面向新工科的MBD-MCU控制系統實驗教學研究

【關鍵詞】新工科；MBD-MCU；多專業融合

為應對新一輪的科技革命和產業變革，近期教育部會同國家發展改革委、工業和信息化部、財政部、人力資源社會保障發布了《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》，方案要求到2025年完成高校學科專業布點20%優化調整，新設一批適應新技術、新產業、新業態、新模式的學科專業[1]。未來新興產業和新經濟所需的人才與傳統工科人才相比，注重工程實踐能力、創新能力和具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。

作為工程機械之都，徐州工程機械產業鏈齊全、技術研發體系完整。然而，“一帶一路”戰略和國內新基建的需求變化重塑了工程機械產品布局，工程機械市場面臨產品、技術的快速升級與變革。隨著系統日益復雜和新需求不斷變化，工程機械控制系統開發面臨諸多挑戰，控制系統軟、硬件開發模式正悄然變化。如何在“新工科”背景下，突破傳統的實驗教學方式，提高學生興趣與參與度，培養學生實驗的創新能力，成為當前各類高校研究的重點。

一、研究背景及意義

當前高校實驗室的教學體系主要存在問題：

（1）教學模式與人才培養不適配。當前實驗課程內容主要以驗證性實驗為主，學生只需要根據實驗指導書完成實驗內容，缺少設計性實驗，無法實現理論內容和實驗內容的關聯，與社會生產存在一定的脫節。

（2）缺乏學科交叉融合。當前高校實驗中心的功能模塊主要是按照學科邊界劃分的，這種劃分適用于學科初步建設的時候，但現今學科增多，這種劃分將會阻礙學科交叉融合服務的功能，在一定程度上造成了相近實驗資源的重復積累與建設[2]。

（3）實驗室建設經濟負擔較大。傳統的實驗室建設主要依托國家財政資金、科研項目資金、社會捐助等，形成“校–院–系”三級管理模式，隨著一些新學科衍生，這些學科對應的基礎設備設施需要較大的資金投入，并且迭代較快，這也就給高校帶來較大的經濟負擔[3]。

綜上所述，目前高校實驗教學體系難以滿足新工科建設和社會對人才的需求，在人才培養過程中需進行實驗課程體系的改革。本文從人才培養新要求出發，緊隨市場需求變化，研究適合應用型本科學生的MBD-MCU實驗教學體系。

二、MBD-MCU控制系統實驗教學體系的目標與特色

（一）MBD技術的優勢

模型驅動設計（Model Based Design，MBD）是一種以模型為核心的開發技術，如圖1所示。在開發過程中，需求分析實現、軟件代碼生成、功能仿真驗證以及后續迭代升級等工作都圍繞著模型展開。MBD技術在軟件功能開發中的應用使得軟件開發難度大幅降低：通過構建模型，可以高效便捷地進行循環驗證；自動代碼生成工具能直接將驗證后的模型轉化為軟件代碼；應用MBD技術進行軟件開發還能實現配套技術文檔的自動化生成。

（二）MBD-MCU控制系統實驗教學體系的目標

本實驗教學體系重點關注以下2個目標：

（1）實現 MBD模式在應用型本科院校的理論教學。隨著社會的發展，企業的產品研發模式發生了變化，這些變化將會直接導致人才需求有所變化。以前，企業更注重招聘具有專業領域技能的人才，但現在，企業更加需要擁有多種技能并具備創新能力的綜合型人才。這也意味著傳統的工程教學內容已經無法滿足現代制造企業的需求。本文提出一種基于MBD的實驗教學平臺，使學生真實地感受企業研發環境，實現學生的創新能力培養與企業需求相符。

（2）建立 MBD-MCU控制系統實驗教學體系。建立MBD-MCU控制系統實驗教學體系，完善相關工具鏈，如圖2所示；并在此基礎上制定MBD-MCU控制系統實驗教學大綱，指導學生利用MATLAB/Simulink/Stateflow建立工程機械運動控制模型，模型內嵌控制邏輯和算法，設計模型變量與平臺代碼、硬件關聯代碼的接口。

（三）MBD-MCU控制系統實驗教學體系的特色

相比于目前各高校實驗教學體系，本文所提出的MBDMCU控制系統實驗教學體系有以下4點特色：

（1）開展虛擬現實等新工科的研究。本研究旨在構建一種實驗教學的虛擬仿真平臺，并進一步發展成一種科研服務虛擬仿真平臺。通過將實驗教學與工程應用相融合，實現實驗教學以及科研服務的功能聯合，進一步提升學生的創新能力。

（2）建立多個專業融合實驗室。根據以教師為輔導、學生為主體的教學方式，建設綜合實驗室，實現多專業學生的協同創新，最終建設出具有學院特色的多專業融合實驗室。

（3）加強校企合作。通過與企業合作的校企合作項目，使學生能夠更加深入地理解自己所學的專業知識，并掌握如何將所學知識應用于實際工程實踐中。這樣的合作可以為學生未來畢業就業提供堅實的基礎，并提升學生在理論與實踐之間建立聯系的能力。

