新工科背景下自动化类专业实践教学研究＊

熊 丽，祁丽婉，王琦山，张维宝

（河西学院物理与机电工程学院，甘肃 张掖 734000）

1 引言

目前对自动化类专业实践教学的研究重视解释性、描述性和一般性的理论阐释，但因学校类型和办学层次不同，其在实践教学中的教学模式与积累的经验也有较为明显的差异。从研究内容的侧重点分析，已有研究成果多是从自动化类专业某一门具体的课程出发，对自动化类专业实践教学的内容体系、教学模式改革等提出了经验性的建议[1-3]。然而，因不同课程之间的差异较大，不同课程的实践教学经验的辐射意义有限，因此跳出具体的课程视域，以自动化类专业实践教学研究为视野进行研究有助于研究的深化。从研究范式与方法分析，已有关于自动化类专业实践教学的研究多在思辨范式的指导下进行理论建构，用实证范式对自动化类专业实践教学的研究较少，因此加强实证研究与思辨研究的结合进一步探索自动化类专业实践教学有其必要。

2 自动化类专业实践教学存在的问题

近年来，部分高校在自动化类专业的实践教学改革方面已做了诸多有效的工作，并取得了一定的成效[4-5],但在实际执行过程中仍存在如下问题：（1）大部分实践教学仍然没有脱离固有的“灌输式”教学模式，导致学生们存在学过的知识不会用、有用的知识没有学、理论知识与工程实践相脱节、解决问题分析问题的能力不足。（2）大部分实践教学针对新工科背景、工业流程及人因工程等方面内容的设计严重不足，对学生思维能力的培养不充分。（3）校内实践教学环节中的实验项目相对独立，涉及到的知识点较为单一，且校外实践教学环节中的认识实习、生产实习和毕业实习之间缺乏显著的梯度和层次。（4）实践课程建设相对滞后，基础性和验证性实验偏多，没有系统地把解决复杂工程问题融入到实践教学中，导致创新性和综合性不够，且研究式、探究式及案例教学等实践教学方法并未得到较好地应用。（5）实践教学师资呈现边缘化趋势，教师的工程素质和实践经验不足，缺乏兼具丰富工程背景和较高学术造诣的双师型教师，故新工科背景下双师型师资力量的薄弱间接导致新建本科院校实践教学水平层次低。

3 自动化类专业实践教学方法改革

3.1 以自动化类专业实践教学为基础，加大综合交叉类学科的仿真实验项目比例

众所周知，自动化类专业是理论与实践性非常强的专业，只有通过大量的实践教学，才能够培养大学生的专业工程技术素质以及动手操作能力和自主探索能力。而Multisim软件[6]是集电子电路原理设计、分析、仿真为一体的电子设计虚拟化平台，在电路图的创建和仿真、电路设计及很多系统的开发应用中极其广泛[7]。Multisim软件MCU的模块是能对单片机进行仿真的软件，支持仿真的单片机类型有8051和8052，Multisim软件编辑器中可以用C程序和汇编程序进行源程序的编写，同时还具有反汇编的功能，Multisim软件可以用于电路图的创建，亦可以用于各种波形图的仿真。伴随着单片机的发展，其在各种领域的应用非常广泛，而用虚拟化的开发平台仿真单片机不仅能节省开支，而且调试更加方便。同时,在电路的故障诊断等工程实际应用中，Multisim软件也发挥了巨大的作用。工程实际中常用的电路故障诊断方法是故障字典法，通常故障字典的建立需要通过大量的电路实验收集各种标准数据和故障数据，时间长、成本高，但利用Multisim软件强大的电路仿真能力可以很好地解决这一问题。在仿真环境中，用户可以设置各种故障状态，甚至各种极限状态，利用虚拟仪表进行检测，把故障数据收集到故障字典中。用Multisim软件仿真工具进行故障数据的收集是一种快速、经济、可靠的故障字典建立新方法，可以广泛用于各类电子电路的故障诊断和分析。

