摘 要 分析目前我国工程教育体系中实验教学环节存在的问题，研究系统工程方法论的基本内容，探讨基于系统工程教育方法论建设测控专业实验体系的基本思路，对测控技术与仪器专业的教育改革进行积极的探索和实践。
关键词 系统工程；方法论；测控技术；实验室建设
中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：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
在信息技术与控制技术出现之前，人们以经典自然科学为基础的机械世界观和方法论来认识自然和改造自然。机械世界观和方法论把系统看做互不联系的各个部分相加的总和，把系统的运动看做各个孤立运动过程的总和。我国现行的工程教育体系主要还是以机械世界观和方法论为基本指导思想，即通过把工程教育的内容分解为一门门孤立的课程和实验，然后通过简单的相加，以期达到工程教育的目的。这使得专业课程之间缺乏必要的联系，专业实验仅局限于某门理论课程，学生缺乏系统工程实践，得不到项目需求分析、元器件选型、系统建模、综合调试的系统训练，也缺乏对实验思路、实验设计、实验技能、观察与分析等能力的全面训练。在教育发达国家，工程教育的教育思想已经完成从机械的方法论向系统的方法论的转变。
2 系统工程与方法论
系统工程学是技术科学领域里推动系统科学发展的一门新的边缘性学科，它把系统数学理论和行为理论适当地结合起来，使它们融合为一个有效的整体，以用来解决实际问题。方法论是指人们解决复杂系统问题的成套工具，系统工程方法论以系统为对象，根据总体协调的需要，应用现代工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换等功能进行分析、设计，从而达到系统的最优化。
系统工程方法论为人们把握复杂事物提供了一系列科学方法的原则，即整体性、关联性、有序性、开放性、发展性、模型化和优化等原则。美国系统工程专家霍尔于1969年提出的霍尔三维结构（图1），对系统工程方法论的描述具有较好的通用性和一般性，在世界各国得到广泛应用。霍尔三维结构也称为霍尔的系统工程，是一个由时间维、逻辑维和知识维组成的三维空间结构。其中，时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程，它从方针和计划阶段提出最初方案起，直到系统退役或被淘汰为止；逻辑维是指时间维的每一个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序；知识维是需要运用的各专业和学科的专门知识和技能。
3 基于系统工程教育方法论建设测控专业实验
体系
一个典型的测控系统包含信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制等过程。测控专业教育作为工程教育的一个子系统，应遵循工程教育的一般规律和方法。系统的工程教育方法论认为工程教育内容必须以工程系统为对象，因此将测控专业的专业基础课和专业课的教学和实验放到某个具体的、典型的测控对象中进行，而不是分割教学与实验。通过多门课程实验一个典型测控对象或系统，帮助学生理解专业和课程之间、整体和部分之间的内在联系，让学生在掌握和理解单门课程知识的同时，掌握系统工程的方法，做到理论联系实际，科学主导工程。据此，可以把霍尔系统工程方法论的三维结构进行相应演变，得到测控专业实验教学的霍尔三维结构，如图2所示。图中时间维是指具体的实验进度，在其指导下制定具体的逻辑维，逻辑维包含实验步骤和实验内容，而知识维则描述了本实验项目对多个不同课程知识点的综合。
按照系统方法论，提出对测控技术与仪器专业实验体系进行建设的思路。
1）建立面向一年级学生的基础原理实验部分，也就是认知实验。以测控电路实验箱和虚拟仪器实验为对象，结合教材上的理论知识，让学生自己动手搭建相对应的仪器与电路，了解各知识点的主要内容，对测控系统中涉及的典型知识点有真实的认识。
2）建立面向二年级学生的验证性、研究性实验部分。以模块化工业对象结合工业标准传感器为对象，让学生了解各单个知识点在实际工业环境中的典型应用方法，将传感器、工程测试、信号与系统、虚拟仪器、测控电路等课程的教学与实验紧密结合起来，学会数据采集、信号分析与处理等方法。
3）建立面向三、四年级学生的创新性实验部分。学生可以对现有实验对象、实验手段提出新的设计思路，自己重新设计或改装实验对象。各知识点在这个创新实验过程中，被逐步理解、贯通、融合，使学生达到真正掌握现代测控技术的设计和应用能力。该实验部分也可以作为学生课程设计、毕业设计的内容，在教师的指导下提出项目构思，进行系统设计，并利用各种条件构建软硬件系统，然后对系统进行调试、分析和处理，以达到项目目标。
按照上面的思路，将测控专业实验室划分为专题实验室与综合实验室两部分建设。专题实验室侧重于某些相关学科的理论与实验，主要分为电子类实验室、检测类实验室、控制类实验室。综合实验室以虚拟仪器、嵌入式系统、现代测控系统为平台集成构建，因为现在几乎所有的系统都是集测量和控制为一体的，用传感器采集进来的信息指导特定环境下系统的控制方案，做到自主智能控制是当前系统控制的内在要求。对于每一种专题实验室与综合实验室，按照循序渐进的原则，分别对应不同层次的具体教学内容，基本架构如图3所示。
4 结语
南华大学测控技术与仪器专业作为一个目前只培养了4届毕业生的新专业，正在积极探索实验室建设的新理论和新途径。目前，基于系统的工程教育方法理论已经建立了电工类、检测类、控制类等3个专题实验室和一个自主创新实验室。自主创新实验室配备有深圳市德普施科技有限公司生产的各级教育机器人、机器人传感器，以及常用电子设备、元器件和工具，面向测控专业三、四年级学生开放，完全由学生自主选择器件制作成品，并以此为基础为学生参与校内外机械设计大赛、电子制作大赛提供平台。
从整个工程教育的角度系统地思考测控专业实验室建设问题，运用系统的工程教育方法论构建测控专业实验室体系，改变目前测控专业的教学方式和教学思想，才能使测控专业的教育与现有的工业发展需求相匹配，才能使学生达到测控专业所要求的培养目标，这也是对测控技术与仪器专业教育改革的一项实践和探索。
参考文献
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