扎根于“微” 拓展到“遠(yuǎn)”和“宏”的測控專業(yè)教學(xué)體系建設(shè)研究

張自嘉 孫 偉 殷利平 陳海秀 楊常松

南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院 江蘇南京 210044

測控技術(shù)與儀器專業(yè)目前面臨的現(xiàn)狀是畢業(yè)生多從事儀器使用和維護(hù)或與控制相關(guān)方面的工作，也有進(jìn)入電子信息相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的[1]，這一方面反映了本專業(yè)學(xué)生的知識(shí)面較寬，另一方面也反映了本專業(yè)在儀器儀表制造行業(yè)競爭力不足。測控專業(yè)是我國儀器儀表學(xué)科下屬的唯一一個(gè)本科專業(yè)，是近年來我國對學(xué)科目錄和專業(yè)設(shè)置調(diào)整后，合并11個(gè)相近專業(yè)后確定的專業(yè)類別[2]，承擔(dān)著我國儀器儀表專業(yè)人才培養(yǎng)的重要使命。從專業(yè)特點(diǎn)來看，測控專業(yè)特別是電子信息類的測控專業(yè)側(cè)重于測控系統(tǒng)的底層硬件和軟件設(shè)計(jì)，而控制和電子信息類的測控專業(yè)則側(cè)重于應(yīng)用層。近年來，測控專業(yè)在開設(shè)院校與招生人數(shù)等方面都達(dá)到了較大規(guī)模，各類學(xué)校的教師對相應(yīng)的培養(yǎng)模式進(jìn)行了深入研究和探索，對培養(yǎng)測控人才起到了積極的推導(dǎo)作用[3-6]。測控專業(yè)是一個(gè)多學(xué)科交叉、綜合和集成的學(xué)科，因此對人才的培養(yǎng)模式存在多樣性，同時(shí)也存在一些不足，研究如何提高本專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量和就業(yè)競爭力，特別是培養(yǎng)設(shè)計(jì)和制造儀器儀表的專業(yè)人才，對測控專業(yè)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行分析和研究，具有現(xiàn)實(shí)意義。

儀器儀表屬于一種工具，其人才培養(yǎng)的核心任務(wù)是培養(yǎng)能夠創(chuàng)造這一工具的人才，其次才是應(yīng)用這一工具的人才，這一點(diǎn)非常重要，否則未來儀器儀表設(shè)計(jì)制造企業(yè)的中堅(jiān)力量將會(huì)被其他專業(yè)人才取代，儀器儀表專業(yè)人才將會(huì)成為使用和維護(hù)儀器儀表的人才，失去該專業(yè)人才培養(yǎng)的初衷和目標(biāo)。

1 測控技術(shù)與儀器專業(yè)面臨的現(xiàn)狀

測控專業(yè)在我國是一個(gè)相對較新的專業(yè)，還處于不斷發(fā)展與完善的過程中。近年來各個(gè)層次的畢業(yè)生逐年增多，就業(yè)壓力也隨之增加，畢業(yè)生的競爭一方面來自于本專業(yè)之間，另一方面也來自其他專業(yè)。當(dāng)專業(yè)特色不突出時(shí)來自相近專業(yè)的競爭就會(huì)更加激烈，因此針對各類院校，研究如何加強(qiáng)人才培養(yǎng)模式、增強(qiáng)畢業(yè)生就業(yè)競爭力，推動(dòng)我國儀器儀表和測控技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

