基于MWORKS的工科课程“专业 思政”案例教学.pdf

第 22卷 第 10期2023年 10月Vol.22 No.10Oct.2023软 件 导 刊Software Guide基于MWORKS的工科课程“专业+思政”案例教学林澍1，刘北佳1，张雨薇2，张红军1，张俐丽1，宋新1（1.哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院；2.黑龙江大学 电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）摘要：为了降低及消除在工科高等院校专业课程教学过程中使用国外工业软件的不可靠性，以哈尔滨工业大学本研一体化专业课天线理论与技术课程为例，基于国产工业软件MWORKS进行国外软件替代工作。通过教学过程中对国外国内两种软件的主要用户需求功能响应度进行对比，证明了两种软件的响应度功能均衡性，并通过两种软件的主要运行结果证明了国外软件的可替代性；为了建立国产软件的良好应用生态，通过引入“专业+思政”的课程思政教学案例，最终实现“专业+思政+进口软件替代”相结合的课程思政教学效果，不仅替代了软件，而且教育了软件的潜在高端用户。开展2022秋2023春两个学期共3门不同层次的天线课程教学实践，覆盖了哈尔滨工业大学天线课程群多个层次的专业学生，国产软件应用获得了良好的教学效果和使用效果，为国产软件MWORKS替代国外软件奠定了应用生态基础。关键词：工业软件；软件替代；天线课程教学；课程思政；MWORKSDOI：10.11907/rjdk.231628开 放 科 学（资 源 服 务）标 识 码（OSID）：中图分类号：TP319；G642；G641 文献标识码：A文章编号：1672-7800（2023）010-0058-07Case-based Teaching of Engineering Courses with Integration of Professional+Ideological Education Using MWORKSLIN Shu1，LIU Beijia1，ZHANG Yuwei2，ZHANG Hongjun1，ZHANG Lili1，SONG Xin1（1.School of Electronics and Information Engineering，Harbin Institute of Technology；2.Electronic Engineering College，Heilongjiang University，Harbin 150080，China）Abstract：In order to reduce and eliminate the unreliability of foreign industrial software used in the teaching process of engineering courses at higher engineering institutions，this study takes the integrated undergraduate and postgraduate course antenna theory and technology at Harbin Institute of Technology（HIT）as an example，and replaces foreign software with domestic industrial software MWORKS.By comparing the responsiveness of the key user requirements of both foreign and domestic software during the teaching process，the study demonstrates the balanced responsiveness of both software platforms.Furthermore，through the comparison of the predominant form of the softwares major operational results，the substitutability of the foreign software is proven.To establish a favorable application ecosystem for domestic software，a case study of ideological education integrated with the professional+ideological curriculum is introduced，thereby achieving the combined effect of professional+ideological+substitution