第1章 绪论

建立这门技术科学，能赋予人们更宽阔、更缜密的眼光去观察老问题，为解决新问题开辟意想不到的新前景。

钱学森，《工程控制论》 $ ^{①} $

第1章 绪论

本章是全书导读，介绍课程的目的与定位，回答为什么要学这门课？能学到什么？介绍课程的性质与特点，回答这是一门什么性质的课？如何学好这门课？使读者能对本书、本课程有一个初步但比较完整的印象，为学好本课程，进而为学好自动化专业开一个好头。

\$1.1 课程的目的与定位

在进入大学学习的前后，或通过大学招生简章中的专业宣传，或通过大学入学时的专业简介，或通过前辈（尤其是自动化专业毕业的前辈）的介绍，每位自动化专业的学生或多或少地对自动化专业已有所了解，这是一个良好的开端。

如果把整个科学技术 $ \underline{\text{比作}} $茂密的树林、各个学科(专业)比作树林中的一棵棵不同种类的参天大树、构成自动化学科的知识比作自动化专业参天大树的枝和叶，那么在学习本课程之前，自动化专业的新生对自动化专业这棵大树的了解充其量只是“一幅素描”。这对于树立正确的专业学习目标，掌握正确的大学学习方法，学得主动、学得更好是远远不够的。

我们知道，大学教学与中学教学有着本质的区别。进入大学，学生在学习一定的基础知识后，开始系统地学习专门（专业）知识。同时，为了培养学生的自主学习能力以及独立从事科学研究、技术开发的能力，并给学生更大的发展空间，学生（尤其在高年级时）往往可自己选择一些学习课程。这在给每位学生提供了充分的发展空间（机会）的同时，也提出了挑战。因此，要求学生对本专业有一个全面、系统的了解：

（1）不仅需要了解本专业（自动化专业），还应对专业背景（自动化、自

PPT1: 第1章

绪论(1.1.1)

动化科学技术）及其发展有所了解，即对自动化专业参天大树的全貌有一个全面的了解；

（2）不仅需要了解自动化专业四年将学习的知识，还应对更宽范围的学科专业知识（如研究生教学知识）有所了解，即了解树的各部分（枝和叶）及其相互之间的关系；

（3）不仅需要了解本专业（自动化专业），还应对相关专业有所了解，即了解自动化专业参天大树与其他参天大树的关系。

也就是要能“统揽全局”，不能“只见叶，不见树”、“只见树，不见林”。这正是开设本课程的出发点与目的。

通过学习本书，自动化专业学生将能较深入地了解：

（1）（毕业后将从事的）自动化的含义、作用、重要性与应用、发展前景；

（2）（四年内需要学习的）自动化科学技术的基本内容与核心概念；

（3）（所学的）自动化专业的知识体系与课程体系，需要学习的主要课程及其相互关系；

（4）（所在的）自动化专业与人才的特点，自动化专业与相关专业之间的联系与区别。

§1.2 课程的性质与特点

为了达到让学生对本专业有一个较深入与全面的了解，树立正确的专业学习目标，本课程宜在新生一入学即开设。但随即带来一个问题，在学生仅有中学知识及少量的大学数理基础知识的情况下，如何介绍需要较深高等数学知识的自动化科学技术的基本原理与核心概念、如何介绍自动化学科的知识体系，又如何介绍自动化科学技术的最新进展？既要让学生听得懂、学得进，又不能成为高级科普！

我们知道，科普是科学普及的简称。一般科普读物、讲座、宣传采用通俗易懂、深入浅出的方法将科学与技术知识传授给普通百姓，是普及与提高全 $ \underset{\cdot}{社}\underset{\cdot}{会} $科学技术素质的一个重要手段；而(高级)科普著作则面向具有一定科学技术素质的读者，同样采用通俗易懂、深入浅出的方法介绍最新或深奥的科学技术知识。

但(高级)科普从来不适合作为专业教材，因为绝大多数的(高级)科普存在这样的缺陷：由于不能引入较深的高等数学知识，难以对问题进行科学与严谨的描述，从而难以揭示其真谛。因此，采用(高级)科普的方式方法来讲授本课程、来编写本课程教材，极易造成读者对涉及的科学问题表面懂了

但实际未懂（似懂非懂）的尴尬局面，甚至会产生错觉：“所谓的高精尖科学问题其实也很简单，不需要高深的数理知识也能懂”，从而“误导”学生。此外，绝大多数科普是课外读物，有“可有可无”之嫌。

另一方面，在一门课程有限的学时内，想把学生在四年中将学习的自动化科学技术的主要内容、概念都讲到，让学生“不仅知其然，而且知其所以然”也是不现实的。

因此，本课程（教材）在介绍自动化科学技术的基本原理与核心概念，以及在介绍现代自动化科学技术时，遵循以下两个原则：

（1）在一定的高等数学（微积分）的基础上，将最基本的原理与最核心的概念讲清楚；

（2）对需要高深数理知识才能讲深讲透的原理、方法，只设法将涉及的科学问题讲清楚，解决此问题的难点讲清楚，仅扼要介绍解决问题的思路（不介绍具体解决问题的原理、方法）。使学生虽仅仅“知其然”，但能激发学生的求知欲，在随后的学习中，“知其所以然”。

当然，要真正做到以上两点，难度很大。但我们相信，这是讲授“自动化学科概论”课程比较合适的方式。如能做到以上两点，不仅能让学生有一个学习自动化科学与技术的良好开端，更能让学生对学习自动化科学与技术的难度有一个正确的认识，从而一方面充分激发学生的求知欲，另一方面促使他们学好数理基础知识，为今后的学习打下坚实的基础。

