扎根于“微” 拓展到“遠”和“宏”的測控專業教學體系建設研究

張自嘉 孫 偉 殷利平 陳海秀 楊常松

南京信息工程大學信息與控制學院 江蘇南京 210044

測控技術與儀器專業目前面臨的現狀是畢業生多從事儀器使用和維護或與控制相關方面的工作，也有進入電子信息相關技術領域的[1]，這一方面反映了本專業學生的知識面較寬，另一方面也反映了本專業在儀器儀表制造行業競爭力不足。測控專業是我國儀器儀表學科下屬的唯一一個本科專業，是近年來我國對學科目錄和專業設置調整后，合并11個相近專業后確定的專業類別[2]，承擔著我國儀器儀表專業人才培養的重要使命。從專業特點來看，測控專業特別是電子信息類的測控專業側重于測控系統的底層硬件和軟件設計，而控制和電子信息類的測控專業則側重于應用層。近年來，測控專業在開設院校與招生人數等方面都達到了較大規模，各類學校的教師對相應的培養模式進行了深入研究和探索，對培養測控人才起到了積極的推導作用[3-6]。測控專業是一個多學科交叉、綜合和集成的學科，因此對人才的培養模式存在多樣性，同時也存在一些不足，研究如何提高本專業人才培養的質量和就業競爭力，特別是培養設計和制造儀器儀表的專業人才，對測控專業人才培養模式進行分析和研究，具有現實意義。

儀器儀表屬于一種工具，其人才培養的核心任務是培養能夠創造這一工具的人才，其次才是應用這一工具的人才，這一點非常重要，否則未來儀器儀表設計制造企業的中堅力量將會被其他專業人才取代，儀器儀表專業人才將會成為使用和維護儀器儀表的人才，失去該專業人才培養的初衷和目標。

1 測控技術與儀器專業面臨的現狀

測控專業在我國是一個相對較新的專業，還處于不斷發展與完善的過程中。近年來各個層次的畢業生逐年增多，就業壓力也隨之增加，畢業生的競爭一方面來自于本專業之間，另一方面也來自其他專業。當專業特色不突出時來自相近專業的競爭就會更加激烈，因此針對各類院校，研究如何加強人才培養模式、增強畢業生就業競爭力，推動我國儀器儀表和測控技術的發展具有重要意義。

在我國200多個專業類別中，不少專業是無可替代的。由于儀器儀表的廣泛性和綜合性，使得儀器儀表專業在不少領域并不是處于一種無可替代的地位，或者說處于一種“夾心”狀態。就單純的測控專業來說，機械式精密儀器要超越機械專業，避免機不如機械的處境；而光學儀器要超越光學工程有關的專業，避免光不如光學工程的處境；同樣電測儀器也要超越純粹的電子技術專業，避免電不如電類的處境；實質上還要避免控不如控制的境地。這不是說儀器儀表專業不重要或可有可無，而是說測控專業的人才培養，在寬口徑、厚基礎的前提下，要有自己的側重點，找出突出優勢。機械式精密儀器和光學儀器具有鮮明的特色，只有少數學校具備這樣的人才培養條件，應突出自己人才培養的優勢，使之成為一種無可替代的專業方向，當然也要兼顧就業的廣泛性。在我國200多所各類開設測控專業的本科院校中，大多是近幾年才開始招生，其中約有1/5是依附于其他院校的獨立學院，并以電測輔以控制為主。對于電測并輔以控制的測控專業，需要明確測控專業根本的人才培養目標—儀器儀表，因此建議這類院校的測控專業人才培養模式需扎根于“微”，拓展到“遠”和“宏”。

2 扎根于“微”，拓展到“遠”和“宏”的教學體系

2.1 “微、遠、宏”的含義

“微”有微觀的含義，是指能夠利用基本元器件設計儀器儀表，這種儀器儀表可能是獨立工作或使用的，也可能是放入其他系統中的儀器儀表模塊。基本元件指傳感器、電阻、電容、三極管、運算放大器、模數轉換器、單片機等，最主要的是包含信號調理的完整儀器。在掌握基本元件性能的基礎上，強調設計中如何提高儀器的性能，如精度、功耗、可靠性等。

