林 澍，劉北佳，張雨薇，張紅軍，張俐麗，宋 新

（1.哈爾濱工業(yè)大學 電子與信息工程學院；2.黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

高等學校工科專業(yè)課程分為3 個層次，分別是本科生專業(yè)課程、碩士研究生專業(yè)課程和博士研究生專業(yè)課程。從分層次教學的角度而言，其需要達成的課程目標分別是：本科——理解基本原理，能夠工程應(yīng)用；碩士——掌握設(shè)計技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)改良；博士——通曉科學機制，能夠?qū)嵺`創(chuàng)新。在這些目標的實現(xiàn)過程中，利用工業(yè)軟件進行仿真、優(yōu)化、設(shè)計等研究是必不可少的培養(yǎng)環(huán)節(jié)。然而，目前的工業(yè)軟件絕大多數(shù)由西方發(fā)達國家掌控，在使用上存在著大量的不可控風險，對高校教學產(chǎn)生了巨大負面影響。例如，在2020 年春季學期，哈爾濱工業(yè)大學被美國某軟件公司突然取消了該公司的軟件使用權(quán)限，對本科課堂教學、本碩博畢業(yè)生論文工作的正常進行造成了極大影響，教訓深刻。此外，這種由不可靠實體造成的不可控風險也會對畢業(yè)生未來在工作崗位上的勞動產(chǎn)生可預(yù)知的極大風險。因此，實現(xiàn)重要的工業(yè)軟件進口替代，積極培育本土化、安全性高、可控性強的工業(yè)軟件刻不容緩。

1 相關(guān)工作

MWORKS 是蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司全新推出的新一代科學計算環(huán)境，基于高性能科學計算語言Julia提供交互式編程環(huán)境的完備功能。MWORKS 內(nèi)置通用編程、數(shù)學、符號數(shù)學、曲線擬合、信號處理、通信等函數(shù)庫，支持多范式統(tǒng)一編程，簡約與性能兼顧，支持腳本開發(fā)與調(diào)試、通過腳本驅(qū)動系統(tǒng)建模仿真環(huán)境的高級數(shù)學計算環(huán)境，通過內(nèi)置豐富的圖形進行數(shù)據(jù)可視化，對于科學與工程中遇到的矩陣運算、微分方程求解、數(shù)據(jù)分析、信號處理、控制設(shè)計與優(yōu)化問題的解決具有巨大價值。

以哈爾濱工業(yè)大學本研一體化專業(yè)課天線理論與技術(shù)課程建設(shè)為例，該課程是電磁場與微波技術(shù)學科的學術(shù)型碩士生以及電子與信息專業(yè)的專業(yè)型碩士生的學位課程，它既是本科課程天線原理的延續(xù)，又是信息與通信工程學科博士生課程現(xiàn)代天線理論與技術(shù)的基礎(chǔ)，形成了一套本研一體化的工程基礎(chǔ)、技術(shù)實現(xiàn)、科學創(chuàng)新的課程體系。在該體系中，又包括微波天線與無源電路設(shè)計與仿真、現(xiàn)代天線設(shè)計、可重構(gòu)天線創(chuàng)新設(shè)計與測試等實踐課程為輔助的創(chuàng)新類課程，最終形成了一個天線類課程群，如圖1 所示。在該課程群中，注重的是實踐，產(chǎn)出的是創(chuàng)新，工業(yè)軟件是必不可少的工具，主要承擔科學計算、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果表達等工作。這些工作可以由不同的軟件實現(xiàn)，但是通過2022 年秋季和2023 年春季兩個學期的教學實踐發(fā)現(xiàn)，MWORKS 軟件具有在該領(lǐng)域應(yīng)用實踐的優(yōu)秀功能。因此，將其在教學中的應(yīng)用過程進行及時總結(jié)，形成可移植性強的教學案例，對于建設(shè)國產(chǎn)軟件的應(yīng)用生態(tài)和指導高等學校工科課程教學實踐大有裨益。

Fig.1 Illustrative diagram of the course cluster in the field of antennas at HIT圖1 哈爾濱工業(yè)大學天線類課程群示意圖