（4）源自本地、服務本地。徐州素有工程機械之都的美稱，通過與本地企業的合作，可以幫企業解決技術上的難題。

三、MBD-MCU控制系統實驗教學總體思路及開發流程

MBD-MCU控制系統實驗教學主要由三部分組成，具體內容如下圖3所示。

（一）校企合作

在工程應用實驗室的方案制定中，首先需要進行調查研究，了解本地工程機械相關企業的情況，實現團隊與企業技術人員之間的緊密合作，共同進行實驗項目的設計與開發，有效地消除了實驗教學環節與企業實踐能力之間的障礙。

此外，積極推動產業與教育的融合，以及工學結合的聯合教研活動，定期組織校企雙方的教職員工參與其中。通過這種方式，可以有效提高教師和企業專家在教學和專業實踐方面的能力，借鑒對方的優勢，以彌補自身的不足，并實現優勢互補的效果。與此同時，我們還積極倡導并加強“一課雙師”聯合教學模式的推進，該模式能夠充分利用學校與企業雙方的優勢，有效地促進產業和教育的融合；通過這一模式的實施，我們真正能夠將理論與實踐相結合，為學生提供更加全面和實用的教育體驗。

（二）打破學科壁壘，構建交叉學科的實驗體系

目前，我校是通過學科分類對各個學科組織進行劃分，關注每個學科自身的專業發展度，而忽略了學科間的關聯和互動，交叉學科實驗體系建立則可以提高學科和學科間的交叉研究。 為打破學科壁壘、充分利用實驗室資源，構建交叉學科的研究組織成為促進學科文化融合的關鍵措施，同時也是工程應用實驗室迫切需要的教學要求[4]。過去，為了消除不同學科間的壁壘，我們實施了一系列學科組織調整措施，其中包括整合各個院系，并建立了以一個院為主導的多個系和學科的管理體系，以消除不同學科組織之間的障礙。然而，如今我們能夠通過靈活建立各種形式的交叉學科研究實驗體系來解決這一問題。

MBD-MCU工程應用實驗室通過多學科間的融合建設，在實驗室建設的不同階段持續體現，并貫穿于整個實驗教學實施的過程中。

（1）科學選型的實驗設備。在項目初期，我們讓企業的專家參與到實驗設備的選擇和論證中，這樣一來，實驗指導教師就可以在考慮技術性能和市場價格信息的基礎上做出綜合決策，為實驗教學和學科競賽的順利進行打下了堅實基礎。

（2）建立多樣化的實驗項目。在建設過程中，充分吸納企業專家的建議，確保實驗內容既具有較高的學科價值和應用價值，又能夠與行業應用無障礙對接，從而靈活地調整和增加實驗的部分內容[5]。

（3）基于多專業融合MBD-MCU工程應用實驗室建設，建立智能制造、機器人、PLC與運動控制、傳感技術、虛擬仿真等數字化、智能化實踐項目。這為新學科如智能制造、控制工程、智能工程與管理提供實踐教學支持，同時為全校學生提供認知實踐服務。通過豐富教學內容和創新的項目式工程訓練實踐教學模式，成功提升了學生參與工程訓練的興趣。圖4為該實驗體系在實際教學中的照片。

（三）實驗開發流程

結合MBD技術的實驗開發流程見圖5。依據設計輸入進行需求分析，梳理需實現的功能，將功能翻譯為等效的數學模型、邏輯狀態機等內容，并以此進行模型搭建。相對于文本代碼，可視化的模型更加直觀且容易理解﹐有利于規避開發初期不必要的設計錯誤。模型搭建完成后進行仿真驗證，根據仿真數值結果，評估波形是否符合預期要求，即可直觀地發現模型錯誤，修補BUG。

模型設計與仿真驗證通過后，代碼自動生成工具可將模型轉換為軟件代碼。針對不同硬件芯片載體﹐Coder自動化工具可生成C、C++、VHDL、Verilog等語言。生成的軟件代碼通過CODESYS或KEIL等軟件編譯后，可直接燒寫至硬件環境或者下載到仿真軟件proteus中進行測試驗證。當硬件驗證出現問題時，以驗證結果為依據進行模型修改優化，待模型仿真驗證通過后，自動生成軟件代碼，即可再次進行測試驗證。

MBD技術開發流程展現出卓越的靈活性，易于進行仿真驗證；由于代碼可自動生成，因此具有高效的開發效率。在面對設計輸入的變更時，只需修改模型，再次進行仿真驗證即可，實現了設計輸入與研發過程的實時交互，提高了設計開發的敏捷性。當硬件方案發生變更時，僅需根據不同的芯片載體進行參數設置，即可將模型功能轉化為不同軟件語言的代碼，直接燒寫至硬件環境進行驗證。MBD技術在新軟件的開發以及既有軟件的改版升級方面表現得非常勝任和適用。

四、MBD-MCU控制系統實驗教學應用展望

MBD-MCU控制系統實驗教學內容包括數字電子技術、模擬電子技術、通信技術、程序設計以及單片機等多方面知識。學生的學習成果將直接影響他們未來在電子或電氣領域解決實際問題的能力。該教學體系旨在培養學生實踐技能和創新精神，強調在實踐中發現、分析和解決問題的能力，以及養成嚴謹科學的作風和初步科研技能。鼓勵學生積極參與動手實踐，以達到MBD-MCU控制系統實驗教學的目標。這一教學方法的目標并非僅驗證理論，而是為服務社會主義現代化建設提供更好的人才培養。