“遠”有遠的含義，這里指通信，各個儀器模塊之間進行信息傳輸，但并非一定指實際距離的遠。這里的通信不同于通常意義的通信，指儀器模塊之間的數據傳輸，主要是各種現場總線。這種通信既包含有線，也包含無線，有近距離的通信也有稍遠距離的通信，也可以接入電信、移動的通信網絡。典型的包括RS232，RS485/42，USB，CAN，PROFIBU，ZigBee等，特指能夠掌握有關協議和硬件構成及它們的驅動軟件設計。

“宏”有宏觀的含義，指能夠利用其他儀器儀表模塊構建一個完整的測量系統，大多還具有控制功能，有時還需要一個屬于“微”的系統來協調這些模塊的工作。具有“系統集成”的含義，這方面要教授給學生目前主要領域被廣泛應用和認可的成熟儀器模塊，以及它們的構成方式，還應包括讓這些模塊工作的相關軟件的使用方法，自動化儀表、PLC等屬于典型的“宏”特征的測控模塊，它們有現成的儀器模塊和成套的軟件。

屬于“微”的課程較多，如電路理論、數字電路、模擬電路、微機原理/單片機、嵌入式系統設計、儀器電路設計、光電測試技術、EDA、傳感器、檢測技術、DSP、智能儀器、電機及測控控制技術等，還有電路設計軟件，如Protel，PADS等，這是儀器儀表的根本。當然這些課程很多都是本專業已開設的，但也是很多電子技術專業開設的課程，實質上它們在電方面的根基要比測控專業更深和更牢固一些。那么如何才能夠使測控專業的學生更牢固地扎根于“微”，是測控專業教師需要思考的問題。隨著電子技術的發展，一些機電式的儀表逐步被純電和數顯儀表所取代，對“微”的能力要求會更高。

屬于“遠”的課程有計算機網絡、現場總線、網絡化測控技術等。關于通信方面，測控專業無法與計算機專業的網絡和通信專業的通用通信相抗衡，但要掌握測控專業自身的通信特點，主要是專用通信網絡，適用于工業現場應用的控制網絡。這方面的教學不僅是泛泛地介紹有關網絡的概念，更重要的是要講解網絡的硬件構成與實現及軟件設計方法。

屬于“宏”的課程不是很多，但應用千變萬化，實用性強，就業時具有針對性。PLC、過程控制裝置/儀表、虛擬儀器屬于較典型的具有“宏”特征的課程，表面上看這是儀器儀表應用層面上的課程，但已不是簡單的應用，如PLC，從理論上講只是一個數字控制裝置，但要使其可靠穩定的工作，不是一般設計人員可以完成的，而且配套的軟件也相當復雜，這也正是世界上廣泛應用的PLC被少數幾家企業壟斷的原因。這些課程雖然已具有明顯的控制特征，但如果有這方面的拓展，學生的就業面會更寬一些。

2.2 建立扎根于“微“的教學思想

這里說到的“宏”和“遠”，其實都源于“微”，因此特別強調要扎根于“微”。從大多數測控專業的教學計劃及儀器科學與技術教學指導委員會的儀器儀表類專業規范[1]來看，扎根于“微”的力度并不夠，測控專業中PLC和虛擬儀器課程都是講如何應用，特別是相應的開發軟件和編程，較少涉及PLC和數據采集卡的構成與設計，其實若有課程能夠深入剖析PLC及各類數據采集卡的構造、設計方法，則更能體現測控技術與儀器的專業本質。同樣對于“遠”，不僅要教授給學生控制網絡的抽象協議，更要教授其硬件構成、特定的軟件編程方法，使之能夠從“微”的角度構建一個測控網絡，而不僅是利用現成的模塊搭建一個網絡，用固定的軟件使之運轉，如各類組態軟件等，測控專業更應擔當起設計、制造底層硬件和軟件的任務。

要使測控專業培養的人才能夠扎根于“微”，僅僅利用前面提到的與“微”有關的課程是不夠的，這些只是掌握了一個基本的概念，打下了一個初步的基礎。最好的方法就是案例教學，通過成功的案例設計使學生先學習、模仿，然后應用，之后自然就會有創新。提高“微”方面的能力需要長期實踐鍛煉與經驗積累，這些經驗若寫入教材傳授給學生，則可以大大提高人才培養的效率和質量，避免本專業的人才出現“遇電電不強或電不如電類”的不足。雖然這會有一定的難度，可能涉及企業產品的技術秘密，但大家只要朝著這個方向努力，未來一定會有利于專業的發展。