2 案例建設(shè)思路

2.1 對標國外軟件，實現(xiàn)成果本地化

工科高等學校專業(yè)課程（如天線課程等）對于工業(yè)軟件的需求有如下層次［1-4］：①通過編程進行科學計算，主要針對復(fù)數(shù)向量和矩陣計算，對應(yīng)軟件的要求是命令功能強大而簡潔；②對于計算所得的大量數(shù)據(jù)進行分析，主要通過繪制各種曲線圖進行，對軟件的要求是科學繪圖、功能多樣且使用便捷；③對于結(jié)果的表達通過計算機色彩進行展示，對軟件的要求是圖形和色彩渲染功能強大。如果國產(chǎn)工業(yè)軟件具備這些功能，則天線課程教學過程中產(chǎn)生的一系列課堂及作業(yè)展示成果均可以用國產(chǎn)軟件加以生成。針對上述3 個層次的要求，對國外軟件和國產(chǎn)MWORKS 軟件的功能響應(yīng)度進行了對比，如表1 所示?？梢钥闯?，國產(chǎn)軟件均能滿足課程建設(shè)需求，因此MWORKS 軟件具備替代國外軟件的基本條件。

Table 1 A comparative assessment of the responsiveness of two industrial software applications in meeting the requirements of curriculum development表1 兩種工業(yè)軟件滿足課程建設(shè)要求的功能響應(yīng)度比較

2.2 對比成果形式，實現(xiàn)軟件替代化

軟件功能得到滿足后，產(chǎn)生成果的對比效果便成為課程建設(shè)中評價軟件的基本要素之一。在進行成果展示時，展示度，即人的主觀視覺效果是重要因素，因而對軟件的需求層次②和③的結(jié)果對比，即是課程建設(shè)中國產(chǎn)軟件能否順利替代國外軟件的重要環(huán)節(jié)。在該教學過程中，主要采用曲線圖和色彩圖的形式對響應(yīng)度進行對比，如果滿足教學要求，則能夠?qū)嵤﹪廛浖娲?。? 給出了兩種工業(yè)軟件滿足課程建設(shè)要求的結(jié)果形式響應(yīng)度比較情況［5-6］，可以看出，國產(chǎn)軟件完全滿足課程建設(shè)需求，因而能夠進行軟件替代，推進后續(xù)教學工作。

Table 2 A comparative assessment of the form-based responsiveness of two industrial software applications in meeting the requirements of curriculum development表2 兩種工業(yè)軟件滿足課程建設(shè)要求的結(jié)果形式響應(yīng)度比較

2.3 對比應(yīng)用效果，實現(xiàn)專業(yè)思政化

通過上述可以看出，在天線課程教學過程中，國外軟件和國產(chǎn)MWORKS 軟件對于所提出的功能均能完全滿足，并且應(yīng)用效果相同，因此在教學及科研領(lǐng)域，國產(chǎn)MWORKS 軟件完全可以替代國外軟件。國產(chǎn)軟件達到了這種要求，在教學過程中有必要對學生進行相應(yīng)的思政教學，主要采用類比的方式進行，內(nèi)容上選擇典型的案例，主要通過“國貨”“洋貨”的競爭關(guān)系和斗爭關(guān)系的歷史脈絡(luò)及對應(yīng)案例介紹，使學生明白，由仿制到創(chuàng)新到超越是產(chǎn)品發(fā)展的一條典型路徑，科研工作也可以按照這種路徑進行，關(guān)鍵是要解決主觀能動性的思維問題。

關(guān)于“國貨”“洋貨”的競爭關(guān)系和斗爭關(guān)系的概念闡述如下：競爭關(guān)系是指在符合WTO 認可的市場經(jīng)濟條件下，產(chǎn)品供應(yīng)商通過市場要素的優(yōu)化配置與組合，最終使得性價比更好的產(chǎn)品占領(lǐng)市場；而斗爭關(guān)系相比而言則毫無規(guī)則和共識可言，供應(yīng)商之間相互傷害，最終占領(lǐng)市場的產(chǎn)品供應(yīng)商則最無下限。