在我國200多個(gè)專業(yè)類別中，不少專業(yè)是無可替代的。由于儀器儀表的廣泛性和綜合性，使得儀器儀表專業(yè)在不少領(lǐng)域并不是處于一種無可替代的地位，或者說處于一種“夾心”狀態(tài)。就單純的測控專業(yè)來說，機(jī)械式精密儀器要超越機(jī)械專業(yè)，避免機(jī)不如機(jī)械的處境；而光學(xué)儀器要超越光學(xué)工程有關(guān)的專業(yè)，避免光不如光學(xué)工程的處境；同樣電測儀器也要超越純粹的電子技術(shù)專業(yè)，避免電不如電類的處境；實(shí)質(zhì)上還要避免控不如控制的境地。這不是說儀器儀表專業(yè)不重要或可有可無，而是說測控專業(yè)的人才培養(yǎng)，在寬口徑、厚基礎(chǔ)的前提下，要有自己的側(cè)重點(diǎn)，找出突出優(yōu)勢。機(jī)械式精密儀器和光學(xué)儀器具有鮮明的特色，只有少數(shù)學(xué)校具備這樣的人才培養(yǎng)條件，應(yīng)突出自己人才培養(yǎng)的優(yōu)勢，使之成為一種無可替代的專業(yè)方向，當(dāng)然也要兼顧就業(yè)的廣泛性。在我國200多所各類開設(shè)測控專業(yè)的本科院校中，大多是近幾年才開始招生，其中約有1/5是依附于其他院校的獨(dú)立學(xué)院，并以電測輔以控制為主。對于電測并輔以控制的測控專業(yè)，需要明確測控專業(yè)根本的人才培養(yǎng)目標(biāo)—儀器儀表，因此建議這類院校的測控專業(yè)人才培養(yǎng)模式需扎根于“微”，拓展到“遠(yuǎn)”和“宏”。

2 扎根于“微”，拓展到“遠(yuǎn)”和“宏”的教學(xué)體系

2.1 “微、遠(yuǎn)、宏”的含義

“微”有微觀的含義，是指能夠利用基本元器件設(shè)計(jì)儀器儀表，這種儀器儀表可能是獨(dú)立工作或使用的，也可能是放入其他系統(tǒng)中的儀器儀表模塊?；驹競鞲衅?、電阻、電容、三極管、運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)等，最主要的是包含信號(hào)調(diào)理的完整儀器。在掌握基本元件性能的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)中如何提高儀器的性能，如精度、功耗、可靠性等。

“遠(yuǎn)”有遠(yuǎn)的含義，這里指通信，各個(gè)儀器模塊之間進(jìn)行信息傳輸，但并非一定指實(shí)際距離的遠(yuǎn)。這里的通信不同于通常意義的通信，指儀器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要是各種現(xiàn)場總線。這種通信既包含有線，也包含無線，有近距離的通信也有稍遠(yuǎn)距離的通信，也可以接入電信、移動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)。典型的包括RS232，RS485/42，USB，CAN，PROFIBU，ZigBee等，特指能夠掌握有關(guān)協(xié)議和硬件構(gòu)成及它們的驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)。

“宏”有宏觀的含義，指能夠利用其他儀器儀表模塊構(gòu)建一個(gè)完整的測量系統(tǒng)，大多還具有控制功能，有時(shí)還需要一個(gè)屬于“微”的系統(tǒng)來協(xié)調(diào)這些模塊的工作。具有“系統(tǒng)集成”的含義，這方面要教授給學(xué)生目前主要領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用和認(rèn)可的成熟儀器模塊，以及它們的構(gòu)成方式，還應(yīng)包括讓這些模塊工作的相關(guān)軟件的使用方法，自動(dòng)化儀表、PLC等屬于典型的“宏”特征的測控模塊，它們有現(xiàn)成的儀器模塊和成套的軟件。

屬于“微”的課程較多，如電路理論、數(shù)字電路、模擬電路、微機(jī)原理/單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儀器電路設(shè)計(jì)、光電測試技術(shù)、EDA、傳感器、檢測技術(shù)、DSP、智能儀器、電機(jī)及測控控制技術(shù)等，還有電路設(shè)計(jì)軟件，如Protel，PADS等，這是儀器儀表的根本。當(dāng)然這些課程很多都是本專業(yè)已開設(shè)的，但也是很多電子技術(shù)專業(yè)開設(shè)的課程，實(shí)質(zhì)上它們在電方面的根基要比測控專業(yè)更深和更牢固一些。那么如何才能夠使測控專業(yè)的學(xué)生更牢固地扎根于“微”，是測控專業(yè)教師需要思考的問題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一些機(jī)電式的儀表逐步被純電和數(shù)顯儀表所取代，對“微”的能力要求會(huì)更高。

屬于“遠(yuǎn)”的課程有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)等。關(guān)于通信方面，測控專業(yè)無法與計(jì)算機(jī)專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)和通信專業(yè)的通用通信相抗衡，但要掌握測控專業(yè)自身的通信特點(diǎn)，主要是專用通信網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的控制網(wǎng)絡(luò)。這方面的教學(xué)不僅是泛泛地介紹有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的概念，更重要的是要講解網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)及軟件設(shè)計(jì)方法。