为能做到以上两点，需要教学计划的配合（与高等数学课程的进度的协调），需要教师与学生之间的沟通与交流（及时了解学生的理解、接受程度），尤其需要的是学生的积极配合——不将本课程当作“科普”，而将它真正当作“科学”来学。

§1.3 全书内容简介

全书共8章，除第1章“绪论”外，全书内容分为两部分，第2~4章主要介绍“自动化”，第5~8章着重介绍“自动化学科、专业”，其相互关系如图1.3.1所示。

第1章“绪论”也即本章，介绍开设本课程对于刚入学的自动化专业新生的重要意义，分析教师如何讲好、学生如何学好本课程的关键点，并扼要介绍课程的各部分内容与教学安排。

第2章“自动化”，从一个中学毕业生能理解的角度、以科普的形式，介绍自动化的定义、包含的内容与应用领域，介绍自动化在工业化、信息化与现代化进程中的重要性与突出地位，并简要介绍自动化的发展历史，以使读者对自动化能有一个初步但比较完整、深刻的印象。

从第3章“自动化基本原理”开始，从科学的角度，结合学生刚学习的高等数学(微积分)知识，介绍自动化最基本的原理与最核心的概念，使其在对自动化的初步、直观认识的基础上，逐渐学会用科学的态度、数学的语言去描述和理解自动化以及它所包含的科学内容。本章既是本书的学习重点，又是本书的学习难点。

第4章“现代自动化系统”有选择地扼要介绍先进的现代自动化设备、系统与科学技术。这些知识的完整系统学习要到自动化专业三、四年级和研究生阶段。通过初步的认识学习，学生能对毕业后将“天天打交道”的现代自动化设备、系统与科学技术有一个初步的了解。

从第5章开始，介绍“自动化（科学技术）学科、专业”。首先介绍自动化科学技术的定义、内容与核心概念，理解大力发展自动化，首先要大力发展自动化科学技术（学科）；随后介绍自动化（科学技术）学科的构成与分类、自动化学科与自动化专业的关系，理解自动化（科学技术）学科是研究、发展自

动化科学技术的主体，自动化专业的主要任务就是学习自动化科学技术。

本书的第二个学习重点是接下来的第6章“自动化学科、专业的知识体系与课程体系”。在这一章中，将给出整个自动化学科的完整知识体系和自动化专业的完整课程体系，从而使学生了解，作为一名从事自动化科学技术学科研究和/或教育的人员（也包括学生）所必须具备的基本知识结构和必须掌握的基本知识内容；以及作为一名自动化专业的学生，四年内将要学习的课程及其之间的相互关系。

第7章“自动化专业学生的工程与科研训练”，进一步地明确自动化专业是工科专业、自动化科学是技术科学（工程科学）、自动化技术是工程技术，从而突出对自动化专业的学生开展工程训练的重要性；随后详细地介绍自动化专业学生应接受的工程与科研训练，应获得的工程与科研能力；最后通过多个实例，直观地给出合格自动化专业学生应该达到的专业综合水准。

第8章“自动化学科(专业)发展”是对自动化学科(专业)的拓宽介绍，帮助学生从更高的层面进一步地了解自动化学科(专业)。该章分为相互独立的4个部分，读者可任意地选取感兴趣的内容阅读，分别介绍：①我国自动化专业的特色和如何与国际主流教育体制接轨；②我国自动化学科(专业)在发展过程中逐渐形成的三个重要特点；③自动化学科(专业)与其他相关学科(专业)，尤其是与计算机类、信息类、工程类学科(专业)的联系与区别；④自动化科学技术、自动化专业的发展趋势与发展前景。

§1.4 课程教学安排

针对不同年级的学生，本课程可有两种完全不同的安排。

安排1：对自动化专业的高年级学生（以及研究生），课程开设时间比较灵活。考虑到他们已经对自动化、自动化基本原理等有所了解，教学内容为本书的后四章，参见图1.3.1。教学学时数建议安排8学时，每章2学时。

安排2：对自动化专业的低年级学生，为了让学生尽快对本专业有一个较深入与全面的了解，从而树立正确的专业学习目标，本课程宜在新生入学后的第一个学期开设。全书均可作为教学内容。

教学学时数建议安排16学时或24学时。在课程的具体安排上，主要应考虑与高等数学课程进度的协调。

对16学时的教学安排，建议周学时为2，从第2周开始，隔周上课。教学内容安排顺序为（参见图1.3.1）：第1章1学时，第2章3学时，第3章3学时，第4章2学时（部分自学），第5章2学时，第6章2学时，第7章2学时

时，第8章1学时（部分自学）。同时，安排参观所在学校自动化专业有关实验室与研究室、介绍所在学校自动化专业（不计学时）。

对24学时的教学安排，建议周学时也为2，从第2周开始，隔周上课，然后连着上（以便与高等数学课程进度一致）。具体可安排在第2、4、6、8、9、10、11、12、13、14、15、16周。教学内容安排：第1章1学时，第2章3学时，第3章4学时，第4章3学时（部分自学），第5章3学时，第6章3学时，第7章3学时，第8章2学时（部分自学），并安排参观所在学校自动化专业有关实验室与研究室、介绍所在学校自动化专业（计2学时）。

思考题

1. 在学本课程之前，你对自动化学科、自动化专业有多少了解？

1. 简述你选择自动化专业的原因或动机。

1. 如何理解“如果把整个科学技术比作茂密的树林、各个学科(专业)比作树林中的一棵棵不同种类的参天大树，则构成各学科的知识就是自动化专业参天大树上的枝和叶”？你准备如何去“认识”这些“枝和叶”？

1. 你读过多少有关自动化方面的科普书？有什么感想或体会？

1. 你准备如何学好“自动化学科概论”这门课？

1. 在学习本课程时，你准备再看哪些参考书（参见书末参考文献）？