of imported software in curriculum instruction.This not only replaces the software but also educates potential high-end users of the software.The teaching practice was carried out over two semesters，from autumn 2022 to spring 2023，covering multiple levels of professional students within the antenna course cluster at HIT.The application of domestic software has shown favorable teaching and usage effects，laying the foundation for the application ecosystem of MWORKS as a substitution for foreign software.Key Words：industrial software；software substitution；antenna course instruction；curriculum ideology；MWORKS收稿日期：2023-06-16基金项目：黑龙江省教育科学规划2023年度重点课题（GJB1423122）；黑龙江省研究生课程思政高质量建设项目（HLJYJSZLTSGC-KCSZAL-2021-020）；哈尔滨工业大学研究生教育教学改革研究项目（22HX1001）作者简介：林澍（1979-），男，博士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院副研究员、硕士生导师，研究方向为天线理论与技术；刘北佳（1988-），女，博士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院高级工程师，研究方向为可重构天线理论与设计；张雨薇（1986-），女，博士，黑龙江大学电子工程学院讲师、硕士生导师，研究方向为天线理论与技术；张红军（1968-），男，硕士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院副教授，研究方向为微波电路与系统；张俐丽（1981-），女，硕士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院副教授，研究方向为管理科学与工程；宋新（1981-），女，硕士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院讲师，研究方向为管理科学与工程。本文通讯作者：林澍。第 10 期林澍，刘北佳，张雨薇，等：基于MWORKS的工科课程“专业+思政”案例教学0 引言高等学校工科专业课程分为3个层次，分别是本科生专业课程、硕士研究生专业课程和博士研究生专业课程。从分层次教学的角度而言，其需要达成的课程目标分别是：本科理解基本原理，能够工程应用；硕士掌握设计技术，能够实现改良；博士通晓科学机制，能够实践创新。在这些目标的实现过程中，利用工业软件进行仿真、优化、设计等研究是必不可少的培养环节。然而，目前的工业软件绝大多数由西方发达国家掌控，在使用上存在着大量的不可控风险，对高校教学产生了巨大负面影响。例如，在2020年春季学期，哈尔滨工业大学被美国某软件公司突然取消了该公司的软件使用权限，对本科课堂教学、本硕博毕业生论文工作的正常进行造成了极大影响，教训深刻。此外，这种由不可靠实体造成的不可控风险也会对毕业生未来在工作岗位上的劳动产生可预知的极大风险。因此，实现重要的工业软件进口替代，积极培育本土化、安全性高、可控性强的工业软件刻不容缓。1 相关工作MWORKS是苏州同元软控信息技术有限公司全新推出的新一代科学计算环境，基于高性能科学计算语言Julia提供交互式编程环境的完备功能。MWORKS内置通用编程、数学、符号数学、曲线拟合、信号处理、通信等函数库，支持多范式统一编程，简约与性能兼顾，支持脚本开发与调试、通过脚本驱动系统建模仿真环境的高级数学计算环境，通过内置丰富的图形进行数据可视化，对于科学与工程中遇到的矩阵运算、微分方程求解、数据分析、信号处理、控制设计与优化问题的解决具有巨大价值。以哈尔滨工业大学本研一体化专业课天线理论与技术课程建设为例，该课程是电磁场与微波技术学科的学术型硕士生以及电子与信息专业的专业型硕士生的学位课程，它既是本科课程天线原理的延续，又是信息与通信工程学科博士生课程现代天线理论与技术的基础，形成了一套本研一体化的工程基础、技术实现、科学创新的课程体系。在该体系中，又包括微波天线与无源电路设计与仿真、现代天线设计、可重构天线创新设计与测试等实践课程为辅助的创新类课程，最终形成了一个天线类课程群，如图1所示。