新工科背景下自動化類專業(yè)實踐教學(xué)研究＊

熊 麗，祁麗婉，王琦山，張維寶

（河西學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000）

1 引言

目前對自動化類專業(yè)實踐教學(xué)的研究重視解釋性、描述性和一般性的理論闡釋，但因?qū)W校類型和辦學(xué)層次不同，其在實踐教學(xué)中的教學(xué)模式與積累的經(jīng)驗也有較為明顯的差異。從研究內(nèi)容的側(cè)重點分析，已有研究成果多是從自動化類專業(yè)某一門具體的課程出發(fā)，對自動化類專業(yè)實踐教學(xué)的內(nèi)容體系、教學(xué)模式改革等提出了經(jīng)驗性的建議[1-3]。然而，因不同課程之間的差異較大，不同課程的實踐教學(xué)經(jīng)驗的輻射意義有限，因此跳出具體的課程視域，以自動化類專業(yè)實踐教學(xué)研究為視野進(jìn)行研究有助于研究的深化。從研究范式與方法分析，已有關(guān)于自動化類專業(yè)實踐教學(xué)的研究多在思辨范式的指導(dǎo)下進(jìn)行理論建構(gòu)，用實證范式對自動化類專業(yè)實踐教學(xué)的研究較少，因此加強(qiáng)實證研究與思辨研究的結(jié)合進(jìn)一步探索自動化類專業(yè)實踐教學(xué)有其必要。

2 自動化類專業(yè)實踐教學(xué)存在的問題

近年來，部分高校在自動化類專業(yè)的實踐教學(xué)改革方面已做了諸多有效的工作，并取得了一定的成效[4-5],但在實際執(zhí)行過程中仍存在如下問題：（1）大部分實踐教學(xué)仍然沒有脫離固有的“灌輸式”教學(xué)模式，導(dǎo)致學(xué)生們存在學(xué)過的知識不會用、有用的知識沒有學(xué)、理論知識與工程實踐相脫節(jié)、解決問題分析問題的能力不足。（2）大部分實踐教學(xué)針對新工科背景、工業(yè)流程及人因工程等方面內(nèi)容的設(shè)計嚴(yán)重不足，對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)不充分。（3）校內(nèi)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的實驗項目相對獨立，涉及到的知識點較為單一，且校外實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)之間缺乏顯著的梯度和層次。（4）實踐課程建設(shè)相對滯后，基礎(chǔ)性和驗證性實驗偏多，沒有系統(tǒng)地把解決復(fù)雜工程問題融入到實踐教學(xué)中，導(dǎo)致創(chuàng)新性和綜合性不夠，且研究式、探究式及案例教學(xué)等實踐教學(xué)方法并未得到較好地應(yīng)用。（5）實踐教學(xué)師資呈現(xiàn)邊緣化趨勢，教師的工程素質(zhì)和實踐經(jīng)驗不足，缺乏兼具豐富工程背景和較高學(xué)術(shù)造詣的雙師型教師，故新工科背景下雙師型師資力量的薄弱間接導(dǎo)致新建本科院校實踐教學(xué)水平層次低。