基于上述概念，在教學過程中，關(guān)于“國貨”“洋貨”的競爭關(guān)系和斗爭關(guān)系的歷史脈絡(luò)和對應(yīng)案例可以采用如下方式介紹：

（1）日本對我國比亞迪公司“海豹”電動汽車的逆向工程。日經(jīng)BP 社（日本規(guī)模最大的出版社）推出了一本新書，名為《中國BYD SEAL（海豹（參數(shù)｜圖片））徹底分解（全體編）》，書中詳細記錄了日本工程師對比亞迪純電動中型車“海豹”的全面拆解過程。2005 年，比亞迪逆向開發(fā)豐田的王牌車型“花冠”，推出了F3 轎車。而在2023 年，比亞迪卻成為日系車學習的對象。從“模仿”、“追趕”到“超越”，中國車企終于在新能源技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了“彎道超車”［7］，這體現(xiàn)了產(chǎn)品之間的競爭關(guān)系，最終會給消費者提供更好的汽車。

（2）中國高鐵從引進技術(shù)到輸出標準的過程。2022年，國際鐵路聯(lián)盟（UIC）發(fā)布實施由我國主持制定的UIC標準《高速鐵路設(shè)計 基礎(chǔ)設(shè)施》（IRS 60680：2022），該標準是高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計領(lǐng)域的首部國際鐵路標準，也是繼《高速鐵路設(shè)計 通信信號》（IRS 60681：2021）之后發(fā)布的第2 部UIC《高速鐵路設(shè)計》系列國際標準，彰顯了我國鐵路在推動標準國際化、促進制度“軟聯(lián)通”方面的新?lián)?、新作為。截?023 年6 月，我國累計主持制定UIC 標準31 項（其中14 項已發(fā)布實施），累計參與制定UIC 標準30 項，我國主導或參與的標準數(shù)量和質(zhì)量顯著提升［8］，同樣，這體現(xiàn)了標準——產(chǎn)品體系之間的競爭關(guān)系，最終會給消費者提供更好的高速地面出行工具。

（3）中國C919 大飛機的研制過程。C919 飛機項目自2010 年啟動以來，歷經(jīng)10 余年，從概念設(shè)計到制造建筑，每一個環(huán)節(jié)都經(jīng)歷了無數(shù)的磨煉和挑戰(zhàn)。C919 商用客機的研制是中國自主科技創(chuàng)新和自主品牌建設(shè)的重大成果，其對于全球民用航空領(lǐng)域的推動具有重要戰(zhàn)略意義［9］。這個事例體現(xiàn)了我國一貫秉持的產(chǎn)品良性競爭理念，努力為世界提供更好的空中交通工具，而歐美針對該機型在適航證上設(shè)置障礙，則體現(xiàn)了其斗爭關(guān)系的價值觀。

國貨占領(lǐng)市場，技術(shù)上的先進性必不可少，但是對于國人情懷的集成也是不可或缺的。國貨的質(zhì)量安全性、政治可靠性、風險可控性、產(chǎn)業(yè)鏈齊套性等特性都是質(zhì)量體系中的關(guān)鍵因素，同時也是降低隱形成本和邊際成本的重要組分。國產(chǎn)軟件在哈爾濱工業(yè)大學的專業(yè)課程教學過程中對國外軟件進行替代，也是國產(chǎn)軟件發(fā)展的一個里程碑式的成果，說明國產(chǎn)軟件在精準投放市場和培育潛在客戶方面獲得了巨大成功，該過程也展現(xiàn)了產(chǎn)品之間的“競爭關(guān)系”到“斗爭關(guān)系”的演變歷程。

2.4 講解教學案例，實現(xiàn)課程思政

在學生已了解國產(chǎn)軟件先進性和進口替代重要性的前提下，趁熱打鐵，實現(xiàn)專業(yè)+思政的課程思政教學。應(yīng)采用案例教學法，深入挖掘課程中與時政聯(lián)系緊密的專業(yè)知識案例，將其與思政教育相結(jié)合，并基于國產(chǎn)軟件MWORKS 進行仿真，從而達到“專業(yè)+思政+進口軟件替代”相結(jié)合的課程思政教學效果。

