶄新的時(shí)代。工業(yè)革命給高等教育帶來機(jī)遇的同時(shí)，也為其帶來了新的挑戰(zhàn)[1-3]。自動(dòng)化這門學(xué)科作為一門傳統(tǒng)的信息科學(xué)，已有近百年的發(fā)展歷史，從20世紀(jì)50年代經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生，到20世紀(jì)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(xué)始終站在時(shí)代進(jìn)步的最前沿，凝結(jié)了人類的智慧[4-6]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，21世紀(jì)進(jìn)入了全新的工業(yè)時(shí)代，同時(shí)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(xué)習(xí)的學(xué)科密切相關(guān)，又似乎離我們掌握的知識(shí)遙不可及，這讓我們時(shí)刻感覺到知識(shí)結(jié)構(gòu)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(shí)也不斷涌現(xiàn)，新的社會(huì)需求不斷變更。以上的一切都給基礎(chǔ)教育出了一道難題，一味地墨守成規(guī)是無法適應(yīng)時(shí)代進(jìn)步的，陳舊的知識(shí)會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生疑惑以及厭學(xué)情緒，甚至對(duì)未來感到迷茫，失去了學(xué)習(xí)的動(dòng)力。新工業(yè)時(shí)代是信息爆炸的時(shí)代，前沿科學(xué)以及新科技的不斷涌現(xiàn)，讓我們每一個(gè)人都應(yīng)接不暇，使我們?cè)谟邢薜慕逃虒W(xué)時(shí)間內(nèi)無法跟上科學(xué)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(gè)主要問題：時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步給人類帶來的是什么？是學(xué)習(xí)任務(wù)的不斷繁重，還是社會(huì)分工的越來越精細(xì)化？對(duì)于學(xué)生而言是要復(fù)制全部的知識(shí)，還是要掌握一種接受新事物、掌握新方法的本領(lǐng)，從而在未來的工作學(xué)習(xí)中找到自己需要精于的方向，做到術(shù)業(yè)有專攻？對(duì)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(dòng)化這門學(xué)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(chǔ)課程的教學(xué)中，為未來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下基礎(chǔ)；就是要關(guān)注學(xué)科前沿，分析新時(shí)代學(xué)科面臨的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)，將專業(yè)理想和事業(yè)夢(mèng)想傳達(dá)給學(xué)生，讓學(xué)生找到未來專攻的方向；就是要在新時(shí)代思潮的不斷沖擊下保持清醒，走在時(shí)展的前沿，教育學(xué)生勤學(xué)勉勵(lì)，夯實(shí)基礎(chǔ)，在實(shí)踐中磨煉自己。

1自動(dòng)化專業(yè)特色與新發(fā)展

“在人類工業(yè)化的進(jìn)程中，引領(lǐng)時(shí)展和創(chuàng)造新時(shí)代的關(guān)鍵因素是能源、工藝、材料，以及我們所學(xué)習(xí)和從事的控制科學(xué)”，因此自動(dòng)化專業(yè)的特色就是“引領(lǐng)時(shí)代”和“創(chuàng)造時(shí)代”。從自動(dòng)化發(fā)展歷程上看，這門學(xué)科始終站在時(shí)展的最前沿。回溯歷史，20世紀(jì)控制科學(xué)關(guān)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(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，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(dǎo)與控制，其在20世紀(jì)的工業(yè)化以及國(guó)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(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制原理）也是目前自動(dòng)化專業(yè)的“核心”基礎(chǔ)課程。隨著科技的進(jìn)步，新世紀(jì)進(jìn)入了工業(yè)4.0時(shí)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(shí)代的來臨，控制問題不再局限于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)上，而是趨向網(wǎng)絡(luò)化、復(fù)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(dòng)”引領(lǐng)時(shí)代。以上這些變化都導(dǎo)致自動(dòng)化專業(yè)原有的“核心”課程學(xué)習(xí)和教授都變得相當(dāng)枯燥，但這些課程對(duì)師生而言又是至關(guān)重要的。從一門科學(xué)發(fā)展的角度來看，經(jīng)典之所以稱為經(jīng)典，是因?yàn)檫@個(gè)學(xué)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(xué)科交叉融合，其本質(zhì)還是一個(gè)控制問題，大系統(tǒng)控制以及網(wǎng)絡(luò)化控制的基礎(chǔ)和核心理念均源于經(jīng)典控制。從知識(shí)掌握和認(rèn)知規(guī)律來看，經(jīng)典理論已經(jīng)形成了完整的科學(xué)體系，有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)中了解學(xué)科、形成專業(yè)思維、建立學(xué)科基礎(chǔ)。因此，從學(xué)科特色與發(fā)展以及學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律上來看，新時(shí)代自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)，就是要聚焦前沿，夯實(shí)基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)課程的教學(xué)中融入前沿問題，著重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和專業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)，以在未來的再學(xué)習(xí)中，具備時(shí)刻跟緊時(shí)代進(jìn)步的能力。

2新工業(yè)時(shí)代面臨的新機(jī)遇與新挑戰(zhàn)