3 自動化類專業(yè)實踐教學(xué)方法改革

3.1 以自動化類專業(yè)實踐教學(xué)為基礎(chǔ)，加大綜合交叉類學(xué)科的仿真實驗項目比例

眾所周知，自動化類專業(yè)是理論與實踐性非常強(qiáng)的專業(yè)，只有通過大量的實踐教學(xué)，才能夠培養(yǎng)大學(xué)生的專業(yè)工程技術(shù)素質(zhì)以及動手操作能力和自主探索能力。而Multisim軟件[6]是集電子電路原理設(shè)計、分析、仿真為一體的電子設(shè)計虛擬化平臺，在電路圖的創(chuàng)建和仿真、電路設(shè)計及很多系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用中極其廣泛[7]。Multisim軟件MCU的模塊是能對單片機(jī)進(jìn)行仿真的軟件，支持仿真的單片機(jī)類型有8051和8052，Multisim軟件編輯器中可以用C程序和匯編程序進(jìn)行源程序的編寫，同時還具有反匯編的功能，Multisim軟件可以用于電路圖的創(chuàng)建，亦可以用于各種波形圖的仿真。伴隨著單片機(jī)的發(fā)展，其在各種領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，而用虛擬化的開發(fā)平臺仿真單片機(jī)不僅能節(jié)省開支，而且調(diào)試更加方便。同時,在電路的故障診斷等工程實際應(yīng)用中，Multisim軟件也發(fā)揮了巨大的作用。工程實際中常用的電路故障診斷方法是故障字典法，通常故障字典的建立需要通過大量的電路實驗收集各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，時間長、成本高，但利用Multisim軟件強(qiáng)大的電路仿真能力可以很好地解決這一問題。在仿真環(huán)境中，用戶可以設(shè)置各種故障狀態(tài)，甚至各種極限狀態(tài)，利用虛擬儀表進(jìn)行檢測，把故障數(shù)據(jù)收集到故障字典中。用Multisim軟件仿真工具進(jìn)行故障數(shù)據(jù)的收集是一種快速、經(jīng)濟(jì)、可靠的故障字典建立新方法，可以廣泛用于各類電子電路的故障診斷和分析。

因此，有效地利用Multisim軟件足以使高校擁有一個更加先進(jìn)和現(xiàn)代化的“電子實驗室”，在這樣一個無所束縛、不拘形式和時間的“電子實驗室”中，用“以虛代實、以軟代硬”的教學(xué)方法為例來進(jìn)行實驗，既具備了容易設(shè)計、容易修改和實現(xiàn)簡單等特點,又使得教師可以有效地大幅度提高課堂的教學(xué)效率,同時降低了教學(xué)費用?；贛ultisim平臺的仿真[8]，優(yōu)勢有：（1）有著眾多的虛擬儀器以及充足的元器件資源。（2）彌補了學(xué)校實驗經(jīng)費不足的缺點。在學(xué)校實驗資金和經(jīng)費相對不足的條件下，有些學(xué)?？梢灾苯娱_出的實驗計劃和項目數(shù)量也會受到約束。近年來隨著高等院校招生規(guī)模的發(fā)展擴(kuò)大，部分實驗基礎(chǔ)設(shè)施跟不上學(xué)生使用，實驗場所與設(shè)備及其實驗儀表等資源十分有限，從某些方面也極大地限制了對廣大學(xué)生的專業(yè)工程技術(shù)素質(zhì)、動手操作能力與自主創(chuàng)新精神的訓(xùn)練。然而，學(xué)生通過仿真平臺進(jìn)行電子虛擬化實驗，可以彌補由于實驗儀器以及資金不足等原因造成的影響。（3）Multisim軟件中額外加入了與實物完全一樣的實驗型面包板，能夠極大地增加課堂上學(xué)生對于電路的情感性認(rèn)識，激發(fā)課堂上學(xué)生的積極性與學(xué)習(xí)興趣。同時，Multisim軟件針對于教師和學(xué)生特殊地進(jìn)行了設(shè)計并建立了強(qiáng)大的課堂教學(xué)功能，可以有效地幫助教師運用嶄新而又富有創(chuàng)意的課堂教學(xué)模式去準(zhǔn)確地傳授學(xué)生所需要的知識和課程。