3 案例應(yīng)用效果

3.1 本科課程的軟件應(yīng)用替代

2023 年春季學期，在哈爾濱工業(yè)大學本科生專業(yè)必修課微波天線及無源電路仿真課程中引入MWORKS 軟件對國外軟件進行替代，實踐課程題目是“圓形口徑拋物面天線的口面利用系數(shù)仿真研究”，該課題需要采用軟件編程進行科學計算，然后繪圖分析。在授課過程中，教師根據(jù)學生的仿真結(jié)果，對比了計算程序、計算結(jié)果和繪圖的展示效果，證明了國產(chǎn)軟件MWORKS 在該領(lǐng)域完全可以替代國外軟件，對學生進行了“國貨”與“洋貨”的競爭關(guān)系到斗爭關(guān)系的轉(zhuǎn)變相關(guān)內(nèi)容的教育，然后又引入了我國“一帶一路”倡議的典型成果——阿爾及利亞“阿星一號”天線的照片及介紹社會效益，比較了“國貨”與“洋貨”具有的競爭和斗爭關(guān)系，說明了國貨替代洋貨還與政治緊密相關(guān)，從而提升了學生的經(jīng)濟與政治關(guān)系的思維能力，取得了良好的課程思政效果。

軟件應(yīng)用替代的案例表格、圖片以及“專業(yè)+思政”的切入點如下：

國家貨幣作為一個國家最直接的文化符號，不僅承載著一個國家的歷史底蘊，也彰顯著本國最突出的成就和榮耀。正如，由中國電科39 所研制的阿星一號通信衛(wèi)星地面站天線圖案，出現(xiàn)在了北非國家阿爾及利亞新版500 第納爾貨幣上?？此破胀ǖ漠嬅?，卻凸顯了該國對中國通信衛(wèi)星技術(shù)的肯定，也是對中阿兩國深厚傳統(tǒng)友誼的再一次鞏固。2017 年12 月，阿星一號成功發(fā)射，逐步服務(wù)于阿爾及利亞廣播電視、寬帶接入、移動通信、視頻會議、應(yīng)急通信、導航增強等行業(yè)領(lǐng)域，為推動國家經(jīng)濟發(fā)展、民生改善、社會進步發(fā)揮了重要作用。2020 年5 月，該星為阿爾及利亞新開通的國家遠程教育頻道提供上星播發(fā)服務(wù)，為全國因疫情停課的中小學生提供學業(yè)輔導，讓該國民眾切實感受到兩國航天合作帶來的便利與實惠。39 所研制的地面測控站天線主要用于阿星一號的衛(wèi)星地面測控和管理，中國衛(wèi)星系統(tǒng)登上貨幣，是科學技術(shù)發(fā)展造福世界各國人民生活的美好見證，也是加強同“一帶一路”沿線國家和地區(qū)開展多層次、多領(lǐng)域務(wù)實合作的有力注釋［10］。

該部分使用的軟件功能為：根據(jù)式（1）、式（2）計算，繪制曲線，結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)國外軟件的計算結(jié)果和國產(chǎn)軟件的繪圖可知，兩者是吻合的。

Fig.2 A comparative analysis of the results obtained from domestic software MWORKS and foreign software for scientific computation and curve plotting圖2 國產(chǎn)軟件MWORKS與國外軟件科學計算與繪制曲線結(jié)果比較

3.2 碩士課程的軟件應(yīng)用實踐

2022 年秋季學期，哈爾濱工業(yè)大學在碩士生學位課天線理論與技術(shù)課程的授課過程中引入MWORKS 軟件進行了實踐應(yīng)用。其中有根據(jù)復(fù)雜函數(shù)關(guān)系繪制3D 方向圖的題目，采用MWORKS 軟件繪圖效果很好，與專業(yè)的電磁場仿真軟件CST microwave Studio（下文簡稱CST）繪制的3D方向圖類似。碩士生是未來企事業(yè)單位研發(fā)工作的主要承擔者，國產(chǎn)軟件MWORKS 在碩士生課程實踐環(huán)節(jié)的成功應(yīng)用，對企業(yè)而言，屬于精準投放廣告和培訓潛在用戶，對學生而言，則屬于典型的愛國主義及家國情懷教育。