因此，有效地利用Multisim软件足以使高校拥有一个更加先进和现代化的“电子实验室”，在这样一个无所束缚、不拘形式和时间的“电子实验室”中，用“以虚代实、以软代硬”的教学方法为例来进行实验，既具备了容易设计、容易修改和实现简单等特点,又使得教师可以有效地大幅度提高课堂的教学效率,同时降低了教学费用。基于Multisim平台的仿真[8]，优势有：（1）有着众多的虚拟仪器以及充足的元器件资源。（2）弥补了学校实验经费不足的缺点。在学校实验资金和经费相对不足的条件下，有些学校可以直接开出的实验计划和项目数量也会受到约束。近年来随着高等院校招生规模的发展扩大，部分实验基础设施跟不上学生使用，实验场所与设备及其实验仪表等资源十分有限，从某些方面也极大地限制了对广大学生的专业工程技术素质、动手操作能力与自主创新精神的训练。然而，学生通过仿真平台进行电子虚拟化实验，可以弥补由于实验仪器以及资金不足等原因造成的影响。（3）Multisim软件中额外加入了与实物完全一样的实验型面包板，能够极大地增加课堂上学生对于电路的情感性认识，激发课堂上学生的积极性与学习兴趣。同时，Multisim软件针对于教师和学生特殊地进行了设计并建立了强大的课堂教学功能，可以有效地帮助教师运用崭新而又富有创意的课堂教学模式去准确地传授学生所需要的知识和课程。

目前，Multisim 软件的推出在本校自动化专业得到了一定的推广与促进。一方面，在本校其它各种电子技术专业课程教学的同时，也促进了课程建设与发展；另一方面，扩大了自动化等相关专业“电子实验室”的空间,为广大学生们参加课外的电子科学与设计实践活动打下了坚实的物质基础，例如可以通过Multisim软件实现触摸延时开关电路的建模和仿真。因为NI Multisim MCU模块具有微控制器单元（Micro Controller Unit）的协同和仿真功能，可以通过在一个使用Spice进行建模的集成电路中加入一个能够直接利用C语言和汇编语言来对其进行编译的多种微控制器。Multisim软件MCU模块主要用于支持有8051/8052等外部芯片以及一些比较高级的外围控制器件，在计算机上对单片机软件和硬件集成电路进行虚拟化实训，借助于各种虚拟的检测仪器和可以建模准确的元器件以及各种方法来对交互控制的按钮、开关元件，做到定性、定量而且自然动态地通过分析计算机集成电路的具体工作流程及应用程序执行的结果，无疑会成为分析、研究和掌握单片机技术的最佳辅助方法。基于Multisim软件的触摸延时开关电路图如图1所示，该电路由8051、555定时器、按键开关、电容、电阻、三极管、二极管、干簧式继电器等组成，其中触摸开关由按键开关代替。555定时器与电阻电容等组成了单稳态电路，当短暂的按下开关并松开后，灯泡会点亮，延时一段时间后会自动熄灭。触摸延时开关输入/输出波形图如图2所示。

