面向新工科的MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

【關(guān)鍵詞】新工科；MBD-MCU；多專業(yè)融合

為應(yīng)對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，近期教育部會同國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部、人力資源社會保障發(fā)布了《普通高等教育學(xué)科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案》，方案要求到2025年完成高校學(xué)科專業(yè)布點(diǎn)20%優(yōu)化調(diào)整，新設(shè)一批適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的學(xué)科專業(yè)[1]。未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)所需的人才與傳統(tǒng)工科人才相比，注重工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。

作為工程機(jī)械之都，徐州工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)鏈齊全、技術(shù)研發(fā)體系完整。然而，“一帶一路”戰(zhàn)略和國內(nèi)新基建的需求變化重塑了工程機(jī)械產(chǎn)品布局，工程機(jī)械市場面臨產(chǎn)品、技術(shù)的快速升級與變革。隨著系統(tǒng)日益復(fù)雜和新需求不斷變化，工程機(jī)械控制系統(tǒng)開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)，控制系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)模式正悄然變化。如何在“新工科”背景下，突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高學(xué)生興趣與參與度，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新能力，成為當(dāng)前各類高校研究的重點(diǎn)。

一、研究背景及意義

當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)體系主要存在問題：

（1）教學(xué)模式與人才培養(yǎng)不適配。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生只需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，缺少設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，無法實(shí)現(xiàn)理論內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，與社會生產(chǎn)存在一定的脫節(jié)。

（2）缺乏學(xué)科交叉融合。當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)中心的功能模塊主要是按照學(xué)科邊界劃分的，這種劃分適用于學(xué)科初步建設(shè)的時候，但現(xiàn)今學(xué)科增多，這種劃分將會阻礙學(xué)科交叉融合服務(wù)的功能，在一定程度上造成了相近實(shí)驗(yàn)資源的重復(fù)積累與建設(shè)[2]。

（3）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較大。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要依托國家財(cái)政資金、科研項(xiàng)目資金、社會捐助等，形成“校–院–系”三級管理模式，隨著一些新學(xué)科衍生，這些學(xué)科對應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施需要較大的資金投入，并且迭代較快，這也就給高校帶來較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3]。

綜上所述，目前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系難以滿足新工科建設(shè)和社會對人才的需求，在人才培養(yǎng)過程中需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程體系的改革。本文從人才培養(yǎng)新要求出發(fā)，緊隨市場需求變化，研究適合應(yīng)用型本科學(xué)生的MBD-MCU實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

二、MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的目標(biāo)與特色

（一）MBD技術(shù)的優(yōu)勢

模型驅(qū)動設(shè)計(jì)（Model Based Design，MBD）是一種以模型為核心的開發(fā)技術(shù)，如圖1所示。在開發(fā)過程中，需求分析實(shí)現(xiàn)、軟件代碼生成、功能仿真驗(yàn)證以及后續(xù)迭代升級等工作都圍繞著模型展開。MBD技術(shù)在軟件功能開發(fā)中的應(yīng)用使得軟件開發(fā)難度大幅降低：通過構(gòu)建模型，可以高效便捷地進(jìn)行循環(huán)驗(yàn)證；自動代碼生成工具能直接將驗(yàn)證后的模型轉(zhuǎn)化為軟件代碼；應(yīng)用MBD技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)還能實(shí)現(xiàn)配套技術(shù)文檔的自動化生成。

（二）MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系重點(diǎn)關(guān)注以下2個目標(biāo)：

（1）實(shí)現(xiàn) MBD模式在應(yīng)用型本科院校的理論教學(xué)。隨著社會的發(fā)展，企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)模式發(fā)生了變化，這些變化將會直接導(dǎo)致人才需求有所變化。以前，企業(yè)更注重招聘具有專業(yè)領(lǐng)域技能的人才，但現(xiàn)在，企業(yè)更加需要擁有多種技能并具備創(chuàng)新能力的綜合型人才。這也意味著傳統(tǒng)的工程教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造企業(yè)的需求。本文提出一種基于MBD的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，使學(xué)生真實(shí)地感受企業(yè)研發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)與企業(yè)需求相符。