在该课程群中，注重的是实践，产出的是创新，工业软件是必不可少的工具，主要承担科学计算、数据处理、结果表达等工作。这些工作可以由不同的软件实现，但是通过2022年秋季和2023年春季两个学期的教学实践发现，MWORKS 软件具有在该领域应用实践的优秀功能。因此，将其在教学中的应用过程进行及时总结，形成可移植性强的教学案例，对于建设国产软件的应用生态和指导高等学校工科课程教学实践大有裨益。2 案例建设思路2.1对标国外软件，实现成果本地化工科高等学校专业课程（如天线课程等）对于工业软件的需求有如下层次1-4：通过编程进行科学计算，主要针对复数向量和矩阵计算，对应软件的要求是命令功能强大而简洁；对于计算所得的大量数据进行分析，主要通过绘制各种曲线图进行，对软件的要求是科学绘图、功能多样且使用便捷；对于结果的表达通过计算机色彩进行展示，对软件的要求是图形和色彩渲染功能强大。如果国产工业软件具备这些功能，则天线课程教学过程中产生的一系列课堂及作业展示成果均可以用国产软件加以生成。针对上述3个层次的要求，对国外软件和国产MWORKS软件的功能响应度进行了对比，如表1所示。可以看出，国产软件均能满足课程建设需求，因此 MWORKS软件具备替代国外软件的基本条件。2.2对比成果形式，实现软件替代化软件功能得到满足后，产生成果的对比效果便成为课程建设中评价软件的基本要素之一。在进行成果展示时，展示度，即人的主观视觉效果是重要因素，因而对软件的需求层次和的结果对比，即是课程建设中国产软件能否顺利替代国外软件的重要环节。在该教学过程中，主要采用曲线图和色彩图的形式对响应度进行对比，如果满足教学要求，则能够实施国外软件替代。表2给出了两种工业软件满足课程建设要求的结果形式响应度比较情况5-6，可以看出，国产软件完全满足课程建设需求，因而能够进行软件替代，推进后续教学工作。2.3对比应用效果，实现专业思政化通过上述可以看出，在天线课程教学过程中，国外软件和国产 MWORKS 软件对于所提出的功能均能完全满足，并且应用效果相同，因此在教学及科研领域，国产MWORKS软件完全可以替代国外软件。国产软件达到了这种要求，在教学过程中有必要对学生进行相应的思政教天线原理微波天线与无源电路设计与仿真现代天线设计可重构天线创新设计与测试天线理论与技术 现代天线理论与技术本科本研一体天线原理微波天线与无源电路设计与仿真现代天线设计可重构天线创新设计与测试天线理论与技术 现代天线理论与技术本科本研一体Fig.1Illustrative diagram of the course cluster in the field of antennas at HIT图1哈尔滨工业大学天线类课程群示意图 592023 年软 件 导 刊学，主要采用类比的方式进行，内容上选择典型的案例，主要通过“国货”“洋货”的竞争关系和斗争关系的历史脉络及对应案例介绍，使学生明白，由仿制到创新到超越是产品发展的一条典型路径，科研工作也可以按照这种路径进行，关键是要解决主观能动性的思维问题。关于“国货”“洋货”的竞争关系和斗争关系的概念阐述如下：竞争关系是指在符合WTO认可的市场经济条件下，产品供应商通过市场要素的优化配置与组合，最终使得性价比更好的产品占领市场；而斗争关系相比而言则毫无规则和共识可言，供应商之间相互伤害，最终占领市场的产品供应商则最无下限。基于上述概念，在教学过程中，关于“国货”“洋货”的竞争关系和斗争关系的历史脉络和对应案例可以采用如下方式介绍：（1）日本对我国比亚迪公司“海豹”电动汽车的逆向工程。日经 BP 社（日本规模最大的出版社）推出了一本新书，名为 中国 BYD SEAL（海豹（参数丨图片）彻底分解（全体编），书中详细记录了日本工程师对比亚迪纯电动中型车“海豹”的全面拆解过程。2005年，比亚迪逆向开发丰田的王牌车型“花冠”，推出了F3轿车。而在2023年，比亚迪却成为日系车学习的对象。从“模仿”、“追赶”到“超越”，中国车企终于在新能源技术领域实现了“弯道超车”7，这体现了产品之间的竞争关系，最终会给消费者提供更好的汽车。（2）中国高铁从引进技术到输出标准的过程。2022年，国际铁路联盟（UIC）发布实施由我国主持制定的 UIC标准 高速铁路设计 基础设施（IRS 60680：2022），该标准是高速铁路基础设施设计领域的首部国际铁路标准，也是继 高速铁路设计 通信信号（IRS 60681：2021）之后发布Table 1A comparative assessment of the responsiveness of two industrial software applications in meeting the requirements of curriculum