新工科背景下自動化類專業(yè)實踐教學研究＊

熊 麗，祁麗婉，王琦山，張維寶

（河西學院物理與機電工程學院，甘肅 張掖 734000）

1 引言

目前對自動化類專業(yè)實踐教學的研究重視解釋性、描述性和一般性的理論闡釋，但因學校類型和辦學層次不同，其在實踐教學中的教學模式與積累的經(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)實踐教學的內(nèi)容體系、教學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)實踐教學研究為視野進行研究有助于研究的深化。從研究范式與方法分析，已有關于自動化類專業(yè)實踐教學的研究多在思辨范式的指導下進行理論建構，用實證范式對自動化類專業(yè)實踐教學的研究較少，因此加強實證研究與思辨研究的結合進一步探索自動化類專業(yè)實踐教學有其必要。

2 自動化類專業(yè)實踐教學存在的問題

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）大部分實踐教學仍然沒有脫離固有的“灌輸式”教學模式，導致學生們存在學過的知識不會用、有用的知識沒有學、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)容的設計嚴重不足，對學生思維能力的培養(yǎng)不充分。（3）校內(nèi)實踐教學環(huán)節(jié)中的實驗項目相對獨立，涉及到的知識點較為單一，且校外實踐教學環(huán)節(jié)中的認識實習、生產(chǎn)實習和畢業(yè)實習之間缺乏顯著的梯度和層次。（4）實踐課程建設相對滯后，基礎性和驗證性實驗偏多，沒有系統(tǒng)地把解決復雜工程問題融入到實踐教學中，導致創(chuàng)新性和綜合性不夠，且研究式、探究式及案例教學等實踐教學方法并未得到較好地應用。（5）實踐教學師資呈現(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術造詣的雙師型教師，故新工科背景下雙師型師資力量的薄弱間接導致新建本科院校實踐教學水平層次低。

3 自動化類專業(yè)實踐教學方法改革

3.1 以自動化類專業(yè)實踐教學為基礎，加大綜合交叉類學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的專業(yè)，只有通過大量的實踐教學，才能夠培養(yǎng)大學生的專業(yè)工程技術素質(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計、分析、仿真為一體的電子設計虛擬化平臺，在電路圖的創(chuàng)建和仿真、電路設計及很多系統(tǒng)的開發(fā)應用中極其廣泛[7]。Multisim軟件MCU的模塊是能對單片機進行仿真的軟件，支持仿真的單片機類型有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。伴隨著單片機的發(fā)展，其在各種領域的應用非常廣泛，而用虛擬化的開發(fā)平臺仿真單片機不僅能節(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準數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，時間長、成本高，但利用Multisim軟件強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，用戶可以設置各種故障狀態(tài)，甚至各種極限狀態(tài)，利用虛擬儀表進行檢測，把故障數(shù)據(jù)收集到故障字典中。用Multisim軟件仿真工具進行故障數(shù)據(jù)的收集是一種快速、經(jīng)濟、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”的教學方法為例來進行實驗，既具備了容易設計、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效率,同時降低了教學費用。基于Multisim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）彌補了學校實驗經(jīng)費不足的缺點。在學校實驗資金和經(jīng)費相對不足的條件下，有些學校可以直接開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)展擴大，部分實驗基礎設施跟不上學生使用，實驗場所與設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生的專業(yè)工程技術素質(zhì)、動手操作能力與自主創(chuàng)新精神的訓練。然而，學生通過仿真平臺進行電子虛擬化實驗，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生對于電路的情感性認識，激發(fā)課堂上學生的積極性與學習興趣。同時，Multisim軟件針對于教師和學生特殊地進行了設計并建立了強大的課堂教學功能，可以有效地幫助教師運用嶄新而又富有創(chuàng)意的課堂教學模式去準確地傳授學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。一方面，在本校其它各種電子技術專業(yè)課程教學的同時，也促進了課程建設與發(fā)展；另一方面，擴大了自動化等相關專業(yè)“電子實驗室”的空間,為廣大學生們參加課外的電子科學與設計實踐活動打下了堅實的物質(zhì)基礎，例如可以通過Multisim軟件實現(xiàn)觸摸延時開關電路的建模和仿真。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，在計算機上對單片機軟件和硬件集成電路進行虛擬化實訓，借助于各種虛擬的檢測儀器和可以建模準確的元器件以及各種方法來對交互控制的按鈕、開關元件，做到定性、定量而且自然動態(tài)地通過分析計算機集成電路的具體工作流程及應用程序執(zhí)行的結果，無疑會成為分析、研究和掌握單片機技術的最佳輔助方法。基于Multisim軟件的觸摸延時開關電路圖如圖1所示，該電路由8051、555定時器、按鍵開關、電容、電阻、三極管、二極管、干簧式繼電器等組成，其中觸摸開關由按鍵開關代替。555定時器與電阻電容等組成了單穩(wěn)態(tài)電路，當短暫的按下開關并松開后，燈泡會點亮，延時一段時間后會自動熄滅。觸摸延時開關輸入/輸出波形圖如圖2所示。