屬于“宏”的課程不是很多，但應(yīng)用千變?nèi)f化，實(shí)用性強(qiáng)，就業(yè)時(shí)具有針對性。PLC、過程控制裝置/儀表、虛擬儀器屬于較典型的具有“宏”特征的課程，表面上看這是儀器儀表應(yīng)用層面上的課程，但已不是簡單的應(yīng)用，如PLC，從理論上講只是一個(gè)數(shù)字控制裝置，但要使其可靠穩(wěn)定的工作，不是一般設(shè)計(jì)人員可以完成的，而且配套的軟件也相當(dāng)復(fù)雜，這也正是世界上廣泛應(yīng)用的PLC被少數(shù)幾家企業(yè)壟斷的原因。這些課程雖然已具有明顯的控制特征，但如果有這方面的拓展，學(xué)生的就業(yè)面會(huì)更寬一些。

2.2 建立扎根于“微“的教學(xué)思想

這里說到的“宏”和“遠(yuǎn)”，其實(shí)都源于“微”，因此特別強(qiáng)調(diào)要扎根于“微”。從大多數(shù)測控專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃及儀器科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的儀器儀表類專業(yè)規(guī)范[1]來看，扎根于“微”的力度并不夠，測控專業(yè)中PLC和虛擬儀器課程都是講如何應(yīng)用，特別是相應(yīng)的開發(fā)軟件和編程，較少涉及PLC和數(shù)據(jù)采集卡的構(gòu)成與設(shè)計(jì)，其實(shí)若有課程能夠深入剖析PLC及各類數(shù)據(jù)采集卡的構(gòu)造、設(shè)計(jì)方法，則更能體現(xiàn)測控技術(shù)與儀器的專業(yè)本質(zhì)。同樣對于“遠(yuǎn)”，不僅要教授給學(xué)生控制網(wǎng)絡(luò)的抽象協(xié)議，更要教授其硬件構(gòu)成、特定的軟件編程方法，使之能夠從“微”的角度構(gòu)建一個(gè)測控網(wǎng)絡(luò)，而不僅是利用現(xiàn)成的模塊搭建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用固定的軟件使之運(yùn)轉(zhuǎn)，如各類組態(tài)軟件等，測控專業(yè)更應(yīng)擔(dān)當(dāng)起設(shè)計(jì)、制造底層硬件和軟件的任務(wù)。

要使測控專業(yè)培養(yǎng)的人才能夠扎根于“微”，僅僅利用前面提到的與“微”有關(guān)的課程是不夠的，這些只是掌握了一個(gè)基本的概念，打下了一個(gè)初步的基礎(chǔ)。最好的方法就是案例教學(xué)，通過成功的案例設(shè)計(jì)使學(xué)生先學(xué)習(xí)、模仿，然后應(yīng)用，之后自然就會(huì)有創(chuàng)新。提高“微”方面的能力需要長期實(shí)踐鍛煉與經(jīng)驗(yàn)積累，這些經(jīng)驗(yàn)若寫入教材傳授給學(xué)生，則可以大大提高人才培養(yǎng)的效率和質(zhì)量，避免本專業(yè)的人才出現(xiàn)“遇電電不強(qiáng)或電不如電類”的不足。雖然這會(huì)有一定的難度，可能涉及企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)秘密，但大家只要朝著這個(gè)方向努力，未來一定會(huì)有利于專業(yè)的發(fā)展。

對扎根于“微”的模式，也適用于偏光、機(jī)方面的人才培養(yǎng)，在光、機(jī)基本理論基礎(chǔ)上，加強(qiáng)本專業(yè)有關(guān)特定設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，使之達(dá)到無可替代的專業(yè)方向。

3 建立與“微、遠(yuǎn)、宏”相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)室

建立扎根于“微”、拓展到“遠(yuǎn)”和“宏”的培養(yǎng)模式，提高測控專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量和效率，需要建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，當(dāng)然其中很大一部分都是和原來相同的，只是需要適當(dāng)擴(kuò)展，并有所側(cè)重和分配相應(yīng)的比例。

扎根于“微”，對原來的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)仍然不可減少，而且要有所加強(qiáng)，主要目的是提高學(xué)生軟、硬件設(shè)計(jì)的能力。除了基本原理的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)之外，還要增加和擴(kuò)充能夠提高學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)能力的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)應(yīng)是成熟并能夠應(yīng)用于實(shí)際工程的案例或功能模塊。