development表1两种工业软件满足课程建设要求的功能响应度比较指标国外软件国产软件MWORKS及功能及命令响应度（%）复数计算与信号处理复数实部：real复数虚部：imag复数相角：angle复数模长：abs复数共轭：conj复数求和：+复数求差：-复数相乘：*傅里叶变换：fft逆傅里叶变换：ifft汉明窗：hamming矩形窗：rectwin基于窗口的FIR滤波器设计：fir1内插FIR滤波器设计：intfilt稳定多项式：polystab数字滤波器的脉冲响应：impz数字滤波器的频率响应：freqz100曲线图形绘制二维线图：plot三维线图：plot3散点图：scatter极坐标绘制：rlim阶梯图：stairs条形图：barx轴标签：xlabely轴标签：ylabelz轴标签：zlabel图题：title图例：legend网格：grid保留绘图：hold创建图窗：figure1002D及3D色彩渲染曲面图：surf网格曲面图：mesh峰值图：peaks流线图：streamline等高线图：contour100Table 2A comparative assessment of the form-based responsiveness of two industrial software applications in meeting the requirements of curriculum development表2两种工业软件满足课程建设要求的结果形式响应度比较软件要求曲线图形式色彩图效果国外软件国产软件MWORKS响应度100100 60第 10 期林澍，刘北佳，张雨薇，等：基于MWORKS的工科课程“专业+思政”案例教学的第2部UIC 高速铁路设计 系列国际标准，彰显了我国铁路在推动标准国际化、促进制度“软联通”方面的新担当、新作为。截至2023年6月，我国累计主持制定UIC标准31项（其中14项已发布实施），累计参与制定UIC标准30项，我国主导或参与的标准数量和质量显著提升8，同样，这体现了标准产品体系之间的竞争关系，最终会给消费者提供更好的高速地面出行工具。（3）中国C919大飞机的研制过程。C919飞机项目自2010年启动以来，历经10余年，从概念设计到制造建筑，每一个环节都经历了无数的磨炼和挑战。C919商用客机的研制是中国自主科技创新和自主品牌建设的重大成果，其对于全球民用航空领域的推动具有重要战略意义9。这个事例体现了我国一贯秉持的产品良性竞争理念，努力为世界提供更好的空中交通工具，而欧美针对该机型在适航证上设置障碍，则体现了其斗争关系的价值观。国货占领市场，技术上的先进性必不可少，但是对于国人情怀的集成也是不可或缺的。国货的质量安全性、政治可靠性、风险可控性、产业链齐套性等特性都是质量体系中的关键因素，同时也是降低隐形成本和边际成本的重要组分。国产软件在哈尔滨工业大学的专业课程教学过程中对国外软件进行替代，也是国产软件发展的一个里程碑式的成果，说明国产软件在精准投放市场和培育潜在客户方面获得了巨大成功，该过程也展现了产品之间的“竞争关系”到“斗争关系”的演变历程。2.4讲解教学案例，实现课程思政在学生已了解国产软件先进性和进口替代重要性的前提下，趁热打铁，实现专业+思政的课程思政教学。应采用案例教学法，深入挖掘课程中与时政联系紧密的专业知识 案 例，将 其 与 思 政 教 育 相 结 合，并 基 于 国 产 软 件MWORKS 进行仿真，从而达到“专业+思政+进口软件替代”相结合的课程思政教学效果。3 案例应用效果3.1本科课程的软件应用替代2023年春季学期，在哈尔滨工业大学本科生专业必修课微波天线及无源电路仿真课程中引入MWORKS软件对国外软件进行替代，实践课程题目是“圆形口径抛物面天线的口面利用系数仿真研究”，该课题需要采用软件编程进行科学计算，然后绘图分析。在授课过程中，教师根据学生的仿真结果，对比了计算程序、计算结果和绘图的展示效果，证明了国产软件 MWORKS在该领域完全可以替代国外软件，对学生进行了“国货”与“洋货”的竞争关系到斗争关系的转变相关内容的教育，然后又引入了我国“一带一路”倡议的典型成果阿尔及利亚“阿星一号”天线的照片及介绍社会效益，比较了“国货”与“洋货”具有的竞争和斗争关系，说明了国货替代洋货还与政治紧密相关，从而提升了学生的经济与政治关系的思维能力，取得了良好的课程思政效果。软件应用替代的案例表格、图片以及“专业+思政”的切入点如下：国家货币作为一个国家最直接的文化符号，不仅承载着一个国家的历史底蕴，也彰显着本国最突出的成就和荣耀。正如，由中国电科 39所研制的阿星一号通信卫星地面站天线图案，出现在了北非国家阿尔及利亚新版500第纳尔货币上。看似普通的画面，却凸显了该国对中国通信卫星技术的肯定，也是对中阿两国深厚传统友谊的再一次巩固。2017年12月，阿星一号成功发射，逐步服务于阿尔及利亚广播电视、宽带接入、移动通信、视频会议、应急通信、导航增强等行业领域，为推动国家经济发展、民生改善、社会进步发挥了重要作用。2020年5月，该星为阿尔及利亚新开通的国家远程教育频道提供上星播发服务，为全国因疫情停课的中小学生提供学业辅导，让该国民众切实感受到两国航天合作带来的便利与实惠。