摘 要 分析目前我國(guó)工程教育體系中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，研究系統(tǒng)工程方法論的基本內(nèi)容，探討基于系統(tǒng)工程教育方法論建設(shè)測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)體系的基本思路，對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的教育改革進(jìn)行積極的探索和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 系統(tǒng)工程；方法論；測(cè)控技術(shù)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(shù)與控制技術(shù)出現(xiàn)之前，人們以經(jīng)典自然科學(xué)為基礎(chǔ)的機(jī)械世界觀和方法論來(lái)認(rèn)識(shí)自然和改造自然。機(jī)械世界觀和方法論把系統(tǒng)看做互不聯(lián)系的各個(gè)部分相加的總和，把系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)看做各個(gè)孤立運(yùn)動(dòng)過(guò)程的總和。我國(guó)現(xiàn)行的工程教育體系主要還是以機(jī)械世界觀和方法論為基本指導(dǎo)思想，即通過(guò)把工程教育的內(nèi)容分解為一門(mén)門(mén)孤立的課程和實(shí)驗(yàn)，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的相加，以期達(dá)到工程教育的目的。這使得專(zhuān)業(yè)課程之間缺乏必要的聯(lián)系，專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)僅局限于某門(mén)理論課程，學(xué)生缺乏系統(tǒng)工程實(shí)踐，得不到項(xiàng)目需求分析、元器件選型、系統(tǒng)建模、綜合調(diào)試的系統(tǒng)訓(xùn)練，也缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)技能、觀察與分析等能力的全面訓(xùn)練。在教育發(fā)達(dá)國(guó)家，工程教育的教育思想已經(jīng)完成從機(jī)械的方法論向系統(tǒng)的方法論的轉(zhuǎn)變。

2 系統(tǒng)工程與方法論

系統(tǒng)工程學(xué)是技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域里推動(dòng)系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的一門(mén)新的邊緣性學(xué)科，它把系統(tǒng)數(shù)學(xué)理論和行為理論適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來(lái)，使它們?nèi)诤蠟橐粋€(gè)有效的整體，以用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。方法論是指人們解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的成套工具，系統(tǒng)工程方法論以系統(tǒng)為對(duì)象，根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，應(yīng)用現(xiàn)代工具，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，從而達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)化。

系統(tǒng)工程方法論為人們把握復(fù)雜事物提供了一系列科學(xué)方法的原則，即整體性、關(guān)聯(lián)性、有序性、開(kāi)放性、發(fā)展性、模型化和優(yōu)化等原則。美國(guó)系統(tǒng)工程專(zhuān)家霍爾于1969年提出的霍爾三維結(jié)構(gòu)（圖1），對(duì)系統(tǒng)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(guó)得到廣泛應(yīng)用?；魻柸S結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為霍爾的系統(tǒng)工程，是一個(gè)由時(shí)間維、邏輯維和知識(shí)維組成的三維空間結(jié)構(gòu)。其中，時(shí)間維表示系統(tǒng)工程活動(dòng)從開(kāi)始到結(jié)束按時(shí)間順序排列的全過(guò)程，它從方針和計(jì)劃階段提出最初方案起，直到系統(tǒng)退役或被淘汰為止；邏輯維是指時(shí)間維的每一個(gè)階段內(nèi)所要進(jìn)行的工作內(nèi)容和應(yīng)該遵循的思維程序；知識(shí)維是需要運(yùn)用的各專(zhuān)業(yè)和學(xué)科的專(zhuān)門(mén)知識(shí)和技能。

3 基于系統(tǒng)工程教育方法論建設(shè)測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)

體系

一個(gè)典型的測(cè)控系統(tǒng)包含信號(hào)的獲取、放大、傳輸、處理、應(yīng)用和控制等過(guò)程。測(cè)控專(zhuān)業(yè)教育作為工程教育的一個(gè)子系統(tǒng)，應(yīng)遵循工程教育的一般規(guī)律和方法。系統(tǒng)的工程教育方法論認(rèn)為工程教育內(nèi)容必須以工程系統(tǒng)為對(duì)象，因此將測(cè)控專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)放到某個(gè)具體的、典型的測(cè)控對(duì)象中進(jìn)行，而不是分割教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多門(mén)課程實(shí)驗(yàn)一個(gè)典型測(cè)控對(duì)象或系統(tǒng)，幫助學(xué)生理解專(zhuān)業(yè)和課程之間、整體和部分之間的內(nèi)在聯(lián)系，讓學(xué)生在掌握和理解單門(mén)課程知識(shí)的同時(shí)，掌握系統(tǒng)工程的方法，做到理論聯(lián)系實(shí)際，科學(xué)主導(dǎo)工程。據(jù)此，可以把霍爾系統(tǒng)工程方法論的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)演變，得到測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的霍爾三維結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖中時(shí)間維是指具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，在其指導(dǎo)下制定具體的邏輯維，邏輯維包含實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而知識(shí)維則描述了本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)多個(gè)不同課程知識(shí)點(diǎn)的綜合。