對于原來與“遠(yuǎn)”和“宏”有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，仍然要保留，這是培養(yǎng)應(yīng)用能力必不可少的。需要增加學(xué)生深入掌握完成“遠(yuǎn)”和“宏”功能模塊的構(gòu)造和設(shè)計(jì)方法，而不是僅僅驗(yàn)證它能夠完成的功能。舉例來說，對PLC不僅學(xué)習(xí)它的功能、編程方法，還要掌握它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法；同樣對于虛擬儀器，不僅是掌握LabVIEW軟件的使用方法，還要掌握數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法；對于測控網(wǎng)絡(luò)，也不僅是能夠編程使用已有的模塊，而是能夠設(shè)計(jì)相應(yīng)的模塊，或?qū)⒅畱?yīng)用于需要設(shè)計(jì)的儀器中。還有很多成熟、有代表性的儀器或儀器模塊都可以作為“微”的案例寫入教材，并建立相應(yīng)的“解剖”實(shí)驗(yàn)，提供相關(guān)課程和配套實(shí)驗(yàn)條件，這樣才能更好地使培養(yǎng)的人才扎根于“微”。特別是對工程應(yīng)用的典型儀器或儀器模塊、工程應(yīng)用的測控系統(tǒng)的解剖式理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，可以是簡化或“仿制”的工程應(yīng)用的儀器模塊，以突出設(shè)計(jì)要領(lǐng)。

不同類型的學(xué)校對“微”“遠(yuǎn)”“宏”的要求可以有較大差別，特別對于以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的學(xué)校，可以加強(qiáng)“遠(yuǎn)”和“宏”能力的培養(yǎng)，未來以應(yīng)用、維護(hù)儀器儀表為主要就業(yè)方向，或者加強(qiáng)控制方面的培養(yǎng)，轉(zhuǎn)向工業(yè)控制方向。

4 結(jié)束語

儀器儀表在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、氣象、軍事等各個(gè)行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，測控專業(yè)擔(dān)負(fù)著儀器儀表人才培養(yǎng)的重任，其首要任務(wù)是培養(yǎng)能夠設(shè)計(jì)制造儀器儀表的專業(yè)人才，其次才是培養(yǎng)應(yīng)用、維護(hù)儀器儀表的人才。分析了測控專業(yè)人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀和面臨的問題，著重強(qiáng)調(diào)了扎根于“微”、拓展到“遠(yuǎn)”和“宏”的培養(yǎng)模式，雖然和原來的培養(yǎng)模式?jīng)]有本質(zhì)差別，但在一些方面要有側(cè)重，以提高設(shè)計(jì)和制造儀器儀表的能力，而且不同層次學(xué)校在人才培養(yǎng)定位上要有所區(qū)別。

需要說明的是這里所提出的“微”“遠(yuǎn)”“宏”只是形象或抽象的區(qū)分，實(shí)際上并沒有嚴(yán)格的意義，只是一種籠統(tǒng)的劃分，相對有所側(cè)重而已，對有關(guān)課程的區(qū)分也不是絕對的，也并沒有一一列舉。希望這樣的模式對本專業(yè)人才培養(yǎng)有一定的積極意義，對提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效率有參考價(jià)值。

[1]教育部高等學(xué)校儀器科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科測控技術(shù)與儀器專業(yè)規(guī)范[R].2006.

[2]教育部.工科本科引導(dǎo)性專業(yè)目錄[Z].北京:高等教育出版社,1998.

[3]頡新春,王志春,李忠虎.智能化儀表課程教學(xué)改革的研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(10):68-69.

[4]宋愛國,況迎輝.測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)人才培養(yǎng)體系探索[J].高等工程教育研究,2005(5):48-51.

[5]胡小唐.提高工程教育質(zhì)量培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型儀器儀表工程技術(shù)人才[R].第二屆中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教學(xué)委員會(huì)成立大會(huì)上講話,2008.

[6]李東升,李文軍,毛成,郭天太,謝代梁.地方高校特色專業(yè)培育方法研究:以測控技術(shù)與儀器專業(yè)為例[J].中國大學(xué)教學(xué),2010(10):80-82.