該部分使用的軟件功能為：根據(jù)式（3）、式（4）計算，繪制3D 方向圖，結(jié)果如圖3 所示。根據(jù)CST 軟件的計算結(jié)果和國產(chǎn)軟件的繪圖可知，兩者是吻合的。

Fig.3 A comparative evaluation of the 3D directional mapping results obtained from the specialized electromagnetic field simulation software CST and the domestic industrial software MWORKS圖3 專業(yè)電磁場仿真軟件CST和國產(chǎn)工業(yè)軟件MWORKS生成的3D方向圖效果比較

3.3 博士課程的軟件應(yīng)用創(chuàng)新

2022 年秋季學期，在哈爾濱工業(yè)大學博士生專業(yè)課現(xiàn)代天線理論與技術(shù)課程的授課過程中，在創(chuàng)新環(huán)節(jié)引入MWORKS 進行科學計算，這里的科學計算涉及大量復(fù)數(shù)數(shù)組的運算，運算結(jié)果通過曲線和2D 色彩圖、3D 彩色圖像進行展示，用以說明創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的電磁科學機理。需要強調(diào)的是，最終繪制的2D 色彩圖和3D 彩色圖像效果與專業(yè)電磁場軟件CST microwave Studio 仿真效果相當，與國外軟件繪制的2D 和3D 色彩圖的效果也類似。該教學實踐過程可以證明，國產(chǎn)MWORKS 軟件實現(xiàn)了科研過程中的軟件進口替代。

該部分使用的軟件功能為：根據(jù)式（5）—式（8），結(jié)合式（9）計算，繪制3D 方向圖及2D 色彩圖，結(jié)果如圖4—圖6 所示。圖4（a）和（b）分別是CST 軟件的計算結(jié)果和國產(chǎn)軟件的繪圖，圖5（a）（b）、圖6（a）（b）分別是CST 軟件的計算結(jié)果和國產(chǎn)軟件的繪圖，可見兩者也是吻合的。圖7 展示了文獻［11-12］中利用國外軟件繪制的同種類圖形，與國產(chǎn)軟件繪圖效果相比是等效的。

Fig.4 A comparative analysis of the 3D data visualization effects generated by the specialized electromagnetic field simulation software CST and the domestic industrial software MWORKS圖4 專業(yè)電磁場仿真軟件CST和國產(chǎn)工業(yè)軟件MWORKS生成的3D數(shù)據(jù)圖效果比較

Fig.5 A comparative analysis of the 2D data visualization effects generated by the specialized electromagnetic field simulation software CST and the domestic industrial software MWORKS圖5 專業(yè)電磁場仿真軟件CST和國產(chǎn)工業(yè)軟件MWORKS生成的2D數(shù)據(jù)圖效果比較

Fig.6 The 3D and 2D color mapping effects generated by the domestic industrial software MWORKS圖6 國產(chǎn)工業(yè)軟件MWORKS生成的3D及2D彩色圖效果

Fig.7 The 3D and 2D color mapping effects generated by the foreign software圖7 國外軟件生成的3D及2D彩色圖效果

4 結(jié)語

在哈爾濱工業(yè)大學天線本研課程教學過程中，將國產(chǎn)軟件MWORKS 與國外軟件的需求功能、成果形式、應(yīng)用效果進行比較，取得如下成果：①證明了MWORKS 軟件可以替代國外軟件；②通過在教學過程中引入“專業(yè)+思政”的課程思政教學案例，實現(xiàn)了“專業(yè)+思政+進口軟件替代”相結(jié)合的課程思政教學效果，一方面實現(xiàn)了軟件產(chǎn)品替代，另一方面教育了軟件的潛在高端用戶；③通過課程教學實踐，國產(chǎn)軟件應(yīng)用獲得了良好的教學效果和使用效果，為國產(chǎn)軟件MWORKS 替代國外軟件奠定了應(yīng)用生態(tài)基礎(chǔ)。后續(xù)將在教學過程中進一步深化國產(chǎn)軟件的應(yīng)用深度和廣度研究，為國產(chǎn)軟件由替代進口向超越進口作準備。