按照系統(tǒng)方法論，提出對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行建設(shè)的思路。

1）建立面向一年級(jí)學(xué)生的基礎(chǔ)原理實(shí)驗(yàn)部分，也就是認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。以測(cè)控電路實(shí)驗(yàn)箱和虛擬儀器實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，結(jié)合教材上的理論知識(shí)，讓學(xué)生自己動(dòng)手搭建相對(duì)應(yīng)的儀器與電路，了解各知識(shí)點(diǎn)的主要內(nèi)容，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)中涉及的典型知識(shí)點(diǎn)有真實(shí)的認(rèn)識(shí)。

2）建立面向二年級(jí)學(xué)生的驗(yàn)證性、研究性實(shí)驗(yàn)部分。以模塊化工業(yè)對(duì)象結(jié)合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器為對(duì)象，讓學(xué)生了解各單個(gè)知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中的典型應(yīng)用方法，將傳感器、工程測(cè)試、信號(hào)與系統(tǒng)、虛擬儀器、測(cè)控電路等課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合起來(lái)，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與處理等方法。

3）建立面向三、四年級(jí)學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)部分。學(xué)生可以對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)手段提出新的設(shè)計(jì)思路，自己重新設(shè)計(jì)或改裝實(shí)驗(yàn)對(duì)象。各知識(shí)點(diǎn)在這個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被逐步理解、貫通、融合，使學(xué)生達(dá)到真正掌握現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力。該實(shí)驗(yàn)部分也可以作為學(xué)生課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在教師的指導(dǎo)下提出項(xiàng)目構(gòu)思，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并利用各種條件構(gòu)建軟硬件系統(tǒng)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、分析和處理，以達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)。

按照上面的思路，將測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室劃分為專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)室與綜合實(shí)驗(yàn)室兩部分建設(shè)。專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)室側(cè)重于某些相關(guān)學(xué)科的理論與實(shí)驗(yàn)，主要分為電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)室、檢測(cè)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室、控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)室。綜合實(shí)驗(yàn)室以虛擬儀器、嵌入式系統(tǒng)、現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)為平臺(tái)集成構(gòu)建，因?yàn)楝F(xiàn)在幾乎所有的系統(tǒng)都是集測(cè)量和控制為一體的，用傳感器采集進(jìn)來(lái)的信息指導(dǎo)特定環(huán)境下系統(tǒng)的控制方案，做到自主智能控制是當(dāng)前系統(tǒng)控制的內(nèi)在要求。對(duì)于每一種專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)室與綜合實(shí)驗(yàn)室，按照循序漸進(jìn)的原則，分別對(duì)應(yīng)不同層次的具體教學(xué)內(nèi)容，基本架構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

南華大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)作為一個(gè)目前只培養(yǎng)了4屆畢業(yè)生的新專(zhuān)業(yè)，正在積極探索實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的新理論和新途徑。目前，基于系統(tǒng)的工程教育方法理論已經(jīng)建立了電工類(lèi)、檢測(cè)類(lèi)、控制類(lèi)等3個(gè)專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室配備有深圳市德普施科技有限公司生產(chǎn)的各級(jí)教育機(jī)器人、機(jī)器人傳感器，以及常用電子設(shè)備、元器件和工具，面向測(cè)控專(zhuān)業(yè)三、四年級(jí)學(xué)生開(kāi)放，完全由學(xué)生自主選擇器件制作成品，并以此為基礎(chǔ)為學(xué)生參與校內(nèi)外機(jī)械設(shè)計(jì)大賽、電子制作大賽提供平臺(tái)。

從整個(gè)工程教育的角度系統(tǒng)地思考測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)問(wèn)題，運(yùn)用系統(tǒng)的工程教育方法論構(gòu)建測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室體系，改變目前測(cè)控專(zhuān)業(yè)的教學(xué)方式和教學(xué)思想，才能使測(cè)控專(zhuān)業(yè)的教育與現(xiàn)有的工業(yè)發(fā)展需求相匹配，才能使學(xué)生達(dá)到測(cè)控專(zhuān)業(yè)所要求的培養(yǎng)目標(biāo)，這也是對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)教育改革的一項(xiàng)實(shí)踐和探索。

參考文獻(xiàn)

[1]深圳市德普施科技有限公司.測(cè)控專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室體系普通高等院校測(cè)控專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室體系整體解決方案[M].深圳，2006.

[2]深圳市德普施科技有限公司.機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案[M].深圳，2008.

[3]深圳市德普施科技有限公司.虛擬儀器與測(cè)控技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建議方案[M].深圳，2008.

[4]鄧元龍，吳玉斌，柴金龍，等.基于系統(tǒng)工程方法論的專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].理工高教研究，2008(1):115-117.

[5]唐幼純，范君暉，李紅艷，等.系統(tǒng)工程:方法與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2011.