人類已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代、大數(shù)據(jù)時(shí)代、人工智能時(shí)代，新時(shí)代網(wǎng)絡(luò)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(dòng)駕駛、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、智能機(jī)器人等，深入我們每一個(gè)人的生活，無處不在。同時(shí)，在2020年肺炎疫情防控期間，信息時(shí)代、數(shù)據(jù)共享、資源優(yōu)化讓中國(guó)人民能夠快速響應(yīng)，及時(shí)隔離，調(diào)配一切力量，優(yōu)化各方資源來應(yīng)對(duì)這場(chǎng)無聲的戰(zhàn)爭(zhēng)并取得了重大戰(zhàn)略成果。這是一個(gè)偉大的時(shí)代，是科技引領(lǐng)的時(shí)代，是科學(xué)技術(shù)作為真正的生產(chǎn)力和“武器”的時(shí)代，給新時(shí)代的青年創(chuàng)造了新的機(jī)遇，但同時(shí)也提出了新的挑戰(zhàn)。在這個(gè)新時(shí)代，自動(dòng)化技術(shù)仍然無處不在，智能制造是控制科學(xué)，資源優(yōu)化配置也是控制科學(xué)，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(shí)代的控制科學(xué)不再僅僅是數(shù)學(xué)物理，其高度融合了信息科學(xué)、管理科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科，問題復(fù)雜化，目標(biāo)多元化，這給控制科學(xué)的學(xué)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(guān)注重點(diǎn)。知識(shí)的不斷更新、需求的不斷改變，要求學(xué)生能夠立足學(xué)科基礎(chǔ)，在復(fù)雜的新問題中剝?nèi)テ渫鈿?，通過加強(qiáng)資源共享和學(xué)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(chǔ)課程的教學(xué)中，具有高度的前瞻性，不僅僅是將前沿科學(xué)介紹給學(xué)生，更是要抽絲剝繭地去剖析前沿科學(xué)中所運(yùn)用的學(xué)科基本理念和基礎(chǔ)問題。

3現(xiàn)代控制理論的課程教學(xué)與反思

在“現(xiàn)代控制理論”這門課程的教學(xué)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(gè)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(gè)必講內(nèi)容，但這部分內(nèi)容較為枯燥，教師在教授時(shí)很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。單是區(qū)分“穩(wěn)定性”“漸進(jìn)穩(wěn)定性”“局部穩(wěn)定性”“局部漸進(jìn)穩(wěn)定”“大范圍漸進(jìn)穩(wěn)定”這些復(fù)雜又抽象的數(shù)學(xué)概念就足以讓學(xué)生失去興趣，但“系統(tǒng)穩(wěn)定性”這個(gè)問題卻是控制科學(xué)最核心的問題。在初講這部分內(nèi)容的時(shí)候，教師花費(fèi)6個(gè)學(xué)時(shí)講到內(nèi)容末尾，當(dāng)學(xué)生提問“李雅普諾夫方法應(yīng)該如何應(yīng)用”時(shí)，教師很隨意地解釋道：“其實(shí)李雅普諾夫方法只是一個(gè)數(shù)學(xué)方法，你能找到這個(gè)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(yùn)氣不好，沒找到而已，至于如何找到，那也沒什么規(guī)律可循?！边@樣的結(jié)果無疑會(huì)給學(xué)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(shí)用”的錯(cuò)覺。經(jīng)過教學(xué)反思，筆者改變了教學(xué)重難點(diǎn)，不再講極限環(huán)理論和動(dòng)力學(xué)方程這些數(shù)學(xué)問題，而是從物理和控制的視角來總結(jié)問題，展示這個(gè)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(gè)基本知識(shí)應(yīng)用擴(kuò)展到當(dāng)下時(shí)髦的大系統(tǒng)理論之中，引領(lǐng)學(xué)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(shí)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(xué)而不是數(shù)學(xué)?？v觀“現(xiàn)代控制理論”這一門課程，都具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)性，按照章節(jié)順序：系統(tǒng)的求解更像是常微分方程與動(dòng)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(xué)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(xué)發(fā)展的杰作，在一門控制的課程中講遍數(shù)學(xué)的所有專業(yè)課，在知識(shí)不斷更新、學(xué)習(xí)任務(wù)不斷繁重的新時(shí)期是不現(xiàn)實(shí)的。所以，在后續(xù)的教學(xué)中我嘗試弱化數(shù)學(xué)問題，挖掘控制思想，拔繁就簡(jiǎn)，深入淺出，來培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)思維，并引領(lǐng)學(xué)生去思考這些經(jīng)典理論在新時(shí)代的背景下，如何擴(kuò)展應(yīng)用，力求向?qū)W生傳達(dá)控制科學(xué)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(xué)的偉大，控制的本質(zhì)是利用怎樣的思維模式達(dá)到如何的控制目標(biāo)。

4總結(jié)

控制科學(xué)與工程這門學(xué)科是人類工業(yè)化進(jìn)程中的關(guān)鍵因素，新世紀(jì)已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)4.0時(shí)代，新科技、新思潮給這門學(xué)科的發(fā)展帶來新的機(jī)遇，同時(shí)也給基礎(chǔ)教育帶來前所未有的挑戰(zhàn)。在課程教學(xué)中，應(yīng)聚焦前沿，更應(yīng)立足根本，力求學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論知識(shí)的同時(shí)，從中得到思維模式的啟迪，在學(xué)習(xí)過程中夯實(shí)基礎(chǔ)，才能在未來的發(fā)展中具備終生學(xué)習(xí)的能力。

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作者：龐愛平 楊靖 單位：貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系