图1 触摸延时开关电路仿真图

图2 触摸延时开关输入/输出波形图

3.2 融合实践教学与新工科教育理念，增设前沿学科与仿真实验项目，增强科研成果优势，增设开放性仿真实验项目为选修课程

考虑到新工科背景下人才培养目标定位于应用型高级专门人才的实际需求，对自动化类专业实践教学的要求越来越高。按照自动化类专业应用型人才培养的实践教学体系，在实践教学改革方面应坚持“注重基础、趋向前沿、反映现代”的原则，注重传统与现代的结合、实践教学与科研成果及自动化工程实际密切联系，可通过增设前沿学科与仿真实验项目以及开放性实验项目，突出科研成果优势，例如自动化类专业的核心理论是自动控制，而非线性系统与非线性控制理论[9]，是自动控制课程体系中较难较复杂的一部分内容，但又具有重要研究意义。鉴于Lorenz混沌系统是典型的非线性系统，本节以Matlab软件的Simulink模块对Lorenz系统进行建模与控制仿真研究。Simulink动态软件系统是位于Matlab动态软件下面的一个系统附加集成软件，是一个专门为构建动态系统而量身设计的一个可以用于进行系统建模、构造和数据分析的重要工具盒，它是基于框图接口界面及交互式仿真功能的系统层设计与仿真平台。同时，Simulink动态软件系统还可以实现拥有各种不同图像采样频率的数字仿真处理系统，而且它还为客户提供了许多丰富的数学仿真器和模型。它的主要技术作用就是用来实现一个动态化的软件系统架构建模、仿真与分析，可以对系统先进行仿真分析，然后根据多次仿真实验得到最优控制效果后再进行自动调试及修改控制参数。近年来利用Simulink模块进行电路分析与仿真得到了广泛应用，在科学领域中占据着重要的位置，与多个学科有着紧密的联系，且方法使用简单，结果清晰明了。利用Matlab软件的Simulink模块可以更简洁地观察到系统的各项动态性能，而且还可以很灵活地改变系统的各个模块的参数，在系统参数变化灵活的情况下使系统更加的优化。Simulink建模与仿真的优点主要体现在：（1）界面清晰简单，容易使用。（2）具有很强的科学计算能力和数据处理功能。（3）具有很强的建立动态系统函数和仿真。（它指的是一种能够支持线性、非线性、连续、离散、多重的变量及其它各种混合型的操作系统软件架构）。（4）增加模块元件和所用的代码。（Simulink的模块库都是可以定制化的，可以根据所需用户来定制模块库，所以它是方便的。也就是我们可以通过修改再使用已经有的模块，也可以编写其它的代码直接进入Simulink模型中。）（5）它可以分层次的表达复杂系统，可以设置很多子系统，所以可以复杂系统的建模与仿真。

因此，基于Lorenz混沌系统的Simulink仿真框图如图3所示，仿真得到的三个二维混沌相图如图4所示，由这些混沌相图可证明该Lorenz系统是混沌的。同样可通过选择不同的控制和同步方法，利用Simulink仿真针对不同的非线性系统进行建模和控制等研究。近年来，通过将本团队在混沌领域的科研成果与本校自动化类专业的仿真实践教学相结合，不仅提高了自动化类专业学生学习的主观能动性和实践能力，而且有助于培养学生的创新思维与探索能力。

图3 Simulink仿真框图

图4 基于Lorenz混沌系统的Simulink仿真混沌相图

3.3 将实证研究与思辨研究相结合探索自动化类专业实践教学

实证研究追究的是某种因果关系或相关关系，是等待验证的假设；而思辨研究讲究逻辑推理，是提出论点、摆出论据、进行论证的过程。现有的关于自动化类专业实践教学的研究大多属于思辨研究，利用实证范式对自动化类专业实践教学所做的研究相对匮乏。事实上，实证研究较思辨研究更易操作。思辨研究似乎容易入门，重点在于提出论点、论据并论证，但是，如何使思辨研究具备有理有据、论证充分且有说服力的特征却比较困难，此过程需要长时间的修炼。实证研究看似入门较困难，然而只要掌握其操作技巧就比较容易完成。因此，针对自动化类专业的实践教学，最好先尝试实证研究，再逐步采用思辨研究，最后使实证研究和思辨研究之间保持贯通的状态。

4 结语

本研究团队在本校新建自动化专业的实践教学中，有效地利用Multisim软件和Matlab软件中的Simulink模块所实现的无所束缚、不拘形式和时间现代化的“电子实验室”，采用“以虚代实、以软代硬”的实验教学方法，具有容易设计、容易修改和实现简单等优点,提高课堂教学效率的同时降低了教学费用。另外，通过将本研究团队在非线性领域的研究成果与本校自动化类专业的仿真实践教学相结合，并将实证研究与思辨研究融会贯通于自动化类专业的实践教学，不仅提升了自动化类专业学生自主学习的能力，而且有助于学生创新能力的培养，进一步改善了自动化类专业实践教学效果并提高了工科人才培养质量。