圖1 觸摸延時開關電路仿真圖

圖2 觸摸延時開關輸入/輸出波形圖

3.2 融合實踐教學與新工科教育理念，增設前沿學科與仿真實驗項目，增強科研成果優(yōu)勢，增設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)目標定位于應用型高級專門人才的實際需求，對自動化類專業(yè)實踐教學的要求越來越高。按照自動化類專業(yè)應用型人才培養(yǎng)的實踐教學體系，在實踐教學改革方面應堅持“注重基礎、趨向前沿、反映現(xiàn)代”的原則，注重傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結合、實踐教學與科研成果及自動化工程實際密切聯(lián)系，可通過增設前沿學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，是一個專門為構建動態(tài)系統(tǒng)而量身設計的一個可以用于進行系統(tǒng)建模、構造和數(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)學仿真器和模型。它的主要技術作用就是用來實現(xiàn)一個動態(tài)化的軟件系統(tǒng)架構建模、仿真與分析，可以對系統(tǒng)先進行仿真分析，然后根據(jù)多次仿真實驗得到最優(yōu)控制效果后再進行自動調(diào)試及修改控制參數(shù)。近年來利用Simulink模塊進行電路分析與仿真得到了廣泛應用，在科學領域中占據(jù)著重要的位置，與多個學科有著緊密的聯(lián)系，且方法使用簡單，結果清晰明了。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）具有很強的科學計算能力和數(shù)據(jù)處理功能。（3）具有很強的建立動態(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）。（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入Simulink模型中。）（5）它可以分層次的表達復雜系統(tǒng)，可以設置很多子系統(tǒng)，所以可以復雜系統(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)進行建模和控制等研究。近年來，通過將本團隊在混沌領域的科研成果與本校自動化類專業(yè)的仿真實踐教學相結合，不僅提高了自動化類專業(yè)學生學習的主觀能動性和實踐能力，而且有助于培養(yǎng)學生的創(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合探索自動化類專業(yè)實踐教學

實證研究追究的是某種因果關系或相關關系，是等待驗證的假設；而思辨研究講究邏輯推理，是提出論點、擺出論據(jù)、進行論證的過程。現(xiàn)有的關于自動化類專業(yè)實踐教學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，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 結語

本研究團隊在本校新建自動化專業(yè)的實踐教學中，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”的實驗教學方法，具有容易設計、容易修改和實現(xiàn)簡單等優(yōu)點,提高課堂教學效率的同時降低了教學費用。另外，通過將本研究團隊在非線性領域的研究成果與本校自動化類專業(yè)的仿真實踐教學相結合，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，不僅提升了自動化類專業(yè)學生自主學習的能力，而且有助于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，進一步改善了自動化類專業(yè)實踐教學效果并提高了工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。