目前，Multisim 軟件的推出在本校自動化專業(yè)得到了一定的推廣與促進(jìn)。一方面，在本校其它各種電子技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)的同時，也促進(jìn)了課程建設(shè)與發(fā)展；另一方面，擴(kuò)大了自動化等相關(guān)專業(yè)“電子實驗室”的空間,為廣大學(xué)生們參加課外的電子科學(xué)與設(shè)計實踐活動打下了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，例如可以通過Multisim軟件實現(xiàn)觸摸延時開關(guān)電路的建模和仿真。因為NI Multisim MCU模塊具有微控制器單元（Micro Controller Unit）的協(xié)同和仿真功能，可以通過在一個使用Spice進(jìn)行建模的集成電路中加入一個能夠直接利用C語言和匯編語言來對其進(jìn)行編譯的多種微控制器。Multisim軟件MCU模塊主要用于支持有8051/8052等外部芯片以及一些比較高級的外圍控制器件，在計算機(jī)上對單片機(jī)軟件和硬件集成電路進(jìn)行虛擬化實訓(xùn)，借助于各種虛擬的檢測儀器和可以建模準(zhǔn)確的元器件以及各種方法來對交互控制的按鈕、開關(guān)元件，做到定性、定量而且自然動態(tài)地通過分析計算機(jī)集成電路的具體工作流程及應(yīng)用程序執(zhí)行的結(jié)果，無疑會成為分析、研究和掌握單片機(jī)技術(shù)的最佳輔助方法?；贛ultisim軟件的觸摸延時開關(guān)電路圖如圖1所示，該電路由8051、555定時器、按鍵開關(guān)、電容、電阻、三極管、二極管、干簧式繼電器等組成，其中觸摸開關(guān)由按鍵開關(guān)代替。555定時器與電阻電容等組成了單穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)短暫的按下開關(guān)并松開后，燈泡會點亮，延時一段時間后會自動熄滅。觸摸延時開關(guān)輸入/輸出波形圖如圖2所示。

圖1 觸摸延時開關(guān)電路仿真圖

圖2 觸摸延時開關(guān)輸入/輸出波形圖

3.2 融合實踐教學(xué)與新工科教育理念，增設(shè)前沿學(xué)科與仿真實驗項目，增強(qiáng)科研成果優(yōu)勢，增設(shè)開放性仿真實驗項目為選修課程

考慮到新工科背景下人才培養(yǎng)目標(biāo)定位于應(yīng)用型高級專門人才的實際需求，對自動化類專業(yè)實踐教學(xué)的要求越來越高。按照自動化類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系，在實踐教學(xué)改革方面應(yīng)堅持“注重基礎(chǔ)、趨向前沿、反映現(xiàn)代”的原則，注重傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結(jié)合、實踐教學(xué)與科研成果及自動化工程實際密切聯(lián)系，可通過增設(shè)前沿學(xué)科與仿真實驗項目以及開放性實驗項目，突出科研成果優(yōu)勢，例如自動化類專業(yè)的核心理論是自動控制，而非線性系統(tǒng)與非線性控制理論[9]，是自動控制課程體系中較難較復(fù)雜的一部分內(nèi)容，但又具有重要研究意義。鑒于Lorenz混沌系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，本節(jié)以Matlab軟件的Simulink模塊對Lorenz系統(tǒng)進(jìn)行建模與控制仿真研究。Simulink動態(tài)軟件系統(tǒng)是位于Matlab動態(tài)軟件下面的一個系統(tǒng)附加集成軟件，是一個專門為構(gòu)建動態(tài)系統(tǒng)而量身設(shè)計的一個可以用于進(jìn)行系統(tǒng)建模、構(gòu)造和數(shù)據(jù)分析的重要工具盒，它是基于框圖接口界面及交互式仿真功能的系統(tǒng)層設(shè)計與仿真平臺。同時，Simulink動態(tài)軟件系統(tǒng)還可以實現(xiàn)擁有各種不同圖像采樣頻率的數(shù)字仿真處理系統(tǒng)，而且它還為客戶提供了許多豐富的數(shù)學(xué)仿真器和模型。它的主要技術(shù)作用就是用來實現(xiàn)一個動態(tài)化的軟件系統(tǒng)架構(gòu)建模、仿真與分析，可以對系統(tǒng)先進(jìn)行仿真分析，然后根據(jù)多次仿真實驗得到最優(yōu)控制效果后再進(jìn)行自動調(diào)試及修改控制參數(shù)。近年來利用Simulink模塊進(jìn)行電路分析與仿真得到了廣泛應(yīng)用，在科學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)著重要的位置，與多個學(xué)科有著緊密的聯(lián)系，且方法使用簡單，結(jié)果清晰明了。利用Matlab軟件的Simulink模塊可以更簡潔地觀察到系統(tǒng)的各項動態(tài)性能，而且還可以很靈活地改變系統(tǒng)的各個模塊的參數(shù)，在系統(tǒng)參數(shù)變化靈活的情況下使系統(tǒng)更加的優(yōu)化。Simulink建模與仿真的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：（1）界面清晰簡單，容易使用。（2）具有很強(qiáng)的科學(xué)計算能力和數(shù)據(jù)處理功能。（3）具有很強(qiáng)的建立動態(tài)系統(tǒng)函數(shù)和仿真。（它指的是一種能夠支持線性、非線性、連續(xù)、離散、多重的變量及其它各種混合型的操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)）。（4）增加模塊元件和所用的代碼。（Simulink的模塊庫都是可以定制化的，可以根據(jù)所需用戶來定制模塊庫，所以它是方便的。也就是我們可以通過修改再使用已經(jīng)有的模塊，也可以編寫其它的代碼直接進(jìn)入Simulink模型中。）（5）它可以分層次的表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)，可以設(shè)置很多子系統(tǒng)，所以可以復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真。