39所研制的地面测控站天线主要用于阿星一号的卫星地面测控和管理，中国卫星系统登上货币，是科学技术发展造福世界各国人民生活的美好见证，也是加强同“一带一路”沿线国家和地区开展多层次、多领域务实合作的有力注释10。该部分使用的软件功能为：根据式（1）、式（2）计算，绘制曲线，结果如图2所示。根据国外软件的计算结果和国产软件的绘图可知，两者是吻合的。v=2cot2()02|00Dr()tan()2d200Dr()sind（1）Df()=2(n+1)cosn，090 0 ，90（2）3.2硕士课程的软件应用实践2022年秋季学期，哈尔滨工业大学在硕士生学位课天线理论与技术课程的授课过程中引入MWORKS软件进行了实践应用。其中有根据复杂函数关系绘制3D方向图的题目，采用MWORKS软件绘图效果很好，与专业的电磁场仿真软件 CST microwave Studio（下文简称 CST）绘制的 3D方向图类似。硕士生是未来企事业单位研发工作的主要承担者，国产软件 MWORKS在硕士生课程实践环节的成功应用，对企业而言，属于精准投放广告和培训潜在用户，对学生而言，则属于典型的爱国主义及家国情怀教育。该部分使用的软件功能为：根据式（3）、式（4）计算，绘制3D方向图，结果如图3所示。根据CST软件的计算结果和国产软件的绘图可知，两者是吻合的。f(，)=sin(Wsinsin)sinsin1-sin2sin2 cos(Lcossin)（3）612023 年软 件 导 刊F(，)=f(，)fmax=Wf(，)（4）3.3博士课程的软件应用创新2022年秋季学期，在哈尔滨工业大学博士生专业课现代天线理论与技术课程的授课过程中，在创新环节引入MWORKS进行科学计算，这里的科学计算涉及大量复数数组的运算，运算结果通过曲线和2D色彩图、3D彩色图像进行展示，用以说明创新结构的电磁科学机理。需要强调的是，最终绘制的2D色彩图和3D彩色图像效果与专业电磁场软件 CST microwave Studio 仿真效果相当，与国外软件绘制的2D和3D色彩图的效果也类似。该教学实践过程可以证明，国产MWORKS软件实现了科研过程中的软件进口替代。该部分使用的软件功能为：根据式（5）式（8），结合式（9）计算，绘制3D方向图及2D色彩图，结果如图4图6所示。图4（a）和（b）分别是CST软件的计算结果和国产软件的绘图，图5（a）（b）、图6（a）（b）分别是CST软件的计算结果和国产软件的绘图，可见两者也是吻合的。图7展示了文献 11-12 中利用国外软件绘制的同种类图形，与国产软件绘图效果相比是等效的。Ex=Ex_real+jEx_im（5）Ey=Ey_real+jEy_im（6）Ez=Ez_real+jEz_im（7）Etotal=|Ex2+|Ey2+|Ez2（8）E(x0，y0，z)=121x02+y02+z2(1+zx02+y02+z2)e-jkz e-jk2z(x02+y02)UEox(x，y)ejk(x0zx+y0zy)dxdy（9）（a）The specialized electromagnetic field simulation software CST（a）专业电磁场仿真软件CST（b）The domestic industrial software MWORKS（b）国产软件MWORKSFig.3A comparative evaluation of the 3D directional mapping results obtained from the specialized electromagnetic field simulation software CST and the domestic industrial software MWORKS图3专业电磁场仿真软件CST和国产工业软件MWORKS生成的3D方向图效果比较（a）Foreign software（a）国外软件1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 30 n=8 60 90 0 （b）Domestic software MWORKS（b）国产软件MWORKSFig.2A comparative analysis of the results obtained from domestic software MWORKS and foreign software for scientific computation and curve plotting图2国产软件MWORKS与国外软件科学计算与绘制曲线结果比较 62第 10 期林澍，刘北佳，张雨薇，等：基于MWORKS的工科课程“专业+思政”案例教学4 结语在哈尔滨工业大学天线本研课程教学过程中，将国产软件MWORKS与国外软件的需求功能、成果形式、应用效果进行比较，取得如下成果：证明了MWORKS软件可以替代国外软件；通过在教学过程中引入“专业+思政”的课程思政教学案例，实现了“专业+思政+进口软件替代”相结合的课程思政教学效果，一方面实现了软件产品替代，另一方面教育了软件的潜在高端用户；通过课程教学实践，国产软件应用获得了良好的教学效果和使用效果，为国产软件 MWORKS替代国外软件奠定了应用生态基础。