對扎根于“微”的模式，也適用于偏光、機方面的人才培養，在光、機基本理論基礎上，加強本專業有關特定設計的訓練，使之達到無可替代的專業方向。

3 建立與“微、遠、宏”相適應的實驗項目和實驗室

建立扎根于“微”、拓展到“遠”和“宏”的培養模式，提高測控專業人才的培養質量和效率，需要建立相應的實驗條件，當然其中很大一部分都是和原來相同的，只是需要適當擴展，并有所側重和分配相應的比例。

扎根于“微”，對原來的基礎性實驗仍然不可減少，而且要有所加強，主要目的是提高學生軟、硬件設計的能力。除了基本原理的驗證性實驗之外，還要增加和擴充能夠提高學生實際設計能力的相關實驗，這些實驗應是成熟并能夠應用于實際工程的案例或功能模塊。

對于原來與“遠”和“宏”有關的實驗，仍然要保留，這是培養應用能力必不可少的。需要增加學生深入掌握完成“遠”和“宏”功能模塊的構造和設計方法，而不是僅僅驗證它能夠完成的功能。舉例來說，對PLC不僅學習它的功能、編程方法，還要掌握它的內部結構、設計方法；同樣對于虛擬儀器，不僅是掌握LabVIEW軟件的使用方法，還要掌握數據采集卡的結構和設計方法；對于測控網絡，也不僅是能夠編程使用已有的模塊，而是能夠設計相應的模塊，或將之應用于需要設計的儀器中。還有很多成熟、有代表性的儀器或儀器模塊都可以作為“微”的案例寫入教材，并建立相應的“解剖”實驗，提供相關課程和配套實驗條件，這樣才能更好地使培養的人才扎根于“微”。特別是對工程應用的典型儀器或儀器模塊、工程應用的測控系統的解剖式理論教學和實驗，可以是簡化或“仿制”的工程應用的儀器模塊，以突出設計要領。

不同類型的學校對“微”“遠”“宏”的要求可以有較大差別，特別對于以培養應用型人才為主的學校，可以加強“遠”和“宏”能力的培養，未來以應用、維護儀器儀表為主要就業方向，或者加強控制方面的培養，轉向工業控制方向。

4 結束語

儀器儀表在工業、農業、交通、氣象、軍事等各個行業都有廣泛應用，測控專業擔負著儀器儀表人才培養的重任，其首要任務是培養能夠設計制造儀器儀表的專業人才，其次才是培養應用、維護儀器儀表的人才。分析了測控專業人才培養的現狀和面臨的問題，著重強調了扎根于“微”、拓展到“遠”和“宏”的培養模式，雖然和原來的培養模式沒有本質差別，但在一些方面要有側重，以提高設計和制造儀器儀表的能力，而且不同層次學校在人才培養定位上要有所區別。

需要說明的是這里所提出的“微”“遠”“宏”只是形象或抽象的區分，實際上并沒有嚴格的意義，只是一種籠統的劃分，相對有所側重而已，對有關課程的區分也不是絕對的，也并沒有一一列舉。希望這樣的模式對本專業人才培養有一定的積極意義，對提高人才培養的質量和效率有參考價值。

[1]教育部高等學校儀器科學與技術教學指導委員會.儀器科學與技術學科測控技術與儀器專業規范[R].2006.

[2]教育部.工科本科引導性專業目錄[Z].北京:高等教育出版社,1998.

[3]頡新春,王志春,李忠虎.智能化儀表課程教學改革的研究[J].中國現代教育裝備,2009(10):68-69.

[4]宋愛國,況迎輝.測控技術與儀器本科專業人才培養體系探索[J].高等工程教育研究,2005(5):48-51.

[5]胡小唐.提高工程教育質量培養高素質創新型儀器儀表工程技術人才[R].第二屆中國機械工業教育協會儀器科學與技術學科教學委員會成立大會上講話,2008.

[6]李東升,李文軍,毛成,郭天太,謝代梁.地方高校特色專業培育方法研究:以測控技術與儀器專業為例[J].中國大學教學,2010(10):80-82.