因此，基于Lorenz混沌系統(tǒng)的Simulink仿真框圖如圖3所示，仿真得到的三個二維混沌相圖如圖4所示，由這些混沌相圖可證明該Lorenz系統(tǒng)是混沌的。同樣可通過選擇不同的控制和同步方法，利用Simulink仿真針對不同的非線性系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制等研究。近年來，通過將本團(tuán)隊在混沌領(lǐng)域的科研成果與本校自動化類專業(yè)的仿真實踐教學(xué)相結(jié)合，不僅提高了自動化類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和實踐能力，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與探索能力。

圖3 Simulink仿真框圖

圖4 基于Lorenz混沌系統(tǒng)的Simulink仿真混沌相圖

3.3 將實證研究與思辨研究相結(jié)合探索自動化類專業(yè)實踐教學(xué)

實證研究追究的是某種因果關(guān)系或相關(guān)關(guān)系，是等待驗證的假設(shè)；而思辨研究講究邏輯推理，是提出論點、擺出論據(jù)、進(jìn)行論證的過程?，F(xiàn)有的關(guān)于自動化類專業(yè)實踐教學(xué)的研究大多屬于思辨研究，利用實證范式對自動化類專業(yè)實踐教學(xué)所做的研究相對匱乏。事實上，實證研究較思辨研究更易操作。思辨研究似乎容易入門，重點在于提出論點、論據(jù)并論證，但是，如何使思辨研究具備有理有據(jù)、論證充分且有說服力的特征卻比較困難，此過程需要長時間的修煉。實證研究看似入門較困難，然而只要掌握其操作技巧就比較容易完成。因此，針對自動化類專業(yè)的實踐教學(xué)，最好先嘗試實證研究，再逐步采用思辨研究，最后使實證研究和思辨研究之間保持貫通的狀態(tài)。

4 結(jié)語

本研究團(tuán)隊在本校新建自動化專業(yè)的實踐教學(xué)中，有效地利用Multisim軟件和Matlab軟件中的Simulink模塊所實現(xiàn)的無所束縛、不拘形式和時間現(xiàn)代化的“電子實驗室”，采用“以虛代實、以軟代硬”的實驗教學(xué)方法，具有容易設(shè)計、容易修改和實現(xiàn)簡單等優(yōu)點,提高課堂教學(xué)效率的同時降低了教學(xué)費用。另外，通過將本研究團(tuán)隊在非線性領(lǐng)域的研究成果與本校自動化類專業(yè)的仿真實踐教學(xué)相結(jié)合，并將實證研究與思辨研究融會貫通于自動化類專業(yè)的實踐教學(xué)，不僅提升了自動化類專業(yè)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，而且有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，進(jìn)一步改善了自動化類專業(yè)實踐教學(xué)效果并提高了工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。