后续将在教学过程中进一步深化国产软件的应用深度和广度研究，为国产软件由替代进口向超越进口作准备。（a）The specialized electromagnetic field simulation software CST（a）专业电磁场仿真软件CST（b）The domestic industrial software MWORKS（b）国产软件MWORKSFig.4A comparative analysis of the 3D data visualization effects generated by the specialized electromagnetic field simulation software CST and the domestic industrial software MWORKS图4专业电磁场仿真软件CST和国产工业软件MWORKS生成的3D数据图效果比较（a）The specialized electromagnetic field simulation software CST（a）专业电磁场仿真软件CST（b）The domestic industrial software MWORKS（b）国产软件MWORKSFig.5A comparative analysis of the 2D data visualization effects generated by the specialized electromagnetic field simulation software CST and the domestic industrial software MWORKS图5专业电磁场仿真软件CST和国产工业软件MWORKS生成的2D数据图效果比较（a）3D effect（a）3D 效果（b）2D effect（b）2D 效果Fig.6The 3D and 2D color mapping effects generated by the domestic industrial software MWORKS图6国产工业软件MWORKS生成的3D及2D彩色图效果 632023 年软 件 导 刊参考文献：1 YUAN S S，DENG W X，YAO J Y，et al.Modeling and simulation of tank servo system based on MworksJ.Journal of Ballistics，2021，33（1）：35-43.袁树森，邓文翔，姚建勇，等.基于Mworks的坦克随动系统建模与仿真研究 J.弹道学报，2021，33（1）：35-43.2 LIU Z C，ZHANG X Y，ZHANG K Y.Performance modeling and simulation of marine steam turbine main valve based on Modelica/MworksJ.Energy Engineering，2023，43（1）：6-10，17.刘忠诚，张旭阳，张鲲羽.基于Modelica/Mworks的船用汽轮机主汽门性能仿真验证 J.能源工程，2023，43（1）：6-10，17.3 LI B Q，ZHANG J，WEN Y M，et al.Control mode simulation of three-level inverter based on Mworks C/Proceedings of the 9th China Aviation Society Youth Science and Technology Forum，2020：296-301.李兵强，张杰，闻一鸣，等.基于MWorks的三电平逆变器控制方式仿真 C/第九届中国航空学会青年科技论坛论文集，2020：296-301.4 CHEN Z J.MWorks process of air separation system based on the research and simulation of precooling D.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2014.陈昭京.基于MWorks的空分系统预冷流程的研究与仿真 D.武汉：华中科技大学，2014.5 ZHANG C C，YU S，LUO Y，et al.Directional diagram of array antenna based on Matlab J.Experimental Technology and 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