（2）建立 MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。建立MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，完善相關(guān)工具鏈，如圖2所示；并在此基礎(chǔ)上制定MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，指導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB/Simulink/Stateflow建立工程機(jī)械運(yùn)動控制模型，模型內(nèi)嵌控制邏輯和算法，設(shè)計(jì)模型變量與平臺代碼、硬件關(guān)聯(lián)代碼的接口。

（三）MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的特色

相比于目前各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，本文所提出的MBDMCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有以下4點(diǎn)特色：

（1）開展虛擬現(xiàn)實(shí)等新工科的研究。本研究旨在構(gòu)建一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真平臺，并進(jìn)一步發(fā)展成一種科研服務(wù)虛擬仿真平臺。通過將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用相融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及科研服務(wù)的功能聯(lián)合，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（2）建立多個專業(yè)融合實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)以教師為輔導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)方式，建設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)學(xué)生的協(xié)同創(chuàng)新，最終建設(shè)出具有學(xué)院特色的多專業(yè)融合實(shí)驗(yàn)室。

（3）加強(qiáng)校企合作。通過與企業(yè)合作的校企合作項(xiàng)目，使學(xué)生能夠更加深入地理解自己所學(xué)的專業(yè)知識，并掌握如何將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)踐中。這樣的合作可以為學(xué)生未來畢業(yè)就業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并提升學(xué)生在理論與實(shí)踐之間建立聯(lián)系的能力。

（4）源自本地、服務(wù)本地。徐州素有工程機(jī)械之都的美稱，通過與本地企業(yè)的合作，可以幫企業(yè)解決技術(shù)上的難題。

三、MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體思路及開發(fā)流程

MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要由三部分組成，具體內(nèi)容如下圖3所示。

（一）校企合作

在工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的方案制定中，首先需要進(jìn)行調(diào)查研究，了解本地工程機(jī)械相關(guān)企業(yè)的情況，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)與企業(yè)技術(shù)人員之間的緊密合作，共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)，有效地消除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)與企業(yè)實(shí)踐能力之間的障礙。

此外，積極推動產(chǎn)業(yè)與教育的融合，以及工學(xué)結(jié)合的聯(lián)合教研活動，定期組織校企雙方的教職員工參與其中。通過這種方式，可以有效提高教師和企業(yè)專家在教學(xué)和專業(yè)實(shí)踐方面的能力，借鑒對方的優(yōu)勢，以彌補(bǔ)自身的不足，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。與此同時，我們還積極倡導(dǎo)并加強(qiáng)“一課雙師”聯(lián)合教學(xué)模式的推進(jìn)，該模式能夠充分利用學(xué)校與企業(yè)雙方的優(yōu)勢，有效地促進(jìn)產(chǎn)業(yè)和教育的融合；通過這一模式的實(shí)施，我們真正能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生提供更加全面和實(shí)用的教育體驗(yàn)。

（二）打破學(xué)科壁壘，構(gòu)建交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)體系

目前，我校是通過學(xué)科分類對各個學(xué)科組織進(jìn)行劃分，關(guān)注每個學(xué)科自身的專業(yè)發(fā)展度，而忽略了學(xué)科間的關(guān)聯(lián)和互動，交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)體系建立則可以提高學(xué)科和學(xué)科間的交叉研究。 為打破學(xué)科壁壘、充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，構(gòu)建交叉學(xué)科的研究組織成為促進(jìn)學(xué)科文化融合的關(guān)鍵措施，同時也是工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室迫切需要的教學(xué)要求[4]。過去，為了消除不同學(xué)科間的壁壘，我們實(shí)施了一系列學(xué)科組織調(diào)整措施，其中包括整合各個院系，并建立了以一個院為主導(dǎo)的多個系和學(xué)科的管理體系，以消除不同學(xué)科組織之間的障礙。然而，如今我們能夠通過靈活建立各種形式的交叉學(xué)科研究實(shí)驗(yàn)體系來解決這一問題。

MBD-MCU工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室通過多學(xué)科間的融合建設(shè)，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的不同階段持續(xù)體現(xiàn)，并貫穿于整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的過程中。

