基于系統工程教育方法論的測控專業實驗體系建設

摘 要 分析目前我國工程教育體系中實驗教學環節存在的問題，研究系統工程方法論的基本內容，探討基于系統工程教育方法論建設測控專業實驗體系的基本思路，對測控技術與儀器專業的教育改革進行積極的探索和實踐。

關鍵詞 系統工程；方法論；測控技術；實驗室建設

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X(2012)09-0105-03

Experimental System Construction for Measuring and Control Technology and Instrumentation based on Methodology of System Engineering//Jiang Yan， Zhao Lihong， Yuan Fengwei， Zhu Huiling， Wang Yulin

Abstract Analysis the problems of experimental teaching in engineering education， study the basic content of system engineering methodology， based on methodology of system engineering， discusses the basic ideas of the experimental system construction for measuring and control technology and instrumentation， positively explore the education reform in field of measuring and control technology and instrumentation.

Key words system engineering; methodology; measuring and control technology; lab construction

Author’s address Department of Measuring and Control Technology and Instrumentation， School of Mechanical Engineering， University of South China， Hengyang， Hunan， China 421001

1 引言

在信息技術與控制技術出現之前，人們以經典自然科學為基礎的機械世界觀和方法論來認識自然和改造自然。機械世界觀和方法論把系統看做互不聯系的各個部分相加的總和，把系統的運動看做各個孤立運動過程的總和。我國現行的工程教育體系主要還是以機械世界觀和方法論為基本指導思想，即通過把工程教育的內容分解為一門門孤立的課程和實驗，然后通過簡單的相加，以期達到工程教育的目的。這使得專業課程之間缺乏必要的聯系，專業實驗僅局限于某門理論課程，學生缺乏系統工程實踐，得不到項目需求分析、元器件選型、系統建模、綜合調試的系統訓練，也缺乏對實驗思路、實驗設計、實驗技能、觀察與分析等能力的全面訓練。在教育發達國家，工程教育的教育思想已經完成從機械的方法論向系統的方法論的轉變。

2 系統工程與方法論

系統工程學是技術科學領域里推動系統科學發展的一門新的邊緣性學科，它把系統數學理論和行為理論適當地結合起來，使它們融合為一個有效的整體，以用來解決實際問題。方法論是指人們解決復雜系統問題的成套工具，系統工程方法論以系統為對象，根據總體協調的需要，應用現代工具，對系統的構成要素、組織結構、信息交換等功能進行分析、設計，從而達到系統的最優化。

系統工程方法論為人們把握復雜事物提供了一系列科學方法的原則，即整體性、關聯性、有序性、開放性、發展性、模型化和優化等原則。美國系統工程專家霍爾于1969年提出的霍爾三維結構（圖1），對系統工程方法論的描述具有較好的通用性和一般性，在世界各國得到廣泛應用。霍爾三維結構也稱為霍爾的系統工程，是一個由時間維、邏輯維和知識維組成的三維空間結構。其中，時間維表示系統工程活動從開始到結束按時間順序排列的全過程，它從方針和計劃階段提出最初方案起，直到系統退役或被淘汰為止；邏輯維是指時間維的每一個階段內所要進行的工作內容和應該遵循的思維程序；知識維是需要運用的各專業和學科的專門知識和技能。

3 基于系統工程教育方法論建設測控專業實驗

體系

一個典型的測控系統包含信號的獲取、放大、傳輸、處理、應用和控制等過程。測控專業教育作為工程教育的一個子系統，應遵循工程教育的一般規律和方法。系統的工程教育方法論認為工程教育內容必須以工程系統為對象，因此將測控專業的專業基礎課和專業課的教學和實驗放到某個具體的、典型的測控對象中進行，而不是分割教學與實驗。通過多門課程實驗一個典型測控對象或系統，幫助學生理解專業和課程之間、整體和部分之間的內在聯系，讓學生在掌握和理解單門課程知識的同時，掌握系統工程的方法，做到理論聯系實際，科學主導工程。據此，可以把霍爾系統工程方法論的三維結構進行相應演變，得到測控專業實驗教學的霍爾三維結構，如圖2所示。圖中時間維是指具體的實驗進度，在其指導下制定具體的邏輯維，邏輯維包含實驗步驟和實驗內容，而知識維則描述了本實驗項目對多個不同課程知識點的綜合。

按照系統方法論，提出對測控技術與儀器專業實驗體系進行建設的思路。

1）建立面向一年級學生的基礎原理實驗部分，也就是認知實驗。以測控電路實驗箱和虛擬儀器實驗為對象，結合教材上的理論知識，讓學生自己動手搭建相對應的儀器與電路，了解各知識點的主要內容，對測控系統中涉及的典型知識點有真實的認識。

2）建立面向二年級學生的驗證性、研究性實驗部分。以模塊化工業對象結合工業標準傳感器為對象，讓學生了解各單個知識點在實際工業環境中的典型應用方法，將傳感器、工程測試、信號與系統、虛擬儀器、測控電路等課程的教學與實驗緊密結合起來，學會數據采集、信號分析與處理等方法。

3）建立面向三、四年級學生的創新性實驗部分。學生可以對現有實驗對象、實驗手段提出新的設計思路，自己重新設計或改裝實驗對象。各知識點在這個創新實驗過程中，被逐步理解、貫通、融合，使學生達到真正掌握現代測控技術的設計和應用能力。該實驗部分也可以作為學生課程設計、畢業設計的內容，在教師的指導下提出項目構思，進行系統設計，并利用各種條件構建軟硬件系統，然后對系統進行調試、分析和處理，以達到項目目標。

按照上面的思路，將測控專業實驗室劃分為專題實驗室與綜合實驗室兩部分建設。專題實驗室側重于某些相關學科的理論與實驗，主要分為電子類實驗室、檢測類實驗室、控制類實驗室。綜合實驗室以虛擬儀器、嵌入式系統、現代測控系統為平臺集成構建，因為現在幾乎所有的系統都是集測量和控制為一體的，用傳感器采集進來的信息指導特定環境下系統的控制方案，做到自主智能控制是當前系統控制的內在要求。對于每一種專題實驗室與綜合實驗室，按照循序漸進的原則，分別對應不同層次的具體教學內容，基本架構如圖3所示。

4 結語

南華大學測控技術與儀器專業作為一個目前只培養了4屆畢業生的新專業，正在積極探索實驗室建設的新理論和新途徑。目前，基于系統的工程教育方法理論已經建立了電工類、檢測類、控制類等3個專題實驗室和一個自主創新實驗室。自主創新實驗室配備有深圳市德普施科技有限公司生產的各級教育機器人、機器人傳感器，以及常用電子設備、元器件和工具，面向測控專業三、四年級學生開放，完全由學生自主選擇器件制作成品，并以此為基礎為學生參與校內外機械設計大賽、電子制作大賽提供平臺。

從整個工程教育的角度系統地思考測控專業實驗室建設問題，運用系統的工程教育方法論構建測控專業實驗室體系，改變目前測控專業的教學方式和教學思想，才能使測控專業的教育與現有的工業發展需求相匹配，才能使學生達到測控專業所要求的培養目標，這也是對測控技術與儀器專業教育改革的一項實踐和探索。

參考文獻

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