（1）科學(xué)選型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在項(xiàng)目初期，我們讓企業(yè)的專家參與到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇和論證中，這樣一來，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師就可以在考慮技術(shù)性能和市場價(jià)格信息的基礎(chǔ)上做出綜合決策，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)科競賽的順利進(jìn)行打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）建立多樣化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在建設(shè)過程中，充分吸納企業(yè)專家的建議，確保實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既具有較高的學(xué)科價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，又能夠與行業(yè)應(yīng)用無障礙對接，從而靈活地調(diào)整和增加實(shí)驗(yàn)的部分內(nèi)容[5]。

（3）基于多專業(yè)融合MBD-MCU工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，建立智能制造、機(jī)器人、PLC與運(yùn)動控制、傳感技術(shù)、虛擬仿真等數(shù)字化、智能化實(shí)踐項(xiàng)目。這為新學(xué)科如智能制造、控制工程、智能工程與管理提供實(shí)踐教學(xué)支持，同時為全校學(xué)生提供認(rèn)知實(shí)踐服務(wù)。通過豐富教學(xué)內(nèi)容和創(chuàng)新的項(xiàng)目式工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)模式，成功提升了學(xué)生參與工程訓(xùn)練的興趣。圖4為該實(shí)驗(yàn)體系在實(shí)際教學(xué)中的照片。

（三）實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程

結(jié)合MBD技術(shù)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程見圖5。依據(jù)設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行需求分析，梳理需實(shí)現(xiàn)的功能，將功能翻譯為等效的數(shù)學(xué)模型、邏輯狀態(tài)機(jī)等內(nèi)容，并以此進(jìn)行模型搭建。相對于文本代碼，可視化的模型更加直觀且容易理解﹐有利于規(guī)避開發(fā)初期不必要的設(shè)計(jì)錯誤。模型搭建完成后進(jìn)行仿真驗(yàn)證，根據(jù)仿真數(shù)值結(jié)果，評估波形是否符合預(yù)期要求，即可直觀地發(fā)現(xiàn)模型錯誤，修補(bǔ)BUG。

模型設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證通過后，代碼自動生成工具可將模型轉(zhuǎn)換為軟件代碼。針對不同硬件芯片載體﹐Coder自動化工具可生成C、C++、VHDL、Verilog等語言。生成的軟件代碼通過CODESYS或KEIL等軟件編譯后，可直接燒寫至硬件環(huán)境或者下載到仿真軟件proteus中進(jìn)行測試驗(yàn)證。當(dāng)硬件驗(yàn)證出現(xiàn)問題時，以驗(yàn)證結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行模型修改優(yōu)化，待模型仿真驗(yàn)證通過后，自動生成軟件代碼，即可再次進(jìn)行測試驗(yàn)證。

MBD技術(shù)開發(fā)流程展現(xiàn)出卓越的靈活性，易于進(jìn)行仿真驗(yàn)證；由于代碼可自動生成，因此具有高效的開發(fā)效率。在面對設(shè)計(jì)輸入的變更時，只需修改模型，再次進(jìn)行仿真驗(yàn)證即可，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)輸入與研發(fā)過程的實(shí)時交互，提高了設(shè)計(jì)開發(fā)的敏捷性。當(dāng)硬件方案發(fā)生變更時，僅需根據(jù)不同的芯片載體進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，即可將模型功能轉(zhuǎn)化為不同軟件語言的代碼，直接燒寫至硬件環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證。MBD技術(shù)在新軟件的開發(fā)以及既有軟件的改版升級方面表現(xiàn)得非常勝任和適用。

四、MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用展望

MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、通信技術(shù)、程序設(shè)計(jì)以及單片機(jī)等多方面知識。學(xué)生的學(xué)習(xí)成果將直接影響他們未來在電子或電氣領(lǐng)域解決實(shí)際問題的能力。該教學(xué)體系旨在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新精神，強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，以及養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的作風(fēng)和初步科研技能。鼓勵學(xué)生積極參與動手實(shí)踐，以達(dá)到MBD-MCU控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。這一教學(xué)方法的目標(biāo)并非僅驗(yàn)證理論，而是為服務(wù)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)提供更好的人才培養(yǎng)。